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　　2023年先進計算典型應用案例系列 |節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)
　　
　　2023年12月11日，工業(yè)和信息化部辦公廳公布2023年先進計算典型應用案例名單，安徽舜禹水務股份有限公司申報的案例節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)，成功入選城市大腦領域典型應用案例。
　　
　　一
　　
　　案例簡介
　　
　　為有效改善居民用水質(zhì)量，切實解決高峰期缺水問題，穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，降低管網(wǎng)老化速率和漏損風險，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，使之成為供水領域響應我國“雙碳”計劃的有效途徑。
　　
　　二
　　
　　實施情況
　　
　　節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)由硬件設備和軟件平臺兩部分構成。硬件設備以箱式變頻為基礎，增加了流量控制單元、錯峰調(diào)度模塊、智慧清潔模塊以及智慧節(jié)能設備。箱體采用分隔式設計，可以保證清洗水箱時不停水。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”，通過機器學習、深度學習、數(shù)學規(guī)劃等人工智能算法和模型，實現(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習服務器，采購于安擎（安徽）計算機有限公司，其中CPU為2個Xeon Silver 4314 2.4GHZ 16C 32T 135W，GPU為1個RTX4090，內(nèi)存為32GB。
 
　　
　　圖1. 節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)硬件設備
　　
　　2
　　
　　軟件平臺
　　
　　圖2. 節(jié)能錯峰軟件平臺首頁
　　
　　圖3. 節(jié)能錯峰軟件平臺內(nèi)頁
　　
　　節(jié)能錯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）等先進技術，集成多個業(yè)務領域的子系統(tǒng)用領域模型，可充分滿足用戶的多場景需求。平臺采用微服務SaaS架構，具備高可用高負載的優(yōu)越性能，服務節(jié)點主從備份，可保障系統(tǒng)24H不間斷服務，具備超高的擴展性和兼容性，可以與其他系統(tǒng)平臺統(tǒng)一門戶登錄，采用統(tǒng)一的鑒權機制。平臺提供智能調(diào)度功能，根據(jù)AI提供的調(diào)度方案自動調(diào)整系統(tǒng)運行工藝，或手動下發(fā)指令，進行指揮決策，同時通過物資管理系統(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；結合空間位置信息，利用GIS技術，直觀的顯示所監(jiān)控點位置以及狀態(tài)信息，并利用三維、AR/VR等技術，增強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)增強地圖的功能特點；另外通過數(shù)字孿生技術的賦能，提供MR虛擬巡檢、與設備交互，提升操作的便捷度。
　　
　　此外平臺還采用了舜禹水務邊緣計算設備，具備本地計算、消息通信、數(shù)據(jù)緩存等功能，可以在無需聯(lián)網(wǎng)的情況實現(xiàn)本地聯(lián)動以及數(shù)據(jù)處理分析。該設備具有配合節(jié)能錯峰水務調(diào)動的完整處理能力，能夠?qū)λ畡諗?shù)據(jù)進行本地解析，得出結論并進行智能控制，大大降低對連接云計算服務器的帶寬的要求，有效提升平臺整體數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定性和安全性。
　　
　　三
　　
　　技術創(chuàng)新與突破
　　
　　節(jié)能錯峰智慧供水算法涉及數(shù)學物理建模、仿真計算、機器學習、流體力學等多個學科領域，是二次供水優(yōu)化調(diào)度的一項多學科融合與創(chuàng)新。針對節(jié)能錯峰供水系統(tǒng)中直供區(qū)壓力流量、設備入口處壓力流量、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；通過真實場景模擬和數(shù)學物理建模，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)度目標和各種約束有效合理的數(shù)學化建模，是求解最優(yōu)調(diào)控策略的前提。項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、泵房機組用水量預測算法
　　
　　根據(jù)歷史數(shù)據(jù)訓練回歸模型，針對單個泵房機組所轄用戶用水量進行以日為單位的預測，并結合實際運行過程中的數(shù)據(jù)反饋，及時調(diào)整預測結果。
　　
　　2、管網(wǎng)運行變量關聯(lián)性計算
　　
　　建立管網(wǎng)運行變量關聯(lián)關系，結合平衡態(tài)水力計算模型和動態(tài)水力計算模型，準確描述管網(wǎng)變量對系統(tǒng)的時變作用。
　
　　3、供水管網(wǎng)整體錯峰調(diào)度算法
　　
　　以數(shù)學規(guī)劃算法為框架，以供水系統(tǒng)中各泵房可調(diào)節(jié)電動閥門開度為決策變量，以任一時刻總用水量不高于水廠泵最大工作流量為約束，構建全局多變量整體錯峰調(diào)度算法。
 
　　四、商業(yè)和社會經(jīng)濟價值
　　
　　節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)的項目成果具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。節(jié)能錯峰智慧供水系統(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，是供水領域響應我國“30.60”計劃（即2030年實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和）的有效途徑。主要體現(xiàn)在以下三個方面：
　　
　　1
　　
　　提高供水效率，節(jié)約用電成本
　　
　　節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)通過智能調(diào)度算法，在低峰期時對各站點設備補水，在高峰期時最大限度地使用設備供水，以達到對水廠出水量削峰填谷的效果。一方面，水廠水泵的運行功率曲線更為平穩(wěn)，減少了多個水泵啟停切換的頻次。正如汽車駕駛時盡可能地勻速行駛能夠有效降低單位油耗，節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)的削峰填谷能有效提升水廠泵組的整體運行效率，降低其單位電耗。另一方面，在夜間用水低谷期時對設備補水，等同于將水廠日間高峰期時的部分供水需求轉(zhuǎn)移至夜間執(zhí)行。由于夜間電價遠小于日間電價，采用這種方式的夜間供水方式能極大減少水廠的電費支出。與此同時，水廠用電習慣的調(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，當居民在高峰期時的用水需求高于區(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，但新建水廠將進一步擠占有限的土地資源和經(jīng)費投入預算。節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)為解決上述問題提供了新的可能。
　　
　　正如電力行業(yè)當前正在大力發(fā)展的抽水蓄能和電化學儲能，中繼存儲是資源優(yōu)化調(diào)度的基本條件；電能無法直接存儲，須轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，而水資源本身即具有易存儲的特點。節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)正是最大化地利用了分散在各個站點設備的調(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能耗和運營能耗在內(nèi)的大量資源消耗。
　　
　　3
　　
　　平衡管網(wǎng)壓力，降低運營成本
　　
　　從水源到用戶，供水過程的各個環(huán)節(jié)均存在水的流失。供水管網(wǎng)漏損不僅會導致水資源的浪費，也會增加水廠的供水負荷，即耗費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)。
　　
　　從水廠的供水維護角度而言，節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)供水模式也具有明顯優(yōu)勢。盡管系統(tǒng)建設初期需在供水管網(wǎng)上及站點內(nèi)加裝壓力和流量測點，增加了少量前期投入，但從長遠角度，不僅能更及時地發(fā)現(xiàn)供水中的漏損問題，加快維修進程，減少水資源浪費，而且能為整個系統(tǒng)的節(jié)能錯峰調(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)度指令的準確執(zhí)行。水廠運營成本的整體降低是從生產(chǎn)到運維各個維度上的整體節(jié)能降耗。
　　
　　以安徽合肥為例，應用節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)后已產(chǎn)生如下效益：
　　
　?。?） 高峰期總流量削減 24.84%；
　　
　?。?） 管網(wǎng)壓力波動降低 41.88%；
　　
　?。?） 提升水箱利用率至 94.52%；
　　
　?。?） 減小 21.63% 水箱水齡；
　　
　　有關水壓不足的熱線數(shù)量降低88.89%。
　　
　　8. 應用節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)削減高峰期流量24.84%
　　
　　9. 應用節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)降低管網(wǎng)壓力波動41.88%
　　
　　10. 應用節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)提升水箱利用率至94.52%
　　
　　11. 應用節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)降低水箱水量21.63%
　　
　　12. 應用節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)降低有關水壓不足熱線數(shù)88.89%
　　
　　聯(lián)盟及案例聯(lián)系人
　　
　　孫老師  13126608736
　　
　　sunliming@caict.ac.cn