洪雷
广西博世科环保科技股份有限公司 广西南宁 530000
摘要
环保水务行业作为国家新兴战略产业，发展信息技术与大数据、人工智能在环保水务领域的技术融合与应用具有重要的战略意义。关于环保水务智慧化技术融合，可以按深度和广度等方面的技术差异分成四个不同的层次——信息化、数字化、数据化、智慧化。信息化与数字化为环保水务智能化提供基础技术支持；大数据与智慧化是环保水务智能化的高阶目标。环保水务智慧化技术融合的核心是数据的汇集应用与价值挖掘，如何保障数据质量和数据共享成为了面临的主要困难和重大挑战。
【关键词】环保水务；信息化；大数据；人工智能；智慧化
引言
环保水务行业作为国家新兴战略产业，在行业监管不断加强、各项成本持续上升和企业自身盈利模式固化等多重因素的影响下，对其设计、建设、运营管理等各个环节工作实施的优化提升和提质增效的需求变得越来越显著，而数字自动化、信息互联化、环保大数据挖掘及智能工业化等技术和环保水务行业的融合应用发展情况将成为该行业实现产业升级的决定性因素。
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。
由此，发展信息技术与大数据、人工智能在环保水务领域的技术融合与应用具有重要的战略意义，目前在环保水务行业形成了初步的“智慧水务”产业概念。
1、定义
“智慧水务”是指依靠物联网，把感应开关和配备置入到水务环境监管目标中，根据高性能计算机和云计算技术将环保行业物联网技术融合起来，完成人类社会与水务环境系统的融合，对实时生产数据、视频监控数据、工艺设计、日常管理等相关数据进行集中管理、统计分析、数据挖掘，为不同层面的生产运行管理者提供即时、丰富的生产运行信息，为辅助分析决策奠定良好的基础，为企业规范管理、节能降耗、减员增效和精细化管理提供强大的技术支持，以便为细致和动态性的方法完成环境管理和决策，形成更完善的水务信息化综合管理解决方案。
关于环保水务智慧化技术融合，可以按深度和维度等方面的技术差异分成四个不同的层次——信息化、数字化、数据化、智慧化。
2、信息化与数字化为环保水务智能化提供基础技术支持
2.1信息化平台
信息化是指建设计算机信息系统，将传统水务项目业务中的流程和数据通过信息系统来处理，将线下的办公与管理内容软件化，沟通联络网络化，但信息化并没有改变业务的逻辑和本质，更多的是提升了业务的处理效率，相当于将人工手动的过程搬进系统。在一定的深度和广度上利用计算机技术、网络技术和数据库技术，控制和集成化管理生产经营活动中的各种信息，能实现内外部信息的共享和有效利用。
信息化平台——目前而言，当下水务行业领域所提及的“智慧水务”的建设深度，实际上绝大多数可认为是建立了信息化平台。利用信息化平台可实现项目全过程中所有信息和数据的汇集和共享，以及实现将业务流和工作流网络化和软件化，利于在项目中的各个参与方更实时、更高效地进行办公与协作。
2.2数字化与数字孪生
数字化就是把物理系统在计算机系统中仿真虚拟出来，在计算机系统里体现物理世界。是否人工录入数据，是区别信息化和数字化的标志。用智能传感器、视觉识别等在线传感技术自动采集全程现实数据，形成计算机里的数字孪生，现实发生变化则计算机里的数字孪生跟随变化，在计算机里操作数字孪生，现实世界自动同步反应。信息化仅仅是对于业务的信息化的搭建与管理，并未对产品对象资源等其他信息进行数字化。数字化转型是通过数字技术的深入运用，构建一个全感知、全联接、全场景、全智能的数字世界，进而优化再造物理世界的业务。
例如部分水务公司开始建设的“数字水厂”，利用了数字孪生的技术从工厂规划设计、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，通过打造数字3D虚拟水厂、工艺仿真和设备资产数字模型等三个维度的数字孪生，实现水厂的运营透明化、生产精益化和工程一体化。数字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。
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。
但是不难发现，信息化和数字化最重要的共同特性是不具备自动决策的能力，只是作为一种辅助决策的工具，最终的分析和决策还是依赖于人脑进行。
3、大数据与智慧化是环保水务智能化的高阶目标
3.1大数据挖掘
大数据是将数字化的信息进行条理化，通过智能分析、多维分析、查询回溯，为决策提供有力的数据支撑。大数据还可以理解为一套工作的流程，数据采集、传输、清洗、储存、调用、处理、应用等，构成了一个完整的基于海量数据的处理流程和工作应用程序，有点从量变到质变的色彩。大数据涉及到了执行层的概念，以数据分析为切入点，通过数据发现问题、分析问题、解决问题，打破传统的经验驱动决策的方式，实现科学决策。
智能型水处理系统运行过程中检测的指标较多，将会实时在线自动采集每个污水处理设施的各项数据，如PH值、流量、氨氮/总氮浓度、COD、悬浮固体浓度、溶解氧浓度、ORP、电机转速等；待这些数据积累到一定规模时，可针对不同需求，将收集到的百万级实时数据和历史数据，利用人工神经网络、机器学习、识别与算法技术，研发模拟不同现实场景的设备性能和系统大数据算法模型以及仿真系统，对数据进行筛选、计算、分析，再呈现在仿真系统里，来显示实时和过往运行的综合状况，并预测未来系统运行的走势。例如，系统中某一个环节的数据开始出现微小的波动，不足以触发告警，但是根据建模和仿真系统，可以预测并判断出未来该环节是否会出现问题，并给予应对建议，将问题尽量消灭在萌芽阶段，从而消除或降低该问题及次生问题所带来的负面影响，并以此降低为解决问题而额外投入的成本，进而保障水处理系统的运营安全稳定性和水处理效率；或者根据实际情况，自动调节加药频率和剂量，从而将运营成本控制在最经济范围内，并且能预测出后续一段时间内各项运营成本的需求信息，以提醒管理人员及时分配资源。
3.2智慧化与智能控制
智慧化=信息化+数字化+大数据+人工智能技术的综合交叉融合应用。智慧化是和数字计算、模型应用、人工智能、机器学习等一系列新技术连接在一起的，是从人工、自动到自主的过程。随着计算速度的提高，尤其是大数据、云计算的快速应用推进，人类在处理数字的能力方面有了质的飞跃，这个处理的速度和难度已经远远地超越了人类本身个体的能力，这些经过大规模数字模型计算的结果往往给人类的决策带来了巨大的帮助，用机器通过大规模计算来辅助人类决策、判断和预测是这几年发展最为迅猛的领域，而且可以预计在量子计算等工具广泛应用后，机器帮助人类做决策的颗粒度、复杂度和提前度都会有本质的再次提升。
由此，通过大数据挖掘和智慧化融合应用，可真正使环保水务领域实现技术革新，其本质是通过计算机网络技术使某些系统功能具备部分或全部取代人脑思考和决策的能力。
4、技术瓶颈与难点
环保水务智慧化技术融合的核心是数据的汇集应用与价值挖掘，而如何保障数据质量和数据共享是将面临的主要困难和重大挑战。
第一个是数据质量的问题。受限于当前市场上的各类仪表传感器的测量精准度参数参差不齐，很不利于收集到能够真正如实反映项目系统的真实特征；其次是数据清洗/筛选的规则的制订目前在行业内没有总结出一套很高效或标准化的方法，使得数据的质量不能很好地得到保证，进而使得智能化技术融合应用的效果大打折扣。
第二个是数据共享难的问题。由于涉及数据信息安全性问题，大数据的实际使用过程中，需跨部门或机构将环保水务数据传送给相关的用户、软件以及各种设备，在这个过程中易造成关键技术信息或者敏感信息的泄露，所以很容易面临关键数据无法共享而产生大量数据缺漏的问题。这对于大数据的模型建立，乃至于对机器学习形成根本性的影响。
5、结语
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，环保水务智慧化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。
随着水务行业进入创新黄金期，以大数据、云计算、物联网和人工智能为技术驱动，传统水处理行业将开启人工智能新时代。跳出传统水务的框架思维，激活沉淀的数据价值，实现多元化数据的融合与深度挖掘，可预见的是在未来临近的时期，信息技术与大数据、人工智能在环保水务领域的技术融合与应用将得到越来越多的涌现，最终实现真正环保水务产业智慧化，彻底完成产业升级转型。
【文献】
【1】西门子数字化工业集团. 西门子数字化水务白皮书[P]，2021：11-13.
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