水務(wù)公司利用數(shù)字孿生模型減少供水漏失，加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)
在經(jīng)歷政府債務(wù)危機(jī)和后續(xù)新冠疫情造成的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)之后，希臘制定了一項(xiàng)國(guó)家復(fù)蘇與抗災(zāi)適應(yīng)力計(jì)劃，重點(diǎn)推動(dòng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以營(yíng)造積極的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。給排水管理就是該計(jì)劃中列出的一項(xiàng)關(guān)鍵改革。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織 2017 年發(fā)布的一份報(bào)告，希臘公共供水系統(tǒng)每年因泄漏而損失約 26% 的供水，導(dǎo)致該國(guó)的家庭飲用水消耗量比歐盟其他任何國(guó)家都要高。每戶家庭每年消耗水量約 170 立方米。
科扎尼是希臘供水系統(tǒng)改革的先驅(qū)，該市位于西馬其頓區(qū)，人口只有 6 萬(wàn)左右。1985 年，科扎尼市給排水公司（又稱 DEYAK）成立，開始統(tǒng)一對(duì)該市的供水系統(tǒng)進(jìn)行改善。數(shù)十年來(lái)，DEYAK 不斷擴(kuò)大供水管網(wǎng)，最終成功為科扎尼市及周邊共 63 個(gè)定居點(diǎn)提供了服務(wù)。在過(guò)去 12 年里，供水系統(tǒng)經(jīng)歷了計(jì)量分區(qū) (DMA)、壓力管理等重大技術(shù)升級(jí)，并于近期構(gòu)建了一個(gè)全面的數(shù)字孿生模型，以簡(jiǎn)化供水監(jiān)測(cè)流程，提高系統(tǒng)效率。
希臘 Tech-Go-Round 公司為數(shù)字孿生的實(shí)施提供了咨詢。該公司的老板 Dimitris Papailiopoulos稱，公司團(tuán)隊(duì)剛開始與科扎尼給水系統(tǒng)合作時(shí)，他們面臨著希臘其他給水系統(tǒng)所面臨的許多相同的的困難和問(wèn)題。
“一切都是手動(dòng)完成的，”他說(shuō)，“供水漏失很大。水質(zhì)由人工定期檢測(cè)；但他們知道他們其實(shí)可以做得更好。”
科扎尼還提供了一個(gè)為其他希臘公用事業(yè)公司打造示范系統(tǒng)的理想機(jī)會(huì)。
“幫助規(guī)模較小的水務(wù)局采用這種創(chuàng)新技術(shù)相對(duì)比較容易，”Papailiopoulos表示，“但像雅典水務(wù)局這樣的大型水務(wù)局，需要做很多準(zhǔn)備工作，甚至可能要花上幾年時(shí)間才能安裝。”
開展數(shù)字化升級(jí)
在進(jìn)行任何數(shù)字化升級(jí)之前，DEYAK 首先必須進(jìn)行徹底的制圖評(píng)估。據(jù)Papailiopoulos說(shuō)，該水務(wù)公司并沒(méi)有完整的供水管網(wǎng)圖。他們不清楚某些部位使用了哪種材料，也不知道管網(wǎng)從道路的哪一側(cè)穿過(guò)。
地圖繪制完成后，水務(wù)局下一步需要借助 Bentley 的給水分析軟件OpenFlows，建立一套監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)。SCADA 系統(tǒng)配備數(shù)字傳感器，可對(duì)水壓、水流和水質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。后來(lái)，Papailiopoulos團(tuán)隊(duì)將 Bentley 的水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生軟件解決方案納入其中，進(jìn)一步完善了這一模型。通過(guò)該解決方案，水務(wù)公司可在統(tǒng)一的平臺(tái)上查看通過(guò) SCADA 系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，更快地評(píng)估潛在的系統(tǒng)問(wèn)題及維修必要性，做出更準(zhǔn)確的決策。
“過(guò)去，他們必須進(jìn)入 SCADA 系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控水罐的裝滿情況，并通過(guò)另一個(gè)屏幕監(jiān)測(cè)水壓。”Papailiopoulos說(shuō)，“而現(xiàn)在，他們可以在同一個(gè)屏幕上看到所有信息，這加快了他們的日常流程。”
Papailiopoulos團(tuán)隊(duì)希望，在不久的將來(lái)，水務(wù)公司能夠利用數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)維修和系統(tǒng)調(diào)整方面的自動(dòng)化決策，并生成相應(yīng)的工作單。
不過(guò)，在充分挖掘數(shù)字孿生的潛力之前，他們還需要克服一些挑戰(zhàn)。在整個(gè)系統(tǒng)繪制、SCADA 實(shí)施及其他技術(shù)升級(jí)過(guò)程中，DEYAK 與多個(gè)供應(yīng)商簽訂了合同，這些供應(yīng)商使用不同（通常會(huì)加密）的軟件平臺(tái)，因而很難建立一個(gè)供應(yīng)商和水務(wù)公司員工均可訪問(wèn)的單一開放平臺(tái)。
該數(shù)字孿生項(xiàng)目的液壓技術(shù)經(jīng)理 Konstantinos Gkonelas博士表示，這種問(wèn)題在給水管網(wǎng)中很常見。
他說(shuō)：“很遺憾，我認(rèn)為這種事情全世界都在發(fā)生。”
他還補(bǔ)充說(shuō)，科扎尼水務(wù)公司仍在努力維護(hù)系統(tǒng)，確保其能夠有效、持續(xù)運(yùn)行。
“維持系統(tǒng)運(yùn)行需要付出很大的努力。”Gkonelas說(shuō)，“它需要人們保持聯(lián)系，將設(shè)備信號(hào)與數(shù)字孿生連接起來(lái)，從而在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，從所有數(shù)據(jù)中獲得正確的見解。”
取得積極成果
數(shù)字孿生的采用為科扎尼市帶來(lái)了多重好處。水務(wù)公司人員花費(fèi)在壓力管理任務(wù)上的時(shí)間減少了 40%。他們能夠更快地識(shí)別泄漏，并迅速開展高質(zhì)量的搶修。泄漏管理上的改善減少了水資源浪費(fèi)，流經(jīng)管網(wǎng)的水量因此減少了 20%。供水漏失減少意味著水電費(fèi)更低，讓科扎尼市居民也從中受益。
此外，從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，防止供水漏失也非常重要。2022 年底，歐盟領(lǐng)導(dǎo)人發(fā)布了一項(xiàng)指令，專注于保障居民的清潔用水權(quán)。指令敦促歐盟成員國(guó)制定系統(tǒng)來(lái)確保提供“清潔衛(wèi)生的用水”，即不含微塑料、有毒化學(xué)物質(zhì)和危險(xiǎn)微生物。
各成員國(guó)還被要求評(píng)估其供水基礎(chǔ)設(shè)施的泄漏率。預(yù)計(jì)到 2028 年，歐盟將通過(guò)立法，正式執(zhí)行有關(guān)這些水標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，包括要求向消費(fèi)者報(bào)告水質(zhì)和系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)。
“不采用數(shù)字孿生技術(shù)，就無(wú)法向客戶提供所有這些信息，因此我們已經(jīng)準(zhǔn)備好做出這一積極轉(zhuǎn)變了。”Gkonelas表示。
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焦點(diǎn)人物：Konstantinos Gkonelas
液壓專家期望看到所在領(lǐng)域擁抱技術(shù)進(jìn)步
Konstantinos Gkonelas 博士是一名專門從事水網(wǎng)管理的土木工程師。過(guò)去十年中，他作為水利工程公司ReonHydor的聯(lián)合創(chuàng)辦人，并以自由顧問(wèn)的身份與 Tech-Go-Round 等公司合作，先后參與了希臘、巴爾干半島和波斯灣地區(qū)的多項(xiàng)水網(wǎng)構(gòu)建和升級(jí)工作。
在色薩利大學(xué)攻讀給水系統(tǒng)管理博士學(xué)位期間，Gkonelas開始對(duì)液壓領(lǐng)域產(chǎn)生興趣，并專注于如何利用新數(shù)字技術(shù)來(lái)優(yōu)化壓力管理，減少供水漏失。最近，他的這一興趣體現(xiàn)在了運(yùn)用數(shù)字孿生的力量上，Gkonelas認(rèn)為數(shù)字孿生是供水管理的未來(lái)。他近期參與的項(xiàng)目包括希臘北部科扎尼市給水系統(tǒng)數(shù)字孿生項(xiàng)目，該項(xiàng)目已于今年 6 月投入使用。
“數(shù)字孿生的實(shí)施幫助我們獲得了有用的見解，可用于改善整個(gè)給水管網(wǎng)的性能和運(yùn)營(yíng)。”Gkonelas說(shuō)，“無(wú)收益水方面的一系列策略也因此得到改進(jìn)，包括壓力管理、主動(dòng)泄漏控制、維修速度和質(zhì)量，以及資產(chǎn)管理。”
Gkonelas認(rèn)為，相比許多其他類型的基礎(chǔ)設(shè)施，給水管網(wǎng)在采用 21 世紀(jì)技術(shù)和數(shù)字化進(jìn)步方面進(jìn)展緩慢，這是因?yàn)槿藗円回灡?ldquo;眼不見心不煩”的態(tài)度。
“我覺(jué)得現(xiàn)行技術(shù)與其在給水管網(wǎng)上的應(yīng)用之間還存在差距，因?yàn)榻o水管網(wǎng)屬于地下設(shè)施，在很多情況下，并不為人們所了解。”
Gkonelas同時(shí)還認(rèn)為，水務(wù)管理領(lǐng)域非常適合實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型。凡是有水的地方，就不會(huì)有所謂的固定或靜態(tài)環(huán)境。因此，給水模型應(yīng)該是動(dòng)態(tài)的，能夠反映系統(tǒng)每分鐘的變化，從而最有效地優(yōu)化給水管網(wǎng)的功能。而這些——以及許多其他相關(guān)效益，正是數(shù)字孿生所能夠提供的，這一點(diǎn)科扎尼數(shù)字孿生項(xiàng)目已經(jīng)證明。
“由于實(shí)現(xiàn)了隔離閥的自動(dòng)定位，并使用遺傳算法識(shí)別泄漏，科扎尼市壓力管理的[資源小時(shí)]數(shù)減少了 40%，新報(bào)告及未報(bào)告泄漏的修復(fù)速度和質(zhì)量都提高了 50%。”Gkonelas表示。
Gkonelas相信，在未來(lái)的幾十年里，隨著清潔水變得越來(lái)越稀缺，成為“未來(lái)的石油”，這些好處將會(huì)變得更加重要。而在希臘乃至全球，水務(wù)公司都將把科扎尼前沿技術(shù)改進(jìn)視為典范。
