引言
在搭建水厂专家决策系统的实际项目中，需要针对水厂的运营需求与管理发展阶段，定制选用最合适的模型仿真技术及工具。其本质原因是所有类型的模型都有对应的使用范围和最优场景。这类似于我们生活中的一个常识，根据钉子找锤子才能事半功倍，拿着一种锤子砸遍天下钉子是不切合实际的。专家决策系统的设计比拼的是方案合理性以及场景匹配度，而不是工具之间的优劣。在成功实施的项目当中，我们选用过SUMO这一类国际化的工艺模拟软件、国产全自主知识产权的新一代工艺仿真工具，也应用过基于混合模型的仿真工具。工具选择的依据需要建立在梳理水厂痛点、明确优化目标、解析现有设施、掌握运营情况、了解管理习惯的基础上，通过深入沟通、多维研判，才能确定出与方案相适应的工具，并真正打造出具有核心运营与工程应用价值的水厂专家决策系统（详见《如何通过智慧水务专家系统引领水务的数字化转型》）。
本篇文章我们将通过三个案例为您展示并浅析专家系决策统搭建过程中模型工具的选择逻辑。
案例一
基于机理模型的数字孪生系统
Jacobs咨询公司受新加坡公用事业局（PUB）委托为处理量920,000立方米/天的樟宜再生水厂（CWRP）创建数字孪生系统。此数字孪生系统将为该水厂正在进行的运行和维护提供分析与反馈，提高水厂生产效率，增强其运营的灵活性。
该系统具有直接从SCADA和实验室信息管理（LIMS）系统将数据进行自动输入、自动校准和接入传感器的功能。通过模拟协助PUB对工艺进行测试和校准，以提高处理出水水质，并优化能耗和化学药品消耗量。其模型的使用也符合PUB的通过智能化技术来提高生产效率和运营弹性的总体目标。
▲ 简化的CWRP工艺和数字孪生流程
▲ 数字孪生完整的工艺流程图（包括169个反应池）
该系统的水力和控制装置在Jacobs的Replica™仿真器中进行仿真。系统使用迅模SUMO对工艺进行建模。Replica™、Sumo©和Sumo1模型生物动力学矩阵之间可进行直接通信。进水软测量通过删除“不良”数据来调节模型的输入数据，通过历史数据测试清除超仪表量程范围或无规律出现且超出数据正常变化区间的异常数据；来自SCADA的变化流量、一级出水氨氮在线监测值、曝气量和其他运营参数设定值作为输入数据输入数字孪生系统。这些数据与LIMS数据结合，会生成一个动态的污水进水文件，从而创建了污水厂实际进水的软测量器。
该系统主要实现的效果包括：
1. 模型预测值和实测数据之间的比较可向操作和维护人员提供重要提示，从而最大程度地减少低效工作量。
2. 校准模型可评估各种操作场景参数，包括由操作人员决定的以及系统固定的参数。
3. 自动校准的模型可用于预测未来长达5天的污水处理厂未来事件的可能性，操作人员可根据“污水天气预报”更加主动地对污水处理厂进行管控。
该案例中所涉及污水处理厂数字化管理起步较早，具有较为丰富的数据积累，运维标准化程度高，水厂工作人员对工艺模拟有一定基础，因此直接采用市面常见的工艺模拟软件作为底层建模工具，利用其成熟工艺模块完成建模与调参，并借助软件的数字孪生功能实现对水厂现有监测网络与运维模式的数字可视可控与效率提升（详见《工艺模拟在污水厂数字化升级中的应用：基本原理与技术趋势》），达到预期数字化转型效果。
案例二
基于机理模型的专家决策系统
江南地区某水厂为实现全厂数字化转型与精准管理目标，全方位搭建部署基于机理模型的专家系统，项目所选用的工艺仿真工具为拥有自主知识产权且工艺可灵活定制的国产机理模型工具。其主要功能包括：数字孪生与仿真逻辑结合的数据展示、模型在线计算及成果展示、污水厂健康状态评估、提供综合的预警机制、针对预警的运行建议方案优化演练及存储等。
▲ 基于机理模型的水厂专家系统
该系统主要实现的效果包括：
1. 一目了然的污水厂健康状态判断；
2. 一线人员的优化演练与决策工具；
3. 及时的重要设备及仪器维护提示；
4. 具有前瞻的综合预警与建议提示；
5. 技术人员可理解的运行优化建议。
系统通过工艺模拟+运行预警进行问题识别，通过专家建议+模拟优化+工艺调整对问题加以解决，通过运维服务杜绝重大运营问题。
该案例中的专家系统在方案设计阶段，充分考量国内大部分水厂具有代表性的运营需求并紧密围绕一线运营人员的核心痛点展开，基于自主知识产权建模工具的灵活性和建模弹性，对水厂的整个工艺与运营流程进行了充分定制，能够基于实际水质、设备能力、工艺状态对机理模型完成校准（在线与离线模型同步）；可通过报表数据、在线监测数据、模型评估结果等维度对污水厂的健康状态进行综合判断；同时利用离线仿真评估，结合目标污水厂的来水类型与水质变化等对水厂处理能力与应对风险能力进行综合评估；根据设备运营历史在可调参数范围内对其进行优化潜力评估；为现场人员建立可以快速上手轻松使用的优化演练功能模块；根据综合性数据预检与模型核算，判断全厂模型是否需要维护。
案例三
基于混合模型的专家决策系统
浙江省某工业与城镇混合污水厂，通过机理与数据驱动混合模型完成了专家决策系统的搭建，以“人机协同”的模式实现了“智能值守”乃至“自动驾驶”（详见《水厂“自动驾驶”未来已来》）。系统部署了浙江数翰科技全自主研发，奥科环境深度协同参与的“水厂智控大脑”产品，产品针对客户需求与行业场景打造出九大基础功能应用模块供客户灵活集成与“拼接”，其中包括：智能曝气系统、智能加药系统、智能碳源投加系统、智能模块调用系统、智能反洗系统、智能流控系统、智能除硬系统、智能臭氧投加系统和厌氧安全决策系统。客户既可选择“一步到位”的全厂部署模式，也可选择特定工艺的局部优化升级。“水厂智控大脑”可高效对水厂负荷进行评估与事件预警，并结合基于混合模型搭建的工艺模型在运营的各个层面进行参数优化与负荷分摊，为水厂运营团队决策全流程提供数据与认知支撑，让水厂整体运维更加”游刃有余“。
该系统达成的既定目标包括：
完成了全厂数智化升级并实现精细化运营目标；全厂全年运营成本较传统人工模式大幅节省，各子系统也均实现了可观的安全与经济效益，在生化多级曝气、缺氧池碳源、流控系统能耗、深度处理单元药耗、臭氧氧化电耗、液氧等工艺段均有不同程度的成本与能耗节省，成功达成“节能、减排、降本、增效”的预期目标。
在工艺运行稳定性优化层面（如上图），数翰“水厂智控大脑”（蓝线）的运行平稳程度与安全线（红线）控制能力均优于人工运行（黄线），能够帮助运维人员有效减轻操作压力，从每天重复琐碎的机械劳动中解放出来，并将精力更多地投入到水厂降本增效的其它重要环节与策略制定。
在智能自控精度层面，根据进水负荷的动态响应，数翰“水厂智控大脑”（下图右）对设备终端的调控在幅度、频率、柔和性与及时性上均有着优于人工运行（下图左）的表现。在此基础上，结合曝气系统与碳源投加系统的耦合控制，该项目中此系统在DO控制精确度与稳定性提升（目标值浮动幅度大大降低）的同时，有效实现了系统所需电耗与药耗的降低。
不同水厂在日积月累运营决策过程中所形成的机制、路径与方式具有其独特性与必然性，针对运营场景多变、数据积累不足且机理不易描述的水厂，采用机理与数据算法结合的方式，可以更精准地对现有运维决策系统进行数学复现与认知融合，并根据水厂运营发展阶段与资源限制，为现有决策流程提供弹性更佳的辅助工具组合与更为丰富的决策依据，实现“人机”协同的管控模式。这种模式可更为高效对整体团队的数据认知与运维动作进行统一，在提高运营风险掌控度的同时，以数字化可追踪的形式对运营方案与管理经验进行沉淀。
小结
专家决策系统由于其高度定制化的特点，使其在应用过程中具有无限的可能，只有从水厂运营的核心痛点以及主要瓶颈（详见《水务数智化升级如何修炼“万剑归宗”》）出发，制定“分步实现”或者“一步到位”的数字运营落地方案与实现路线图，选择匹配度最佳的各类工具组合，才能够推动企业整体数字化管理水平的持续提升与迭代，实现从经验决策到数据驱动辅助决策的真正转变。
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奥科环境是全球智慧水务领先技术方案集成商与全流程技术咨询服务提供商，承接各类流体仿真/机理模型/数据模型/混合模型的工程化应用项目，覆盖数据诊断、工艺建模、运营优化与自动控制等智慧水务全流程环节。凭借核心团队在系统建模、智能算法、智能物联网、数字孪生与水务运营的深度沉淀与长期积累，奥科环境在智慧水务领域拥有系统化产品布局与深厚人才储备。如您希望获得更多智慧水务与工艺建模相关资讯，敬请关注：
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