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　　2023年先进计算典型应用案例系列 |节能错峰智慧供水系统
　　
　　2023年12月11日，工业和信息化部办公厅公布2023年先进计算典型应用案例名单，安徽舜禹水务股份有限公司申报的案例节能错峰智慧供水系统，成功入选城市大脑领域典型应用案例。
　　
　　一
　　
　　案例简介
　　
　　为有效改善居民用水质量，切实解决高峰期缺水问题，稳定管网压力，降低管网老化速率和漏损风险，有效节约供水过程能耗，舜禹股份自主研发了节能错峰智慧供水系统。该系统所具备的诸如提高供水效率、节约用电成本、匹配城市需求、节省新建投入、平衡管网压力、降低运营成本等多种相较于传统供水模式的优势，使之成为供水领域响应我国“双碳”计划的有效途径。
　　
　　二
　　
　　实施情况
　　
　　节能错峰智慧供水系统由硬件设备和软件平台两部分构成。硬件设备以箱式变频为基础，增加了流量控制单元、错峰调度模块、智慧清洁模块以及智慧节能设备。箱体采用分隔式设计，可以保证清洗水箱时不停水。软件平台相较于传统二次供水管理平台，它最大的不同在于其内嵌了舜禹股份自研的“大禹算法”，通过机器学习、深度学习、数学规划等人工智能算法和模型，实现区域内所有供水泵房的统筹调度。
　　
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　　硬件部分
　　
　　算力来源于一台深度学习服务器，采购于安擎（安徽）计算机有限公司，其中CPU为2个Xeon Silver 4314 2.4GHZ 16C 32T 135W，GPU为1个RTX4090，内存为32GB。
 
　　
　　图1. 节能错峰智慧供水系统硬件设备
　　
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　　软件平台
　　
　　图2. 节能错峰软件平台首页
　　
　　图3. 节能错峰软件平台内页
　　
　　节能错峰智慧供水云平台是舜禹股份自主开发的一套集二次供水管理与智慧供水调度的云平台软件系统。平台深度融合IMACDE( Iot、mobile、Ai、Cloud、bigData、Eage）等先进技术，集成多个业务领域的子系统用领域模型，可充分满足用户的多场景需求。平台采用微服务SaaS架构，具备高可用高负载的优越性能，服务节点主从备份，可保障系统24H不间断服务，具备超高的扩展性和兼容性，可以与其他系统平台统一门户登录，采用统一的鉴权机制。平台提供智能调度功能，根据AI提供的调度方案自动调整系统运行工艺，或手动下发指令，进行指挥决策，同时通过物资管理系统了解人员、车辆和战略物资的数量和定位，迅速智慧调度；结合空间位置信息，利用GIS技术，直观的显示所监控点位置以及状态信息，并利用三维、AR/VR等技术，增强地图显示及用户交互，具有以地图为依托，地图显示数据，数据增强地图的功能特点；另外通过数字孪生技术的赋能，提供MR虚拟巡检、与设备交互，提升操作的便捷度。
　　
　　此外平台还采用了舜禹水务边缘计算设备，具备本地计算、消息通信、数据缓存等功能，可以在无需联网的情况实现本地联动以及数据处理分析。该设备具有配合节能错峰水务调动的完整处理能力，能够对水务数据进行本地解析，得出结论并进行智能控制，大大降低对连接云计算服务器的带宽的要求，有效提升平台整体数据链路的稳定性和安全性。
　　
　　三
　　
　　技术创新与突破
　　
　　节能错峰智慧供水算法涉及数学物理建模、仿真计算、机器学习、流体力学等多个学科领域，是二次供水优化调度的一项多学科融合与创新。针对节能错峰供水系统中直供区压力流量、设备入口处压力流量、小区用水量及流量控制装置等变量间关系的研究，有助于挖掘影响供水连续性和稳定性的各种因素；通过真实场景模拟和数学物理建模，探究可调变量对系统内其他变量数值变化的作用，为决策模型的建立提供理论支撑；对二次供水调度目标和各种约束有效合理的数学化建模，是求解最优调控策略的前提。项目的研究成果可为解决不限于供水行业的类似问题提供行之有效的思路。
　　
　　1、泵房机组用水量预测算法
　　
　　根据历史数据训练回归模型，针对单个泵房机组所辖用户用水量进行以日为单位的预测，并结合实际运行过程中的数据反馈，及时调整预测结果。
　　
　　2、管网运行变量关联性计算
　　
　　建立管网运行变量关联关系，结合平衡态水力计算模型和动态水力计算模型，准确描述管网变量对系统的时变作用。
　
　　3、供水管网整体错峰调度算法
　　
　　以数学规划算法为框架，以供水系统中各泵房可调节电动阀门开度为决策变量，以任一时刻总用水量不高于水厂泵最大工作流量为约束，构建全局多变量整体错峰调度算法。
 
　　四、商业和社会经济价值
　　
　　节能错峰智慧供水系统的项目成果具有重要的经济效益和社会效益。节能错峰智慧供水系统不仅能有效改善居民用水质量，而且可以直接或间接地减少供水过程中的能源消耗，是供水领域响应我国“30.60”计划（即2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和）的有效途径。主要体现在以下三个方面：
　　
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　　提高供水效率，节约用电成本
　　
　　节能错峰智慧供水系统通过智能调度算法，在低峰期时对各站点设备补水，在高峰期时最大限度地使用设备供水，以达到对水厂出水量削峰填谷的效果。一方面，水厂水泵的运行功率曲线更为平稳，减少了多个水泵启停切换的频次。正如汽车驾驶时尽可能地匀速行驶能够有效降低单位油耗，节能错峰智慧供水系统的削峰填谷能有效提升水厂泵组的整体运行效率，降低其单位电耗。另一方面，在夜间用水低谷期时对设备补水，等同于将水厂日间高峰期时的部分供水需求转移至夜间执行。由于夜间电价远小于日间电价，采用这种方式的夜间供水方式能极大减少水厂的电费支出。与此同时，水厂用电习惯的调整，通过电网反馈至发电厂，有效利用其夜间富余的供电能力，大幅减少电厂的能源消耗。
　　
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　　匹配城市需求，节省新建投入
　　
　　传统供水方式，包括采用管网叠压二次供水设备的系统，不具备对市政管网供水的调蓄功能。随着城市规模的不断增加和城市人口的不断增长，当居民在高峰期时的用水需求高于区域水厂的供水能力，缺水现象在所难免，而新建水厂几乎是传统供水方式想要从根本上解决缺水问题的唯一途径，但新建水厂将进一步挤占有限的土地资源和经费投入预算。节能错峰智慧供水系统为解决上述问题提供了新的可能。
　　
　　正如电力行业当前正在大力发展的抽水蓄能和电化学储能，中继存储是资源优化调度的基本条件；电能无法直接存储，须转换为其他形式的能量，而水资源本身即具有易存储的特点。节能错峰智慧供水系统正是最大化地利用了分散在各个站点设备的调蓄功能，使得区域水厂的供水能力得到极大提升；通过更好地匹配城市用水需求，节省了新建水厂包括建设能耗和运营能耗在内的大量资源消耗。
　　
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　　平衡管网压力，降低运营成本
　　
　　从水源到用户，供水过程的各个环节均存在水的流失。供水管网漏损不仅会导致水资源的浪费，也会增加水厂的供水负荷，即耗费更多电能用于供给足够的自来水。传统供水模式下，市政供水管网压力波动频繁，易造成管网漏损，加快管网老化速度。与之相反，节能错峰智慧供水系统能够稳定管网压力，显著改善管网漏损和老化程度，减少输送过程中水的流失，提升供水水质。
　　
　　从水厂的供水维护角度而言，节能错峰智慧供水系统相较于传统供水模式也具有明显优势。尽管系统建设初期需在供水管网上及站点内加装压力和流量测点，增加了少量前期投入，但从长远角度，不仅能更及时地发现供水中的漏损问题，加快维修进程，减少水资源浪费，而且能为整个系统的节能错峰调控提供更多数据支持，助力调度算法的不断优化，确保调度指令的准确执行。水厂运营成本的整体降低是从生产到运维各个维度上的整体节能降耗。
　　
　　以安徽合肥为例，应用节能错峰智慧供水系统后已产生如下效益：
　　
　　（1） 高峰期总流量削减 24.84%；
　　
　　（2） 管网压力波动降低 41.88%；
　　
　　（3） 提升水箱利用率至 94.52%；
　　
　　（4） 减小 21.63% 水箱水龄；
　　
　　有关水压不足的热线数量降低88.89%。
　　
　　8. 应用节能错峰智慧供水系统削减高峰期流量24.84%
　　
　　9. 应用节能错峰智慧供水系统降低管网压力波动41.88%
　　
　　10. 应用节能错峰智慧供水系统提升水箱利用率至94.52%
　　
　　11. 应用节能错峰智慧供水系统降低水箱水量21.63%
　　
　　12. 应用节能错峰智慧供水系统降低有关水压不足热线数88.89%
　　
　　联盟及案例联系人
　　
　　孙老师  13126608736
　　
　　sunliming@caict.ac.cn