集團級水務大腦建設 打造“工業互聯網+水務”區域治理模式
引言：某水務集團業務范圍涵蓋原水、制水、供水、排水、污水、節水等水務全產業鏈條，當前集團各權屬公司信息化能力參差不齊、信息系統缺乏有機聯系、數據價值沒有被充分挖掘和應用、集團層統一管理難等問題日漸凸顯。百度通過開物工業互聯網平臺，融合大數據分析、人工智能、數字孿生等先進技術為該集團打造“集團級水務大腦”，助力業務輻射區域水務相關領域數字化和智能化轉型。開物是百度智能云在2021年推出的工業互聯網平臺品牌，以“AI+工業互聯網”為特色，產品和解決方案覆蓋質量管控、倉儲物流、供應鏈管理、安全生產、生產制造、倉儲物流、運營管理、研發設計和節能減排等9大應用場景。
2022年5月，工信部發布2022年新增跨行業跨領域工業互聯網平臺(簡稱“雙跨”平臺)清單，百度智能云開物入選“國家隊”，在新增企業中位居首位。
目前，百度智能云開物己與汽車、電子、能源電力、裝備制造、鋼鐵、化工、水務等超過22個行業的300多家標桿企業建立合作，為超過18萬家工業企業提供服務，在貴陽、重慶、桐鄉、蘇州、廣州、寧波等16個區域深度落地。
項目概況
水務事業關人民群眾切身利益，在工業互聯網、云計算、物聯網、大數據等科技的引領下，水務行業已呈現出向著自動化、智慧化、數字化的智能型變化發展趨勢。
項目背景
近年來，某區域水務集團投入了大量的資源，開展了相關信息化系統的建設。該集團按照“戰略導向、綜合集成、快速反應”的總體思路，依托大數據、人工智能、5G等技術，全力推動“水務大腦”平臺建設，提升信息化、智能化對業務發展和創新、集團管理決策、效能提升和生態賦能的支撐能力。
2. 項目簡介
“水務大腦”建設過程中充分利用當今領先成熟信息技術，引進先進的設計理念，按照“統一領導、統一規劃、統一建設、統一管理”的思路，推進企業網絡安全和信息化項目建設項目建設依據以下建設原則：
（1）建設集團統一的中心化信息化底座，成為支撐水務智能化發展的新型關鍵基礎設施。
（2）建設五個統一的信息化能力平臺，打造水務行業數字化、智能化的統一能力。
（3）打造五個智慧應用群，構建智能化、高附加值的場景應用，支撐集團創新發展。
（4）打造水務大腦生態產業鏈，提升技術和服務輸出能力。
項目目標
“水務大腦”建設將實現以下五個目標：
（1）貫徹集團管理管控理念，支撐企業管理體系落地
以戰略為目標，以績效為導向，以流程為基礎，風險驅動、合規經營，通過信息化的手段將集團管控職能切實落地，形成有效的“抓手”， 這是“水務大腦”建設的首要需求，“水務大腦”要在戰略支撐、業務合規、風險管理、績效明晰、流程貫通等方面支撐企業管理體系落地。
（2）生產智能化，服務個性化，管理制度化
水務大腦的建設要圍繞集團水務的核心業務，逐步實現生產智能化、服務個性化、管理制度化的目標。集團水務業務涵蓋原水、輸水、制水、配水、售水、排水、污水處理各個業務環節，首先必須實現規劃設計、工程項目建設、生產運營監控、設施在線監測、管網運行維護、模型模擬分析、優化調度、應急安全、客戶服務、節水管理、產銷差分析、人財物管理等各個領域的數字化、智能化，在大數據的基礎上，通過數據整合、數據分析、數據挖掘，提高生產運行智能化水平，提高客戶服務的個性化水平，提升企業管理的制度化和流程化水平。
（3）深挖數據價值，實現數字轉型，打造數據資產
“水務大腦”建設，除了實現支撐管理、生產、服務的目標，還需在數據整合的基礎上，深挖數據價值，在節能降耗、生產預測、設備運維、客戶服務升級、水價談判、利潤挖掘等方面發揮水務大數據的價值。要實現數字資產和科技資產的雙輪驅動，即在實物資產創造價值的同時，新增的數字資產和科技資產能夠創造額外的價值，為集團的數字經濟探索提供基礎。
（4）打造核心競爭力，強化品牌影響力，支撐業務拓展
面對不斷開放的水務市場，公司亟需利用信息系統幫助企業實現流程化、精細化和標準化的管理流程，通過信息化項目的建設，實現節能降耗、安全保障等一系列具有顯著社會效益和經濟效益的目標，并且通過大數據挖掘、智能決策等能力的建設提升集團在數字水務方面的科技內涵，從而提升集團的管理水平，增強核心競爭能力，提升集團的整體品牌感和認知度，創造更大的經濟和社會價值，為集團區域擴張及產業鏈延伸提供良好的宣傳。
（5）解決數據孤島問題，提升集團整體信息化水平
集團建設需要進行應用系統集成旨在解決信息孤島的問題，成為適用于不同系統間的信息共用的通用工具，使公司的業務流程、公共數據、應用軟件、硬件和各種標準聯合起來，在不同應用系統之間實現無縫集成，推動集團業務的集約化、集中化利用。
二、項目實施概況
該項目以支撐水務集團六位一體業務領域為基礎，遵循集中化、平臺化設計思維，建設覆蓋原水、制水、供水、排水、污水、節水六大領域的水務大腦，靈活高效支撐全集團以及行業內外生態的業務創新和業務拓展。
1. 項目總體架構和主要內容
（1）項目總體架構
“水務大腦”建設緊緊圍繞著集團信息化戰略要求，以智慧管理、高效服務的主旨，按照“業務主導、數據驅動、頂層設計、統一標準”的原則，打造“1+5+5”整體架構?！?/span>1” 是建設一套統一運營管理中心，實現集團層面辦公、業務與運營的統一管理。第一個“5”是打造五個統一的信息化能力平臺，包括統一大數據平臺、統一視覺智能平臺、統一數據智能平臺、統一地理信息平臺和統一數字孿生平臺。第二個“5”是構建五個可擴展的智慧應用群，包括指揮調度智慧應用群、安全管理智慧應用群、運營管控智慧應用群、資產管理智慧應用群和惠民服務智慧應用群。如圖1所示。
圖1 “水務大腦”架構圖
（2）“1”運營管理中心
建設圍繞水務場景定做的解決方案開放平臺，實現統一的入口、統一身份管理體系、統一認證、統一開放平臺、統一算法模型庫、統一應用中心，為水務行業相關用戶提供常用水務場景基礎平臺、內涵豐富的水務場景模型應用市場及水務類APP等內容。
（3）“5”信息化能力平臺
信息化能力平臺包括大數據平臺、視覺智能平臺、數據智能平臺、數字孿生平臺、地理信息平臺。
統一的大數據平臺：實現集團、各權屬企業及外部生態數據的匯聚、存儲、管理、共享和服務。按照設備和業務情況，解決數據接入、數據存儲管理和數據服務支撐能力?；诮y一的數據湖打通集團及各權屬企業的數據孤島，統一管理數據資產。建設水務行業的數據標準和規范體系，完善集團的數據治理和數據管理水平。
統一的視覺智能平臺：基于機器學習技術建設視覺智能能力平臺，通過平臺提供多場景、易用的視覺智能能力。圍繞水務行業多樣化視覺應用領域，利用圖像、視頻采集設備，實現快速、可擴展、可復用的視覺智能應用場景，支撐圖像、視頻、目標識別視覺智能能力。采用通用且標準化的接入方式，快速實現視覺智能的擴展和賦能。
統一的數據智能平臺：通過構建統一數據智能平臺，挖掘大數據中蘊含的知識和價值。提供一站式，零代碼的開發平臺，將數據智能賦能給水務行業的分析師、開發工程師，可通過拖拽、配置式的簡單操作，實現數據到知識模型的操作過程，挖掘數據價值，沉淀數據資產，支撐集團全局智能化，賦能集團各業務板塊。
統一的地理信息平臺：在集團內建設統一的地理信息服務平臺，為集團各業務板塊和各業務環節提供GIS服務。可承載原水、制水、供水、排水、污水、制水，以及相關系統中已有的地圖文件、管網數據等。實現各業務板塊基于一張圖的統一管理，實現一體化全過程決策分析和實時監管，實現以信息化帶動管理精細化，全面提升管理效能。支撐水務生產運行、運營管理、調度指揮、決策支撐等業務場景。
統一的數字孿生平臺：基于集團現有的設備、產線、工藝等，基于2D、3D等數字孿生技術形成相應水務行業的標準化數字孿生體。將現有的設備、產線等設置和管理中的點碼表、屬性、規則和管理標準等形成標準化模板。并通過視覺智能、數據智能的能力平臺，沉淀機理模型、AI模型，支撐水務管理標準化和對外賦能。
（4）“5”智慧應用群
基于新技術平臺，構建水務大腦，開發智能化應用，解決集團業務痛點，支撐集團及生態業務創新發展。通過應用大數據、人工智能、工業互聯網以及數字孿生等技術，建立能并發運行且高度靈活的個性化、數字化、智能化的智慧水務管理平臺。支撐集團各業務板塊的智慧化應用：覆蓋原水、制水、供水、排水、污水、節水六大領域，打造新時代環境下全面科技創新。
智慧應用群涵蓋：指揮調度、安全管理、運營管控、資產管理、惠民服務五個方面，通過智慧應用群實現供水調度智能化、水質保障終端化、供水服務精準化、水廠運行智慧化、管網運行預警化、惠民便民等目標。打通六位一體的管理與應用，實現數據、知識在業務中的共享和協同，建立智慧水務運營體系和完善智慧應用服務。支撐管理決策，滿足集團和各業務公司的業務應用和擴展要求。
（5）打造水務大腦生態產業鏈，提升技術和服務輸出能力
基于水務大腦打造水務生態產業鏈的服務能力，提升水務大腦的技術和服務輸出能力，打造高附加值、高科技含量的智慧水務體系。通過平臺實現對外賦能和運營服務，滿足和承擔城市、外部水務/環保等相關企業的信息系統、平臺的建設、運行和管理。形成對外賦能平臺，推進和建設相關外部應用系統，并支撐相關智慧城市、智慧水務、環保、工程等各方面的建設、運營與技術指導。
3. 具體應用場景和應用模式
（1）水泵精準調壓
水務大腦基于集團內大量歷史數據和環境數據，運用利用工業互聯網+AI算法，構建用水量預測模型、泵組仿真模型、閥門開度優化模型等，實現按需供水，節約泵機能耗；優化管網壓力，降低管網漏損。模型精度99%以上，節約能耗約8%。
圖2 水泵精準調壓原理圖
1）目前常規泵房的供水壓力控制為變頻恒壓，此種壓力設定方法不夠靈活與智能，沒有把控用戶真正的用量需求，不能及時的根據用戶需求的變化來做出調整及響應，用戶用水體驗差，管網平均壓力偏高，增加了管網漏損的風險。且泵機組合以及泵組輪換依賴人工經驗，泵站未必工作在當前工況下最優工作點，不利于節能降耗。水務大腦通過折線圖和陰影圖組合，直觀的展示實際出水量和預測出水量的信息，模型精度在99%以上。
圖3 水泵出水供水預測統計示意圖
2）基于實時用水量預測結果，結合管網壓力信息，利用機器學習技術對供水泵站壓力輸出量進行實時需求預測，并結合泵組實時運行情況、泵機自身的特性曲線，對過程參數進行動態尋優，將優化后的調控參數發送給操作人員或直接調控泵站的參數，建立基于供水業務的規程和參數的閉環反饋。最終泵站工作模式由憑運行經驗設置壓力、人工啟停轉變為基于機器深度學習的智能啟停、遠程監控模式，使得輸出壓力根據用戶用水的實際需求動態變化，保障供水的穩定性，大大降低管網富余壓力，節約供水壓力能耗。
圖4 水泵實時監測運行示意圖
3）通過函數進行擬合，觀察歷史某兩日出水管的實際壓力和建議壓力，中間的面積為實際的節能空間；經過計算，為客戶提出在某兩年，使用建議壓力可以節能8%的電能。
圖5 歷史某時段出水管實際總壓力圖 圖6 歷史某時段出水管建議壓力圖
（2）泵機預防性維護
通過振動、電流、電壓、溫度、噪聲等傳感器，實時監測水泵的運行狀態，基于實時及歷史運行數據，結合時域、頻域、時頻域等信號處理和分析方法，利用機理及機器學習等技術，提取一系列狀態指標，根據歷史數據結合專家知識提取分析指標，進而監控設備運行情況，實現針對泵機的趨勢監控、趨勢預警、問題定位、工單生成的流程化應用功能。在該項目中，實現了精準識別泵機異常狀態、精準統計設備運行時間，識別泵機的振動異常、聲音異常、軸承升溫等問題，并迅速發出異常報警，異常報警響應時間<10min，智能邊緣數據處理能夠實現實時反饋。
圖7 泵機預測性維護示意圖
（3）視覺智能管控
水務大腦通過工業互聯網平臺AI視覺算法對廠區的人、機、料、環進行主動安全監測預警，針對設備腐蝕、跑冒滴漏、入池預警提示等，電力設備的儀表讀數、電力巡檢預警提示、電氣狀態、礬花識別，廠區內的雜物堆積、煙火識別等，人員的工服穿戴、人員跌倒等，助力構建廠區全面的視覺智能安全管控體系。
圖8 安全視覺智能示圖
安全及可靠性
“水務大腦”構建了六大安全防護體系，主要包括：
（1）物聯安全。水務大腦在該項目中為企業提供準入、通訊加解密、安全保護、KARMAOS 層保護、固件檢測等物聯安全能力。
（2）云安全。水務大腦以AI為特色，具備智能安全網關、主機安全、威脅狩獵、態勢感知、零信任方案、高防抗 D、滲透測試、等保、應急響應、云加速、密鑰管理 KMS、堡壘機、IDS、WAF等安全能力。
（3）數據安全。水務大腦通過隱私計算實現數據安全流通和治理，具備數據沙箱隔離域、MesaTee 芯片隱私計算、多方安全聯邦計算、圖數據庫等，并提供Teaclave 安全計算框架、MesaLink傳輸安全庫等數據安全能力。
（4）編碼安全。水務大腦具備交互式自動化安全測試（IAST）、自動化交互式持續檢測代碼安全漏洞等編碼安全能力。
（5）應用安全。水務大腦具備應用自我保護技術OpenRASP、史賓格隱私合規平臺（APP/SDK 權限檢測合規）、應用加固、安全 OTA、手機衛士、慧推 PUSH 等應用安全能力。
（6）風控安全。水務大腦具備反詐/反黑/威脅情報（色情/賭博/釣魚網站識別+IP/手機號畫像+傳播鏈條追查）、昊天鏡反營銷羊毛（識別惡意刷羊毛用戶/可信設備/IP/號碼等）、文件安全識別。
5. 其他亮點
貫通全集團水務數據，形成數字資產集中化管理。在該項目中，該集團配套建設水務大數據中心，匯聚水務集團及各涉水單位全量相關數據，構建新型水務數據庫，將數據由分散存儲轉變為集中存儲，數據管理由各自為政轉變為集中統籌，推動數據統一管理。
結合水務業務真實痛點，推動科技資產創新發展。水務大腦在節能降耗、生產預測、設備運維、客戶服務升級、水價談判、利潤挖掘等方面深度挖掘水務大數據的價值，拓寬了水務數據的價值空間，創造水務科技資產創新驅動力。
三、下一步實施計劃
1. 計劃1 持續挖掘數據潛力，提升信息與服務價值
持續監測并挖掘數據價值，通過海量數據學習持續訓練內在模型，提升服務精準化，推動新業務領域創新，為該集團構建更多的高價值信息渠道，推動集團進行合理化定位、科學化營銷、高端化服務。
2. 計劃2 基于“水務大腦“，構建區域協同大生態
基于“水務大腦”，將水務服務能力不斷外延，推動形成以集團為中心、智慧水務領域為核心的區域服務生態；聯合政府、研究機構、行業協會、高校等組織建立資源與信息共享機制，共建水務、環保領域的區域賦能生態；通過“水務大腦”建設，依托百度開物工業互聯網平臺，整合社會豐富創新資源，提升區域創新服務能力大幅提升，形成區域創新生態，加速推動區域核心競爭力的整體提升。
3. 計劃3 構建“工業互聯網+水務“區域模式，樹立示范標桿
在不斷出臺的水務、環保政策的驅動和加持下，水務企業在當下和未來都面臨著巨大的挑戰，通過該項目，建立一套統一的數據標準體系、利用一個全局智能化大腦、建立一個橫向打通的業務平臺、謀劃一張數據可視化的統一大圖的服務體系，構建了“工業互聯網+水務”的區域模式，樹立“水務大腦”示范標桿，推引領全國水務企業的轉型升級。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
創新技術深度融合。該項目基于工業互聯網平臺，將人工智能、大數據、數據活化、GIS、AR等技術與水務深度融合，實現水務信息化和數據資源整合利用和深度挖掘，形成了水務數據基于智能模型的正反向運營價值閉環，保證集團水務信息化能力的先進性。
提供零代碼開發平臺。該項目提供一站式，零代碼的開發平臺，將數據智能賦能給水務行業的分析師、開發工程師，可通過拖拽、配置式的簡單操作，實現數據到知識模型的操作過程。
標準化接入與快速擴展。基于機器學習技術建設視覺智能平臺，通過平臺提供多場景、易用的視覺智能能力。圍繞水務行業多樣化視覺應用領域，利用圖像、視頻采集設備，實現快速、可擴展、可復用的視覺智能應用場景，支撐圖像、視頻、目標識別視覺智能能力。采用通用且標準化的接入方式，快速實現視覺智能的擴展和賦能。
2. 實施效果
邊緣模型復用降低建設成本。該項目在邊緣端部署多種不同模型，實現多種智能化能力的復用，減少網絡帶寬及算力中心投資；
模型高精準度提升管網效能。該項目構建了精準的用水量預測模型和壓力推薦模型，既減少對能源的浪費，同時也降低了對供水管網的壓力要求，延長了管網使用壽命；
設施運行與應急響應效率提升顯著。分散式污水處理設施正常運行率提升了5個百分點；
構建信息通道實現組織高效協同。保障最后一公里客戶投訴處理及時率提升到96%，下屬企業80%以上的信息報送在1小時內完成；
踐行集團理念助力降本增效持續發展。通過水務大腦平臺的建設，實踐了該集團“求發展、重服務”的企業發展理念，整體人員效率提升5%以上，制水供水單位能耗下降8%。
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