2020年11月15日，IWA攜手新加坡公共事業局PUB共同在線上發布了“數字水務系列”叢書的第一本——《數字水務–新加坡經驗分享》。該書由PUB編寫，分享了PUB的數字轉型動力，概述了PUB對未來數字水務的愿景，強調了其決策背后的審議工作，展示了有關數字水務的一些關鍵創新項目和計劃，并分享了PUB對水資源管理數字化戰略的深刻見解。通過分享新加坡的經驗，使水務行業的相關從業人員可以了解到目前市場上可用的一些數字工具以及數字化對水務部門的影響。
本書作者三位分別是PUB執行總裁 Ng Joo Hee先生、副總裁Harry Seah先生以及工程技術總監Pang Chee Meng博士。
眾所周知，新加坡是一個“缺水”的國家。全國目前每日用水量約195萬噸，由著名的四個“國家水龍頭”（國內集水區、進口水、新生水以及淡化海水）提供。預計到2061年，全國總需水量將會翻倍。面對不斷增加的用水需求、運營成本以及氣候變化帶來的壓力，PUB正在利用數字解決方案和智能技術——包括機器人、傳感器和網絡通信、系統自動化以及虛擬建模和預測分析等——來增強運營韌性、提高生產力和安全性。PUB于2018年發布了SMART PUB Roadmap（PUB智慧路線圖），表明新加坡整個供水系統未來要全部實現數字化，以改善運營水平并滿足未來的用水需求。
圖：PUB智慧路線圖 圖片來源：PUB
為了指導數字化工作，PUB提出了四個主要目標來實現其數字轉型：
（1）通過數字賦能給水司創造價值（Create Value）
（2）提高運營效率（Efficient Operation）
（3）提供更好的工作環境（Better Work Environment）
（4）改善客戶體驗（Improved Customer Service）
通過明確這些目標，PUB能夠集中精力進行研發工作和項目投資，更加詳盡地規劃數字化進程。該書圍繞這四個目標記錄了PUB在這幾個方面所做的創新工作，并結合具體的項目案例進行了分析和說明。
針對“創造價值”這一目標，PUB提出數字化可以優化新加坡的供水系統，例如通過創建智慧（決策）系統，如引入人工智能、數據分析等數字手段來優化各水庫之間的供水調度和飲用水生產、減少成本能耗以及不必要的人工作業時間。此外，PUB還可以利用數字化來更好地監控資產的運行狀況。例如通過構建物聯網傳感系統來“監視”資產（如泵）運行狀況，對異常情況進行預警，并通過對獲取的數據進行分析，掌握設備關鍵信息，盡早地發現潛在問題（故障）并及時解決。
目前PUB正在開發可以根據設備運行現狀來進行定期維護的智慧系統，從而減少運維成本并提高操作可靠性。除了供水系統，排水網絡也是水司可以利用數字手段實現價值的重要方面。自2009年以來，PUB已經建立了擁有260多個水位傳感器、80多個流量傳感器以及一系列CCTV攝像頭的水文監測網絡（hydrometric network）。PUB利用這些傳感器獲取的數據（水位、水流、圖像等），并結合當地的降雨信息可以深入了解排水系統各部分的運行情況，不僅可以提前向公眾發布洪水預警，提醒工作人員更好地預測和管理洪水，還可以在戰略水平上改進排水計劃和管網維護計劃。PUB還針對收集和輸送污廢水的深隧系統（Deep Tunnel Sewerage System, DTSS）開發了可以檢測毒性的生物傳感器，并將之部署在工業尾水端來確保進入深邃系統污廢水的無害性，從而不會影響后續新生水NEWater的水質；同時開發相應的物聯網平臺來連接各監測設備間的數據并使之可視化。
除了創造新的價值外，PUB還依靠數字化來提高其現有運營效率。例如構建集水區和水道運營系統（Catchment and Waterways Operations System, CWOS），利用傳感器，數據分析和預測工具優化濱海集水區排水系統和濱海堤壩的運行和管理，同時對集水區水庫和水道中的水質進行監控和預測。PUB還嘗試使用一種監測和預測控制系統（如軟性傳感器soft sensing加持的曝氣優化調控）來更好地管理新生水處理工藝。預測系統固然可以優化整個系統的運行和操作，但是模擬為操作人員提供了一個更加安全的空間，例如利用數字孿生進行各種目的“假設”場景進行試驗。
PUB與日本工程軟件公司——橫河電機（Yokogawa）一起設計了具有三個功能的數字孿生（Digital Twin）集成系統，可以對操作人員進行模擬培訓、使工程師了解各種操作將如何影響水廠的處理性能，然后再找到最佳解決方案。例如，通過在系統上運行“假設”場景，操作人員可以確定最佳藥劑投加量和投加時間。目前該系統現在正在Lower Seletar 水廠（LSWW）進行試驗。
在優化工作環境方面，PUB開發了各種無人機和機器人系統來減輕員工的工作量，確保工作環境的安全性。例如，PUB 與AeroLion Technologies合作開發了專門在深隧系統中飛行檢查的多傳感器無人機系統，能夠對深邃系統的防腐蝕襯里進行定期檢查，避免了人工檢查的危險，同時提供了多方位數據供分析。研發團隊還設計了實時的三維導航算法（three-dimensional navigation algorithms），該算法可基于導航攝像機的感應進行工作，并將其編程到無人機的機載微型計算機中。
圖：無人機用于深邃監測
除了規避工作環境的危險，機器人技術和其它自動化數字技術還可以減少不必要的重復性勞動和人力工作，例如為了應對繁瑣重復的工作量，如水樣的自動收集和檢測，PUB引入了一個制造執行系統（manufacturing execution system）以集成各種檢測過程并使之自動化，包括從數據的收集、樣品的制備到實際的檢測和結果報告。此外，數字工具還可以輔助庫存盤點，例如無線射頻識別（Radio frequency identification, RFID）系統可以記錄和存儲備件信息，幫助員工進行登記識別和定期盤點補充。水廠的工作人員可以穿戴智能裝備，如智能護目鏡和智能手表，通過無線網絡進行通信。這些智能裝備可以追蹤佩戴者的定位及身體健康狀況（心跳、體溫等），使員工更輕松，更安全地工作。
圖：集成式制造執行系統
增強現實（Augmented reality, AR）技術的應用，如佩戴AR頭戴式耳機，可以使員工在現場輕松訪問和查看設備的技術文檔和規格，遠程與同事和專家分享他們的視野；這些投資創新并沒有替代員工們的工作，而是幫助他們更快、更有效地履行職責，使他們能夠更好地平衡工作與生活；同時也將為新加坡未來的低出生率和經濟增長可能導致人力短缺的做好準備。
圖：工作人員利用RFID系統進行庫存盤點
左圖：智能手表；右圖：地理圍欄闖入警報系統
水司的最終目標是服務于用戶。為了更好地履行其使命，PUB啟動了數字項目來以改善客戶服務，具體體現在：
（1）智能水表計劃（Smart Water Meter Programme）——PUB計劃在2021年至2023年之間在住宅，商業和工業建筑安裝30萬個智能水表，并提供近實時用水信息，不僅可以使用戶能夠通過客戶端追蹤其用水量，還可以鼓勵工作人員利用獲取的數據信息進行分析，掌握用戶的用水模式，更好地預測和管理用水需求；
（2）機器人巡檢（Ensuring security with robots）——PUB目前正在開發的一種機器人（O-R3），它是一種具有視頻和音頻功能的自主移動機器人。與人力巡檢不同，O-R3能夠連續巡邏某一區域，自主移動避開靜態或移動障礙，并利用自身裝載的360度攝像頭系統進行實時的視頻流和數據收集，用于異常檢測，可以對水庫的和公共設施進行安全保障；
（3）洪水風險自動警報（Automated alerts for flood risks）——PUB在其排水網絡系統上已經鋪設了近200多個傳感器來跟蹤水位進行相關工作的優化。此外，PUB還通過短信或MyWaters應用向公眾提供了洪水風險預警的服務。用戶可以訂閱最多三個傳感器的信息來獲取警報。當水位上升到正常深度（選定的）的50%，75%，90%和100%以上，以及水位下降到相應警報水位以下時，系統便會通知將通知用戶。
圖：機器人（O-R3）在勿洛水庫進行巡檢工作
迄今為止，PUB通過一個個數字化項目積累了寶貴的經驗，可以用來指導未來工作，并幫助其他水司進行數字化轉型和發展。PUB一再強調，為了成功實現數字轉型，水司必須具備相應技術/能力來收集數據、傳輸數據、共享數據以及分析數據并將其轉化成為可采取行動的有用見解（Actionable Insights）。
圖：數字化進程必備要素
由于每個數字化項目不盡相同，因此選擇正確的工具/技術組合至關重要。針對長期使用，在設計硬件和軟件時也應考慮到其連續性使用，確保程序不會鎖定在任何特定協議或供應商手中。在本書中，PUB分享了他們數字化框架下需要考慮的基本要素，其中包括
- 建立正確的無線基礎架構（Building The Right Wireless Infrastructure）：正確、可靠、安全的無線通信網絡是數字化最重要的組成部分之一。當今市場上有許多通信網絡可以滿足不同的用途和應用，例如4G，Wi-Fi，LoRa，SigFox等。在決定使用哪個網絡時，水司應考慮所需的網絡范圍、傳輸速率，數據大小、網絡功耗、延遲及其他因素。其中，安全應該是最關鍵的因素。
- 數據收集（Harvesting Data）：通過高密度多參數傳感器的鋪設來獲取相應的供水壓力和水質數據，并計劃集成智能水表數據來更好地進行漏損檢測。
- 打破數據孤島（Breaking Down Silos）：水司各部門之間的數據必須共享，打破信息孤島對于建立一個系統性的智慧水網絡至關重要。
- 數據補充（Supplementing Data）：通過數字化手段，例如軟性傳感器（soft sensing）等來提高數據的可靠性。
- 數據分析和預測（Translating Data & The Power of Predictions）：數據收集并得到驗證后，需要對其進行分析并將其轉變為有用的信息來幫助感知態勢和輔助決策。水司也需要從反應式管理（reactive management）向前瞻式管理（proactive management）進行過渡。
- 鏡像宇宙（Mirror Universe）：除了人工智能和機器學習外，數字孿生是支持過程和系統優化的第三類數字化技術。水司可以使用水廠的虛擬副本來模擬各種“假設”情景，確定最佳選擇。
在數字化轉型的前進道路上，除了上述的數字化手段外，PUB認為網絡安全至關重要，水司需要將相關的網絡安全措施措納入設計中。而歸根結底，數字化轉型的成功主要取決于人。只有在人們的支持下，無論是在精神上還是在執行上，數字化才可能成功。如果轉型是在強大的領導力下，以及各級員工的支持配合下進行的，那么數字化轉型無疑是充滿希望的。水司必須重視員工，向他們證明數字化可以提高其工作效率而不是代替他們使之失業。水司還應鼓勵受益于數字化項目的員工與同行分享經驗。與管理主導的方法相比，這種口口相傳的模式在改變員工思想和贏得人心方面反而見效更快。此外，水司還應對員工進行各個層面的培訓，例如專業技能、數據分析能力、設計創新能力等。隨著數字化進程的不斷加劇，仍有許多途徑可供探索。
在數字化進程中，最重要的是開始。
來源：本文來自IWA國際水協會，僅供分享交流不做商業用途，不代表凈水技術觀點，版權歸原作者與原作者出處
校對：萬梓薇
