西门子数字化水务白皮书.pdf

西门子数字化水务白皮书Siemens Digital Water White Paper 西门子数字化水务白皮书 2目前世界正面临着百年未有之重大变局，而资源和能源始终是一个国家、一个民族发展的头等大事。从蒸汽机时代、电气化时代、信息化时代到如今的数字化时代，每一次工业革命的出现都给人类社会各领域带来了深远影响。随着制造业升级到了工业 4.0 阶段，数字化水务已经成为水务行业发展的热点，利用 5G、云计算、人工智能和区块链等先进技术提升水务企业的效率和竞争力，代表了未来行业的发展方向。2021 年 3 月 12 日发布的中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要从国家层面对数字化和水务行业提出了具体要求。纲要明确指出：加快推动数字产业化，推动数据赋能全产业链协同转型；加快发展方式绿色转型，全面提高资源利用效率，实施国家节水行动，建立水资源刚性约束制度，强化农业节水增效、工业节水减排和城镇节水降损，鼓励再生水利用，单位 GDP 用水量下降 16%左右。在“十四五规划”和“碳中和”目标的宏观愿景之下，水务企业如何在完成自身数字化转型的同时，实现节能环保的绿色可持续发展，以达到社会效益和经济效益的双赢，的确是对我们每一个人智慧的考验。呈现在读者面前的这本西门子数字化水务白皮书集中汇聚了作为水务领域应用专家及数字化解决方案的领先者西门子公司对目前中国水务行业的理解和经验。本书系统分析了水务行业面临的数字化挑战，分享了西门子水务行业数字化转型方面的成功经验，并对水务行业数字化做了详尽的全方位解读，为未来全行业的综合服务提供了一站式的数字化技术解决方案。希望本书能为今后中国的水务行业向数字化方向健康发展，贡献出西门子的智慧与绵薄之力。我们期待和业界一起推动中国水务行业的绿色发展！西门子数字化工业集团序言3 西门子数字化水务白皮书 第一章：数字化 水务行业的未来之路.51.水务行业的现状不容乐观.52.水务行业痛点与挑战.53.水务行业数字化转型 大势所趋.6第二章：数字化水务第一步 数字化咨询.7第三章：多维度解读数字化水务.81.什么是水务.82.水务价值链的原理与框架.83.什么是数字化水务.84.数字化水务应用曲线.9第四章：数字化水务中的使能技术.111.面向未来的使能技术.112.数字化水务中应用的使能技术.11第五章：数字化水务核心要素.141.数字化水厂一体化运维平台.142.水厂数字化资产管理平台.153.数字化泵站系统.164.供水管线漏损监测解决方案.175.水务人员实时定位系统.186.数字化水务网络架构.197.数字化水厂工艺仿真与优化.198.水务数字化的基石.209.水务数字化的可靠保障.2110.水务行业工业物联网平台.2211.水务行业设备智能运维.23目录 西门子数字化水务白皮书 4第六章：未来，数字化水务的春天.261.数字化潮流势不可挡.262.数字化水务的愿景展望.26第七章：数字化水务价值案例展示.27案例一：全生命周期数字化双胞胎打造中国数字化标杆水厂.27案例二：RTLS 实时定位系统守护地下水厂的人员安全.29案例三：挖掘数据的价值 数字化泵站让供水更高效、更安全.30案例四：数字化勾勒未来水厂新画卷 成都西汇水环境数字化之路.32案例五：SIMATIC PCS neo 为庐山水厂插上数字化的翅膀.34附录：西门子工业数字化领域主要并购、研发大事记.36目录主 编：姚 峻副主编：Marcel Glathe 贾晋昭 王晓玲 编 委：秦新鸿 吴文超 徐振胤 李 漓 刘 丹 焦 洋 栗鹏霞 张建华 岳 圣 李晨辉 范顺杰 闻 博鸣 谢：本白皮书在撰写过程中得到了CONTROL ENGINEERING China的大力支持，在此表示感谢！5 西门子数字化水务白皮书 第一章数字化 水务行业的未来之路1.水务行业的现状不容乐观当今的中国正站在“两个一百年”的历史交汇点，但在我们的身边却深藏着一个影响经济发展的巨大隐患 水资源短缺。预计到 2030 年，我国人口的峰值将达到 15 亿左右，人均水资源量将接近或达到世界公认的用水警戒线，水资源短缺将日益成为制约我国经济社会发展的重要因素。根据最新发布的2021 年联合国世界水发展报告，在过去 100 年中，全球淡水使用量增长了 6 倍。全球超过 20 亿人深陷缺水困境，解决水资源短缺危机刻不容缓。数据显示，到2030年，如果不采取任何措施，人类用水缺口将达到 40%。到 2050 年，全世界将有57 亿人每年至少有一个月遭遇严重缺水。众所周知，我国是一个水资源严重短缺的国家，水资源总量为 2.8 万亿立方米，人均水资源占有量为2077.75 立方米/人（2019 年），仅为世界人均水平的 25%，甚至低于沙漠国家以色列。气候变化和极端气候现象频发使水资源时空分布更加不均，加之水与人口、土地资源不匹配，水资源空间分布格局与经济社会发展格局不匹配等问题，加剧了我国水安全形势的严峻程度。随着中国经济的持续高速发展，工业化、城镇化的进程的加快，水资源短缺和污染问题愈发严重。80%的污水未经净化处理而直接流入河流、湖泊和海洋。在全国调查评估的 700 多条主要河流中，近 50%的河流段和 90%以上的城市河岸水体受到污染。加大对净水流域和水基础设施的投资，大幅提高用水效率成了水务行业的当务之急。2021 年 1 月，国家发展改革委联合科技部、工业和信息化部、财政部、自然资源部、生态环境部等九部门共同印发了关于推进污水资源化利用的指导意见，对全面推进污水资源化利用进行了部署。指导意见明确指出，到 2025 年，全国污水收集效能显著提升，县城及城市污水处理能力基本满足当地经济社会发展需要，水环境敏感地区污水处理基本实现提标升级；全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到 25%以上，京津冀地区达到 35%以上；工业用水重复利用、畜禽粪污和渔业养殖尾水资源化利用水平显著提升；污水资源化利用政策体系和市场机制基本建立。到 2035 年，形成系统、安全、环保、经济的污水资源化利用格局。从污水治理的工业角度看，没有不能净化的污水，但所有的污水净化都是以付出能源为代价。然而更残酷的现实却是，中国还是一个能源紧缺的国家。今后我们必须从可持续发展的角度审视和处理污水，这就倒逼我们必须以更加科学、更加现代化的方式对待污水这种资源，使其达到再次利用的目的。在“开源”的同时，节约更多的水资源。2.水务行业痛点与挑战从社会和经济发展的角度来看，2020 年注定是人类历史上值得铭记的一年。随着新冠疫情的出现，工业时代历经百年形成的全球经济体系和工业体系出现了不同程度的滞缓，与此同时，随着数字化技术的成熟与普及，2020 年也成为了工业文明向数字文明演变的一个分水岭。在这个历史转折点，如果把 2002 年原建设部发布关于加快市政公用行业市场化进程的意见算作中国水务市场化的元年标志，我们不妨回顾一下中国水务行业经过近二十年的发展到今天的现状。中国水务行业经过近二十年的发展，技术和设施虽然在节能减排、升级换代、助力智慧城市建设方面，都进行了不同程度的改造与提高。在资源整合与共享方面，水务行业的初期，曾经以自动化控制为核心，着眼于工艺优化以及生产效率的升级改造；而近年来开始着眼企业信息化，在企业资源管理、移动应用、算法应用方面进行更新换代。西门子数字化水务白皮书 6但同发达国家相比，我国水务行业还基本上处于的初、中级阶段的发展阶段，总体来看整个行业还处于粗放经营层次，很多问题仍然是积重难返。在数字时代如何解决中国目前缺水、水浪费、水污染、能源紧张的现状，水务行业能否实现“弯道超车”依然任重道远。2020 年，中国推出了“新基建”战略，以 5G、大数据中心、人工智能和工业互联网列为新型基础设施建设的重点，其核心目标是为了实现数字世界与物理世界连通，构建起强大的数字生产力。即利用数字化技术和方法将工业系统通过虚实融合的方式进行交互展现，加快实现产业的快速迭代更新。中国“新基建”战略，虽然是对经济发展模式的调整，但并非仅限于拓展市场体系，同时也意味着更为严格的环保管控，更高的成本控制要求，更精细的处理工艺。众多传统领域亦如水务已经进入产能相对过剩阶段，行业洗牌在即。水务行业将面临前所未有的挑战。后疫情时代，我们面临的现状是，自动化和数字化正在重塑工业世界。随着中国经济规模的快速提升，我国水务行业的发展已经从“增量”走向“提质”，系统化、水厂和管网的整合、一体化进行污水处理、水务工程建设和运营维护的融合已成为今后发展的趋势，水务企业要如何转型才能真正搭上“新基建”这班驶向数字经济彼岸的列车？3.水务行业数字化转型 大势所趋随着我国城市化趋势以及在工业化进程中能源与资源矛盾的加剧，水务行业原有的工业模式不同程度都面临着自动化基础薄弱、数据碎片化难于梳理、运营成本无法精细控制、以高能耗为代价等诸多弊病，这也是摆在传统水务企业面前的艰巨挑战。水务企业急需通过数字化转型，提高水资源利用效率，合理利用污水再生资源，减少水资源浪费，以及加强预防性维护，为国计民生提供安全可靠的供水保障，助力中国经济实现可持续的发展。2020 年 12 月，中央经济工作会议确定的八项重点工作，其中第八项做好碳达峰、碳中和工作。我国二氧化碳排放力争 2030 年前达到峰值，力争 2060年前实现碳中和。会议指出，要抓紧制定 2030 年前碳排放达峰行动方案，支持有条件的地方率先达峰。要继续打好污染防治攻坚战，实现减污降碳协同效应。碳达峰碳中和目标的提出，有利于加速污染治理领域新工艺、新产品的研发，以降低能耗；还将促进再生水的循环利用，以及污水处理后剩余污泥的综合利用等。2021 年 3 月发布的中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要对水务行业的新发展提出了明确要求：加快发展方式绿色转型，全面提高资源利用效率，实施国家节水行动，建立水资源刚性约束制度，强化农业节水增效、工业节水减排和城镇节水降损，鼓励再生水利用，单位 GDP 用水量下降 16%左右。在贯彻“十四五”时期可持续的新发展理念、落实“新基建”战略发展方向的同时，实现碳中和的远景目标，是摆在水务行业面前的严峻的课题和挑战。秉承“创新改变行业、智慧引领发展、数字成就梦想”的理念，水务行业不断趋向“节能、降损、控漏、提效、环保”运营管理方式，向数字化、智能化稳步迈进：将水务运营工艺与操作流程数字化，将企业内部的人、事、物纳入数字化管理系统来提升管理效率；打造数据一体化、流程整合化、应用集成化、决策科学化管理模式，让水务企业的运维、管理能力得到提升；并通过大数据、云计算等技术将信息在数字层面挖掘水务企业资产的价值提升潜力。从源头一直到用户端，在最大程度上提升水务公司的应急响应能力，涵盖包括管网抢修、水质安全监测在内的整个水循环周期。从而实现全面感知、泛在互联、普适计算与融合应用。在辅助决策之余，智慧水务还将与水环境系统中的实时控制模块相结合，辅助自动化控制。有鉴于此，未来水务企业的核心竞争力是通过水务物联网获取水网数据，以云计算和大数据分析提供长期决策支持和增值服务，这也是水务企业拥有核心竞争力的主场。随着“新基建”中 5G、大数据中心、人工智能、工业互联网不断融入数字化水务的各个环节，水务行业将进一步迎来发展的“黄金时代”。数字化转型是水务行业迫在眉睫的一场革命，其重要意义可以等同于水务行业中的“二次工业革命”。水务企业应以数字化引领、迈向第二次深度的可持续转型，构建数字化水务新业态。在紧跟趋势、韧性成长、加快数字化转型的过程中，选择适合企业的数字化解决方案也扮演着至关重要的作用。7 西门子数字化水务白皮书 第二章数字化水务第一步 数字化咨询数字化转型不是目的，而是企业解决自身问题和挑战，并释放生产力和效率潜能的重要工具和手段。数字化转型从一开始就要紧扣企业自身实际现状的天然属性，一套“放之四海而皆准”的解决方案显然无法“面面俱到”，满足每一家企业的个性化需求，尤其对于工艺和技术不尽相同的水务工业而言更是如此。因此，在开始水务数字化之前，做到“心中有数”，谋定而后动，才能尽可能保证数字化转型取得成功。这样，数字化咨询应运而生，它成为水务行业实施数字化转型的第一步。作为全球电气化、自动化和数字化的领先厂商，西门子为全球水务行业用户提供全面的解决方案，其自身在数字化领域也已实践多年，拥有丰富的实践经验和方法。而如今，西门子已经开始对外提供数字化咨询服务。西门子水务行业数字化咨询以 IT 和 OT 融合为主线，以省时、节约、高效和安全为四大原则，近期以工厂实际需要为侧重，远期以战略需要为侧重。服务内容包括：基于标准化和科学的咨询管控流程和步骤，西门子针对水务行业提供专业的数字化工厂顶层设计和咨询规划，帮助客户专业、合理、有序和稳健的推进数字化转型，目前已经具有一套经过实践检验行之有效的方法论。西门子通常会分五个阶段来给水务工业企业做数字化咨询，分别为：统一思想、现场调研、数字化评估、数字化路线图制定、咨询报告撰写。“五步走”数字化咨询方法论帮助企业一步步抽丝剥茧，将宏观的数字化战略转化成可落地实施的方案，并且对每个实施点进行相应的经济性和技术性的可行性分析，确保企业能够科学、顺利地实现数字化转型的目标。整个周期约为 10 到 12 周。这五个阶段从宏观战略和清晰实施思路角度出发，帮助企业一步一步抽丝剥缕，把战略转化成可落地实施的方案，并且对每个实施点进行相应的经济性和技术性的可行分析，最后确保企业能够非常顺利、合理、科学的来实现数字化转型的目标。当然，西门子对于客户的价值远不止于通过咨询形成数字化蓝图和实施路线图。更重要的是，西门子还具备可以为客户提供从数字化愿景到落地实施的一站式服务。西门子数字化水务白皮书 8第三章多维度解读数字化水务1.什么是水务在解读什么是数字化水务这个问题之前，我们先要搞清楚“水务”的概念。水务行业通常是指由原水、供水、节水、排水、污水处理及水资源回收利用等构成的产业链。从主要环节来看，水务行业又可分为原水生产与供应、自来水生产和供应、污水收集、污水处理、中水与再生水利用等多个环节。随着水资源短缺、城市化和基础设施老化日益成为人们的主要关注点，水务部门必须寻求优化工作的新方式，以找到运营成本、资产管理和支持节约用水之间的平衡点。要让水务行业更可持续、更加安全，就必须打造新一代的水务管理系统，接纳先进的数字化技术和解决方案。随着物联网、大数据、云计算及人工智能等新技术不断融入传统行业的各个环节，新兴技术和智能工业的不断融合，为水务行业带来了数字化变革的新契机。2.水务价值链的原理与框架在水务行业的价值链上，环境、水资源与水务公司相互关联，水务公司与其消费者相互关联，消费者又与环境相互关联。无论是物理基础设施、水质、服务还是其它，水务价值链上的所有关键节点都可以应用数字化水务技术。需要注意的是，水务价值链这个概念不仅涉及水务公司，还涉及水源（如流域等源头）和用户（如公共部门和用户）。国际水协会（IWA）在流域城市行动议程（IWA Action Agenda for Basin-Connected Cities)概述了水务价值链的原理，并提供了相应的行动框架，以便协调流域内的城镇、工业、农业和生态需求。今天我们生活中所用的所有水，都是来源于两个源头，一是大自然的恩赐，包括湖泊/河流等地表水、以及开采的地下水；二是经污水处理厂处理后的再生水。它们通过收集、处理和分配系统的水厂、水处理厂经过泵站与管道输入到终端用户，供农业灌溉、居民生活、工业、商业使用。而使用过的水，一部分通过自然蒸发和地表渗透又回到了大自然变成了地表水和地下水。一部分通过人工收集与处理变为再生水。二者殊途同归又回到了水源的起点开始了下一个循环，水务链的闭环就是这样周而复始。在上述整个水务链的闭环动态过程中，除了蒸发与渗透不需要消耗能源外，其它环节和过程都是以耗费能源（尤其是化石能源）为代价完成的。传统水务链运行的最大弊端在于：在整个过程中产生的不合理的能源消耗、设备损耗以及人员的支出。而数字化的水务链解决方案，可以将现有过程和环节的能耗降至最低，在提升水厂运营安全性和稳定性的同时，以更低的能耗获取更高的效率。随着低碳环保意识的提升及更多推动碳中和目标实现的相关法规的颁布，更多水务企业将积极推进数字化转型升级，以突破现有瓶颈，实现绿色可持续发展。理论上说起来很简单，但要真正在水务链上实现数字化方案并不简单。因为数字化水务不再是根据人为选取数据得出结论、做出反馈，而是围绕水务链上的三个不同阶段的即时数据，设计、调试、应用不同的数字化解决方案。其中最大的难点是建模评估。这里的模型，既包含了有明确物理意义的数学模型，也包含了以统计、机器学习为代表的数据驱动模型。也正因如此，数字化水务对于行业的专业性要求相对较强，行业的壁垒较高，非一般企业能涉足期间。3.什么是数字化水务水务行业通常由原水、输水、净水、供水、售水、排水、污水治理、再生水回收利用和相关管网建设与维护、甚至包括设备生产等一系列产业节点构成。如何在这些阶段和节点实现数字化，是水务企业转型升级中必须面对的挑战。9 西门子数字化水务白皮书 典型的数字化水务解决方案示例水源与环境收集、处理与分配 终端用户流域完整性遥感监测主动遥感监测包括温度、流量、PH值、硝酸盐等，可监测不同的深度。过程优化结合算法，水质传感器可以优化处理过程，减少资本和运营成本。数字化用户参与通过网络、移动设备、社交等方式实现与客户互动模式的数字化转型。预测性维护使用联网设备和维护方案，减少关键设备与管道的停工期和出错率。数字化水务产品与服务扩大水务公司价值主张涉及的范围，提供新的水务管理服务数字化劳动力经过数字化培训的专业人员通过利用现场的数字化系统来提高规划效率，更好安排进度，优化物流和更有效的管理。交互式需求管理借助用户分析和智能水表来匹配供需，识别用户终端漏水、潜在非付费用户等异常情况。数据集成层指灵活的跨企业集成层、模块化应用程序架构和集成表示层数字化双胞胎指数据集成、分析与可视化能力，帮助水务公司管理人员把控其所部署的智能系统在如此庞大的产业链中实现数字化转型，并不是一件容易的事情。以全生命周期的“数字化双胞胎”为核心理念构建起的价值主张和技术路线可以把数字化水务的未来描绘得越来越连贯、越来越清晰。经过多年的探索与实践，数字化水务企业从方法论到路线图，乃至产业全生命周期的数字化，都有了成熟的解决方案和应用案例。具体到数字化水务，就是水务产业链中的企业从工厂规划设计、工程工艺设计、生产、日常运维到服务的全生命周期所有环节，通过打造 3D 虚拟工厂、工艺仿真和设备资产数字模型等三个维度的数字化双胞胎，实现水厂的运营透明化、生产精益化和工程一体化。3D 虚拟水厂将整个实际工厂的设施、设备、工艺、管道和仪表等用三维可视化模型展现，还原水厂的真实面貌，实现运维人员的虚拟工厂巡检和操作员仿真培训。仿真水厂就是整个水厂的工艺机理维度的双胞胎，通过工厂的抽象仿真建模将现实水厂的工艺过程模型化，可以将真实接入的 DCS 与仿真的 DCS 实时对比，达到理论指导生产的目的。设备资产数字模型数字化双胞胎是水厂的关键设备资产建立全生命周期管理的数据模型，将设备在运维阶段的资料与设计阶段资料无缝衔接起来，运维人员可以直接打开整个产线，或者设备的设计图纸、电气原理图、P&ID 设计图等，而且设备的 3D 模型和 2D 图纸与说明书进行关联，实现了二维设计与 3D 虚拟工厂的交互。在数字化水务协作平台上，无论是虚拟端、真实端的数据、设计参数、质量参数、工艺参数等都集成在其中，虚拟和现实的结合作为闭环持续改善过程，如果在真实生产过程中发现产品问题，可以在虚拟端把产品设计进行修改并回馈到真实的生产过程中。反之如果在虚拟端出现问题，可根据实际生产时的数据反馈来持续改善原有的设计。4.数字化水务应用曲线水务企业对数字化解决方案和方法的应用程度各有不同。为了深入了解水务行业的数字化程度，国际水协会（IWA）对全球 40 家位于行业前沿的水务企业以及25 家水务机构开展了详尽的调查，结合高德纳公司（Gartner）2017 年的报告，整合出如下数字化水务应用曲线图。数字化水务应用曲线图旨在为现在和未来的水务企业提供行之有效的工具，帮助各机构评估其数字化程度，并为他们指明接下来的发展方向。该曲线图分为五个阶段，每个不同的阶段各有其典型特征。曲 西门子数字化水务白皮书 10线图为现在和未来的水务公司提供行之有效的工具，帮助各机构评估其数字化程度，并为他们指明接下来的发展方向。第一，尚未开始阶段：处于传统、遗留式基础设施，尚未实施数字化战略或技术。企业将数字化列为未来发展的优先任务，高层管理制定数字化升级战略，开展试点项目，探索数字化技术的应用。第二，基础阶段：开始在运营流程中运用数字化技术，发展在线监控能力，包括物联网、数据采集与监视控制系统。企业积极推动试点项目，向同行学习，从研究中学习。推动记录、计费等系统进行无纸化转型。确保用户和员工清楚了解企业的数字化发展方向。第三，机会阶段：重新设计大多数运营流程，以便实现数字化和自动化控制，使用分析工具进行流程优化。企业在这一阶段将巩固数据基础设施，以便进一步实现数字化应用；围绕数据驱动的目标实时调整水厂设施的运行。第四，系统阶段：充分部署了数字化技术，实现了流程间的自动化控制，根据数字化基础设施的需要开发内部资源与平台。水务企业通过数字化技术开发革新式的新型产品和服务；建立可不断演化的数字化框架，确保项目和数字化目标与业务战略相一致。第五，革新阶段：将数字化技术纳入整个企业的业务和运营流程，并将高级分析技术用于决策。在这一阶段，水务企业将通过数字化应用获得更大的效率提升，在不断学习数字化先进经验的同时，实现低能耗、高效益、可持续的绿色发展。如果说 IWA 的调查报告和高德纳公司绘制的成熟度曲线图比较细致地展示出了水务公司数字化程度的变化，那么在实践中，我们可以把水务公司数字化的进程粗略地划分为三个时期。早期（基础阶段）发展阶段的水务公司重点在于部署软件平台、新型传感器与智能水表。随着曲线逐渐上扬。中期（机会阶段）提高自动化程度、集成网络和改进内部基础设施等举措开始应用在系统中。水务公司的数字化程度也越来越高、数字化技术逐渐应用在流程内部和流程之间。后期（系统和革新阶段）数字化程度更高些的水务公司则成功地将 VR 和大数据等技术与自动化流程、决策制定结合起来。这些水务公司已经开始部署智能方案和构建起新型的数字化商业结构。这些分析体现了水务企业从几乎没有数字化基础设施，到实施系统性和变革性的数字化系统和战略的过程。11 西门子数字化水务白皮书 第四章数字化水务中的使能技术1.面向未来的使能技术什么是使能技术？它是从 Enabling Technology 直译而来。一般而言，使能技术是指一系列创新的、应用面广、具有多学科特性、为完成任务、实现目标的技术体系。它最明显的特征是：可以在不同领域快速形成衍生技术。使能技术不是一种具体技术，而是从技术创新链发展阶段中的一类技术，它具有举一反三的作用。使能技术对于一个行业的创新发展具有重要价值。使能技术虽然不是单一的一种技术，但它却是能使你快速达到目标的技术。使能技术还具有关联、交织、重叠等特性。越是在宏观领域，这一特点越是明显。目前我国使能技术的研究与应用主要集中在智慧城市数字平台的运行方面，而水务领域恰恰是智慧城市数字平台的一个方面，也是关系到国家、民生的宏观领域，因此我们必须深入研究和加快应用的步伐。2.数字化水务中应用的使能技术数字化的水务体系，可谓是对使能技术集大成最好的诠释，它把“大数据+物联网+云平台+移动化”以及人工智能、边缘计算等十几项最前沿的科技成果有机的融为一体，“使”每一项当今的新技术形成了合力，让以往不可思议的事情“能”了起来。在此“数字化”早已跳脱了二进制的概念，重新组合成为一种人类与世界互动的新方式。云计算云计算（Cloud Computing）是一种基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源，它甚至可以提供每秒 10 万亿次的运算能力。云计算使用户能够通过互联网远程访问和使用计算机硬件和软件，无需在本地购买、安装、运行和维护软件应用程序，并可根据所使用的服务量及使用时间支付服务费用。工业云计算是包括业务流程、事物和系统，在水务这个巨大的产业链条中，由于水的流动性，在设计和运行环节中，会产生海量的实时数据。而数字化水务系统基于工业云计算和工业人工智能的完美结合，能够为客户提供覆盖评估、咨询、集成、实施与数据服务一站式完整数字化解决方案。数字化双胞胎数字化双胞胎（Digital Twin）实际上是利用数字化技术营造出与现实世界对称的数字化镜像。数字化双胞胎的优势是可以通过一致性数据存储和集成数据模型，实现整个工厂的最新精确虚拟模型。支持在工程阶段运行仿真，从而大大缩短调试时间。在数字化水务企业的全过程中，数字化双胞胎更多的是要实现 IT 与 OT 的互联互通，打造端到端的价值链，形成从采购、订单、排产、仓储物流到用户的闭环信息流，将从设计、工程、生产、运维到服务的所有数据集成到一个平台，从而实现智能运维。在虚拟世界如何展现在现实世界中诸多复杂的生产环节与工艺？这就需要依靠数字化双胞胎。只有基于数字化双胞胎技术我们才可以将智能运维中的强化感知、优化控制、锐化运营等应用融入到水务企业的应用场景之中。在产品设计过程中实现产品质量预警，在产品生产中实现风险预测、参数优化和仿真模拟，以及在性能方面实现预测性维护，如异常预警和智能诊断。工厂数字化的优势在于其通过若干系统的集成，可生成实际现有工厂的数字化双胞胎模型，并可链接到以数据库结构导入的工程数据。从而可以验证数据，并且工厂运营商可以获得工厂的最新数字画面，进而实现全面优化运行，数字化模型还可以通过交互兼容软件工具为供水系统设计提供可靠的决策支持，并能根据人口增长和需求增加预测污水处理和污水量。西门子数字化水务白皮书 12物联网物联网（IoT）是指通过各种传感器、感应器、扫描器、识别技术、定位系统等各种装置与技术，实时采集需要各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，并同时可实施监控、连接、互动的过程。从而实现物与物，物与人的泛在连接，以及对物品和过程的智能化感知、识别和管理。数字化水务的实现，必须借助丰富而深厚物联网行业知识与经验，全面的行业洞察力以及丰富的大型系统实施经验。从战略的制定直至战略的设计与实施，帮助企业成功重塑其行业的未来，才可能通过数字化转型助力企业客户实现可持续增长。基于物联网构架上搭建起来的数字化水务，从数据精确采集到传输、处理、展现，每个环节都开启独特的数字化之旅。从战略制定、设计和原型制造，直至解决方案的制定与实施，将与客户共同制定、规划和交付，涵盖整个物联网价值链的端到端解决方案，包括从应用构思到开发与运行的所有方面。边缘计算边缘计算（Edge Computing），是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。边缘计算处于物理实体和工业连接之间，或处于物理实体的顶端。而云端计算，仍然可以访问边缘计算的历史数据。边缘计算是在高带宽、时间敏感型、物联网集成这个背景下发展起来的技术。对物联网而言，它意味着许多控制处理过程将在本地边缘计算层完成。这无疑将大大提升处理效率。由于更加靠近用户，还可为用户提供更快的响应，将需求在边缘端解决。在数字化水厂部分子系统中的应用，如 DPS 系统中的泵组预测性维护及故障诊断系统，泵组预测性维护技术、故障预诊断技术在模型化之后可以实时的对数据进行处理，一旦发现问题就会生成计算结论或人工的非 AI 诊断请求，并向云端推送。同时，第三方 PLC 和DCS 的数据，也可以通过边缘端计算向其他子系统、中心系统和云端进行数据交换。边缘计算可节省云端计算的资源、减轻云端的负荷，也是未来数字化技术的发展方向之一。虚拟现实/3D 仿真 虚拟现实技术（Virtual Reality），是利用计算机生成一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，并允许其交互地观察和操作的虚拟世界的技术。虚拟技术在水务行业中生命周期的开始直到周期的结束，即从设计制造、到培训运营和维护的每个阶段都有所应用。它可以让使用者更好地理解、应用数字化技术，并减少错误。混合虚拟和现实物理环境的服务，还能帮助使用者练习和熟悉操作复杂或远程的设备。通过虚拟现实系统可实现装配工艺的模拟和优化、提高概念设计的效率、精简设计单位和更加有效地进行工厂规划。如果工厂在规划阶段出现问题，改动设计付出的代价会很高昂。而通过虚拟现实/3D 系统，能够对产品进行制造前的虚拟评估，以确保相应的设备规格得到满足，避免代价高昂的错误。通过沉浸式的虚拟现实/3D 仿真系统，工厂运行人员不仅可以训练在特定的制造环境下如何应对突发的紧急情况，还可以了解不同的应对措施对于运营的影响。利用虚拟现实技术构建水务安全作业虚拟仿真训练系统，还支持多人在线交互式训练功能，能够测试团队协作及沟通能力。虚拟现实技术还提供了在实际环境中不存在的工况下培训运营人员的机会，无论设施正在建设中，或是在偏远地方，都能有效解决员工培训的成本、安全和效果问题。设备检查、工作指导和员工培训是虚拟现实技术应用的优势领域。制造业中虚拟现实的早期采用者已经证明，将这些先进的技术用于员工培训将有助于弥合员工技能差距，并改变员工的培训和评估方式。它有助于降低成本，以及实现更高效和安全的运维，这些优势将贯穿在数字化水务管理的每一个环节。实时定位实时定位系统是未来智能工厂的关键组件。它通过室内外精确定位，实现对工厂内设备、人员、工件、物料等实时连续跟踪，生成轨迹路线图，并将定位数据发送给上层的软件系统，结合数据分析，进而提供可视化及精细化生产管理能力。实时定位系统解决方案是基于简单架构网络的弹性可扩展定位平台，可提供定制定位解决方案所需的组和服务，提供一站式解决方案。该系统可以提高现场巡检维护安全性及工作效率，实现工作现场可视化和工13 西门子数字化水务白皮书 作过程自动记录，为数字水厂各创新业务应用提供位置信息采集基础环境，为工人安全与减员增效相结合提供平台保障。工业识别与定位成为促进制造业数字化的关键技术。帮助企业改善生产过程和整个物流，使全范围、全过程实现数据可视化，提高时效性，并且避免错误。实时定位系统适用于复杂工业环境，真正做到高精度实时定位。智能分析智能分析通常是指通过计算机图像视觉分析技术，将场景中背景和目标分离进而分析并追踪在摄像机场景内出现的目标。智能分析技术用于视频监控方案通常有两种：基于智能视频处理器解决方案的嵌入式系统；基于工业计算机的解决方案。在嵌入式系统方案中,视频分析设备被放置在 IP 摄像机之后，而基于工业计算机的解决方案只能控制若干关键的监控点。基于“云”的应用，数字化水厂可采用很多智能化的技术，通常其智能分析有三个层次：一个是强化感知，从认知到传感；一个是优化控制，从精准到最佳；一个是锐化运营，从专业到协同。智能分析系统利用水厂海量的历史数据，通过对设备运行状态的预测预警模块与智能排查诊断模块，不仅能及时预测预警运营中的故障风险，还能帮助企业高效诊断故障原因并指导其进行维修维护，从而有效控制风险、达到降本增效的目的。人工智能人工智能（Artificial Intelligence）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。作为计算机科学的一个分支，AI领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。近年来，随着计算机算力的大规模发展及算法的不断突破，AI 得到了快速发展，这为水环境污染防控、水质安全保障、涉水设施优化重构及流域生态系统管理等技术的研发和创新提供了强大的工具。借助机器学习和人工智能，结合往年的大数据，可以为特定的水务场景构建 AI 模型，对水质进行自动化监控和评估，从而提升水厂优化水质的空间，为居民提供更好的用水质量。搭载物联网和 AI 的应用技术，有助于彻底解决饮用水水质安全和远程运维难的问题。水务场景监管对象数量多且分布广泛，基于数据驱动的 AI模型，可更好的实现水域侵入识别、水位线测量、漂浮物监测等智慧水务管理应用。AI 技术的迅速进步，为水环境风险防控、水质安全保障及水系统优化管理等技术从微观到宏观的发展与应用注入了新的活力。区块链区块链（Blockchain）本质上是一个去中心化的数据库。是一种分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。通过区块链技术将全水务的运行数据上链，构建可证可溯的电子证据存证，促进水务涉及的机构间信息的横向流动和多方协作。水务企业对传感器和大数据的使用需要数据的可靠性、可访问性和分析性，这在一定程度上可以通过区块链系统进行管理，区块链技术可以实现对数据获取的权限管理，为用户的数据提供有效的隐私保护与数据确权，使用这种分布式分类帐技术可以使数字化资产管理更加可靠。安全的区块链系统可以降低黑客攻击、数据破坏的风险，并提高透明度。区块链正在数据共享、水交易、大坝管理、污水监测和污染控制等水务行业的各个应用层面上进行探索。作为智慧水务环节上的重要一环，区块链技术有助于水务企业能够消除长期嵌入运营成本和资源的中介机构，从根本上改变企业交易互动以及管理和运营资产的方式。5G 赋能5G 是新一代信息通信技术，其更大容量、更多连接、更低时延的特性在给用户带来极致网络体验的同时，也为智慧水务注入了新的动能。智慧水务是通过数采仪、无线网络、水压表等在线检测身上实时感知供排水系统的运行状态，采用可视化系统的方式呈现整个运行流程。传统的无线网络通信无法满足水厂控制类业务安全隔离和差异化的网络需求。5G 技术能够帮助水务行业的运营变得更加灵活并兼顾效率，同时提高安全性并降低维护成本。依托 5G 高带宽、低时延、大连接的技术特性，结合NB-loT 以及网络切片和边缘计算两大关键技术，可方便实现水厂的远程控制、监控及重新配置，让智能装置及设备结合云端优化算法实时自我优化。5G 技术可以满足智慧水厂管理和生产各个环节中对安全性、可靠性和灵活性的需求，为智慧水务的发展带来更优的技术解决方案以及更加丰富的应用场景。西门子数字化水务白皮书 14第五章数字化水务核心要素1.数字化水厂一体化运维平台 西门子 SIWA Xphere西门子 SIWA Xphere 是一套可订制的水厂数字化双胞胎平台，是基于仿真模型建立起水厂数字孪生和根据水务特点整合的运维平台。利用模型实现虚拟生产、模型优化、数据整合、仿真培训，并提供对西门子所有子系统模块的数据连接和一键登录。操作员可以在仿真水厂系统里和真实水厂一样地输入控制指令，调整控制参数，观测控效果。除了培训功能以外，该系统可延伸至基于模型的智能生产、智能加药等功能，同时可实现水厂数字化交付，是一个可定制的水厂数字化运管系统。特点如下：适用水厂/污水厂的一体化数字孪生运维平台 可一键登录并整合所有西门子水务数字化应用（如SIMIT,COMOS,SIWA,PCS 7,PCS neo）开放架构可集成水行业常用第三方数字化应用（如GIS,BIM,DCS，兼容市场主要的 DCS 系统，借助第三方模型提升水厂智能，如：Intouch，Rockwell RS View）支持第三方，如 Bentley BIM 三维到二维的集成 真正的多人操作仿真培训考核环境，支持量化的培训考核管理及轻量级的能力管理 虚实水厂的实时对比助力运营决策和水厂智能，虚拟化的架构方便日常维护和未来扩展 一体化工程方法实现高效无缝的数字化水厂工程实施和交付 拖拽式可配置的工作空间，定制化的运营面板及清晰的用户管理 真实水厂与虚拟水厂的实时对比 虚拟生产基于仿真模型建立起水厂数字孪生，利用模型实现虚拟生产。源于水厂模型的运行及全真的 DCS 界面及后台逻辑，虚拟水厂可以反馈与真实水厂相似的控制结果，甚至通过模型的加速获得未来某