在中，北京市市政工程设计研究总院有限公司水资源与环境院智慧科技室主任胡田力介绍了《“双碳”背景下松山湖智慧水厂设计实践与探索》。报告以国家“双碳目标”为指引，依托松山湖水厂的智慧化设计需求，提出了智慧水厂的设计思路——智慧化以完备的自动化系统为基础，结合智能优化运行系统、智能安防系统和智慧管控系统平台，打造一个“5+2”智慧水厂体系架构。将超融合、全光网、微模块等低碳成熟的硬件方案与智能加药、水泵优化、智慧平台等智能化软件系统有机融合，以此来实现对水厂全过程的安全、高效、智慧管控。

  2021年，北京市政工程设计研究总院有限公司中标松山湖智慧水厂设计项目，该水厂设计规模为110万吨/日。业主在项目前期就明白准确地提出了要打造标杆性智慧化水厂的目标，为此，自项目立项伊始，便围绕该目标开展系统策划与实施工作。

  为助力国家达成2030年碳达峰与2060年碳中和目标，相关部委相继颁布一系列政策文件，其中反复着重强调“技术降碳”与“低碳运营”这两大核心途径，而此二者恰为智慧水厂建设的关键着力点。故而，推动智慧水厂建设已然成为行业实现双碳目标的必然抉择。

  通过对有关政策文件的深度剖析，我们提炼出了智慧水厂建设的四条关键路径：其一为工艺优化，着重运用低碳工艺并降低药剂消耗；其二是设备能效提升，推广高效节能设备和物联网技术的应用；其三是智能控制管理系统搭建，达成自动控制与智能决策；其四是智慧管控平台构建，施行全要素管理与决策支持。前两条路径侧重于低碳工艺与节能设备的选择，后两条路径则聚焦于智能化控制手段与运营管理平台的建设，它们共同为智慧水厂的高效运营提供支撑。

  为达成水厂的低碳运营与精细化管控目标，需充分运用物联网、大数据以及建筑信息模型（BIM）等智慧化技术方法。基于上述技术，我们构建了智慧运营管控平台，并借助该平台切实达成了水厂的低碳化运营。由此可知，双碳政策不仅推动了智慧化技术的更新换代，更促使这些技术深度融入水厂的设计与运营全流程。而智慧化手段的实际应用，尤其是智慧水厂的成功实践，又为双碳政策的有效施行提供了重要保障与支撑。

  当前，智慧水厂领域尚未构建起可供直接参考的设计标准体系。本项目参照《智慧城市顶层设计指南》（GB/T 36333），构建并提出了松山湖智慧水厂的顶层设计的具体方案。该方案主要涵盖四个方面的内容，如图1所示：首先，需进行深入的需求分析，以明确项目的战略定位与发展目标。在此基础上，通过对接水务司的组织架构，系统性地构建业务架构、应用架构和技术架构三大体系，最终确保智慧化建设理念全面融入工程设计文件。

  在本项目实施过程中，我院设立了专项研究课题，于前期开展了大量调研工作，涉及智能感知设备、智慧水厂集成以及智能控制解决方案等领域，与超200家相关厂商进行对接，开展线余场。基于上述调研结果，并结合过往工程经验总结，我院提出了具有标准化、强扩展性的“五位一体”智慧化整体解决方案（如图2所示）。该方案涵盖全感知检测、精细化监管、管控一体化、评价体系构建以及智慧决策五个维度。

  在总体设计阶段，我们对建设目标进行了总结归纳，主要涵盖四个方面，如图3所示：其一，将安全运作置于首要位置，确保水厂实现安全生产；其二，保障水处理过程的稳定运行，使出水水质符合环保标准；其三，实现水厂低碳节能的运行效果；其四，达成精简人员配置、提高运行效率的目标。

  综合前文所述的需求分析与总体设计，从项目落地实施层面考量，我们提出了“5 + 2”技术架构模式。

  “5层架构”（如图4所示）是指搭建信息感知层、信息传输层、智能控制层、数据中台层和智慧应用层，使得运营更加高效化、生产更加智能化、管理更加精细化、决策更加科学化，从而打造一个安全、可靠、低碳、经济、友好的智慧型水厂。

  智慧水厂最终呈现2个平台，如图5所示，一个是基于SCADA系统的生产控制性平台，另一个是基于智慧应用的运营管理性平台。

  结合松山湖智慧水厂项目的落地实践，设计院能够为项目从立项、决策至实施的全流程提供咨询服务。在设计过程中，基于前述技术架构，我们在各个层级都融合了多项成熟可靠的解决方案与技术手段。

  在信息感知层设计中，我们将感知设备划分为三类，分别为电气设备类、自控仪表类、安防与定位类。在电气设备领域，除进行常规设计外，采用了智能断路器与智能控制器，其中智能控制器用于实现智能照明与智能通风系统。考虑到水厂项目规模较大，智能照明系统可大大降低能耗成本。在自控仪表方面，通过借鉴化工电力行业的相关经验，我们选用基于Hart协议的智能仪表，并在PLC端配置支持Hart协议的AI模块，以此获取更丰富的数据，为精细化管理提供支撑。此外，在整个厂区还部署了WIFI与UWB设备，既达成了无线网络的全覆盖，也完成了人员精准定位系统的构建。

  在信息传输层设计阶段，我们构建了三套核心网络系统，如图6所示，分别为自控双环网、互联信息网以及全光网络。其中，全光网络作为一种成熟且可靠的解决方案，在交通运输行业和大型园区已获得广泛应用，在市政水处理行业的应用相对匮乏，实际应用案例较为鲜见。在本项目弱电系统模块设计进程中，经统计发现需部署约1300个信息点位，若采用传统交换机架构进行建设，工程建设价格将大幅度提高。通过引入全光网络方案，有效化解了这一难题，在保障网络性能的同时，实现了建设成本的合理调控。

  在智能控制层面，同样构建了三个核心系统，各系统均集成了多个专业子系统。其一为全流程自动化系统，此系统以SCADA系统为依托，融合基于Hart协议的智能仪表控制方案，并集成智能配电、智能照明与通风等与生产紧密相关的子系统。其二为智能优化运行系统，以优化控制为核心，涵盖智能加药、水泵性能优化、水量平衡等功能。其中着重引入智能监盘及预警诊断系统，该系统借鉴火电行业的成熟经验，借助工业大数据建模技术，实现对工艺生产环节的实时预警与趋势预警，具备实时健康评估能力，可提前察觉生产的全部过程中的异常波动。其三为智能安防系统，包含智能安防管理平台、门禁管理子系统、周界报警子系统、安防监控子系统、车辆管理子系统、访客管理子系统、巡更子系统和无人机及反制系统，该系统目前已较为成熟。

  在数据平台层面，将构建数据中台与技术中台这两个核心组成部分（图7）。通过达成数据资源与技术能力的汇聚、融合及交互，该层级将实现系统间的全面贯通。

  依托水厂智慧管控平台，可实现多个应用场景，涵盖驾驶舱、生产运行管理系统以及数字孪生展示系统。然而，相较于水利行业，水务领域的数字孪生技术现阶段仍主要侧重于展示功能，尚未达到真正意义上的数字孪生水准。

  综上，在松山湖智慧水厂建设进程中，项目团队于方案阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段直至施工图阶段都开展了大量工作，全方位支撑了项目从立项、设计至实施落地的完整建设流程。

  微模块机房是对传统机房的机架、空调系统、消防设施、综合布线、配电单元、监控设备和照明系统等全部子系统进行深度整合，所形成的一体化整体解决方案。在前期设计环节，我们开展了细致的对比分析，结果显示其成本的确高于传统方案。然而，从单一电耗指标层面审视，该方案呈现出显著的效益。经精准测算，预计每年能节省20余万元的电费开支。

  第二项关键技术为超融合。在传统水厂设计里，数据机房的计算、存储与网络资源一般都会采用离散布置模式。在松山湖智慧水厂项目中，采用的是三节点超融合设备以支撑智慧运营管控平台的运转。经测算分析，该方案的显著优点是能够大幅节约服务器投资，大大降低一次性建设成本。

  全光网络技术（如图9所示）于水厂领域的应用的确较为鲜见，从技术架构图可以发现，相较于传统方案，全光网络摒弃了中间层的汇聚交换机，以无源分光器取而代之，可进一步达成光进铜退，使网络结构更趋扁平化，促使末端带宽能达到千兆级别。针对此技术，我们同样进行了效益分析，鉴于项目约有1300个信息点位，该方案在松山湖智慧水厂的应用成效颇为理想。

  通过对运行数据汇总、整理及对比，我们得知依托水量平衡及水泵优化系统，配水单位能耗降低4.5%；借助智能排泥系统，平流沉淀池排泥车运行效率实现约77.08%的提升；凭借智能加药系统，混凝剂与消毒剂单位耗量分别降低6.81%和5.44%。

  在智慧应用管控平台领域，借助该平台达成了可视化调度、线上巡检以及工单流转等功能。自2024年9月该平台上线万条巡检数据，处理工单862条，记录报警信息近40万条。与同等规模的第三水厂对比，该平台的应用直接优化了8个值班人员的配置。

  习在党的二十大报告中明白准确地提出，科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力。鉴于此，在未来智慧水厂的设计与建设进程中，全行业需开展协同创新，重点在于推进产业链整合与生态协同。

  在智慧水厂建设进程中，设计院作为关键环节，需充分的发挥设计引领作用，与政府部门、水务企业一同搭建协同平台，整合产业链上下游资源，携手推动行业发展。在工程建设项目实施过程中，设计院更应深入剖析业主需求，将新兴技术应用于水厂建设与运营环节，达成智慧化科技的生态融合。