数字水务-新加坡经验分享

2020年11月15日，IWA携手新加坡公共事业局PUB共同在线上发布了“数字水务系列”丛书的第一本——《数字水务–新加坡经验分享》。该书由PUB编写，分享了PUB的数字转型动力，概述了PUB对未来数字水务的愿景，强调了其决策背后的审议工作，展示了有关数字水务的一些关键创新项目和计划，并分享了PUB对水资源管理数字化战略的深刻见解。通过分享新加坡的经验，使水务行业的相关从业人员可以了解到目前市场上可用的一些数字工具以及数字化对水务部门的影响。

本书作者三位分别是PUB执行总裁 Ng Joo Hee先生、副总裁Harry Seah先生以及工程技术总监Pang Chee Meng博士。

众所周知，新加坡是一个“缺水”的国家。全国目前每日用水量约195万吨，由著名的四个“国家水龙头”（国内集水区、进口水、新生水以及淡化海水）提供。预计到2061年，全国总需水量将会翻倍。面对不断增加的用水需求、运营成本以及气候变化带来的压力，PUB正在利用数字解决方案和智能技术——包括机器人、传感器和网络通信、系统自动化以及虚拟建模和预测分析等——来增强运营韧性、提高生产力和安全性。PUB于2018年发布了SMART PUB Roadmap（PUB智慧路线图），表明新加坡整个供水系统未来要全部实现数字化，以改善运营水平并满足未来的用水需求。

图：PUB智慧路线图 图片来源：PUB

为了指导数字化工作，PUB提出了四个主要目标来实现其数字转型：

（1）通过数字赋能给水司创造价值（Create Value）

（2）提高运营效率（Efficient Operation）

（3）提供更好的工作环境（Better Work Environment）

（4）改善客户体验（Improved Customer Service）

通过明确这些目标，PUB能够集中精力进行研发工作和项目投资，更加详尽地规划数字化进程。该书围绕这四个目标记录了PUB在这几个方面所做的创新工作，并结合具体的项目案例进行了分析和说明。

针对“创造价值”这一目标，PUB提出数字化可以优化新加坡的供水系统，例如通过创建智慧（决策）系统，如引入人工智能、数据分析等数字手段来优化各水库之间的供水调度和饮用水生产、减少成本能耗以及不必要的人工作业时间。此外，PUB还可以利用数字化来更好地监控资产的运行状况。例如通过构建物联网传感系统来“监视”资产（如泵）运行状况，对异常情况进行预警，并通过对获取的数据进行分析，掌握设备关键信息，尽早地发现潜在问题（故障）并及时解决。

目前PUB正在开发可以根据设备运行现状来进行定期维护的智慧系统，从而减少运维成本并提高操作可靠性。除了供水系统，排水网络也是水司可以利用数字手段实现价值的重要方面。自2009年以来，PUB已经建立了拥有260多个水位传感器、80多个流量传感器以及一系列CCTV摄像头的水文监测网络（hydrometric network）。PUB利用这些传感器获取的数据（水位、水流、图像等），并结合当地的降雨信息可以深入了解排水系统各部分的运行情况，不仅可以提前向公众发布洪水预警，提醒工作人员更好地预测和管理洪水，还可以在战略水平上改进排水计划和管网维护计划。PUB还针对收集和输送污废水的深隧系统（Deep Tunnel Sewerage System, DTSS）开发了可以检测毒性的生物传感器，并将之部署在工业尾水端来确保进入深邃系统污废水的无害性，从而不会影响后续新生水NEWater的水质；同时开发相应的物联网平台来连接各监测设备间的数据并使之可视化。

除了创造新的价值外，PUB还依靠数字化来提高其现有运营效率。例如构建集水区和水道运营系统（Catchment and Waterways Operations System, CWOS），利用传感器，数据分析和预测工具优化滨海集水区排水系统和滨海堤坝的运行和管理，同时对集水区水库和水道中的水质进行监控和预测。PUB还尝试使用一种监测和预测控制系统（如软性传感器soft sensing加持的曝气优化调控）来更好地管理新生水处理工艺。预测系统固然可以优化整个系统的运行和操作，但是模拟为操作人员提供了一个更加安全的空间，例如利用数字孪生进行各种目的“假设”场景进行试验。

PUB与日本工程软件公司——横河电机（Yokogawa）一起设计了具有三个功能的数字孪生（Digital Twin）集成系统，可以对操作人员进行模拟培训、使工程师了解各种操作将如何影响水厂的处理性能，然后再找到最佳解决方案。例如，通过在系统上运行“假设”场景，操作人员可以确定最佳药剂投加量和投加时间。目前该系统现在正在Lower Seletar 水厂（LSWW）进行试验。

在优化工作环境方面，PUB开发了各种无人机和机器人系统来减轻员工的工作量，确保工作环境的安全性。例如，PUB 与AeroLion Technologies合作开发了专门在深隧系统中飞行检查的多传感器无人机系统，能够对深邃系统的防腐蚀衬里进行定期检查，避免了人工检查的危险，同时提供了多方位数据供分析。研发团队还设计了实时的三维导航算法（three-dimensional navigation algorithms），该算法可基于导航摄像机的感应进行工作，并将其编程到无人机的机载微型计算机中。

图：无人机用于深邃监测

除了规避工作环境的危险，机器人技术和其它自动化数字技术还可以减少不必要的重复性劳动和人力工作，例如为了应对繁琐重复的工作量，如水样的自动收集和检测，PUB引入了一个制造执行系统（manufacturing execution system）以集成各种检测过程并使之自动化，包括从数据的收集、样品的制备到实际的检测和结果报告。此外，数字工具还可以辅助库存盘点，例如无线射频识别（Radio frequency identification, RFID）系统可以记录和存储备件信息，帮助员工进行登记识别和定期盘点补充。水厂的工作人员可以穿戴智能装备，如智能护目镜和智能手表，通过无线网络进行通信。这些智能装备可以追踪佩戴者的定位及身体健康状况（心跳、体温等），使员工更轻松，更安全地工作。

图：集成式制造执行系统

增强现实（Augmented reality, AR）技术的应用，如佩戴AR头戴式耳机，可以使员工在现场轻松访问和查看设备的技术文档和规格，远程与同事和专家分享他们的视野；这些投资创新并没有替代员工们的工作，而是帮助他们更快、更有效地履行职责，使他们能够更好地平衡工作与生活；同时也将为新加坡未来的低出生率和经济增长可能导致人力短缺的做好准备。

图：工作人员利用RFID系统进行库存盘点

左图：智能手表；右图：地理围栏闯入警报系统

水司的最终目标是服务于用户。为了更好地履行其使命，PUB启动了数字项目来以改善客户服务，具体体现在：

（1）智能水表计划（Smart Water Meter Programme）——PUB计划在2021年至2023年之间在住宅，商业和工业建筑安装30万个智能水表，并提供近实时用水信息，不仅可以使用户能够通过客户端追踪其用水量，还可以鼓励工作人员利用获取的数据信息进行分析，掌握用户的用水模式，更好地预测和管理用水需求；

（2）机器人巡检（Ensuring security with robots）——PUB目前正在开发的一种机器人（O-R3），它是一种具有视频和音频功能的自主移动机器人。与人力巡检不同，O-R3能够连续巡逻某一区域，自主移动避开静态或移动障碍，并利用自身装载的360度摄像头系统进行实时的视频流和数据收集，用于异常检测，可以对水库的和公共设施进行安全保障；

（3）洪水风险自动警报（Automated alerts for flood risks）——PUB在其排水网络系统上已经铺设了近200多个传感器来跟踪水位进行相关工作的优化。此外，PUB还通过短信或MyWaters应用向公众提供了洪水风险预警的服务。用户可以订阅最多三个传感器的信息来获取警报。当水位上升到正常深度（选定的）的50%，75%，90%和100%以上，以及水位下降到相应警报水位以下时，系统便会通知将通知用户。

图：机器人（O-R3）在勿洛水库进行巡检工作

迄今为止，PUB通过一个个数字化项目积累了宝贵的经验，可以用来指导未来工作，并帮助其他水司进行数字化转型和发展。PUB一再强调，为了成功实现数字转型，水司必须具备相应技术/能力来收集数据、传输数据、共享数据以及分析数据并将其转化成为可采取行动的有用见解（Actionable Insights）。

图：数字化进程必备要素

由于每个数字化项目不尽相同，因此选择正确的工具/技术组合至关重要。针对长期使用，在设计硬件和软件时也应考虑到其连续性使用，确保程序不会锁定在任何特定协议或供应商手中。在本书中，PUB分享了他们数字化框架下需要考虑的基本要素，其中包括

• 建立正确的无线基础架构（Building The Right Wireless Infrastructure）：正确、可靠、安全的无线通信网络是数字化最重要的组成部分之一。当今市场上有许多通信网络可以满足不同的用途和应用，例如4G，Wi-Fi，LoRa，SigFox等。在决定使用哪个网络时，水司应考虑所需的网络范围、传输速率，数据大小、网络功耗、延迟及其他因素。其中，安全应该是最关键的因素。
• 数据收集（Harvesting Data）：通过高密度多参数传感器的铺设来获取相应的供水压力和水质数据，并计划集成智能水表数据来更好地进行漏损检测。
• 打破数据孤岛（Breaking Down Silos）：水司各部门之间的数据必须共享，打破信息孤岛对于建立一个系统性的智慧水网络至关重要。
• 数据补充（Supplementing Data）：通过数字化手段，例如软性传感器（soft sensing）等来提高数据的可靠性。
• 数据分析和预测（Translating Data & The Power of Predictions）：数据收集并得到验证后，需要对其进行分析并将其转变为有用的信息来帮助感知态势和辅助决策。水司也需要从反应式管理（reactive management）向前瞻式管理（proactive management）进行过渡。
• 镜像宇宙（Mirror Universe）：除了人工智能和机器学习外，数字孪生是支持过程和系统优化的第三类数字化技术。水司可以使用水厂的虚拟副本来模拟各种“假设”情景，确定最佳选择。

在数字化转型的前进道路上，除了上述的数字化手段外，PUB认为网络安全至关重要，水司需要将相关的网络安全措施措纳入设计中。而归根结底，数字化转型的成功主要取决于人。只有在人们的支持下，无论是在精神上还是在执行上，数字化才可能成功。如果转型是在强大的领导力下，以及各级员工的支持配合下进行的，那么数字化转型无疑是充满希望的。水司必须重视员工，向他们证明数字化可以提高其工作效率而不是代替他们使之失业。水司还应鼓励受益于数字化项目的员工与同行分享经验。与管理主导的方法相比，这种口口相传的模式在改变员工思想和赢得人心方面反而见效更快。此外，水司还应对员工进行各个层面的培训，例如专业技能、数据分析能力、设计创新能力等。随着数字化进程的不断加剧，仍有许多途径可供探索。

在数字化进程中，最重要的是开始。

来源：本文来自IWA国际水协会，仅供分享交流不做商业用途，不代表净水技术观点，版权归原作者与原作者出处

校对：万梓薇

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