深隧智慧管控平臺：污水“駛”入地下“快車道”
利用物聯網、大數據等技術搭建了大東湖深隧智慧管控平臺，對預處理站、豎井及深隧進行實時監測及運行管控，實現項目生產工藝控制、設備維護管理、運行風險預警、應急輔助決策的科學、高效、自動化管理。平臺建成投用后的近半年時間里，項目運行管理效率不斷提升，社會、經濟效益顯著。對大東湖深隧智慧管控平臺的建設背景、系統設計、建設內容、建成后平臺功能及應用效果進行介紹。
1 工程概況
本工程遠期服務范圍達200余km2，建設內容包括：
（1）污水深隧系統：一條長17.5km主隧（直徑D3 000~3 400）和一條長1.7km支隧（直徑2~D1 500）。
（2）地表完善系統：沙湖提升泵站（1m3/s）、二郎廟預處理站（9.8m3/s）、落步嘴預處理站（5.7m3/s）、武東預處理站（2.4m3/s）及配套管網。
2 智慧管控平臺的設計
2.1 設計目標
根據深隧系統、地表完善系統的運行調度與管理維護的需求，以輸水調度、遠程多站點協同管理為目標，通過構建深隧淤積預測模型、流速預測模型，建成集生產工藝控制、運行維護管理、運行風險預判、智能輔助決策等多種功能于一身的定制化智慧管控平臺。
2.2 架構設計
平臺架構按數據采集層、數據及服務支撐層、深隧防淤積、應用平臺層、展示層5個層次的總體要求進行部署設計，系統架構如圖1所示。
（1）數據采集層以物聯網技術為核心，構建布局合理、全域覆蓋、結構完備、功能齊全、高度共享的物聯感知網絡，通過各類傳感、檢測、視頻監控等設備，獲取穩定、可靠的深隧運行基礎數據，為深隧日常運維管理、風險預警、輔助決策等提供基礎數據支持。
（2）數據及服務支撐層主要將數據采集層獲取的數據和各專業業務系統的異構數據進行融合、集成、清洗、轉化、加載，建立統一的數據中心，為數據挖掘和分析提供基礎保證。
（3）深隧防淤積主要通過已構建的水利學模型、淤積模型等，對采集數據進行水量調度方案效果模擬，深隧管道淤積預測，為運營人員的水量調度、淤積預防提供輔助決策支持。
（4）平臺應用層在數據采集層、數據和服務支撐層的基礎上建立的各類專業業務應用系統，具備為企業內部用戶、上下游水務部門等提供整體的信息化應用和服務功能。
（5）展示層主要在企業大屏端、服務器端、移動終端，對系統工藝，能設備運行狀態、能耗電耗、水質指標、人員巡檢、實時視頻等多維度信息進行多角度集中展示。
2.3 安全設計
平臺安全設計主要通過訪問控制、身份認證等技術，確保平臺具有較高的信息保密性、可控性、真實性、完整性。系統安全設計的主要內容包括數據安全設計和網絡安全設計。
（1）數據安全設計。數據安全是整個平臺系統安全的核心和重點，包括數據訪問安全、數據傳輸安全、數據存儲安全。平臺數據訪問安全主要通過建立全局統一身份認證中心，根據數據類型設置不同訪問權限來確保數據訪問安全；數據傳輸安全主要通過加密傳輸、入侵監測、安全漏洞掃描、安裝防毒殺毒軟件、安裝防火墻等途徑保障數據傳輸安全；數據存儲安全則通過采用數據本地備份、設置專業存儲設備、建立數據恢復機制等措施，防止數據遭到意外或惡意破壞。
（2）網絡安全設計。平臺網絡安全設計內容主要包括訪問安全和應用安全：平臺的訪問安全除依靠主機系統自身的用戶名及口令來防范外，還配置了防火墻，加密訪問控制，設置IP黑白名單防止假冒的非法訪問，安裝入侵檢測系統、網絡安全掃描系統和防病毒軟件等方法來確保系統訪問安全；平臺的應用安全則是重點關注Web應用中“跨站點腳本攻擊”和“注入缺陷”兩大安全隱患，并進行必要的安全規則配置及網絡規劃，結合硬件級防火墻、入侵檢測、行為分析管理、網關訪問控制、運維審計等一系列安全軟硬件措施，確保系統的應用安全。
3 智慧管控平臺的建設
平臺建設內容主要包括：一套基礎設施、一個數據中心、防淤積模型、一套應用平臺。
一套基礎設施包含覆蓋大東湖深隧工程所涉及的物聯感知、監測、傳輸網絡及平臺基礎軟硬件設施（包括：超聲波流量計、RTU及配套設備、應用服務器、工作站、企業級下一代防火墻含路由、VPN、數據采集及配套設備、企業級交換機、服務器機柜、UPS、16口KVM、配線架、PDU插座、機房實施與調試、SS在線監測儀），用以全面、實時、準確掌握相關設施、設備的監測數據和運行狀態。各預處理站配置獨立于自控系統的數據采集模塊，實現現場生產、視頻數據的實時上傳。系統預留標準化交互式通訊接口，對接深隧健康監測系統，下游北湖污水處理廠智慧系統，上游泵站調度系統數據進行集成。
一個數據中心主要融合集成大東湖項目范圍內的物聯網監測數據、空間基礎數據、業務數據、主體數據，統一規范和標準，對多源、多格式、多類型的數據進行統一的存儲和管理，實現平臺各子系統間數據的統一管理、挖掘分析、共享交換、集成調用等功能。
防淤積模型主要在現有工程應用的水利模型上搭建（如表1所示），通過前期收集的深隧建筑信息（幾何屬性、材料屬性），邊界條件（深隧流體邊界、豎井流體邊界），工藝設備工況參數、運行情況，進隧流量、水位、入流SS等參數數據進行模擬計算，預測深隧運行工況及淤積分布情況，并結合預埋的特定點位流量計的實際測量值進行預測模型校驗，形成自學習閉環，不斷提高模型預測精度，指導深隧生產運行。
一套應用平臺采用分布式服務架構，通過制訂統一的應用系統接口規范，使得不同的系統都按照一定的標準規范實現數據集成與業務融合，建立“規范、安全、開放”的智慧運營應用平臺。Web前端采用現在主流的開發框架，保證前端視覺和交互的一致性，提升用戶體驗。后端采用高擴展、高安全、高性能、高可靠微服務架構。移動端應用擴展性強，可根據業務不同，將移動端應用進行模塊解耦，提高可復用度的同時，極大降低變更的復雜性，同時為快速集成做好準備。
4 智慧管控平臺的應用
4.1 平臺功能
大東湖深隧智慧管控平臺集合全維信息、績效管理、資產管理、生產管理、應急管理、數據管理、人員管理與系統管理八大功能模塊來解決深隧運維難題，強化區域運營調度，提高運營管理效率，保障深隧運行安全。
（1）全維信息模塊作為系統門戶頁面，對項目生產運行關鍵數據（輸送水量、設備工況、深隧流速、管道監控、水耗電耗、調度計劃、預警信息等）進行全局三維展示，并將各生產單位的地理位置融入GIS地圖界面，形成統一的監控及調度入口（見圖2）。此外，系統還能通過仿真模型，對各預處理站的工藝流程、運行參數、預警信息等進行實時查看，直觀掌控項目生產現狀（見圖3）。
（2）績效管理模塊能對深隧工程績效指標進行統一管理與維護，通過輸入項目所有績效考核指標信息，形成深隧績效指標庫。以自然年為單位，圍繞績效指標實際情況，結合項目考核對象（泵站、處理站、深隧工程），系統自動形成一套標準的打分方式，供用戶進行考核自評價、問題上傳和模擬評分。系統還能根據用戶留在數據庫內的考評痕跡，對自評跟政府評進行歸納對比，偏差分析，找出指標偏差明顯項，并給到相應的指標改進建議。
（3）資產管理模塊能對資產的臺帳信息、設備參數、設備備件信息、和設備相關的供應商信息、相關資料、設備圖文等進行統一管理（見圖4）。在設備現場可利用移動端應用通過掃描設備二維碼獲取設備的基本屬性。在Web端可以根據預處理站、功能分區、啟用日期篩選，或根據設備編碼/名稱直接搜索篩選；對設備相關文檔（說明書、故障報告等）進行科學、有序的管理，為設備后續的維護管理可以提供強有力的支撐。
（4）生產管理模塊能對當月生產運行主要數據（設備養護、巡檢、工單完成率、設備完好率等）進行綜合統計分析，以了解項目生產運行總體情況（見圖5）。模塊還能對項目現場運行、報警、巡檢、保養、維修、排班等主要管理內容進行集中管控。巡檢管理主要包括巡檢點管理、巡檢步驟管理、巡檢計劃、巡檢路線制定、巡檢任務、地圖巡檢跟蹤等；設備保養主要對設備日常保養的計劃、標準和工單進行管理；設備維修支持缺陷問題的移動端和Web端申報與維修工單生成，并發送相關維修人員。問題處理完成并經管理人員審核通過后關閉缺陷，實現整個設備缺陷的閉環管理。
（5）應急管理模塊能對深隧內的流速、淤積進行分析預警。依據已構建的防淤積模型進行深隧淤積預測，通過建立規范化應急預案制度對已知風險進行識別、分析、處置、記錄，保障系統安全平穩運行。當部分管段出現淤積時，運營人員可根據聯合調度方案、調度指令及淤積沖刷方案進行系統的線上調度調整，提高深隧流量計流速，來進行淤積沖刷（見圖6）。
（6）數據管理模塊能對獲取的各類生產、經濟指標數據，進行分類統計分析（見圖7），按照周期自動生成各類運營報表，通過對這些指標進行橫縱向對比分析，為項目生產運行提供決策依據。
（7）人員管理模塊主要內容包括項目運營人員的培訓及績效管理。培訓管理主要根據人員線下培訓、新員工入職培訓制定培訓計劃，以培訓成果為切入點，結構化管理思路，實現線上、線下雙重數據疊加反饋，為后續人員培訓成果評分提供數據依據。績效管理主要通過建設人員績效考核指標庫，設定指標考核占比系數，按檔案管理思路對人員培訓記錄、職業證書、人員工單完成情況、績效/積分成績等進行歸納匯總，排名對比，為人員績效考核、職稱能級調整提供數據支撐。
（8）系統管理模塊主要通過嚴格的權限管理功能，采取多種措施防止內部人員對系統軟硬件資源、數據的非法利用。系統需提供統一身份認證，便于系統管理，提高口令認證系統的安全性，實現不同應用系統間的口令的統一。用戶的各個角色在登錄到系統之后，可以按照不同角色的需求和關注項定義，設置個性化定制界面，用戶在首頁就可以看到其所關注的功能點的最新數據（見圖8）。
4.2 平臺應用
（1）保障措施。大東湖深隧智慧運營管控平臺作為項目運營期的主要管理工具，承載著項目生產管理、資產管理、績效考核、應急處置等多種功能。為保障平臺功能的真正實現，項目公司制定了《智慧運營平臺運行管理辦法》，對平臺的使用進行制度化的規范，并將平臺的使用率等指標同項目公司員工的績效考核掛鉤，通過專項培訓、使用考核等多種方式提高運營人員使用技能，避免平臺在項目運營期成為“擺設”，建而不用。此外，項目公司計劃在智慧運營平臺投入使用一年后，會根據平臺實際使用情況，對平臺進行功能升級改造，以完善系統功，提高平臺的友好度及使用率。
（2）效益分析。大東湖深隧智慧管控平臺利用先進的信息化技術，對項目生產運行進行智慧管控，通過收集、調度服務區域污水，統一傳輸送到下游污水廠進行集中處理，解決目前現狀污水處理廠處理能力不足、尾水不達標排放的問題，有效保護了城市中心湖泊和港渠水質，有利于水環境水質目標的實現，社會環境效益突出。平臺的建成投用實現了整個深隧系統的自動化和智慧化運行維護，降低了項目運行維護成本，提高了運行管理效率，單位水運營成本僅為0.13元/m3，經濟效益突出。
作者：曾磊、周毅、王小虎、廉文杰、曾利華、黃凱、劉暢；作者單位：中建三局綠色產業投資有限公司。
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