如何通過人工智能擊破二供痛點，實現(xiàn)節(jié)能錯峰供水？
高質(zhì)量發(fā)展的背景下，公共服務(wù)的重要性日益凸顯，“雙碳戰(zhàn)略”引領(lǐng)的節(jié)能化、智慧化時代開啟。8月26日，安徽舜禹水務(wù)股份有限公司（以下簡稱“舜禹股份”）智慧水務(wù)研究院副院長、博士后工作站在站博士后姜帥在“2022年（第七屆）供水高峰論壇”上做了題為“節(jié)能錯峰技術(shù)助力雙碳目標(biāo)——人工智能在城鎮(zhèn)供水調(diào)度中的應(yīng)用”的發(fā)言。
姜帥
二次供水領(lǐng)域存在的六大應(yīng)用痛點
姜帥指出，目前二次供水領(lǐng)域存在諸多的應(yīng)用痛點，主要體現(xiàn)在以下六大方面。
第一，供水高峰期時水廠供水能力不足，區(qū)域缺水現(xiàn)象突出。高峰時段，缺水、搶水現(xiàn)象頻頻發(fā)生，居民生活受到嚴(yán)重影響。供水緊張，水廠系統(tǒng)運行負(fù)荷壓力較大。
第二，供水低峰期時水廠供水能力過剩，無法充分利用。水廠水泵單日的功率曲線存在較大波動，整體運行效率低，耗電量高。尚未充分利用低峰期時水廠富余的供水能力。
第三，城市供水管網(wǎng)漏損率偏高，水資源浪費嚴(yán)重。管網(wǎng)漏損水量占總用水量的比例較大，最高可達(dá)20%?！蛾P(guān)于組織開展公共供水管網(wǎng)漏損治理試點建設(shè)的通知》指出，公共供水管網(wǎng)漏損率高于12%（2020年）的試點城市（縣城）建成區(qū)，2025年漏損率不高于8%；其他試點城市（縣城）建成區(qū)，2025年漏損率不高于7%。
第四，傳統(tǒng)儲水設(shè)施水體更新率低，水質(zhì)安全難以保障。水箱水體停留時間過長，更新率低，水齡普遍較高。易滋生細(xì)菌、污垢沉淀等二次污染問題，影響居民用水品質(zhì)。
第五，不斷投資新建水廠，增加地方財政壓力。傳統(tǒng)的解決思路是對城市供水基礎(chǔ)設(shè)施的新建和改擴(kuò)建，為當(dāng)?shù)卣妥詠硭驹黾恿司薮蟮慕?jīng)濟(jì)壓力。
第六，水廠耗電量巨大，能源用量分配和利用率存在優(yōu)化空間。日間耗電量高，夜間耗電量低，制水單位電耗整體偏高。優(yōu)化用量分配和利用率，是節(jié)能降耗的重要手段。
節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)為痛點而生
為了解決以上這些行業(yè)痛點，舜禹股份研發(fā)了節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由節(jié)能錯峰供水設(shè)備和節(jié)能錯峰智慧供水云平臺，即錯峰硬件和軟件組成。硬件設(shè)備在箱式變頻基礎(chǔ)上，增加了流量控制裝置、壓力計、超聲波液位計等，水箱采用分割式設(shè)計，在清洗水箱時無須停水，同時具備自清洗功能。軟件平臺內(nèi)置大禹算法，通過人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)，精準(zhǔn)預(yù)測居民用水量，可對區(qū)域供水進(jìn)行全局視角的統(tǒng)籌調(diào)度。
技術(shù)架構(gòu)：從全局出發(fā)，采取“四步走”策略
“節(jié)能錯峰”大家都不陌生，比如生活中的錯峰用電，錯峰供水也是一樣的意思。姜帥介紹了節(jié)能錯峰的主要原理，高峰期時將水箱閥門開度減小或者關(guān)閉，優(yōu)先使用水箱內(nèi)的水供給加壓區(qū)用戶，而在低峰期時利用水廠富余供水能力，將水箱內(nèi)的水補滿。這僅僅是單個泵房的錯峰調(diào)節(jié)，如果在每個泵房都使用這樣獨立的單泵房調(diào)節(jié)，那么由于泵房彼此之間沒有通信，因此還是可能造成補水時間上的沖突。所以，節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)是從全局視角出發(fā)，統(tǒng)籌調(diào)度區(qū)域內(nèi)的所有泵房，從根本上避免了搶水現(xiàn)象的產(chǎn)生。
對節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)的研究，舜禹股份采取了“四步走”的策略。第一步是理論研究，包括泵房機(jī)組用水量預(yù)測，管網(wǎng)運行變量間關(guān)聯(lián)性研究，及供水管網(wǎng)整體錯峰調(diào)度；第二步是在節(jié)能錯峰智慧供水實驗基地的實驗驗證；第三步是試點驗證，包括合肥市北城部分區(qū)域試點、杭州市余杭部分區(qū)域試點、溫州市部分區(qū)域試點；第四步是舜禹水務(wù)二次供水項目工程驗證。
論壇現(xiàn)場，姜帥詳細(xì)介紹了以上四個研究步驟。
理論研究工作主要集中在三個算法上：泵房機(jī)組用水量預(yù)測算法、管網(wǎng)運行變量關(guān)聯(lián)性計算和供水管網(wǎng)整體錯峰調(diào)度算法。
用水量預(yù)測是整個系統(tǒng)的前提，算法以深度回歸模型為基本框架，考慮外部因素對用水量的影響，如氣溫、季節(jié)、節(jié)假日等，同時結(jié)合實時數(shù)據(jù)反饋，以達(dá)到對用水量的精準(zhǔn)預(yù)測。變量關(guān)聯(lián)性計算是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這里主要是指建立動態(tài)水力計算模型，用于針對不同的備選策略，計算供水管網(wǎng)相關(guān)變量的值。錯峰調(diào)度是整個系統(tǒng)的目標(biāo)，它以數(shù)學(xué)規(guī)劃為框架，目標(biāo)方程是管網(wǎng)壓力標(biāo)準(zhǔn)差或區(qū)域流量標(biāo)準(zhǔn)差，決策變量是各個泵房可調(diào)節(jié)電動閥門開度，約束包括水廠最大輸出流量、揚程上下限、水箱液位上下限等。
完成以上算法后，舜禹股份在公司自建的節(jié)能錯峰實驗基地進(jìn)行了大量模擬實驗驗證。目前，公司與合肥供水集團(tuán)已就節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)開展全面合作，共同選定了合肥市北城區(qū)高速以北9個小區(qū)作為首批試點。
四大競爭優(yōu)勢，引領(lǐng)行業(yè)變革
目前，舜禹股份已榮獲國家高新技術(shù)企業(yè)、國家“專精特新‘小巨人’企業(yè)”、國家級“服務(wù)型制造”示范企業(yè)等榮譽，獲批成立節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)中心等研發(fā)機(jī)構(gòu)。
舜禹股份在二次供水行業(yè)競爭上，主要具備全生命周期服務(wù)、技術(shù)研發(fā)、工藝和質(zhì)量控制及項目經(jīng)驗等優(yōu)勢。聚焦到節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)，目前已取得多項階段性成果?！罢麄€系統(tǒng)研究的推進(jìn)離不開公司提供的研究平臺?！苯獛浿赋?，節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，主要依托于公司自身的行業(yè)競爭優(yōu)勢和商業(yè)模式。該系統(tǒng)由舜禹股份牽頭，聯(lián)合合肥供水集團(tuán)有限公司、阜陽市供水總公司等47家水務(wù)公司共同發(fā)起。舜禹股份未來將引領(lǐng)水務(wù)行業(yè)裝備制造和智慧低碳新變革。
該系統(tǒng)的核心發(fā)明專利“一種基于云技術(shù)的節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)”已獲得授權(quán)；圍繞該專利布局的知識產(chǎn)權(quán)體系也在逐漸建立，如實用新型“一種智能錯峰調(diào)蓄安防供水系統(tǒng)”。
2020年，舜禹股份獲批成立我國第一個以“節(jié)能錯峰智慧供水技術(shù)”為主題的研發(fā)中心，目前已與中科大、合工大、安建大等高校建立了產(chǎn)學(xué)研合作。2021年4月，合肥供水集團(tuán)與舜禹股份聯(lián)合申報主編的《節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》獲批，7月份在舜禹股份召開了標(biāo)準(zhǔn)編制啟動會暨第一次工作會議。目前已經(jīng)組織召開了專家評審會，近期會申請發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)初稿，進(jìn)行意見征求。
2021年6月，舜禹股份主持的“節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)開發(fā)研究”項目通過國家住建部科研開發(fā)項目立項。2021年11月，姜帥本人以“節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)研究及示范”為課題，成功獲選2021年國家人社部全國博士后管委會與安徽省人社廳共同資助的博士后國際交流計劃引進(jìn)項目，安徽省共5個名額，舜禹水務(wù)也是唯一獲選的企業(yè)博士后工作站。
直銷為主，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程已經(jīng)起步
在商業(yè)模式上，舜禹股份采取的主要是以直銷為主的銷售模式，主要依托營銷管理中心對外開展產(chǎn)品和服務(wù)的推廣與銷售。節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程已經(jīng)起步。自2016年11月起，合肥供水集團(tuán)明確規(guī)定，全市新建小區(qū)且二次供水水箱容積大于50立方米的小區(qū)，必須實施錯峰供水建設(shè)，同時逐步對已接管泵房進(jìn)行改造。節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)將迎來更為廣闊的應(yīng)用場景。
助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，四大產(chǎn)業(yè)效應(yīng)釋放
姜帥介紹，節(jié)能錯峰智慧供水系統(tǒng)主要有以下四大產(chǎn)業(yè)效應(yīng)。
首先，可以解決搶水問題，響應(yīng)雙碳戰(zhàn)略。統(tǒng)籌調(diào)度區(qū)域供水，切實解決居民用水高峰期搶水問題。通過錯峰供水，實現(xiàn)錯峰用電，是供水行業(yè)響應(yīng)國家雙碳戰(zhàn)略的有效途徑。
其次，提高供水效率，優(yōu)化能源利用。在高峰期時最大限度地使用設(shè)備供水，以達(dá)到對水廠出水量削峰填谷的效果。水廠水泵的運行功率曲線更為平穩(wěn)，提高整體供水效率。
第三，匹配城市需求，節(jié)省新建投入。最大化利用分散在各個站點設(shè)備的調(diào)蓄功能，使得區(qū)域水廠的供水能力得到極大提升。通過更好地匹配城市用水需求，節(jié)省了新建水廠包括建設(shè)能耗和運營能耗在內(nèi)的大量資源消耗。
第四，平衡管網(wǎng)壓力，降低運營成本。穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，顯著改善管網(wǎng)漏損和老化程度，減少輸送過程中水的流失，提升供水水質(zhì)。提供更多數(shù)據(jù)支持，助力調(diào)度算法的不斷優(yōu)化，確保調(diào)度指令的準(zhǔn)確執(zhí)行。