西门子数字化水务白皮书.pdf
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1、西门子数字化水务白皮书Siemens Digital Water White Paper 西门子数字化水务白皮书 2目前世界正面临着百年未有之重大变局,而资源和能源始终是一个国家、一个民族发展的头等大事。从蒸汽机时代、电气化时代、信息化时代到如今的数字化时代,每一次工业革命的出现都给人类社会各领域带来了深远影响。随着制造业升级到了工业 4.0 阶段,数字化水务已经成为水务行业发展的热点,利用 5G、云计算、人工智能和区块链等先进技术提升水务企业的效率和竞争力,代表了未来行业的发展方向。2021 年 3 月 12 日发布的中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲
2、要从国家层面对数字化和水务行业提出了具体要求。纲要明确指出:加快推动数字产业化,推动数据赋能全产业链协同转型;加快发展方式绿色转型,全面提高资源利用效率,实施国家节水行动,建立水资源刚性约束制度,强化农业节水增效、工业节水减排和城镇节水降损,鼓励再生水利用,单位 GDP 用水量下降 16%左右。在“十四五规划”和“碳中和”目标的宏观愿景之下,水务企业如何在完成自身数字化转型的同时,实现节能环保的绿色可持续发展,以达到社会效益和经济效益的双赢,的确是对我们每一个人智慧的考验。呈现在读者面前的这本西门子数字化水务白皮书集中汇聚了作为水务领域应用专家及数字化解决方案的领先者西门子公司对目前中国水务行
3、业的理解和经验。本书系统分析了水务行业面临的数字化挑战,分享了西门子水务行业数字化转型方面的成功经验,并对水务行业数字化做了详尽的全方位解读,为未来全行业的综合服务提供了一站式的数字化技术解决方案。希望本书能为今后中国的水务行业向数字化方向健康发展,贡献出西门子的智慧与绵薄之力。我们期待和业界一起推动中国水务行业的绿色发展!西门子数字化工业集团序言3 西门子数字化水务白皮书 第一章:数字化 水务行业的未来之路.51.水务行业的现状不容乐观.52.水务行业痛点与挑战.53.水务行业数字化转型 大势所趋.6第二章:数字化水务第一步 数字化咨询.7第三章:多维度解读数字化水务.81.什么是水务.82
4、.水务价值链的原理与框架.83.什么是数字化水务.84.数字化水务应用曲线.9第四章:数字化水务中的使能技术.111.面向未来的使能技术.112.数字化水务中应用的使能技术.11第五章:数字化水务核心要素.141.数字化水厂一体化运维平台.142.水厂数字化资产管理平台.153.数字化泵站系统.164.供水管线漏损监测解决方案.175.水务人员实时定位系统.186.数字化水务网络架构.197.数字化水厂工艺仿真与优化.198.水务数字化的基石.209.水务数字化的可靠保障.2110.水务行业工业物联网平台.2211.水务行业设备智能运维.23目录 西门子数字化水务白皮书 4第六章:未来,数字化
5、水务的春天.261.数字化潮流势不可挡.262.数字化水务的愿景展望.26第七章:数字化水务价值案例展示.27案例一:全生命周期数字化双胞胎打造中国数字化标杆水厂.27案例二:RTLS 实时定位系统守护地下水厂的人员安全.29案例三:挖掘数据的价值 数字化泵站让供水更高效、更安全.30案例四:数字化勾勒未来水厂新画卷 成都西汇水环境数字化之路.32案例五:SIMATIC PCS neo 为庐山水厂插上数字化的翅膀.34附录:西门子工业数字化领域主要并购、研发大事记.36目录主 编:姚 峻副主编:Marcel Glathe 贾晋昭 王晓玲 编 委:秦新鸿 吴文超 徐振胤 李 漓 刘 丹 焦 洋
6、栗鹏霞 张建华 岳 圣 李晨辉 范顺杰 闻 博鸣 谢:本白皮书在撰写过程中得到了CONTROL ENGINEERING China的大力支持,在此表示感谢!5 西门子数字化水务白皮书 第一章数字化 水务行业的未来之路1.水务行业的现状不容乐观当今的中国正站在“两个一百年”的历史交汇点,但在我们的身边却深藏着一个影响经济发展的巨大隐患 水资源短缺。预计到 2030 年,我国人口的峰值将达到 15 亿左右,人均水资源量将接近或达到世界公认的用水警戒线,水资源短缺将日益成为制约我国经济社会发展的重要因素。根据最新发布的2021 年联合国世界水发展报告,在过去 100 年中,全球淡水使用量增长了 6
7、倍。全球超过 20 亿人深陷缺水困境,解决水资源短缺危机刻不容缓。数据显示,到2030年,如果不采取任何措施,人类用水缺口将达到 40%。到 2050 年,全世界将有57 亿人每年至少有一个月遭遇严重缺水。众所周知,我国是一个水资源严重短缺的国家,水资源总量为 2.8 万亿立方米,人均水资源占有量为2077.75 立方米/人(2019 年),仅为世界人均水平的 25%,甚至低于沙漠国家以色列。气候变化和极端气候现象频发使水资源时空分布更加不均,加之水与人口、土地资源不匹配,水资源空间分布格局与经济社会发展格局不匹配等问题,加剧了我国水安全形势的严峻程度。随着中国经济的持续高速发展,工业化、城镇
8、化的进程的加快,水资源短缺和污染问题愈发严重。80%的污水未经净化处理而直接流入河流、湖泊和海洋。在全国调查评估的 700 多条主要河流中,近 50%的河流段和 90%以上的城市河岸水体受到污染。加大对净水流域和水基础设施的投资,大幅提高用水效率成了水务行业的当务之急。2021 年 1 月,国家发展改革委联合科技部、工业和信息化部、财政部、自然资源部、生态环境部等九部门共同印发了关于推进污水资源化利用的指导意见,对全面推进污水资源化利用进行了部署。指导意见明确指出,到 2025 年,全国污水收集效能显著提升,县城及城市污水处理能力基本满足当地经济社会发展需要,水环境敏感地区污水处理基本实现提标
9、升级;全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到 25%以上,京津冀地区达到 35%以上;工业用水重复利用、畜禽粪污和渔业养殖尾水资源化利用水平显著提升;污水资源化利用政策体系和市场机制基本建立。到 2035 年,形成系统、安全、环保、经济的污水资源化利用格局。从污水治理的工业角度看,没有不能净化的污水,但所有的污水净化都是以付出能源为代价。然而更残酷的现实却是,中国还是一个能源紧缺的国家。今后我们必须从可持续发展的角度审视和处理污水,这就倒逼我们必须以更加科学、更加现代化的方式对待污水这种资源,使其达到再次利用的目的。在“开源”的同时,节约更多的水资源。2.水务行业痛点与挑战从社会和经济发展的角
10、度来看,2020 年注定是人类历史上值得铭记的一年。随着新冠疫情的出现,工业时代历经百年形成的全球经济体系和工业体系出现了不同程度的滞缓,与此同时,随着数字化技术的成熟与普及,2020 年也成为了工业文明向数字文明演变的一个分水岭。在这个历史转折点,如果把 2002 年原建设部发布关于加快市政公用行业市场化进程的意见算作中国水务市场化的元年标志,我们不妨回顾一下中国水务行业经过近二十年的发展到今天的现状。中国水务行业经过近二十年的发展,技术和设施虽然在节能减排、升级换代、助力智慧城市建设方面,都进行了不同程度的改造与提高。在资源整合与共享方面,水务行业的初期,曾经以自动化控制为核心,着眼于工艺
11、优化以及生产效率的升级改造;而近年来开始着眼企业信息化,在企业资源管理、移动应用、算法应用方面进行更新换代。西门子数字化水务白皮书 6但同发达国家相比,我国水务行业还基本上处于的初、中级阶段的发展阶段,总体来看整个行业还处于粗放经营层次,很多问题仍然是积重难返。在数字时代如何解决中国目前缺水、水浪费、水污染、能源紧张的现状,水务行业能否实现“弯道超车”依然任重道远。2020 年,中国推出了“新基建”战略,以 5G、大数据中心、人工智能和工业互联网列为新型基础设施建设的重点,其核心目标是为了实现数字世界与物理世界连通,构建起强大的数字生产力。即利用数字化技术和方法将工业系统通过虚实融合的方式进行
12、交互展现,加快实现产业的快速迭代更新。中国“新基建”战略,虽然是对经济发展模式的调整,但并非仅限于拓展市场体系,同时也意味着更为严格的环保管控,更高的成本控制要求,更精细的处理工艺。众多传统领域亦如水务已经进入产能相对过剩阶段,行业洗牌在即。水务行业将面临前所未有的挑战。后疫情时代,我们面临的现状是,自动化和数字化正在重塑工业世界。随着中国经济规模的快速提升,我国水务行业的发展已经从“增量”走向“提质”,系统化、水厂和管网的整合、一体化进行污水处理、水务工程建设和运营维护的融合已成为今后发展的趋势,水务企业要如何转型才能真正搭上“新基建”这班驶向数字经济彼岸的列车?3.水务行业数字化转型 大势
13、所趋随着我国城市化趋势以及在工业化进程中能源与资源矛盾的加剧,水务行业原有的工业模式不同程度都面临着自动化基础薄弱、数据碎片化难于梳理、运营成本无法精细控制、以高能耗为代价等诸多弊病,这也是摆在传统水务企业面前的艰巨挑战。水务企业急需通过数字化转型,提高水资源利用效率,合理利用污水再生资源,减少水资源浪费,以及加强预防性维护,为国计民生提供安全可靠的供水保障,助力中国经济实现可持续的发展。2020 年 12 月,中央经济工作会议确定的八项重点工作,其中第八项做好碳达峰、碳中和工作。我国二氧化碳排放力争 2030 年前达到峰值,力争 2060年前实现碳中和。会议指出,要抓紧制定 2030 年前碳
14、排放达峰行动方案,支持有条件的地方率先达峰。要继续打好污染防治攻坚战,实现减污降碳协同效应。碳达峰碳中和目标的提出,有利于加速污染治理领域新工艺、新产品的研发,以降低能耗;还将促进再生水的循环利用,以及污水处理后剩余污泥的综合利用等。2021 年 3 月发布的中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要对水务行业的新发展提出了明确要求:加快发展方式绿色转型,全面提高资源利用效率,实施国家节水行动,建立水资源刚性约束制度,强化农业节水增效、工业节水减排和城镇节水降损,鼓励再生水利用,单位 GDP 用水量下降 16%左右。在贯彻“十四五”时期可持续的新发展理念、落实
15、“新基建”战略发展方向的同时,实现碳中和的远景目标,是摆在水务行业面前的严峻的课题和挑战。秉承“创新改变行业、智慧引领发展、数字成就梦想”的理念,水务行业不断趋向“节能、降损、控漏、提效、环保”运营管理方式,向数字化、智能化稳步迈进:将水务运营工艺与操作流程数字化,将企业内部的人、事、物纳入数字化管理系统来提升管理效率;打造数据一体化、流程整合化、应用集成化、决策科学化管理模式,让水务企业的运维、管理能力得到提升;并通过大数据、云计算等技术将信息在数字层面挖掘水务企业资产的价值提升潜力。从源头一直到用户端,在最大程度上提升水务公司的应急响应能力,涵盖包括管网抢修、水质安全监测在内的整个水循环周
16、期。从而实现全面感知、泛在互联、普适计算与融合应用。在辅助决策之余,智慧水务还将与水环境系统中的实时控制模块相结合,辅助自动化控制。有鉴于此,未来水务企业的核心竞争力是通过水务物联网获取水网数据,以云计算和大数据分析提供长期决策支持和增值服务,这也是水务企业拥有核心竞争力的主场。随着“新基建”中 5G、大数据中心、人工智能、工业互联网不断融入数字化水务的各个环节,水务行业将进一步迎来发展的“黄金时代”。数字化转型是水务行业迫在眉睫的一场革命,其重要意义可以等同于水务行业中的“二次工业革命”。水务企业应以数字化引领、迈向第二次深度的可持续转型,构建数字化水务新业态。在紧跟趋势、韧性成长、加快数字
17、化转型的过程中,选择适合企业的数字化解决方案也扮演着至关重要的作用。7 西门子数字化水务白皮书 第二章数字化水务第一步 数字化咨询数字化转型不是目的,而是企业解决自身问题和挑战,并释放生产力和效率潜能的重要工具和手段。数字化转型从一开始就要紧扣企业自身实际现状的天然属性,一套“放之四海而皆准”的解决方案显然无法“面面俱到”,满足每一家企业的个性化需求,尤其对于工艺和技术不尽相同的水务工业而言更是如此。因此,在开始水务数字化之前,做到“心中有数”,谋定而后动,才能尽可能保证数字化转型取得成功。这样,数字化咨询应运而生,它成为水务行业实施数字化转型的第一步。作为全球电气化、自动化和数字化的领先厂商
18、,西门子为全球水务行业用户提供全面的解决方案,其自身在数字化领域也已实践多年,拥有丰富的实践经验和方法。而如今,西门子已经开始对外提供数字化咨询服务。西门子水务行业数字化咨询以 IT 和 OT 融合为主线,以省时、节约、高效和安全为四大原则,近期以工厂实际需要为侧重,远期以战略需要为侧重。服务内容包括:基于标准化和科学的咨询管控流程和步骤,西门子针对水务行业提供专业的数字化工厂顶层设计和咨询规划,帮助客户专业、合理、有序和稳健的推进数字化转型,目前已经具有一套经过实践检验行之有效的方法论。西门子通常会分五个阶段来给水务工业企业做数字化咨询,分别为:统一思想、现场调研、数字化评估、数字化路线图制
19、定、咨询报告撰写。“五步走”数字化咨询方法论帮助企业一步步抽丝剥茧,将宏观的数字化战略转化成可落地实施的方案,并且对每个实施点进行相应的经济性和技术性的可行性分析,确保企业能够科学、顺利地实现数字化转型的目标。整个周期约为 10 到 12 周。这五个阶段从宏观战略和清晰实施思路角度出发,帮助企业一步一步抽丝剥缕,把战略转化成可落地实施的方案,并且对每个实施点进行相应的经济性和技术性的可行分析,最后确保企业能够非常顺利、合理、科学的来实现数字化转型的目标。当然,西门子对于客户的价值远不止于通过咨询形成数字化蓝图和实施路线图。更重要的是,西门子还具备可以为客户提供从数字化愿景到落地实施的一站式服务
20、。西门子数字化水务白皮书 8第三章多维度解读数字化水务1.什么是水务在解读什么是数字化水务这个问题之前,我们先要搞清楚“水务”的概念。水务行业通常是指由原水、供水、节水、排水、污水处理及水资源回收利用等构成的产业链。从主要环节来看,水务行业又可分为原水生产与供应、自来水生产和供应、污水收集、污水处理、中水与再生水利用等多个环节。随着水资源短缺、城市化和基础设施老化日益成为人们的主要关注点,水务部门必须寻求优化工作的新方式,以找到运营成本、资产管理和支持节约用水之间的平衡点。要让水务行业更可持续、更加安全,就必须打造新一代的水务管理系统,接纳先进的数字化技术和解决方案。随着物联网、大数据、云计算
21、及人工智能等新技术不断融入传统行业的各个环节,新兴技术和智能工业的不断融合,为水务行业带来了数字化变革的新契机。2.水务价值链的原理与框架在水务行业的价值链上,环境、水资源与水务公司相互关联,水务公司与其消费者相互关联,消费者又与环境相互关联。无论是物理基础设施、水质、服务还是其它,水务价值链上的所有关键节点都可以应用数字化水务技术。需要注意的是,水务价值链这个概念不仅涉及水务公司,还涉及水源(如流域等源头)和用户(如公共部门和用户)。国际水协会(IWA)在流域城市行动议程(IWA Action Agenda for Basin-Connected Cities)概述了水务价值链的原理,并提供
22、了相应的行动框架,以便协调流域内的城镇、工业、农业和生态需求。今天我们生活中所用的所有水,都是来源于两个源头,一是大自然的恩赐,包括湖泊/河流等地表水、以及开采的地下水;二是经污水处理厂处理后的再生水。它们通过收集、处理和分配系统的水厂、水处理厂经过泵站与管道输入到终端用户,供农业灌溉、居民生活、工业、商业使用。而使用过的水,一部分通过自然蒸发和地表渗透又回到了大自然变成了地表水和地下水。一部分通过人工收集与处理变为再生水。二者殊途同归又回到了水源的起点开始了下一个循环,水务链的闭环就是这样周而复始。在上述整个水务链的闭环动态过程中,除了蒸发与渗透不需要消耗能源外,其它环节和过程都是以耗费能源
23、(尤其是化石能源)为代价完成的。传统水务链运行的最大弊端在于:在整个过程中产生的不合理的能源消耗、设备损耗以及人员的支出。而数字化的水务链解决方案,可以将现有过程和环节的能耗降至最低,在提升水厂运营安全性和稳定性的同时,以更低的能耗获取更高的效率。随着低碳环保意识的提升及更多推动碳中和目标实现的相关法规的颁布,更多水务企业将积极推进数字化转型升级,以突破现有瓶颈,实现绿色可持续发展。理论上说起来很简单,但要真正在水务链上实现数字化方案并不简单。因为数字化水务不再是根据人为选取数据得出结论、做出反馈,而是围绕水务链上的三个不同阶段的即时数据,设计、调试、应用不同的数字化解决方案。其中最大的难点是
24、建模评估。这里的模型,既包含了有明确物理意义的数学模型,也包含了以统计、机器学习为代表的数据驱动模型。也正因如此,数字化水务对于行业的专业性要求相对较强,行业的壁垒较高,非一般企业能涉足期间。3.什么是数字化水务水务行业通常由原水、输水、净水、供水、售水、排水、污水治理、再生水回收利用和相关管网建设与维护、甚至包括设备生产等一系列产业节点构成。如何在这些阶段和节点实现数字化,是水务企业转型升级中必须面对的挑战。9 西门子数字化水务白皮书 典型的数字化水务解决方案示例水源与环境收集、处理与分配 终端用户流域完整性遥感监测主动遥感监测包括温度、流量、PH值、硝酸盐等,可监测不同的深度。过程优化结合
25、算法,水质传感器可以优化处理过程,减少资本和运营成本。数字化用户参与通过网络、移动设备、社交等方式实现与客户互动模式的数字化转型。预测性维护使用联网设备和维护方案,减少关键设备与管道的停工期和出错率。数字化水务产品与服务扩大水务公司价值主张涉及的范围,提供新的水务管理服务数字化劳动力经过数字化培训的专业人员通过利用现场的数字化系统来提高规划效率,更好安排进度,优化物流和更有效的管理。交互式需求管理借助用户分析和智能水表来匹配供需,识别用户终端漏水、潜在非付费用户等异常情况。数据集成层指灵活的跨企业集成层、模块化应用程序架构和集成表示层数字化双胞胎指数据集成、分析与可视化能力,帮助水务公司管理人
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