★連云港清源科技有限公司李吉壯

★北京亞控科技發展有限公司王全林，張宏坤，劉震宇

1　項目背景

連云港茅口水廠三期工程是連云港市重要的城市飲用水安全保障工程，規劃建設規模30萬噸/日生活飲用水廠，分近遠兩期實施，近期建設規模為20萬噸/日。連云港茅口水廠三期工程作為連云港市重要基礎設施和重大民生工程項目，建設和投產運行將為連云港市社會經濟發展提供有力支撐，對于滿足城市居民高品質飲用水需求、推動我市高質量發展具有重要意義。連云港茅口三期智慧水廠項目致力于打造數字化管理模式，為水廠運營賦能。智慧水廠的概念脫身于智慧城市，是以供排水工藝為基礎，利用云計算、大數據、人工智能、物聯網、互聯網、BIM等技術，通過智能監測設備、數采儀表及通信網絡等在線監測設備，實時感知城市供排水系統的運行狀態，并采用可視化的方式有機整合供排水管理部門，形成“城市供排水物聯網”，并可將海量水務信息進行及時分析與處理，做出相應的處理結果，輔助決策建議，以更加精細和動態的方式管理供排水系統的整個生產、管理和服務流程，從而達到“智慧”的狀態^[1]。在此背景下，基于亞控WellinOS工業云操作系統所呈現的KingWater產品，開發智慧水廠成為了解決當前問題的有效途徑。

2　項目開發架構

連云港茅口三期智慧水廠項目是連云港自來水集團重要的城市飲用水安全保障工程和重點民生工程，故系統架構的穩定性、便捷性、安全性也成為供水保障的重要一環。

WellinOS工業云操作系統是一種多場景支持的操作系統，能夠支持直接部署在服務器端，支持國產操作系統，該系統是專門用于工業控制開發的專用操作系統。系統總體架構包含IaaS層、PaaS層和APP層^[2]。

IaaS，即基礎設施即服務，提供了一種云計算模型，通過虛擬化技術將基礎設施資源（如服務器、存儲和網絡）提供給用戶。在IaaS模型中，用戶可以租用虛擬化的基礎設施資源，以搭建自己的應用程序、存儲數據和運行服務。

PaaS，即平臺即服務，是一種云計算模型，提供了一整套開發和運行應用程序所需的平臺環境。在PAAS模型中，云服務負責提供和管理硬件設施、操作系統、數據庫和開發工具等基礎平臺，使開發人員可以專注于應用程序的開發和部署。

APP，即軟件應用層，本系統更新了傳統的SaaS云系統層，替換成專用的APP層，主要提供SACDA、MES、PLM、ERP等具體的軟件系統。

整個系統架構如下圖所示：

圖1WellinOS工業云操作系統總體架構

基于亞控WellinOS的智慧水務產品KingWater利用感知層數據進行實時監控和展示，實現各水廠生產工藝畫面與超限告警；匯總生產運行數據，形成日常運行管理圖表，方便總結與分析；通過信息化管理獲取更全面的運營數據；最后，通過數據深入分析，實現集團范圍內異常預警、運行工藝模擬及工藝、設備和成本分析，助力決策層決策。KingWater產品總體架構如圖2所示。

圖2KingWater產品總體架構

設備層：感知層設備主要包括水廠及其他設施的在線儀器儀表、生產設備、控制系統等，是物聯網技術構架的基礎。

端側層：利用先進的網絡技術、邊緣云計算技術與互聯網融合，建立網絡層體系，兼容多種網絡方案，保證數據傳輸的可靠性、安全性、穩定性。

平臺層：通過亞控WellinOS工業云操作系統作為平臺依托，為數據與功能的及時性進行保駕護航。

工具層：KingWater智慧水廠產品作為基于WellinOS所開發的行業級信息化平臺，承載了WellinOS的各項基礎功能，并延展了多種業務功能。

業務功能層：為企業原有各板塊基礎業務模塊，作為智慧應用系統數據的來源，同時又作為智慧平臺的手和腳，接受智慧應用系統指揮調度。

展示層：為運營管理工作提供了大量的生產決策數據依據，通過深入挖掘各類數據間的關系，一張圖和管理分析工具，幫助集團建立基于物聯網的水廠綜合運營管理體系。

3　建設基本概念

WellinOS工業云操作系統主要用于開發智慧平臺以及自動化系統平臺，該系統繼承了大量的優秀功能，提出了一系列有創新性的概念，系統開發過程分為模型創建、圖形開發以及整體發布。

3.1　時態

在創建模型前需要理解時態的概念。時態：WellinOS定義了三種時態，即：實時、歷史、計劃，表示世間萬物現在、過去、將來的事物狀態，以實現其全生命周期管理。

3.2　數據模型

數據模型分為：物、事、組織、人員四大類，其中物和事又有業務與時序之分。總共有業務物、單靈敏時序物、多靈敏時序物、業務事、時序事、組織、人員對象七種。

（1）業務物：用來描述變化頻率不高的客觀世界物體，如：水杯、設備機床、生產物料等。

（2）單靈敏時序物：用來描述某個單值高頻存儲、變化的客觀世界物體，其數據需要頻繁地寫庫，如：溫度傳感器。

（3）多靈敏時序物：用來描述多個值高頻存儲、變化的客觀世界物體，其數據需要頻繁地寫庫，如：采集設備（如定時采集溫度、壓力、流量等多個值）。

（4）業務事：用來描述變化頻率不高的客觀世界事件，比如報警、訂單事件等。

（5）時序事：用來描述高頻存儲、變化的客觀世界事件，如采集報警事件。

（6）組織：用來描述客觀世界中的企業組織結構，如XX公司、XX部門等。

（7）人員：用來描述客觀世界中的企業組織人員，如小張、小王等。

3.3　基于數據模型的數字孿生

基于數據模型產生的數字孿生術語包含：數據模型、模型拷貝、對象、記錄，以下是術語概念及關系介紹：

數據模型：定義數據結構，整個數字孿生的根本。

模型拷貝：是模型的拷貝生成物，創建對象的必要前提。

對象：可表示世間萬事萬物；作為記錄的承載體。

記錄：可記錄世間萬事萬物的信息。

模型、拷貝、對象、記錄之間的關系。

3.4　功能單元模型

功能單元模型包括：元語言模型、webjs模型、AppModule，功能單元模型是數據模型與腳本邏輯的結合體，在功能單元內不但可以編寫腳本也可以組裝數據模型、其他功能單元模型，每個功能單元模型都是一個模塊，每個模塊可自由組裝。

（1）元語言模型：元語言模型中編寫元語言腳本，腳本需符合元語言語法，執行元語言函數，在元語言模型中，可編譯調試運行腳本。

（2）AppModule：可編寫腳本，腳本需要符合元語言語法，執行元語言函數。在AppModule內不可直接運行調試，但可組裝到元語言功能單元內，被元語言功能單元調用執行。

（3）webjs模型：webjs模型中編寫webjs腳本，腳本需符合webjs語法，執行webjs函數，在webjs模型中，可編譯調試運行腳本。

4　項目需求分析

需求分析是智慧水廠開發的前提條件，每個水廠面臨的具體情況不同，因此做好需求分時是開發智慧水廠的重要前提條件。連云港茅口三期智慧水廠項目有著新建自來水廠數字化運營的需求，并且有著工藝監視趨勢曲線高效決策的需要，故在此背景下需求分析分為幾個過程：

首先，需求分析的核心任務是確定軟件需要實現的功能和性能。這包括與用戶深入交流，了解他們的業務流程、痛點以及期望通過軟件解決的問題。通過訪談、問卷調查、原型演示等多種方式，收集并整理用戶需求，確保需求的全面性和準確性。

其次，需求分析師需要對收集到的需求進行詳細的梳理和分類。這包括功能需求，如系統需要實現哪些具體的功能；非功能需求，如系統的響應時間、安全性、易用性等；以及約束條件，如技術選型、開發周期等。通過明確這些需求，可以為后續的開發工作提供清晰的指導。

在需求分析過程中，還需要對需求進行優先級排序。這有助于開發團隊在資源有限的情況下，優先實現最重要的功能，確保軟件的核心價值得以體現。

最后，需求分析的結果需要以文檔的形式進行記錄，即需求規格說明書。這份文檔應詳細列出所有的需求，包括每個需求的描述、優先級、驗收標準等，作為后續開發、測試和驗收的依據。

總之，軟件開發需求分析是確保軟件項目成功的關鍵步驟。通過深入理解和明確用戶需求，為軟件的開發奠定堅實的基礎，從而提高軟件的滿意度和成功率。

5　項目技術說明

5.1　數字孿生模型的構建

數字孿生是智慧水廠開發的關鍵技術之一。通過WellinOS工業云操作系統提供的數字孿生新方法，可以構建水廠的數字孿生模型。該模型能夠實時反映水廠的實際運行情況，包括水質、水量、能耗、設備狀態等關鍵指標。基于數字孿生模型，可以對水廠的運行過程進行模擬和優化，提高水廠的運行效率和管理水平。

5.2　生產管理系統的實現

生產管理系統是智慧水廠的核心組成部分。基于WellinOS工業云操作系統，可以構建一套完整的生產管理系統。該系統包括生產計劃、生產調度、水質監測、能耗管理、設備維護等多個模塊，能夠實現對水廠生產全過程的實時監測和智能控制。通過生產管理系統，可以優化生產流程、提高生產效率、降低運營成本。

5.3　運營管理體系的優化

運營管理體系的優化是智慧水廠開發的重要目標之一。基于WellinOS工業云操作系統，可以對水廠的運營管理體系進行優化。通過集成先進的物聯網、大數據、人工智能等技術，實現對水廠運營全過程的實時監測和智能分析。基于分析結果，可以制定更加科學合理的運營策略，提高水廠的運營效率和管理水平。

6　項目業務功能

連云港自來水公司茅口三期智慧水廠項目依托于KingWater智慧水廠產品的多項功能，進行了便捷高效的開發工作，并且KingWater智慧水廠產品基于行業特性與行業經驗，預設并包含了多種多樣業務功能，包括工藝監視、趨勢曲線、報警管理、變量采集服務、業務看板、數據分析、能耗分析、排班管理、設備管理、工單管理、巡檢管理、庫存管理、專家庫、系統管理等等諸多特性業務功能。基于KingWater強大的業務能力與便捷的擴展性，使得原本周期緊任務重的開發過程，變得易開發維護。

在連云港茅口三期智慧水廠應用開發過程中，部分重點業務功能簡述如下：

6.1　登錄首頁

圖3茅口三期智慧水廠總體界面

如圖3所示，該智慧水廠將全面整合安全管理、設備管理、廠級管理、安防管理和系統運維，綜合多個系統，實現單點登錄。

6.2　駕駛艙

圖4茅口三期駕駛艙

如圖4所示，駕駛艙會綜合展示茅口三期所有重要參數，包括水量、水質、能耗、工單等統計信息，同時會顯示核心單元的三維圖形。

6.3　專題看板

專題看板主要為管理層對全廠運營績效評估、輔助決策提供科學有效的數據依據。如下圖：

圖5茅口三期專題看板

圖6茅口三期能耗看板

6.4　數據分析

如圖7所示，數據展示與分析要求有配置功能，可在使用中自行配置數據內容及時段、呈現方式，呈現方式模板可選。對于無法自動采集的數據可人工錄入修改，記錄日志，可根據選擇的條件查詢結果。

圖7茅口三期水質分析

6.5　工藝監視

如圖8所示，一般情況下以三維為載體，將關鍵控制點與工藝流程圖結合，實現一張圖展示，包括監控點數據展示、對比、預警、監控點對應顯著危害。以標準化管理為基礎，展示體系組織框架、文件管理、內審、管理評審、符合性評價等工作。

圖8茅口三期總工藝監控

6.6　能耗管理

如圖9所示，能耗是智慧水廠核心模塊，根據全廠能耗情況，對其進行同比環比等數據分析，能耗一張圖分析、工藝間能耗分析、電參數歷史查詢、電量資費統計、供電單耗分析、高能耗清單、泵組效率分析。

圖9茅口三期能耗管理

6.7　智慧巡檢

顯示茅口三期巡檢信息，顯示巡檢關鍵過程，巡檢次數以及完成率，結合攝像頭，進行自動巡檢，可結合人工綜合判斷。包括如下：

（1）巡檢任務下發

制定巡檢任務計劃安排，每日定時下發任務和臨時工作指令，針對權限高的人員有修改權限，可對巡檢內容進行自動評估，并提供巡檢內容、頻次改進建議。可查看巡檢路線及巡檢記錄，并可查看巡檢任務完成情況、巡檢任務狀態等信息，在完成巡檢任務后進行記錄和考核。

（2）多方式巡檢

巡檢可采用視頻巡檢、人工巡檢方式。視頻巡檢按照設定的路線自動生成巡檢計劃，并自動執行巡檢任務。利用圖像識別技術，對比當前廠站現場與廠站正常工作的情況，判斷是否有地面積水、螺絲松動、設備漏油等異常情況，自動生成巡檢報告，供值班人員查看，如發生異常可自動報警，通知運行人員進行視頻校核及現場查驗。

（3）工單發起

在巡檢設備時，發現問題或故障可下發工單，工單的填寫支持語音識別，可將語音轉為文字記錄，并需上傳照片作為記錄。下發工單后在一定程度自動完成設備處置（設備停用、切換等），并記錄相應操作。工單完成后同步生成對應維修記錄。

（4）巡檢任務復核

定時推送巡檢任務，巡檢完成后，班組長必須對巡檢工作進行復核，填寫復核意見。

7　結語

基于WellinOS工業云操作系統下KingWater產品開發智慧水廠是解決當前水務行業面臨問題的有效途徑。連云港茅口三期智慧水廠的應用案例印證了可行性，通過構建數字孿生模型、實現生產管理系統、優化運營管理體系等，可以提升水廠的運行效率和管理水平，為水務行業的智慧化轉型提供有力支撐^[3]。KingWater產品所預設的業務場景和行業全面的業務功能，為項目的推進與拓展營造了良好的基礎。盡管在實際開發過程中仍面臨諸多挑戰，但隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，智慧水廠開發將迎來更加廣闊的發展前景。

作者簡介：

李吉壯（1979-），男，江蘇連云港人，碩士，高級工程師，現就職于連云港清源科技有限公司，主要從事計算機軟件、智慧水務解決方案的研究。

王全林（1986-），男，天津人，學士，工程師，現就職于北京亞控科技發展有限公司，主要從事工業自動化軟件、智慧水務解決方案方面的研究。

張宏坤（1998-），男，天津人，碩士，助理工程師，現就職于北京亞控科技發展有限公司，主要從事智慧水務信息化產品方面、工業自動化解決方案的研究。

劉震宇（1994-）男，河南周口人，學士，現就職于北京亞控科技發展有限公司，專注于智慧水務領域、工業自動化領域解決方案研發與落地。

參考文獻：

[1]吳勇,任昭重,王業飛,肖搴,陳振華.智慧水廠的建設與思考[J].城鎮供水,2022,(6):73-79.

[2]湯燕飛,屈福平,李享.BIM技術在水廠智慧運維管理中的應用[J].施工技術,2020,(24):44-46.

[3]葉李鋒,林高基,歐陽軍,顏野迪,毛軍輝.智慧水務復雜生產數據安全高效采集方法研究[J].水利技術監督,2023(10):76-81.

摘自《自動化博覽》2025年9月刊