摘要：随着城市化进程加快和人口增长，传统水厂在供水能力、水质安全及运营效率上的局限性日益凸显。智慧水厂作为智慧城市的重要组成部分，通过融合物联网、人工智能、数字孪生等先进技术，推动制水生产从“人工主导”向“无人值守”跨越。本文将从技术演进、核心架构、典型案例等方面，
随着城市化进程加快和人口增长，传统水厂在供水能力、水质安全及运营效率上的局限性日益凸显。智慧水厂作为智慧城市的重要组成部分，通过融合物联网、人工智能、数字孪生等先进技术，推动制水生产从“人工主导”向“无人值守”跨越。本文将从技术演进、核心架构、典型案例等方面，系统探讨智慧水厂如何通过技术创新重塑水务行业。
运营模式落后：依赖人工与经验
传统水厂的生产流程高度依赖人工操作，例如：
1）巡检依赖人力：设备巡检需巡检人员定期到现场检查，难以覆盖所有区域，故障响应时间长达数小时；
2）决策依赖经验：药剂投加、设备启停等关键操作依赖工人经验，缺乏实时数据支撑，导致能耗波动；
3）数据孤岛现象：水质、水量、能耗等数据分散在多个系统，难以实现跨部门协同。
安全风险突出：事故频发与资源浪费
1）水质波动风险：人工监测无法实时捕捉水质突变，某传统水厂曾因未及时调整加氯量导致出厂水余氯超标；
2）设备故障率高：缺乏预测性维护，某泵站因水泵轴承磨损引发停机，导致周边区域供水中断；
3）能耗浪费严重：人工调度无法动态匹配用水需求，某水厂夜间低谷时段仍保持高负荷运行，电耗占比超过总成本的。
管理成本高企：人力与资源双重压力
1）人力成本占比高：某中型水厂需配置巡检人员、化验员、调度员等岗位，人力成本占运营总支出的比例高；
2）应急响应滞后：某次暴雨导致管网压力骤降，人工调度耗时，造成部分区域短暂停水；
3）资源利用效率低：传统水厂的水资源回收率低，远低于智慧水厂的水平。
物联网技术：全要素感知与实时互联
智慧水厂通过部署传感器网络实现全流程数据采集：
1）水质监测：在取水口、沉淀池、滤池等关键节点安装多参数水质传感器，实时监测浊度、余氯、pH值等指标；
2）设备状态感知：在泵站、加药间等区域部署振动传感器、温度传感器，监测水泵运行状态；
3）管网压力监控：在供水管网关键节点安装压力传感器，结合SCADA系统实现压力动态调节。
大数据与云计算：数据驱动的决策中枢
1）数据集中管理：构建水厂级数据中台，整合水质、水量、能耗等数据，支持实时查询与历史回溯；
2）智能分析模型：基于机器学习算法构建水质预测模型，提前预警水质异常；
3）云端协同调度：通过云计算平台实现多水厂联动调度，优化区域供水资源配置。
人工智能与数字孪生：虚实融合的运维体系
1）AI工艺优化：构建AI加药模型，通过前馈控制、模型预测、反馈调节实现药剂精准投加；
2）数字孪生仿真：基于BIM+GIS技术构建水厂三维数字模型，实时映射物理设备状态，支持虚拟巡检与故障推演；
3）智能安防联动：集成视频监控、UWB定位、电子围栏等技术，实现非法入侵自动报警与应急响应。
第一级：自动化控制替代人工操作
1）全流程自动化：通过PLC控制系统实现取水、加药、过滤、消毒等环节的无人值守运行；
2）智能加药系统：采用计量泵与AI算法结合，根据原水水质动态调整药剂投加量，某水厂改造后药耗降低；
3）设备自清洁：沉淀池排泥、滤池反冲洗等环节由定时控制升级为按需触发，减少人工干预。
第二级：智能决策替代经验判断
1）预测性维护：基于设备运行数据构建故障预测模型，某泵站通过振动分析提前发现轴承磨损，避免非计划停机；
2）智能调度算法：结合用水需求预测、管网压力监测与设备状态评估，动态优化水泵启停策略，某水厂改造后电耗降低；
3）水质安全预警：通过关联分析多参数水质数据，某水厂在藻类爆发前启动应急预案，避免水质事件。
第三级：无人值守替代现场驻守
1）移动巡检替代人工巡检：通过无人机、巡检机器人与AR眼镜实现远程巡检，某水厂巡检效率提升；
2）远程操控替代现场操作：运维人员通过手机APP或中控平台即可完成设备启停、参数调整等操作；
3）应急预案自动化执行：构建暴雨、地震等场景的应急响应模型，系统自动触发排水、泄压等动作。
河北辛集水厂—智慧水厂管理系统
智慧水厂管理系统主要采用先进的自动控制方案解决水厂无人或少人的制水生产过程，实现对水厂运维智能管控、区域中心集中监控、移动巡检智能管理、重点工艺智能控制、运维平台信息化管理，以自控系统代替人的工作，将运营、设备、设施、巡检、维修等流程互联互通，打破信息孤岛。
系统功能
1）实景+GIS+BIM融合
通过无人机和实景三维建模技术，航拍园区实景并转化为可操作展示的三维模型，形象直观的展现水厂的真实样貌、布置及周围环境。系统支持大体量BIM数据、GIS数据、倾斜影像数据的快速加载。
2）三维水厂实时看板
运维人员通过三维水厂实时看板，总览全局，一目了然的掌握重要数据指标，包括原水数据、出水数据、加药间数据、重要液位监控数据以及报警数据等。
3）三维模型设备定位
在三维模型中快速定位任一设备的位置状态，方便运维人员及时排查、发现及修复问题。
4）三维巡检
基于水厂的运维需求，定制个性化巡检路径，在三维场景中模拟巡检漫游路径，将巡检点、设备和传感器实时数据、视频监控相结合，高效代替人工巡检。
5）设备状态实时展示
基于传感器设备数据，在三维模型中直观地查看各个设备的实时状态，如水泵的开停，运行频率、进出水管的瞬时流量，压力等。
6）全管道分层展示
通过三维模型，分层展示整个厂区的所有管道，包括产生管线、自用水管、雨水管、污水管、排泥管、回用管和电力布置管线等，方便员工培训及维修和定位每一根管线及管件。
鹤山北控水厂——水务智慧运维平台
鹤山北控水务智慧运维平台（下称智慧运维平台）是集BIM、GIS、人工智能、大数据、云计算等技术，和污水运营企业安全管理、生产运行、水质化验、设备管理、日常办公等关键业务于一体的信息管理平台。平台通过实时数据采集技术、即时数据传输网络、精确统计分析工具、轻量化数据展示以及高效决策支持系统，实现对水厂的智能感知、智能生产、智能运维以及智能调度，为水厂的持续运营和优化管理提供高度信息化和智慧化支持。
平台功能
1）智慧管理
智慧运维平台对企业实时生产数据、视频监控数据、工艺设计、日常管理等相关数据进行集中管理；利用统计分析、数据挖掘技术为不同层面的生产运行管理者提供即时、丰富的生产运行信息，为辅助分析决策奠定良好的基础，为企业规范管理、节能降耗、减员增效和精细化管理提供强大的技术支持，从而形成完善的城市污水处理信息化综合管理解决方案。
设备数据采集
视频数据采集
2）BIM轻量化展示
智慧运维平台包括基于HTML，Ue4(虚幻游戏引擎)，Cesium.js（GIS引擎）等技术的BIM模型轻量化Web解决方案，不需要下载和安装任何插件即可在Web端浏览和显示复杂的三维模型。
利用游戏Ue4引擎强大的实时图形渲染特性，实现大体复杂地形、倾斜摄影、BIM模型等三维模型数据的秒级加载；通过IoT设备采集到的数据，与模型实时同步互联，以达到实现对物理世界仿真，最终实现数字孪生的目的；同时，利用Ue4强大的光照系统，实现对物理环境的模拟，极大增强用户的体验感。
单体建筑可视化
3）大屏展示
智慧运维平台包括基于Web的大屏展示功能。平台实现前端Echart等可视化框架与BIM、GIS场景的深度融合，利用数据大屏的数据实时性强，交互强、集中度强等特性，实现“一图知全貌”，从一张图表便捷的了解整个厂区的关键信息。
通过不同部门，不同工艺流程数据实现高度融合，信息共享，以实现相关系统的联动，解决企业面临的“信息孤岛”问题。交互式实时数据可视化大屏，能够实时监测厂区运营数据，洞悉运营增长，助力智能高效决策。
区域可视化
水厂可视化
4）智能运维
智慧运维平台包括基于大数据、机器学习、深度学习技术的智能运维管理。平台利用传统机器学习算法与深度学习算法—神经网络，利用IOT设备数据、自动控制系统收集到的数据，和相关行业经验数据，对厂区不同工艺系统进行数据建模，将看似“无关”的数据，进行数据挖掘。
通过将水处理工艺经验参数与人工智能算法相融合的方式，实现对水质，水量的工艺参数动态优化，实现对水处理环节药剂的科学投放，设备能耗的科学诊断，以及对设备、管道的科学预警分析与故障诊断，最大化提高资源利用效率，提高水厂经济效益。
IOT管理
加药管理
告警管理
工单管理
5）三维巡检
智慧运维平台包括基于BIM的3D巡检功能。BIM平台的展示效果可以做到多用户异地共享运维数据，将运维管理的需要的信息与模型整合在一起，从而直观地了解及管理运维对象，实现运营维护的可视化管理。
巡检管理
6）设备资产管理
智慧运维平台包括基于BIM的设备联动和资产管理功能。在紧急情况下，管理人员不仅要在灾害发生后制定合理的维护方案，还需要对危险源进行追溯，以此来不断完善日常运维计划。
智慧运维平台基于三维轻量化引擎将水厂的监测管理系统与BIM数据相结合，从模型上直观地展示各控制系统的数据，可视化资产和监测信息。在水厂的运作工程中，可以随时查看实时数据及历史数据曲线，在水厂设备发生异常时，系统也可自动监测并且报警，通过交互界面引导工作人员开展水厂的维护工作。
设备数据管理
系统详情：「链接」
从传统水厂到智慧水厂的演进，本质上是水务行业从“经验驱动”向“数据驱动”、从“粗放管理”向“精益运营”的范式变革。无人制水作为智慧水厂的核心目标，不仅依赖于物联网、大数据、人工智能等技术的突破，更需在管理机制、商业模式与人才体系上实现系统性创新。未来，随着数字孪生、AI大模型等技术的持续赋能，智慧水厂将进一步推动水务行业向“零事故、零浪费、零排放”的可持续发展目标迈进，为城市生命线提供更安全、更高效、更绿色的保障。
来源：艾三维技术
