專家觀點 | 胡田力：“雙碳”背景下松山湖智慧水廠設計實踐與探索

在中，北京市市政工程設計研究總院有限公司水資源與環境院智慧科技室主任胡田力介紹了《“雙碳”背景下松山湖智慧水廠設計實踐與探索》。報告以國家“雙碳目標”為指引，依托松山湖水廠的智慧化設計需求，提出了智慧水廠的設計思路——智慧化以完備的自動化系統為基礎，結合智能優化運行系統、智能安防系統和智慧管控系統平臺，打造一個“5+2”智慧水廠體系架構。將超融合、全光網、微模塊等低碳成熟的硬件方案與智能加藥、水泵優化、智慧平臺等智能化軟件系統有機融合，從而實現對水廠全過程的安全、高效、智慧管控。

胡田力

本文根據嘉賓發言內容整理。已經由專家本人審閱。

1、前言

2021年，北京市政工程設計研究總院有限公司中標松山湖智慧水廠設計項目，該水廠設計規模為110萬噸/日。業主在項目前期就明確提出了要打造標桿性智慧化水廠的目標，為此，自項目立項伊始，便圍繞該目標開展系統策劃與實施工作。

2、雙碳&智慧

2.1雙碳&智慧的關系

為助力國家達成2030年碳達峰與2060年碳中和目標，相關部委相繼頒布一系列政策文件，其中反復著重強調“技術降碳”與“低碳運營”這兩大核心途徑，而此二者恰為智慧水廠建設的關鍵著力點。故而，推動智慧水廠建設已然成為行業實現雙碳目標的必然抉擇。

2.2水廠的四個減碳路徑

通過對相關政策文件的深度剖析，我們提煉出了智慧水廠建設的四條關鍵路徑：其一為工藝優化，著重運用低碳工藝并降低藥劑消耗；其二是設備能效提升，推廣高效節能設備以及物聯網技術的應用；其三是智能控制系統搭建，達成自動控制與智能決策；其四是智慧管控平臺構建，施行全要素管理與決策支持。前兩條路徑側重于低碳工藝與節能設備的選擇，后兩條路徑則聚焦于智能化控制手段與運營管理平臺的建設，它們共同為智慧水廠的高效運營提供支撐。

2.3 雙碳引領，智慧賦能

為達成水廠的低碳運營與精細化管控目標，需充分運用物聯網、大數據以及建筑信息模型（BIM）等智慧化技術手段。基于上述技術，我們構建了智慧運營管控平臺，并借助該平臺切實達成了水廠的低碳化運營。由此可知，雙碳政策不僅推動了智慧化技術的更新換代，更促使這些技術深度融入水廠的設計與運營全流程。而智慧化手段的實際應用，尤其是智慧水廠的成功實踐，又為雙碳政策的有效施行提供了重要保障與支撐。

3、松山湖智慧水廠建設路徑

當前，智慧水廠領域尚未構建起可供直接參考的設計標準體系。本項目參照《智慧城市頂層設計指南》（GB/T 36333），構建并提出了松山湖智慧水廠的頂層設計方案。該方案主要涵蓋四個方面的內容，如圖1所示：首先，需進行深入的需求分析，以明確項目的戰略定位與發展目標。在此基礎上，通過對接水務司的組織架構，系統性地構建業務架構、應用架構和技術架構三大體系，最終確保智慧化建設理念全面融入工程設計文件。

圖1 智慧水廠的頂層設計

3.1 需求分析

在本項目實施過程中，我院設立了專項研究課題，于前期開展了大量調研工作，涉及智能感知設備、智慧水廠集成以及智能控制解決方案等領域，與超200家相關廠商進行對接，開展線上線下交流活動300余場。基于上述調研結果，并結合過往工程經驗總結，我院提出了具有標準化、強擴展性的“五位一體”智慧化整體解決方案（如圖2所示）。該方案涵蓋全感知檢測、精細化監管、管控一體化、評價體系構建以及智慧決策五個維度。

圖2 “五位一體”的智慧化整體解決方案

3.2 總體設計

在總體設計階段，我們對建設目標進行了總結歸納，主要涵蓋四個方面，如圖3所示：其一，將安全運行置于首要位置，確保水廠實現安全生產；其二，保障水處理過程的穩定運行，使出水水質符合環保標準；其三，實現水廠低碳節能的運行效果；其四，達成精簡人員配置、提高運行效率的目標。

圖3 總體設計中的建設目標

3.3 架構設計

綜合前文所述的需求分析與總體設計，從項目落地實施層面考量，我們提出了“5 + 2”技術架構模式。

“5層架構”（如圖4所示）是指搭建信息感知層、信息傳輸層、智能控制層、數據中臺層和智慧應用層，使得運營更加高效化、生產更加智能化、管理更加精細化、決策更加科學化，從而打造一個安全、可靠、低碳、經濟、友好的智慧型水廠。

圖4 “5層架構”示意圖

智慧水廠最終呈現2個平臺，如圖5所示，一個是基于SCADA系統的生產控制性平臺，另一個是基于智慧應用的運營管理性平臺。

圖5 兩個平臺示意圖

3.4 設計實施

結合松山湖智慧水廠項目的落地實踐，設計院能夠為項目從立項、決策至實施的全流程提供咨詢服務。在設計過程中，基于前述技術架構，我們在各個層級都融合了多項成熟可靠的解決方案與技術手段。

3.4.1

信息感知層

在信息感知層設計中，我們將感知設備劃分為三類，分別為電氣設備類、自控儀表類、安防與定位類。在電氣設備領域，除進行常規設計外，采用了智能斷路器與智能控制器，其中智能控制器用于實現智能照明與智能通風系統。考慮到水廠項目規模較大，智能照明系統可有效降低能耗成本。在自控儀表方面，通過借鑒化工電力行業的相關經驗，我們選用基于Hart協議的智能儀表，并在PLC端配置支持Hart協議的AI模塊，以此獲取更為豐富的數據，為精細化管理提供支撐。此外，在整個廠區還部署了WIFI與UWB設備，既達成了無線網絡的全覆蓋，也完成了人員精準定位系統的構建。

3.4.2

信息傳

輸層

在信息傳輸層設計階段，我們構建了三套核心網絡系統，如圖6所示，分別為自控雙環網、互聯信息網以及全光網絡。其中，全光網絡作為一種成熟且可靠的解決方案，在交通運輸行業和大型園區已獲得廣泛應用，在市政水處理行業的應用相對匱乏，實際應用案例較為鮮見。在本項目弱電系統設計進程中，經統計發現需部署約1300個信息點位，若采用傳統交換機架構進行建設，工程造價將大幅提高。通過引入全光網絡方案，有效化解了這一難題，在保障網絡性能的同時，實現了建設成本的合理調控。

圖6 信息傳輸層示意圖

3.4.3

智能控制層

在智能控制層面，同樣構建了三個核心系統，各系統均集成了多個專業子系統。其一為全流程自動化系統，此系統以SCADA系統為依托，融合基于Hart協議的智能儀表控制方案，并集成智能配電、智能照明與通風等與生產緊密相關的子系統。其二為智能優化運行系統，以優化控制為核心，涵蓋智能加藥、水泵性能優化、水量平衡等功能。其中著重引入智能監盤及預警診斷系統，該系統借鑒火電行業的成熟經驗，借助工業大數據建模技術，實現對工藝生產環節的實時預警與趨勢預警，具備實時健康評估能力，可提前察覺生產過程中的異常波動。其三為智能安防系統，包含智能安防管理平臺、門禁管理子系統、周界報警子系統、安防監控子系統、車輛管理子系統、訪客管理子系統、巡更子系統以及無人機及反制系統，該系統目前已較為成熟。

3.4.4

數據平臺層

在數據平臺層面，將構建數據中臺與技術中臺這兩個核心組成部分（圖7）。通過達成數據資源與技術能力的匯聚、融合及交互，該層級將實現系統間的全面貫通。

圖7 數據平臺示意圖

3.4.5

智慧應用層

依托水廠智慧管控平臺，可實現多個應用場景，涵蓋駕駛艙、生產運行管理系統以及數字孿生展示系統。然而，相較于水利行業，水務領域的數字孿生技術現階段仍主要側重于展示功能，尚未達到真正意義上的數字孿生水準。

綜上，在松山湖智慧水廠建設進程中，項目團隊于方案階段、可行性研究階段、初步設計階段直至施工圖階段都開展了大量工作，全方位支撐了項目從立項、設計至實施落地的完整建設流程。

4、減碳技術方案

4.1 微模塊機房

微模塊機房是對傳統機房的機架、空調系統、消防設施、綜合布線、配電單元、監控設備以及照明系統等全部子系統進行深度整合，所形成的一體化整體解決方案。在前期設計環節，我們開展了細致的對比分析，結果顯示其成本的確高于傳統方案。然而，從單一電耗指標層面審視，該方案呈現出顯著的效益。經精準測算，預計每年能夠節約20余萬元的電費開支。

圖8 傳統機房和微模塊機房對比圖

4.2 超融合

第二項關鍵技術為超融合。在傳統水廠設計里，數據機房的計算、存儲與網絡資源一般采用離散布置模式。在松山湖智慧水廠項目中，采用的是三節點超融合設備以支撐智慧運營管控平臺的運轉。經測算分析，該方案的顯著優勢在于能夠大幅節約服務器投資，有效降低一次性建設成本。

4.3 全光網絡

全光網絡技術（如圖9所示）于水廠領域的應用的確較為鮮見，從技術架構圖能夠看出，相較于傳統方案，全光網絡摒棄了中間層的匯聚交換機，以無源分光器取而代之，可進一步達成光進銅退，使網絡結構更趨扁平化，促使末端帶寬能夠達到千兆級別。針對此技術，我們同樣進行了效益分析，鑒于項目約有1300個信息點位，該方案在松山湖智慧水廠的應用成效頗為理想。

圖9全光網絡示意圖

4.4 智能控制

通過對運行數據匯總、整理及對比，我們發現依托水量平衡及水泵優化系統，配水單位能耗降低4.5%；借助智能排泥系統，平流沉淀池排泥車運行效率實現約77.08%的提升；憑借智能加藥系統，混凝劑與消毒劑單位耗量分別降低6.81%和5.44%。

4.5智慧運營管控平臺

在智慧應用管控平臺領域，借助該平臺達成了可視化調度、線上巡檢以及工單流轉等功能。自2024年9月該平臺上線運行起，截至2025年9月20日，累計生成近13萬條巡檢數據，處理工單862條，記錄報警信息近40萬條。與同等規模的第三水廠對比，該平臺的應用直接優化了8個值班人員的配置。

5、協同創新

習近平總書記在黨的二十大報告中明確提出，科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力。鑒于此，在未來智慧水廠的設計與建設進程中，全行業需開展協同創新，重點在于推進產業鏈整合與生態協同。

在智慧水廠建設進程中，設計院作為關鍵環節，需充分發揮設計引領作用，與政府部門、水務企業共同搭建協同平臺，整合產業鏈上下游資源，攜手推動行業發展。在工程項目實施過程中，設計院更應深入剖析業主需求，將新興技術應用于水廠建設與運營環節，達成智慧化科技的生態融合。

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編輯整理：《凈 水技術》編輯 楊潔

排版：《凈水技術》編輯 李濱妤

審核：《凈水技術》社長/執行主編 阮辰旼

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