北控水務BECloudTM智慧水務云平臺
北控水務集團是北京控股集團有限公司旗下專注于水資源循環利用和水生態環境保護事業的旗艦企業。北控水務集產業投資、設計、建設、運營、技術服務與資本運作為一體，是綜合性、全產業鏈、領先的專業化水務環境綜合服務商，業務涵蓋市政水、流域水、工業水、村鎮水、海淡水及環衛固廢、科技服務、金融服務、清潔能源等領域。2017年起，集團將全面創新提到集團戰略層面，在行業內率先踐行智慧化運營管理理念，通過將行業專業理論經驗與和工業互聯網平臺以及云計算、大數據、機器學習等IT與OT技術的融合，鏈接水務行業的實際需要導向和技術領域的可能性，引領開發了包括智慧水務運營管理平臺BECloudTM、數字雙胞胎、全流程智能控制系統等智慧化的大數據解決方案，緊扣水廠關鍵工藝環節智能化、生產過程智能優化控制、建設水務行業智能水廠，建立智能水廠標準體系和信息安全標準體系，推動水務行業的整體提升與大跨步發展。
和利時作為中國領先的自動化解決方案供應商，20多年來始終圍繞工業現場生產制造和企業運營提供技術、產品和服務，累計實施了幾萬個各類工業自動化項目，包括流程、離散和運營等不同類型工業領域和門類，深刻理解企業面臨的生產和運營問題。隨著云計算、大數據、人工智能、物聯網、邊緣計算等新一代信息技術的迅猛發展，和利時不斷開發出融合新ICT技術或順應技術發展趨勢的產品，今天已經基本形成了包括邊緣控制器、邊緣智能控制系統、邊緣網關、數字化工廠生產運營管理系統、工業云為一體的工業互聯網平臺（數字工廠操作系統HolliCube），并基于該平臺實現了中藥調劑設備云、通用設備云、智慧水務運營管理平臺、軌道交通綜合運維管理平臺等多個典型行業和示范性應用。和利時通過HolliCube產品、智能制造解決方案和數字化服務，助力客戶打破各種自動化信息孤島，實現兩化深度融合和數字化轉型，引領和滿足市場對數字化、智能化的新需求。在此背景下，和利時與北控水務強強聯合，基于和利時HolliCube打造了智慧水務運營管理云平臺BECloudTM。
一、 項目概況
基于北控水務在行業內專業理論經驗及和利時HolliCube數字工廠操作系統，建立智慧水務運營管理平臺BECloudTM，構建海量工業數據采集、處理、存儲、匯聚、分析和服務體系，支持水務企業數字化能力的快速提升，引領水務行業發展，探索水務行業業務新模式，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協同演進的水務行業服務新生態。
1. 項目背景
近年來，水務行業的大跨步發展給全體從業者即帶來了挑戰和機遇，在十九大上提出開啟生態文明建設新時代，行業標準逐年提升，社會關注度不斷增強，市場競爭日趨充分，各業態趨向“一張圖”統一管理，業務技術能力提升需要突破，經濟效益與社會效益統籌協調，企業發展與行業發展方向一致，行業實現與高新技術創新融合。
水務行業的模式轉型，需要從數字化轉型入手，專業、高效、開放的行業工業互聯網平臺，容易被行業普遍接收和使用，助力行業的數字化轉型，實現高效可復制的行業新模式。
無論何種平臺亦或是創新模式，都脫離不開業務背景。目前大多數水廠運行與管理嚴重依賴經驗，該方式調控粗放，控制精度低，時效性弱，造成電、藥的大量浪費，使水廠運行成本居高不下。開發可有效實現污水廠穩定、低碳、高效運行的全流程智能控制策略變得日益迫切。然而，智能控制技術要以大量水廠實際運行數據為依托。目前各地水廠數據管理松散，各地區各水廠各自為戰，數據存儲形式各不相同。阻礙了標準智能控制技術的推廣。水廠數據質量參差不齊，嚴重影響了水廠的現代化管理和生產。解決這一問題的根本就在于形成面向水務行業的數字化、網絡化、智能化需求，構建基于海量數據采集、匯聚、分析和服務體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的開放式平臺。
2. 項目簡介
北控水務面向水行業數字化、網絡化、智能化需求，建設智慧水務運營管理平臺BECloudTM，構建基于海量數據采集、匯聚、分析和服務體系，支撐水行業業務能力提升、資源配置的開放式平臺，構建水務行業生態體系的核心。其本質是通過構建精準、實時、高效的數據采集互聯體系，建立面向工業大數據存儲、集成、訪問、分析、管理的開發環境，實現工業技術、經驗、知識的模型化、標準化、軟件化、復用化，不斷優化研發設計、生產制造、運營管理等資源配置效率，形成資源富集、多方參與、合作共贏、協同演進的水務行業新生態。
3. 項目目標
通過云計算、大數據和人工智能等新一代的互聯網IT技術，疊加上北控水務多年積累的行業知識和工藝技術，以及結合北控水務的卓越運營管理理念，開發出一套面向水務行業的智慧水務運營管理平臺BECloudTM，面向北控水務集團的水廠，建立“數字化”應用和標準化運營體系，實現運營管理能力的深度提升。未來將運營管理平臺從集團內，推動集團外，不僅提升集團智慧水務核心競爭能力，同時還賦能給同行企業，提高整體水務行業的運營水平。
通過智慧水務運營管理平臺BECloudTM的建設，能夠在污水處理環節快速、全面融入北控水務在運營管理上的成熟理念和豐富經驗，利用人工智能和大數據、云平臺等先進技術，配套建設、應用集智能感知、智能預警、智能調度、智能處置和智能服務等智慧化功能于一體智慧水務運管系統；通過將水務機理模型和大數據科學相結合，深入發掘海量工業數據，揭示傳統技術方式難以展現的關聯關系，提升整體數據分析能力，為有效處理復雜運管問題提供新的手段，實現水廠智能預測和決策支持、工藝優化、精確控制、無人值守等功能提供平臺支撐。
二、項目實施概況
1. 項目總體架構和主要內容
（1）系統總體架構設計
智慧水務運營管理平臺在技術創新上采用了融合邊緣計算和云計算的基礎架構，包括設備層、PaaS層和SaaS層和模式層。
圖1 系統總體架構圖
邊緣計算層在靠近物或數據源頭的邊緣側，通過大范圍、深層次的數據采集，以及異構數據的協議轉換與邊緣處理，構建智慧水務運營管理平臺BECloudTM的數據基礎，包括通過各類通信手段接入不同的設備、系統和產品，采集海量數據，以及依托協議轉換技術實現多源異構數據的歸一化和邊緣集成；
工業PaaS層在通用PaaS層之上疊加工業模型、數據管理、大數據處理、工業數據分析、工業微服務等創新功能，構建可擴展的開放式云操作系統。工業PaaS層主要有以下三個功能：一是提供工業數據管理能力，將數據科學與工業機理結合，幫助水務企業構建工業數據分析能力，實現數據價值挖掘；二是將大量的工業技術原理、行業知識、基礎工藝、模型工具等規則化、軟件化、模型化，封裝成為微服務組件，可重復使用；三是構建應用開發環境，借助微服務組件和工業建模和應用開發工具，幫助用戶快速構建定制化的工業APP。
SaaS層針對水務行業場景，開發業務邏輯功能，通過調用邊緣層和平臺層的微服務，推動工業技術、經驗、知識和最佳實踐的模型化、軟件化和再封裝，從而形成滿足不同場景的工業 APP，包括數字雙胞胎、工藝運行仿真、專家診斷服務、能耗管理優化、運營管理調優與運營咨詢、生產優化和智能控制、設備大修與預測性維護、全網監測與數據分析等，從而形成智慧水務運營管理平臺BECloudTM的最終使用價值。
通過打造智慧水務運營管理平臺BECloudTM，，創造新的業務開發和商業模式：開發沉淀專業模型以平臺服務的模式開放，建立服務盈利模式，并通過基于模型開發的專業APP，建立流量盈利模式；打造開發者社區，激發創新活力，部分專業激勵算法模型開源，吸引行業開發者共同迭代，提升開發效率；探索數據商品化，將運營數據脫敏后以平臺資源模式開放。
（2）主要內容
? 水務行業工業互聯網平臺構建整體規劃；
? 建立水廠數據的統一編碼、標識規則和元數據模型；
? 基于OPC UA構建水廠信息模型、各類設備模型以及工藝模型；
? 分布在全國各地的污水、供水、水環境、村鎮污水等數據的接入和預處理；
? 水務行業工業互聯網平臺IaaS、通用PaaS、工業PaaS服務的建立和部署；
? 數據清洗和大數據分析平臺的建立和部署；
? 開發面向水務生產運營管理的典型APP，包括生產過程遠程監視、多水廠KPI指標分析、綜合運營管理駕駛艙等工作。
2. 平臺數采/數據存儲架構
（1）數據采集方案設計
圖2 數據采集方案設計
? 在水廠側部署智能網關，支持多品牌PLC協議接入，設備接入協議可定制開發。
? 智能網關通過4G將數據直接傳輸入云。
? 數據傳輸過程中通過VPN等手段進行安全加密。
? 云平臺端通過標準協議支持更多廠家智能網關接入，提供接口開發SDK
（2）數據存儲架構設計
圖3 數據存儲架構設計
針對工業數據異構性、海量規模的特點，根據每種數據特性選擇合適的存儲方式，采用數據湖技術(SQL/NoSQL/NewSQL/圖關系/分布式索引/內存數據/文件數據等)實現數據統一存儲方案，滿足了水務行業場景下異構、海量數據高并發、高吞吐、低延時、高可用的數據使用要求。
3. 具體應用場景和應用模式
（1）基于物聯網平臺功能和專業數據模型管理，實現工業實時大數據的采集、監控和分析
對污水處理廠不同種工藝段圖形化展示，可以實時展示每種工藝段中設備實時狀態和儀表實時數據。提高數據反饋時效性，將實時數據最新的變化情況及時展示，當現場出現設備或儀表的告警時，可實時獲取這些告警信息，在第一時間展示給現場操作人員。
將關鍵工藝參數以趨勢曲線方式展示數據實時情況，分析實時數據當前及過去曲線走勢，可以對同一個數據指標進行環比和同比數據分析，通過分析數據對現場的設備和儀表運行維護提供數據分析支持。
圖4 工藝流程及實時監控圖
圖5 實時數據分析
（2）基于大數據分析技術，實現數據質量判別和清洗
判別異常的數據通圖形化方式展示，通過對異常數據的統計分析，延長設備和儀表使用壽命，降低設備維護成本，擇優選擇更可靠的品牌產品。在地圖上看到所有污水廠分布以及在線情況，多維度對異常數據進行統計，全方位剖析數據異常統計情況。
平臺能夠實現按照各類清洗規則對大數據的清洗功能，為大數據分析、實現數據挖掘、開發大數據模型等創造數據條件。
圖6 生產數據質量判別與清洗
圖7 生產數據質量判別統計分析
（3）基于平臺，整合數據、模型、工具，開發實現污水廠數字雙胞胎
作為北控水務集團卓越運行“智慧大腦”的核心模塊，數字雙胞胎其實質是通過BECloudTM將水廠實時數據、靜態數據與機理模型、BIM模型進行整合開發，實現物理資產及其運營狀態的數字全方位透徹可感知的呈現。結合水廠業務和大數據分析技術，通過建模和數據挖掘，將水廠的數據分析、水質預測、生化分析、控制參數優化、設備狀態監測、能效分析等進行深入剖析和可視化展示，結合各類工況預測、仿真模擬和控制優化等功能，為水廠的運營管理提供全方位的運營輔助決策，并探索基于云端的實時控制，追求實現極致的高效、穩定運行和人工的最優化利用。數字雙胞胎將為北控水務建立起集團的卓越運營模式，提升運營管理能力提供工具支撐。
2018年4月22日，在第八屆中國水業院士論壇上，北控水務將自主開發的“污水廠數字雙胞胎”概念版向水行業內進行了發布，以三維虛擬水廠為基礎的數據可視化形式，基于企業云及IoT、大數據的高效數據/業務流轉體系，創新的運用在線模擬與大數據分析技術打造該系統智慧內核，實現數據轉化為信息，輔助人員決策，引起與會者濃厚的興趣與強烈反響。
圖8 污水廠數字雙胞胎
（4）開發全套云化管理系統，實現大集團高效數字化全業態管控模式
基于BECloudTM，北控水務開發部署了污水廠運營管理成套系統、村鎮污水智慧化管理系統、供水業務運營管理成套系統、水環境運營管理系統、統一數據管控系統、自控專業化管控系統等運營管理全套云化系統，并基于系統的快速應用，探索、實現了廣東數字化“組團式”管理模式、廣西貴港供水“全打通”管理模式、鶴山“六個一體化”管理模式及秦皇島“廠網一體化”管理模式等行業先進管理理念的試點，并依托BECloudTM，開始推進各類先進管理模式的快速復制。
（5）基于大數據、人工智能等技術，結合平臺實現各類業務解決方案
北控水務將大數據、人工智能等技術與業務理論和經驗相結合，開發污水生化全流程智能控制解決方案，實現精準保證厭氧、缺氧、好氧等各工藝段的工藝環境；利用大數據技術與業務數據的合理關聯，對水廠進水流量進行精準預測，實現智能提升控制；開發總磷虛擬儀表，實現對生化除磷的精確預測和智能加藥控制；基于人工智能及其識別基礎，開發蟲臉識別系統，對活性污泥中的指示性生物進行分析判別為工藝人員提供水廠運行依據，為水廠運行提供預判信息。
（6）搭建遠程協助平臺，實現遠程指導設備運維模式
水廠和村污工作人員缺乏專業技術能力，難以獨立開展設備的日常運維，如對專業設備維修等，需要專業人員的遠程指導和實時監督。
結合AR、遠程協助和及其識別等技術，配合成套輔助工具實現遠程實時指導系統，針對水廠、村污、鄉鎮泵站的遠程維護和日常巡檢，提供遠程視頻指導，富媒體雙向推送，增強現實（AR）指導等創新交互。
4. 安全及可靠性
（1）租戶管理安全
平臺基于OAuth2在應用與服務訪問控制安全方面提供用戶統一認證與授權服務。
（2）漏洞掃描安全
平臺的鏡像庫服務基于Clair技術提供了鏡像漏洞掃描安全服務功能，對平臺中容器鏡像安全漏洞進行掃描，掃描內容包括操作系統補丁、常用端口服務等，可以幫助用戶發現容器鏡像中的安全漏洞，及時采取防范措施。
（3）數據存儲安全
平臺的數據存儲主要包括容器平臺層的數據存儲與大數據平臺的工業數據存儲，均采用分布式數據存儲技術，缺省啟用了多復本存儲機制，保證了數據存儲安全：
（4）通信傳輸安全
平臺支持用SSL/TSL等安全傳輸協議等相關技術手段來保證通信傳輸過程中的機密性、完整性和有效性，防止數據在網絡傳輸過程中被竊取或篡改，并保證合法用戶對信息和資源的有效使用。
（5）應用與服務訪問安全
平臺基于OAuth2在應用與服務訪問控制安全方面提供用戶統一認證與授權服務。
（6）反向連接
提供NAT或防火墻應用場景下邊云互連的解決方案：在互聯網環境下，處于NAT或防火墻后端的邊緣側服務不能暴露于公網或需與外界做單向的安全隔離，這就要求邊緣側和云端不能采用常規的互連機制，平臺使用反向連接技術，由邊緣側向云端主動發起連接請求，然后服務端在此通道基礎上構建安全連接，從而跨越防火墻或NAT連接障礙，同時又不降低連接的安全性。
5. 邊云協同
模型同步：平臺提供統一的建模工具，對物理世界的對象抽象化和數字化，通過模型信息下發機制，使邊緣側和云端可共享統一的模型結構。邊緣側也可根據物聯設備的接入情況，上報物聯設備模型，云端根據上傳信息自動創建對應的設備實例，實現物聯接入的即插即用。
數據同步：邊緣側提供實時數據采集、實時報警管理、實時計算等功能，其實時性、短周期、局部性的特點可更好地支撐本地業務的實時智能化決策與執行，同時通過MQTT、OPC UA、WebAPI等多種協議或接口方式，將邊緣端的短周期數據上報云端，充分利用云端提供的大數據分析與處理能力，將優化和分析后的決策數據下發至邊緣側，從而實現邊云的數據共享和協同。
6. 其他亮點
? 通過打造集團級生產數據物聯采集平臺，支持各水廠多廠家控制系統的數據接入，形成數據采集標準體系，統一提供數據給應用開發+數據挖掘。
? 平臺提供了一套開發、測試和生產運行環境，提供了通用服務和工業服務，大大提高開發效率。
? 提供統一身份管理和單點登錄，集團的用戶、角色、組織機構在平臺統一維護。
? 沉淀水行業設備模型+工藝模型+工廠模型（可擴展、可復用），支持600家以上不同工藝水廠數據上云。
? 通過建模+可視化應用開發工具+算法編排工具+數據質量判別及清洗工具，無需開發經驗，工程人員即可完成應用的開發。
? 提供了機器學習與數據分析平臺，為水務集團基于行業大數據分析提供支撐。
? 提供一套“數、用”分離的工業互聯網平臺。即基于統一標準，集成商完成數據入云，建模。應用開發商使用服務、工具、基于數據開發各類創新應用。解決數據應用都由一個開發商完成的壁壘。
三、下一步實施計劃
1. 生產數據的全面采集
未來集團下屬的市政污水廠、村鎮污水廠、再生水廠、供水廠、污水提升泵站的生產數據的全面收集。
2. 水行業應用推廣
將緊密圍繞智慧水務開發行業APP，在完成集團數字化轉型之后，將能力向行業輸出，為中小型水務公司提供一體化運營服務。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
（1） 先進性
充分融合機理模型、數據模型，構建數據至價值的高效轉化體系，充分發揮大數據、云計算等前沿技術在水務行業的效能，打造水行業第一個行業云平臺，聚合水務行業IT開發能力，快速形成能夠承接水務行業需求的開發生態，構建以數據驅動為核心的生態聯動體系，打造開發及應用為一體化的平臺，實現互生共贏，同時為全面提升水務行業運營管理水平提供各類工具。
? 平臺針對工業互聯網應用場景，提供了特色的工業服務，比如模型服務、時序服務，工業事件服務；
? 構建了邊云協同的一體化運營管理平臺；
? 預置通用服務，應用使用一鍵訂閱即部署，方便快速完成應用開發；
? 預置機器學習與深度學習的算法/模型及復用機制，提高數據分析工作效率；
? 可視化建模及應用快速開發工具，無開發經驗也可作創新應用的開發。
（2）創新點：
依托北控水務多年運營數據及運營管理經驗，通過橫向打造基于數據聯動的1+N管控體系、縱向打造基于智能控制的全流程控制體系，形成水行業智慧轉型頂層框架，通過技術創新與模式創新結合，實現水務企業卓越運營，同時依托能力輸出及服務外溢，實現水務行業管理水平的全面提升。
? 開發沉淀專業模型以平臺服務的模式開放，建立服務盈利模式
? 研發基于模型開發的專業APP，建立流量盈利模式
? 將水行業算法模型開源，吸引行業開發者共同迭代，提升開發效率
? 探索數據商品化，將運營數據脫敏后以平臺資源模式開放
? 不僅給本企業帶來運營管理提升，而且通過平臺將行業工廠模型、數據、機理模型等能力輸出，讓水行業企業快速復制提升。
2. 實施效果
通過智慧水務運營管理平臺BECloudTM的建設，實現運營大數據的收集；通過大數據分析開發出與項目實際條件和工況相適應的管理模型和機理模型，建立廠級數字雙胞胎和專家系統，實現運營輔助決策和精確控制；應用智慧化全業務管理系統，建立高效流轉的運營管理體系，實現一體化、組團式管理模式；基于人機協同的全方位可靠性配套方案，打造固若金湯的水廠智慧化安全管理模式。
例如廣州東莞數字化水廠項目啟動試運行，通過污水廠全流程的智能管控，區域中心的集中監控，移動巡檢的智能管理，運維平臺的信息化管理，實現以自控系統代替人的工作，曝氣、提升、加藥等重點工藝智能控制，運營、設備、設施、巡檢、維修等流程互聯互通，打破信息孤島。全廠移動化、無紙化的辦公方式，極大提高一線工作效率的同時，也實現總部、大區及水廠的有效協同。該案例最終節省人力30%，綜合運營成本減少6%。
聲明
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