【ZiDongHua 之方案應(yīng)用場收錄關(guān)鍵詞：水利水務(wù) 智慧供水 】

　　

　　

　　2023年12月11日，工業(yè)和信息化部辦公廳公布2023年先進(jìn)計(jì)算典型應(yīng)用案例名單，安徽舜禹水務(wù)股份有限公司申報(bào)的案例節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)，成功入選城市大腦領(lǐng)域典型應(yīng)用案例。

　　

　　一

　　

　　案例簡介

　　

　　為有效改善居民用水質(zhì)量，切實(shí)解決高峰期缺水問題，穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，降低管網(wǎng)老化速率和漏損風(fēng)險(xiǎn)，有效節(jié)約供水過程能耗，舜禹股份自主研發(fā)了節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)所具備的諸如提高供水效率、節(jié)約用電成本、匹配城市需求、節(jié)省新建投入、平衡管網(wǎng)壓力、降低運(yùn)營成本等多種相較于傳統(tǒng)供水模式的優(yōu)勢，使之成為供水領(lǐng)域響應(yīng)我國“雙碳”計(jì)劃的有效途徑。

　　

　　二

　　

　　實(shí)施情況

　　

　　節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)由硬件設(shè)備和軟件平臺兩部分構(gòu)成。硬件設(shè)備以箱式變頻為基礎(chǔ)，增加了流量控制單元、錯(cuò)峰調(diào)度模塊、智慧清潔模塊以及智慧節(jié)能設(shè)備。箱體采用分隔式設(shè)計(jì)，可以保證清洗水箱時(shí)不停水。軟件平臺相較于傳統(tǒng)二次供水管理平臺，它最大的不同在于其內(nèi)嵌了舜禹股份自研的“大禹算法”，通過機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)規(guī)劃等人工智能算法和模型，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)所有供水泵房的統(tǒng)籌調(diào)度。

　　

　　1

　　

　　硬件部分

　　

　　算力來源于一臺深度學(xué)習(xí)服務(wù)器，采購于安擎（安徽）計(jì)算機(jī)有限公司，其中CPU為2個(gè)Xeon Silver 4314 2.4GHZ 16C 32T 135W，GPU為1個(gè)RTX4090，內(nèi)存為32GB。

 

　　

　　圖1. 節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)硬件設(shè)備

　　

　　2

　　

　　軟件平臺

　　

　　圖2. 節(jié)能錯(cuò)峰軟件平臺首頁

　　

　　圖3. 節(jié)能錯(cuò)峰軟件平臺內(nèi)頁

　　

　　節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水云平臺是舜禹股份自主開發(fā)的一套集二次供水管理與智慧供水調(diào)度的云平臺軟件系統(tǒng)。平臺深度融合IMACDE( Iot、mobile、Ai、Cloud、bigData、Eage）等先進(jìn)技術(shù)，集成多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的子系統(tǒng)用領(lǐng)域模型，可充分滿足用戶的多場景需求。平臺采用微服務(wù)SaaS架構(gòu)，具備高可用高負(fù)載的優(yōu)越性能，服務(wù)節(jié)點(diǎn)主從備份，可保障系統(tǒng)24H不間斷服務(wù)，具備超高的擴(kuò)展性和兼容性，可以與其他系統(tǒng)平臺統(tǒng)一門戶登錄，采用統(tǒng)一的鑒權(quán)機(jī)制。平臺提供智能調(diào)度功能，根據(jù)AI提供的調(diào)度方案自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行工藝，或手動(dòng)下發(fā)指令，進(jìn)行指揮決策，同時(shí)通過物資管理系統(tǒng)了解人員、車輛和戰(zhàn)略物資的數(shù)量和定位，迅速智慧調(diào)度；結(jié)合空間位置信息，利用GIS技術(shù)，直觀的顯示所監(jiān)控點(diǎn)位置以及狀態(tài)信息，并利用三維、AR/VR等技術(shù)，增強(qiáng)地圖顯示及用戶交互，具有以地圖為依托，地圖顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)增強(qiáng)地圖的功能特點(diǎn)；另外通過數(shù)字孿生技術(shù)的賦能，提供MR虛擬巡檢、與設(shè)備交互，提升操作的便捷度。

　　

　　此外平臺還采用了舜禹水務(wù)邊緣計(jì)算設(shè)備，具備本地計(jì)算、消息通信、數(shù)據(jù)緩存等功能，可以在無需聯(lián)網(wǎng)的情況實(shí)現(xiàn)本地聯(lián)動(dòng)以及數(shù)據(jù)處理分析。該設(shè)備具有配合節(jié)能錯(cuò)峰水務(wù)調(diào)動(dòng)的完整處理能力，能夠?qū)λ畡?wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地解析，得出結(jié)論并進(jìn)行智能控制，大大降低對連接云計(jì)算服務(wù)器的帶寬的要求，有效提升平臺整體數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定性和安全性。

　　

　　三

　　

　　技術(shù)創(chuàng)新與突破

　　

　　節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水算法涉及數(shù)學(xué)物理建模、仿真計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是二次供水優(yōu)化調(diào)度的一項(xiàng)多學(xué)科融合與創(chuàng)新。針對節(jié)能錯(cuò)峰供水系統(tǒng)中直供區(qū)壓力流量、設(shè)備入口處壓力流量、小區(qū)用水量及流量控制裝置等變量間關(guān)系的研究，有助于挖掘影響供水連續(xù)性和穩(wěn)定性的各種因素；通過真實(shí)場景模擬和數(shù)學(xué)物理建模，探究可調(diào)變量對系統(tǒng)內(nèi)其他變量數(shù)值變化的作用，為決策模型的建立提供理論支撐；對二次供水調(diào)度目標(biāo)和各種約束有效合理的數(shù)學(xué)化建模，是求解最優(yōu)調(diào)控策略的前提。項(xiàng)目的研究成果可為解決不限于供水行業(yè)的類似問題提供行之有效的思路。

　　

　　1、泵房機(jī)組用水量預(yù)測算法

　　

　　根據(jù)歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練回歸模型，針對單個(gè)泵房機(jī)組所轄用戶用水量進(jìn)行以日為單位的預(yù)測，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)反饋，及時(shí)調(diào)整預(yù)測結(jié)果。

　　

　　2、管網(wǎng)運(yùn)行變量關(guān)聯(lián)性計(jì)算

　　

　　建立管網(wǎng)運(yùn)行變量關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合平衡態(tài)水力計(jì)算模型和動(dòng)態(tài)水力計(jì)算模型，準(zhǔn)確描述管網(wǎng)變量對系統(tǒng)的時(shí)變作用。

　

　　3、供水管網(wǎng)整體錯(cuò)峰調(diào)度算法

　　

　　以數(shù)學(xué)規(guī)劃算法為框架，以供水系統(tǒng)中各泵房可調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門開度為決策變量，以任一時(shí)刻總用水量不高于水廠泵最大工作流量為約束，構(gòu)建全局多變量整體錯(cuò)峰調(diào)度算法。

 

　　四、商業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值

　　

　　節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)的項(xiàng)目成果具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)不僅能有效改善居民用水質(zhì)量，而且可以直接或間接地減少供水過程中的能源消耗，是供水領(lǐng)域響應(yīng)我國“30.60”計(jì)劃（即2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和）的有效途徑。主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

　　

　　1

　　

　　提高供水效率，節(jié)約用電成本

　　

　　節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)通過智能調(diào)度算法，在低峰期時(shí)對各站點(diǎn)設(shè)備補(bǔ)水，在高峰期時(shí)最大限度地使用設(shè)備供水，以達(dá)到對水廠出水量削峰填谷的效果。一方面，水廠水泵的運(yùn)行功率曲線更為平穩(wěn)，減少了多個(gè)水泵啟停切換的頻次。正如汽車駕駛時(shí)盡可能地勻速行駛能夠有效降低單位油耗，節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)的削峰填谷能有效提升水廠泵組的整體運(yùn)行效率，降低其單位電耗。另一方面，在夜間用水低谷期時(shí)對設(shè)備補(bǔ)水，等同于將水廠日間高峰期時(shí)的部分供水需求轉(zhuǎn)移至夜間執(zhí)行。由于夜間電價(jià)遠(yuǎn)小于日間電價(jià)，采用這種方式的夜間供水方式能極大減少水廠的電費(fèi)支出。與此同時(shí)，水廠用電習(xí)慣的調(diào)整，通過電網(wǎng)反饋至發(fā)電廠，有效利用其夜間富余的供電能力，大幅減少電廠的能源消耗。

　　

　　2

　　

　　匹配城市需求，節(jié)省新建投入

　　

　　傳統(tǒng)供水方式，包括采用管網(wǎng)疊壓二次供水設(shè)備的系統(tǒng)，不具備對市政管網(wǎng)供水的調(diào)蓄功能。隨著城市規(guī)模的不斷增加和城市人口的不斷增長，當(dāng)居民在高峰期時(shí)的用水需求高于區(qū)域水廠的供水能力，缺水現(xiàn)象在所難免，而新建水廠幾乎是傳統(tǒng)供水方式想要從根本上解決缺水問題的唯一途徑，但新建水廠將進(jìn)一步擠占有限的土地資源和經(jīng)費(fèi)投入預(yù)算。節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)為解決上述問題提供了新的可能。

　　

　　正如電力行業(yè)當(dāng)前正在大力發(fā)展的抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能，中繼存儲(chǔ)是資源優(yōu)化調(diào)度的基本條件；電能無法直接存儲(chǔ)，須轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，而水資源本身即具有易存儲(chǔ)的特點(diǎn)。節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)正是最大化地利用了分散在各個(gè)站點(diǎn)設(shè)備的調(diào)蓄功能，使得區(qū)域水廠的供水能力得到極大提升；通過更好地匹配城市用水需求，節(jié)省了新建水廠包括建設(shè)能耗和運(yùn)營能耗在內(nèi)的大量資源消耗。

　　

　　3

　　

　　平衡管網(wǎng)壓力，降低運(yùn)營成本

　　

　　從水源到用戶，供水過程的各個(gè)環(huán)節(jié)均存在水的流失。供水管網(wǎng)漏損不僅會(huì)導(dǎo)致水資源的浪費(fèi)，也會(huì)增加水廠的供水負(fù)荷，即耗費(fèi)更多電能用于供給足夠的自來水。傳統(tǒng)供水模式下，市政供水管網(wǎng)壓力波動(dòng)頻繁，易造成管網(wǎng)漏損，加快管網(wǎng)老化速度。與之相反，節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)能夠穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，顯著改善管網(wǎng)漏損和老化程度，減少輸送過程中水的流失，提升供水水質(zhì)。

　　

　　從水廠的供水維護(hù)角度而言，節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)供水模式也具有明顯優(yōu)勢。盡管系統(tǒng)建設(shè)初期需在供水管網(wǎng)上及站點(diǎn)內(nèi)加裝壓力和流量測點(diǎn)，增加了少量前期投入，但從長遠(yuǎn)角度，不僅能更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)供水中的漏損問題，加快維修進(jìn)程，減少水資源浪費(fèi)，而且能為整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能錯(cuò)峰調(diào)控提供更多數(shù)據(jù)支持，助力調(diào)度算法的不斷優(yōu)化，確保調(diào)度指令的準(zhǔn)確執(zhí)行。水廠運(yùn)營成本的整體降低是從生產(chǎn)到運(yùn)維各個(gè)維度上的整體節(jié)能降耗。

　　

　　以安徽合肥為例，應(yīng)用節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)后已產(chǎn)生如下效益：

　　

　?。?） 高峰期總流量削減 24.84%；

　　

　　（2） 管網(wǎng)壓力波動(dòng)降低 41.88%；

　　

　?。?） 提升水箱利用率至 94.52%；

　　

　?。?） 減小 21.63% 水箱水齡；

　　

　　有關(guān)水壓不足的熱線數(shù)量降低88.89%。

　　

　　8. 應(yīng)用節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)削減高峰期流量24.84%

　　

　　9. 應(yīng)用節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)降低管網(wǎng)壓力波動(dòng)41.88%

　　

　　10. 應(yīng)用節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)提升水箱利用率至94.52%

　　

　　11. 應(yīng)用節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)降低水箱水量21.63%

　　

　　12. 應(yīng)用節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)降低有關(guān)水壓不足熱線數(shù)88.89%

　　

　　聯(lián)盟及案例聯(lián)系人

　　

　　孫老師  13126608736

　　

　　sunliming@caict.ac.cn