如何通過(guò)人工智能擊破二供痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能錯(cuò)峰供水？
高質(zhì)量發(fā)展的背景下，公共服務(wù)的重要性日益凸顯，“雙碳戰(zhàn)略”引領(lǐng)的節(jié)能化、智慧化時(shí)代開(kāi)啟。8月26日，安徽舜禹水務(wù)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“舜禹股份”）智慧水務(wù)研究院副院長(zhǎng)、博士后工作站在站博士后姜帥在“2022年（第七屆）供水高峰論壇”上做了題為“節(jié)能錯(cuò)峰技術(shù)助力雙碳目標(biāo)——人工智能在城鎮(zhèn)供水調(diào)度中的應(yīng)用”的發(fā)言。
姜帥
二次供水領(lǐng)域存在的六大應(yīng)用痛點(diǎn)
姜帥指出，目前二次供水領(lǐng)域存在諸多的應(yīng)用痛點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下六大方面。
第一，供水高峰期時(shí)水廠(chǎng)供水能力不足，區(qū)域缺水現(xiàn)象突出。高峰時(shí)段，缺水、搶水現(xiàn)象頻頻發(fā)生，居民生活受到嚴(yán)重影響。供水緊張，水廠(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷壓力較大。
第二，供水低峰期時(shí)水廠(chǎng)供水能力過(guò)剩，無(wú)法充分利用。水廠(chǎng)水泵單日的功率曲線(xiàn)存在較大波動(dòng)，整體運(yùn)行效率低，耗電量高。尚未充分利用低峰期時(shí)水廠(chǎng)富余的供水能力。
第三，城市供水管網(wǎng)漏損率偏高，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。管網(wǎng)漏損水量占總用水量的比例較大，最高可達(dá)20%。《關(guān)于組織開(kāi)展公共供水管網(wǎng)漏損治理試點(diǎn)建設(shè)的通知》指出，公共供水管網(wǎng)漏損率高于12%（2020年）的試點(diǎn)城市（縣城）建成區(qū)，2025年漏損率不高于8%；其他試點(diǎn)城市（縣城）建成區(qū)，2025年漏損率不高于7%。
第四，傳統(tǒng)儲(chǔ)水設(shè)施水體更新率低，水質(zhì)安全難以保障。水箱水體停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，更新率低，水齡普遍較高。易滋生細(xì)菌、污垢沉淀等二次污染問(wèn)題，影響居民用水品質(zhì)。
第五，不斷投資新建水廠(chǎng)，增加地方財(cái)政壓力。傳統(tǒng)的解決思路是對(duì)城市供水基礎(chǔ)設(shè)施的新建和改擴(kuò)建，為當(dāng)?shù)卣妥詠?lái)水公司增加了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。
第六，水廠(chǎng)耗電量巨大，能源用量分配和利用率存在優(yōu)化空間。日間耗電量高，夜間耗電量低，制水單位電耗整體偏高。優(yōu)化用量分配和利用率，是節(jié)能降耗的重要手段。
節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)為痛點(diǎn)而生
為了解決以上這些行業(yè)痛點(diǎn)，舜禹股份研發(fā)了節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由節(jié)能錯(cuò)峰供水設(shè)備和節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水云平臺(tái)，即錯(cuò)峰硬件和軟件組成。硬件設(shè)備在箱式變頻基礎(chǔ)上，增加了流量控制裝置、壓力計(jì)、超聲波液位計(jì)等，水箱采用分割式設(shè)計(jì)，在清洗水箱時(shí)無(wú)須停水，同時(shí)具備自清洗功能。軟件平臺(tái)內(nèi)置大禹算法，通過(guò)人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)居民用水量，可對(duì)區(qū)域供水進(jìn)行全局視角的統(tǒng)籌調(diào)度。
技術(shù)架構(gòu)：從全局出發(fā)，采取“四步走”策略
“節(jié)能錯(cuò)峰”大家都不陌生，比如生活中的錯(cuò)峰用電，錯(cuò)峰供水也是一樣的意思。姜帥介紹了節(jié)能錯(cuò)峰的主要原理，高峰期時(shí)將水箱閥門(mén)開(kāi)度減小或者關(guān)閉，優(yōu)先使用水箱內(nèi)的水供給加壓區(qū)用戶(hù)，而在低峰期時(shí)利用水廠(chǎng)富余供水能力，將水箱內(nèi)的水補(bǔ)滿(mǎn)。這僅僅是單個(gè)泵房的錯(cuò)峰調(diào)節(jié)，如果在每個(gè)泵房都使用這樣獨(dú)立的單泵房調(diào)節(jié)，那么由于泵房彼此之間沒(méi)有通信，因此還是可能造成補(bǔ)水時(shí)間上的沖突。所以，節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)是從全局視角出發(fā)，統(tǒng)籌調(diào)度區(qū)域內(nèi)的所有泵房，從根本上避免了搶水現(xiàn)象的產(chǎn)生。
對(duì)節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)的研究，舜禹股份采取了“四步走”的策略。第一步是理論研究，包括泵房機(jī)組用水量預(yù)測(cè)，管網(wǎng)運(yùn)行變量間關(guān)聯(lián)性研究，及供水管網(wǎng)整體錯(cuò)峰調(diào)度；第二步是在節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水實(shí)驗(yàn)基地的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；第三步是試點(diǎn)驗(yàn)證，包括合肥市北城部分區(qū)域試點(diǎn)、杭州市余杭部分區(qū)域試點(diǎn)、溫州市部分區(qū)域試點(diǎn)；第四步是舜禹水務(wù)二次供水項(xiàng)目工程驗(yàn)證。
論壇現(xiàn)場(chǎng)，姜帥詳細(xì)介紹了以上四個(gè)研究步驟。
理論研究工作主要集中在三個(gè)算法上：泵房機(jī)組用水量預(yù)測(cè)算法、管網(wǎng)運(yùn)行變量關(guān)聯(lián)性計(jì)算和供水管網(wǎng)整體錯(cuò)峰調(diào)度算法。
用水量預(yù)測(cè)是整個(gè)系統(tǒng)的前提，算法以深度回歸模型為基本框架，考慮外部因素對(duì)用水量的影響，如氣溫、季節(jié)、節(jié)假日等，同時(shí)結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋，以達(dá)到對(duì)用水量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。變量關(guān)聯(lián)性計(jì)算是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這里主要是指建立動(dòng)態(tài)水力計(jì)算模型，用于針對(duì)不同的備選策略，計(jì)算供水管網(wǎng)相關(guān)變量的值。錯(cuò)峰調(diào)度是整個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)，它以數(shù)學(xué)規(guī)劃為框架，目標(biāo)方程是管網(wǎng)壓力標(biāo)準(zhǔn)差或區(qū)域流量標(biāo)準(zhǔn)差，決策變量是各個(gè)泵房可調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度，約束包括水廠(chǎng)最大輸出流量、揚(yáng)程上下限、水箱液位上下限等。
完成以上算法后，舜禹股份在公司自建的節(jié)能錯(cuò)峰實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行了大量模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前，公司與合肥供水集團(tuán)已就節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)開(kāi)展全面合作，共同選定了合肥市北城區(qū)高速以北9個(gè)小區(qū)作為首批試點(diǎn)。
四大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)行業(yè)變革
目前，舜禹股份已榮獲國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)、國(guó)家“專(zhuān)精特新‘小巨人’企業(yè)”、國(guó)家級(jí)“服務(wù)型制造”示范企業(yè)等榮譽(yù)，獲批成立節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心等研發(fā)機(jī)構(gòu)。
舜禹股份在二次供水行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)上，主要具備全生命周期服務(wù)、技術(shù)研發(fā)、工藝和質(zhì)量控制及項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)等優(yōu)勢(shì)。聚焦到節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)，目前已取得多項(xiàng)階段性成果?！罢麄€(gè)系統(tǒng)研究的推進(jìn)離不開(kāi)公司提供的研究平臺(tái)?！苯獛浿赋?，節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，主要依托于公司自身的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和商業(yè)模式。該系統(tǒng)由舜禹股份牽頭，聯(lián)合合肥供水集團(tuán)有限公司、阜陽(yáng)市供水總公司等47家水務(wù)公司共同發(fā)起。舜禹股份未來(lái)將引領(lǐng)水務(wù)行業(yè)裝備制造和智慧低碳新變革。
該系統(tǒng)的核心發(fā)明專(zhuān)利“一種基于云技術(shù)的節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)”已獲得授權(quán)；圍繞該專(zhuān)利布局的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系也在逐漸建立，如實(shí)用新型“一種智能錯(cuò)峰調(diào)蓄安防供水系統(tǒng)”。
2020年，舜禹股份獲批成立我國(guó)第一個(gè)以“節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水技術(shù)”為主題的研發(fā)中心，目前已與中科大、合工大、安建大等高校建立了產(chǎn)學(xué)研合作。2021年4月，合肥供水集團(tuán)與舜禹股份聯(lián)合申報(bào)主編的《節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》獲批，7月份在舜禹股份召開(kāi)了標(biāo)準(zhǔn)編制啟動(dòng)會(huì)暨第一次工作會(huì)議。目前已經(jīng)組織召開(kāi)了專(zhuān)家評(píng)審會(huì)，近期會(huì)申請(qǐng)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)初稿，進(jìn)行意見(jiàn)征求。
2021年6月，舜禹股份主持的“節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究”項(xiàng)目通過(guò)國(guó)家住建部科研開(kāi)發(fā)項(xiàng)目立項(xiàng)。2021年11月，姜帥本人以“節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)研究及示范”為課題，成功獲選2021年國(guó)家人社部全國(guó)博士后管委會(huì)與安徽省人社廳共同資助的博士后國(guó)際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目，安徽省共5個(gè)名額，舜禹水務(wù)也是唯一獲選的企業(yè)博士后工作站。
直銷(xiāo)為主，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程已經(jīng)起步
在商業(yè)模式上，舜禹股份采取的主要是以直銷(xiāo)為主的銷(xiāo)售模式，主要依托營(yíng)銷(xiāo)管理中心對(duì)外開(kāi)展產(chǎn)品和服務(wù)的推廣與銷(xiāo)售。節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程已經(jīng)起步。自2016年11月起，合肥供水集團(tuán)明確規(guī)定，全市新建小區(qū)且二次供水水箱容積大于50立方米的小區(qū)，必須實(shí)施錯(cuò)峰供水建設(shè)，同時(shí)逐步對(duì)已接管泵房進(jìn)行改造。節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)將迎來(lái)更為廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。
助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，四大產(chǎn)業(yè)效應(yīng)釋放
姜帥介紹，節(jié)能錯(cuò)峰智慧供水系統(tǒng)主要有以下四大產(chǎn)業(yè)效應(yīng)。
首先，可以解決搶水問(wèn)題，響應(yīng)雙碳戰(zhàn)略。統(tǒng)籌調(diào)度區(qū)域供水，切實(shí)解決居民用水高峰期搶水問(wèn)題。通過(guò)錯(cuò)峰供水，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰用電，是供水行業(yè)響應(yīng)國(guó)家雙碳戰(zhàn)略的有效途徑。
其次，提高供水效率，優(yōu)化能源利用。在高峰期時(shí)最大限度地使用設(shè)備供水，以達(dá)到對(duì)水廠(chǎng)出水量削峰填谷的效果。水廠(chǎng)水泵的運(yùn)行功率曲線(xiàn)更為平穩(wěn)，提高整體供水效率。
第三，匹配城市需求，節(jié)省新建投入。最大化利用分散在各個(gè)站點(diǎn)設(shè)備的調(diào)蓄功能，使得區(qū)域水廠(chǎng)的供水能力得到極大提升。通過(guò)更好地匹配城市用水需求，節(jié)省了新建水廠(chǎng)包括建設(shè)能耗和運(yùn)營(yíng)能耗在內(nèi)的大量資源消耗。
第四，平衡管網(wǎng)壓力，降低運(yùn)營(yíng)成本。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(guò)程中水的流失，提升供水水質(zhì)。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。