波尔多“智慧排水”管理中心平台项目

2021-01-08 14:15发布

智慧水务项目案例——波尔多“智慧排水”管理中心平台项目

1.      案例介绍

1.1.    项目概况

波尔多是法国西南部的重要城市,位于加龙河入海口,加龙河从市区穿流而过。波尔多都市圈面积560km2,下辖27个市镇,总人口约74万。波尔多的排水系统包含3900公里管网,其中20%为合流制管网,主要集中在加龙河沿岸的中心历史城区,35%为雨水管网,45%为污水管网。波尔多地势总体从西部向东部加龙河沿岸汇流,雨水和污水经处理后排入加龙河。而加龙河受大西洋潮汐影响,水位也会有高达7米的涨跌,直接影响排水系统向加龙河的排放。

在1981年5月底、6月初,波尔多市在接连2次十年一遇暴雨的侵袭下,出现了严重的城市内涝。而波尔多市政府由此开始采取系统性的方案应对城市内涝、合流制溢流和初雨污染等问题。

波尔多市政府在1992年将排水系统委托由苏伊士负责进行运行和维护管理,并且结合了苏伊士提供的设施工程专业咨询意见,开展了长达20年的基础设施完善和建设。20年间,累计投资9亿欧元,实施系统提标改造,在现有城市范围内建设防洪基础设施,排水系统设计标准为十年一遇(40mm/h),新建、改造1900公里排水管网,48座蓄水池(容积约200万m3)和49座提升泵站,同时大力开展海绵设施(低影响开发措施)建设,兴建400多项海绵城市替代措施,包括透水铺装、雨水塘、湿地、调蓄池等。

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图 1‑1:基础设施建设

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图 1‑2:海绵设施

1.2.    建设历程

为了最大化发挥包括排水管道、调蓄池等各项基础设施的作用,苏伊士在上世纪90年代末,开始搭建智慧排水系统管控体系。

首先是系统感知能力建设,在管控范围内安装了41个在线雨量计、378个在线传感器,对3900公里排水管网和560平方公里的流域的水力状态进行统一的在线监测。

其次,部署智慧管控系统,通过对4000个参数指标进行实时的在线采集和分析,对1900公里的排水管网和46座调蓄池、49座泵站和污水厂进行实时的调度和自动运行调控。

1.3.    建设成效

通过硬件基础设施建议,以及引入智慧化系统对系统运行科学的在线调度,优化了基础设施的运行和利用效率,波尔多的城市排水体系整体运行更为平稳,取得了非常明显的效果:

(1)实现了管网和流域系统的自动化实时调度,确保城市持续发展;

(2)每年成功预警、管理15-20次暴雨事件;

(3)5年间应对了120次较强降雨,自1990年以来未发生大的内涝。

(4)通过实时预测与智慧管控建议,最大化雨水处理防治初雨和CSO污染,保护加龙河水质。

2.      产品说明

2.1.    设计思路

AQUADANCED ® Urban Drainage(以下简称AAUD)是苏伊士基于其长期的水务运营和管理经验以及对城市水系统管理需求的理解,研发的针对流域和城市排水系统运行管理的智慧水务管控平台。该方案架构于苏伊士自主研发的EM2S框架,基于分布式的软件应用程序开发,具有迭代容易,可靠性强,可伸缩性强等优点。

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图 2‑1:EM2S框架图

AAUD系统主要包含三大功能模块:

--监测与基础信息管理

--实时预测预警

--实时动态管控

AAUD通过对整个流域内的各水务要素,包括河湖水体、污水厂、污水泵站、排涝泵站、闸站、调蓄设施、管网、监测站点等的全面监测、实时分析和联控联调,并借助于外部气象预报数据等,实现全流域的水量管理、水质管理、内涝防控和设施维护的精细化、科学化、全动态化管理,减少合流制溢流、内涝、水污染事件及其对城市和自然环境的影响,实现全流域尺度下的水安全、水环境目标。目前已在波尔多(法国)、马赛(法国)、新加坡、中国等全球十多个国家和地区得到成功应用,起到了非常明显的管控效果。

2.2.    实现功能

(1)      综合信息管理

AAUD提供完整的可视化解决方案,可以根据不同使用者的不同要求,为其提供不同风格、不同颗粒度信息的“水务一张图”,包括设施设备的位置、实时状态、各项监测数据的展示、查询,绩效指标的跟踪,洪涝风险或水质事故模拟预测结果等,都可以基于“一张图”进行呈现。

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图 2‑2:系统总体概览图(主干排水管网和关键设施设备实时状态)

(2)      监测监控管理

监测与基础信息管理模块,是对现场采集的各种在线、离线监测数据,包括雨量、流速、流量、水位、水质、设备状态等进行集中整合和管理,对监测数据进行跟踪和分析,实时评估系统运行的状态和效果、智能探知系统运行的各种异常,并可以通过实时预警以及与外业工单管理系统的整合,指导现场人员及时排查、处理各类系统运行问题,包括水质污染事件、流量超标、设备故障预警及报警等。

该模块支持采用多种方法,实现对监测数据的自动或手动验证,标记、剔除错误数据,并提供数据重建功能,最大程度上保证监测数据的准确可靠,为后续的各类业务分析、业务应用夯实基础。此外,该模块提供完整的一张图服务,有机整合地图、水体、管网、设备设施、在线监测数据等元素,为运行管理部门提供直观、准确的基础数据和运行数据分析。平台系统会通过对在线监测数据实时的整合计算,在驾驶舱界面上直观地展示各类系统运行相关的关键绩效指标,并与历史数据进行对比分析,例如:

--项目整体的指标监测

--针对不同的管理区或河段的指标监测

--针对某段管网或某个设备的指标监测

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图 2‑3:管网及设施状态监控

(3)      异常事件识别及报警

系统通过对监测数据进行分析、计算后,可自动判定运行过程中可能存在的问题和故障,并通过实时报警的形式以及与工单系统的联动,及时发现、处理,将其对系统的影响降低到最低。系统可以侦测和管理一系列异常事件,包括:

--水位过高、溢流

--水质超标

--监测设备运行故障、监测数据异常

--水泵运行异常等

并且所有的异常事件都实时在基于地图的可视化界面上以不同的颜色进行标注,便于管理人员的监测和跟进。

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图 2‑4:异常事件管理视图

(4)      实时预测预警

实时预测预警模块的基本理念是基于实时更新的短时气象降雨预报数据以及河道、水体、排水管网监测数据,由气象、水力与水质模型对当前和未来(如1-2个小时,预测时段取决于短时降雨预报的覆盖时段以及项目实际管理需要)的气象状况、径流、内涝淹没、溢流、污染物迁移与扩散等情况进行实时的模拟计算,并将计算结果实时生成预测与预警信息。

①   实时气象预警与风险预警

根据接收到的气象预报数据,利用定制化开发的评价算法,从“累计降雨量”与“降雨强度”两个维度对场次降雨进行定量化风险评估。两项指标的具体数值,将根据模型模拟结果进行具体设定,用以代表不同严重等级的降雨情景。

基于气象预报以及公共渠道灾害预警而形成的风险预警,将用于指导日常运维管理。预警指令发布后,智慧水务系统将进行不同的情景决策,采取一系列用于防控内涝或水污染的特定措施;同时,运维管理人员将收到相应的预警提示与指令,做出有针对性的处置措施。

②   模型实时模拟预测

为了满足系统调度运行管理的目的,实时预测预警模块采用实时在线自动模拟,即系统平台整合各类监测数据、工况数据、降雨预报数据等,交由实时在线模型在后台自动进行各类模拟运算,得到不同降雨工况下的模拟计算结果,包括河流水体、排水管网内水位、流量、管涌等的运行情况、内涝位置、范围、水位、水质指标等关键数据。

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图 2‑5:在线模拟与预测界面图

③   阈值预警

利用监测和预报数据,通过模型模拟,可以预测系统水利要素的关键数据。针对每一项关键数据,设定适当的阈值,当监测数值或模型模拟的结果超出设定的阈值时,说明系统在该关键点面临风险,需要向用户发出警报。

(5)      实时动态管控

实时动态管控结合大数据、模型模拟、在线监测、短时气象预报等前沿技术,最大程度上优化整个系统运行和调蓄能力、污染物处理设施的使用效率,有效降低内涝、溢流、水污染等风险,优化基础设施利用效果,降低投资和运行维护成本。

①  管控模式

在不同的外部降雨条件下,根据实际的运行调度原则,可以实现不同的管理效果,例如:

a)             针对特大暴雨,动态管理可主要关注于通过监测和示警,尽量控制河道水位上涨幅度、减轻洪水风险、尽快恢复系统的正常运行;

b)             针对强降雨,可以将动态管理的调控目标聚焦在控制径流、消除洪涝;

c)             针对中、小降雨,管理目标可以设置为控制初雨污染.

d)             在无雨期内,管理目标可以设置为保证河道水位和水质。

②  管控策略

在降雨情况下,实时动态管理模块将自动采用不同的运行策略,以满足雨季下流域水量、水质的控制目标,具体会根据每次降雨的强度进行自动研判,自动生成不同的操作指令。

在面对运行工况越来越复杂,运行数据越来越多,系统和市民对操作调度的反应速度要求越来越高,而对调度效果的容错空间越来越小的情况下,动态管理模块可以连续实时为运行管理人员提供最优的调度措施,既提升了针对复杂工况的反应速度,也提升了调度操作的科学性和准确性。

③  指令发布与传输

系统会结合每个控制站点的实时情况(例如控制器状态,最高调蓄水位等)以及整体的管理目标,为不同的调度方案设计最优化的操作指令。根据项目的具体要求,平台可以停留在仅自动生成定制化的运行调度方案,而由值班人员手动操作设施设备的阶段,或者在调度指令生成后,通过SCADA系统传输至泵站、闸坝和调蓄池等前端设施,实现对现场水力设施的远程自动控制。

此外,动态管理模块还配置了人工介入功能,通过人工控制及时应对系统运行异常等特殊情况。该模块也可以完全关闭自动控制,改由人工的方式根据模块生成的调度策略对系统进行调度、控制。同时每个厂站也都保留本地控制的管理权限,可以随时终止自动控制,实时本地人工操作模式。

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图 2‑6:不同控制器状态的标识显示

(6)      融合指挥

AAUD为方便运维管理人员实时查看各个模块信息与数据,及时发布预警与动态管理调控,按照简洁、清晰、美观的原则,将各个模块关键信息集成展示在融合指挥平台上,并按照一定的内在逻辑有序排列,可以为决策者提供早期的报警信息,从而能够对整个排水设施的运行情况及水量水质变化状况作出迅速、准确的判断。为河道日常维护、调水、防汛、应急、决策等行为提供技术支持,并将分析结果直观的显示到指挥控制中心的大屏幕上。

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图 2‑7:波尔多排水系统控制中心中控大屏

2.3.    技术特色

(1)自主研发的物联感知平台

AAUD自主研发的智能物联网感知平台,可以将现场采集的监测数据包括雨量、流速、流量、水位、水质、设备状态等,进行筛选和处理,主要包括数据清洗和转换。系统可以自动或人工对采集的原始数据进行审核、验证并显示数据状态,对缺失数据进行重建,且所有的数据修正和重建都可以追溯:可自定义数据分析和验证的规则(阙值、变化率、一致性、缺失数据检测、数据峰值检测、基于布尔变量、数据死区等);可以结合自动和人工、根据规则进行数据验证验证和重建,基于数据值死区进行过滤,以减少存储需求。

智能感知系统的另一个关键作用,是通过现场态势感知,对监测数据进行跟踪和分析,实时评估系统运行的状态和效果、智能探知系统运行的各种异常,并通过实时预警以及与外业工单管理系统的整合,指导现场人员及时排查、处理各类系统运行问题,包括水质污染事件、流量超标、设备故障预警及报警等。

(2)基于在线水力、水质模型的实时预测预警技术

本产品采用的实时预测预警技术,构建实时在线的水力水质模型,整合管网、河道、调蓄池、泵站等调控设施,通过标准化接口,模型以预设的时间间隔从数据库中提取短时气象预报数据和在线监测的流量、水质数据,自动进行模拟计算;依据计算结果,自动更新河道、水体管网中各点流量和水位的模拟计算结果,将计算结果返回系统进行处理,预测不同强度的降雨来临时,河道与管网的水位、水质变化趋势、强度与持续时间,并在预测到内涝或水污染风险时,触发警报提醒管理部门跟进处理。这项技术真正实现了复杂的合流制系统实时在线仿真预测预警,在国际上处于领先水平。

(3)基于核心算法的实时调度技术

传统的调度决策支持是以离线模型预设方案库的形式,对降雨特征分析,并于方案库中的典型降雨比对后匹配对应的模型模拟工况和调度方案,缺少基于实时模型和数据算法的调度方案比选。而AAUD的实时调度技术是在前端的实时监测、实时水力水质模型以及基于短期降雨预测的早期预测预警功能模块的基础上,利用人工智能及机器学习,自动生成最优的调度策略,为运行管理人员的系统调度和应急管理提供决策支持依据。此外,动态管理模块会和自动控制设备之间进行数据交换,实时抓取运维人员对设施设备的操作信息,同步计算当前操作下主要节点的水力水质状态和设备设施状态,作为下一次调度策略计算的依据,做到真正的全动态在线管控。

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图 2‑8:实时调度逻辑图

3.      苏伊士集团简介

3.1.    公司概况

苏伊士集团(Suez)是全球最大水务公司之一,在水务和废弃物管理领域拥有长达150多年的经验,业务遍布世界五大洲。通过持续地创新,集团致力于实现高效、可持续的资源管理,协助客户通过资源的循环利用和回收,改变其以往过度消耗资源的模式,实现循环经济。苏伊士及旗下90,000万名员工遍布全球五大洲,致力于保护和修复我们的自然环境要素:水、土壤和空气。在水务管理、固废回收再造、土壤修复和空气治理等方面,苏伊士提供富有弹性的创新型解决方案,通过“智慧”城市优化市政和各行业的资源管理,提升其环境和经济效益。集团向6,400万人提供环境服务,生产饮用水71亿立方米。苏伊士还为经济发展做出了积极贡献,每年直接或间接创造了20多万个就业岗位,作为新资源的提供者,生产了420万吨再生原料。苏伊士的目标是在2030年前提供100%的可持续解决方案,为我们的环境、健康和气候带来积极影响。苏伊士集团2019年的总收入达180亿欧元。

在亚洲,苏伊士自1953年开始提供水务服务,目前主要业务涵盖亚洲各地的水务运营、固废资源管理、水务工程和智慧与环境解决方案。2017年,苏伊士与长期合作伙伴新创建正式成立苏伊士新创建有限公司,统筹管理大中华地区全部的水务运营、固废资源管理、水务工程建设及咨询以及智慧水务业务。目前,苏伊士新创建在大中华区拥有8,000名员工,在30多座城市管理超过70个水务和固废项目,服务3,200万居民,建设了逾300座水厂和污水处理厂,向19个工业园区提供专业的环境管理服务。

3.2.    企业愿景

1)引领资源革命,保驾可持续发展

--实现资源全民可及,为人民提供健康所必需的饮用水,优化垃圾的收集和分类,提高回收和循环利用率;

--保护资源和生态系统,帮助城市和工业优化排放质量,回用污泥生产能源,减少二氧化碳排放;

--优化资源的利用,用数字解决方案优化资源管理,为客户大幅节约经济和环保成本;

--生产新的资源,通过开发可替代的水资源,将废弃物转化为能源或二次原材料。

2)助力未来城市发展

--为人们打造资源丰富的城市,助力城市的生态良性循环,提升城市承载力,得以协同发展,向公众提供更高价值的服务,减少对环境的影响;

--优化资源管理,实现可持续增长,保护环境,推行资源循环的经济模式提供安全且稳定的优质饮用水;

--应对气候挑战,缓和导致气候变化的主因,适应由气候变化产生的后果,建立新的联盟,发展对气候负责的模式。

3.3.    企业理念

l   成为合作、开放与有责任感的企业

l   成为循环和低碳经济的引领企业

l   通过切实可行的解决方案支持客户的环保转型

l   造福大众

3.4.    企业使命

为全球共同面对的挑战出谋划策。我们致力于为全球重大挑战提供解决方案,包括应对气候变化,开发平衡增长和资源保护的新模式,采取行动宣扬机会均等和扩大基础服务范围。

l   应对气候变化,打造一个资源丰富的未来:苏伊士建立了新的增长模式以减少资源消耗和二氧化碳排放。

l   保护生物多样性:苏伊士集团积极行动,在业务发展及服务客户过程中,实施各种解决方案,显著改善生物栖息地的生态环境质量。

l   保护海洋:苏伊士展开保护海洋行动,掌握了相关的技术以收集、循环利用塑料和污水。引领全球进入循环经济模式。

3.5.    资质荣誉

--在2018年,列位气候A类名单,获得CDP供应商贡献领先者评级

--世界范围公用事业部门第三名

-- 在2017年荣获全球智慧水务公司大奖