新加坡国家水务局PUB的新任首席执行官Ong Tze-Ch’in在IWA 2024世界水大会与展览会上发表了主旨演讲，阐述了PUB对数字未来的愿景。
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摘要：新加坡国家水务局PUB的新任首席执行官Ong Tze-Ch’in在IWA 2024世界水大会与展览会上发表了主旨演讲，阐述了PUB对数字未来的愿景。
数字水务 新加坡的经验分享Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest数字水务—新加坡的经验分享中文版译者：王丹英文版作者：NG Joo Hee 执行总裁Harry SEAH 副行政总裁（运营）PANG Chee Meng 首席工程&技术官PUB 新加坡公共事业局感谢郭宇峰（三峡智慧水务科技有限公司）、姜继平（南方科技大学）对中文版的校对Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguestPublished by IWA PublishingRepublic – Export Building, 1st Floor1 Clove CrescentLondon E14 2BA, UKTelephone: +44 (0)20 7654 5500Fax: +44 (0)20 7654 5555Email: publications@iwap.co.ukWeb: www.iwapublishing.comEnglish editionFirst published 2020© 2020 IWA PublishingChinese edition published 2024, © 2024 IWA PublishingApart from any fair dealing for the purposes of research or private study, or criticism or review, as permitted under the UKCopyright, Designs and Patents Act (1998), no part of this publication may be reproduced, stored or transmitted in anyform or by any means, without the prior permission in writing of the publisher, or, in the case of photographic reproduction,in accordance with the terms of licenses issued by the Copyright Licensing Agency in the UK, or in accordance withthe terms of licenses issued by the appropriate reproduction rights organization outside the UK. 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IWA and the Author will not acceptresponsibility for any loss or damage suffered by any person acting or refraining from acting upon any materialcontained in this publication.ISBN: 9781789064957 (eBook)This eBook was made Open Access in June 2024© 2020 The AuthorsThis is an Open Access eBook distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Licence (CCBY-NC-ND 4.0), which permits copying and redistribution for non-commercial purposes with no derivatives, providedthe original work is properly cited (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/). This does not affect therights licensed or assigned from any third party in this book.Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest目录序前言第一章 介绍未来的数字化路线图新加坡的数字水务故事第二章 为何开展数字化？规划旅程吸取教训，通权达变面向未来综合性水管理第三章 PUB 中的数字化创造价值高效运营改善工作环境提升用户服务第四章 数字化框架构建适合的无线设施收集数据打破孤岛补充数据解析数据Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest预测的力量映射体系前方道路第五章 网络安全：数字化的支柱系统与设计培训与协议备份与恢复适应未来需求的安全策略第六章 数字化中人的因素全机构共同努力基础培训奠定成功聚焦数据分析培训着眼设计创新以人为本第七章 结论数字化走向舞台中央数字化前沿Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest序在过去十年中，从理财方式到娱乐方式，我们生活的方方面面都已变得数字化。包括云计算和人工智能，强大而互联的技术无处不在，正引领许多企业和政府机构踏上数字化转型之旅。新技术虽然打破了传统的商业模式，但也为更可持续和更具成本效益的新产品、服务和商业模式创造了巨大的机遇。这些变化将对包括水行业在内的几乎所有领域产生影响。国际水协会出版社（IWA Publishing）数字水务丛书系列整理的观点、经验和最佳实践能让读者针对全新数字技术带来的可能性制定战略对策。这是该系列的第一本书，由新加坡公共事业局(PUB)编撰。PUB 享誉国际，屡获殊荣，它作为法定机构综合性管理新加坡的供水、集水区和污水。PUB 通过多元措施，包括海水淡化、雨水储存和高品质再生水，构建整体性管理方案，降低了对外部水源的依赖。《数字水务—新加坡的经验分享》概括了 PUB 的愿景，并列举了其数字化举措中的一些实例。在这里，数字化成为了综合性水管理模式一个不可或缺的载体。数字化的颠覆性变革持续重塑着商业领域，机构将面临适应变革的压力。适应变化可以让他们充分利用未来的机遇。希望 IWA 出版社的数字水务丛书系列能够为您的机构提供有效执行数字化水管理战略的一些观点。它旨在支持您在数字化领域变得更具能动性，帮助您将数字威胁转化为机遇，并让您能够利用数字化创造竞争优势和提高绩效。该系列丛书将不限于探讨新技术或新系统。最成功的数字化转型同样取决于针对流程和人员管理的合理策略。这将是未来几卷丛书的焦点。我们希望您能从本系列丛书中收获有用的见解和能够帮助您在自己的数字之旅中前行的思考。Vladan Babovic 教授新加坡国立大学国际水协会出版社数字水务丛书系列主编Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest前言水，确切地说是缺水，在新加坡人的意识中占有特殊的位置。我们的确没有足够的国土面积去收集和储存足够的雨水用于后续使用。水资源短缺促使我们转向通过污水回用以及更加昂贵的海水淡化以满足新的用水之需。事实上，新加坡供水的长久可持续性和安全目前依旧是攸关国家存亡的挑战。智慧水务想象一下驾驶一辆既没有里程表也没有燃油表的汽车。这种情形本质上和水终端用户当今的处境一样。每个新加坡家庭户外的水表尽管很精确，但在传感器中却是属于非常落后的。为了记录用水量，用户需要人工读表，记录读数，然后在下一个选定的时间重复这些操作。由于水表读数的物理校对过程繁琐，成本高，因此没有频繁开展。在新加坡每两个月进行一次抄表，以计收水费。频率再提高的话就不经济了。新加坡公共事业局（PUB）所面临的挑战是向用户提供相当于里程表和燃油表的水表，赋能他们转变为更加智慧的用水者。电池、无线技术以及云计算能力已经得到了巨大提升，让智能水表的成本和普通水表相当。然而，智能传感器却能测量、记录、无线传输用水数据至远端服务器，其对数据进行计算分析后即刻通知用户用水情况，这将会彻底颠覆游戏规则。我们针对智能水表的试点显示，那些及时获得用水信息的用户在这一过程中会有意识地调整用水习惯，变得更加节约，节水又省钱。这些试验让我们相信用水信息的数字化和持续可用将有助于改变用户的用水行为，显著降低用水量。同时，试验也证明我们希望在全新加坡的水系统推行数字化的雄心是有意义和价值的。数字化的未来不可否认，水行业的未来将是数字化的。如果机器总是能够更加高效率、低成本、高水平地完成某些工作，我们为什么要在这些场景中采用会不可避免地疲劳并且容易出错的人工呢？如果计算能力可以帮助我们更好地做决策，为什么要把一切都留给运气或人的弱点呢？现在各类远程传感器便宜可靠，并且可以全天连续工作，它们可以快速实现人工无法完成的全系统实时监测。数字化的未来在召唤！因此，整个新加坡 PUB 都处在重大的转折点上，远离过去缓慢繁琐的做事方式，转而向更加智能、高速、精确的未来迈进。很多系统正在建设，很多流程已被重构，很多岗位已经、正在或即将迎来转型。这种转变正全面席卷着我们的组织机构，无论是在水厂还是外业现场，在业务一线或者内业后台。事实上，除此以外别无他法。并且我们知道，如果我们选择逃避不付诸努力，我们就会面临被淘汰的风险。因此，我们选择把数字化置于 PUB 转型的核心。因为如果我们不学习一套新功夫，我们就将会措手不及，被未来击败。Peter Joo Hee Ng执行总裁PUB 新加坡公共事业局Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguestDownloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest第一章 介绍新加坡的水务发展正处于十字路口。十几年来，为了确保居民和各行各业的供水安全，PUB 作为国家水管理机构多样化地拓展了新加坡的水源体系。在 20 世纪 70 年代，新加坡开始投入巨大努力治理河流和水道，扩大集水区以收集雨水，使得在从马来西亚进口水之外又增加了新水源。新加坡的集水区现今已经扩展到了总国土面积的三分之二，包括全岛 17 座储存雨水的水库。20 世纪 90 年代，污水回用技术得到发展，成本变得更加低廉，PUB 组建了团队探索污水回用在新加坡的潜在应用前景。PUB 完成了全面的测试和审计评估，发现可以通过安全可靠且可持续的方式，利用污水回用技术可以生产高品质的再生水，随后再生水产品--新生水（NEWater）应运而生，并在 2003 年被推向市场。仅两年后的 2005 年，随着全国第一座海水淡化厂投入运营，PUB为新加坡增加了第四个“水龙头”。“国家四大水龙头”战略，即国内集水区、进口水、新生水以及淡化海水，缓解了新加坡面对干燥气候的供水保障压力，并降低了其水资源脆弱性。同时，PUB 倡导民众把节水培养成一种生活方式，将人均日用水量由 2000 年的 165 升降至 2019 年的 141 升。新加坡在水领域的创新和投资使其成为了享誉国际的综合水管理之城、冉冉升起的全球水务中心。这里引领汇聚了水技术的商业机会和知识专长，覆盖整个水产业链的约 180 家水务公司和 20多个水研究中心构建了充满活力、蓬勃发展的生态圈。然而，和许多其他国家一样，新加坡面在未来几年将面临水领域的多重挑战。到 2060 年，新加坡的用水需求预计将比现在的每天 4.3 亿加仑（约 163 万立方米）增加一倍。新加坡也需为应对气候变化做好准备。气候变化会导致强降雨更频繁，旱季延长，这将对雨水收集和防洪造成影响，同时也会抬升海平面。数字化可以帮助减缓上述以及其它相关问题。它使水务公司能够收集大量数据，开展数据分析，形成有意义的见解，进而作出更明智和更适宜的决策。水务公司还可以通过流程自动化提升效率以及获得其他效益。PUB 执行总裁 Ng Joo Hee 先生表示：“数字化为我们提供了巨大机遇去用前所未有的方式推进我们的使命。它绝对是游戏规则的颠覆者“。未来的数字化路线图PUB 在 2018 年发布了《智慧 PUB 路线图（SMART PUB Roadmap）》，在整个水系统推行数字化。这将优化其运营能力满足国家未来的需求。这份路线图阐述了 PUB 在四个主要领域的重要项目，包括借助人工智能和自动化实现更智慧化的水质管理，通过智能预测改善关键管网，基于用水数据构建综合性用户参与，以及借助自动化和机器人技术重构更智慧的工作流程。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest在更智慧化的水质管理方面，PUB 针对相关技术开展了中试，例如搭载了高性价比多功能机器人，可持续监测新加坡水库水质的巡航船。在关键管网改善方面，PUB 构建了带有水位传感器和流量传感器的水文监测网络，以及覆盖新加坡全国水道的闭路电视监测系统（CCTV）。这些监测设施与其它传感器一起极大地拓展了新加坡监测管网状况的能力。在应用这些数字化措施之前，人工检查只能反映管网中特定位置的情况。现在，PUB 能够对管网进行实时、详尽的监控。通过数字化， 水务公司可以进一步减少漏失和产销差这两个长期困扰水行业的问题。PUB 还积极赋能用户，为他们提供其用水的近实时数据，以鼓励他们更好地转变形成节约用水的习惯。在之前的试点项目中，约 800 户家庭安装了智能水表，由于能更早地发现漏水以及 app 内置的激励互动功能大大推动了人们养成节水习惯，他们的平均节水量达到了 5%。到 2023 年，作为智能水表项目第一阶段的部分工作，PUB 将在全国 7 个地区部署智能水表。借助自动化和机器人技术，水务公司可以重新设计工作流程，以实现更高的工作效率。PUB 正在测试自动实验室分析仪，在相同的时间内它能够比人类操作员多检测二至三倍的样本，让分析工作全天候开展。PUB 还在探索针对操作运行人员的虚拟现实培训，以及其他数字化系统。这些数字化项目将帮助 PUB 变得更加高效，提升生产力，为未来成为智慧化的公共事业机构做好准备。新加坡的数字水务故事尽管有诸多益处，实施数字化并非总能一蹴而就。可选的系统和技术多到令人眼花缭乱，所需的前期投资可能让人望而却步，尤其是对那些较小城市的水务公司而言。此外，担心数字化实施过程中可能会干扰正常供水，考虑到其影响，水务公司也可能会规避风险，抵触数字化变革。在新加坡，PUB 与私营企业和学术界合作推动创新方案的商业化。PUB 会与相关机构共同投资，开放部分水厂设施用于开展实际测试验证，为安全起见,这部分设施将与其余的系统独立隔开。Ng Joo Hee 先生表示：“我们希望 PUB 所作的努力能够鼓舞其他人也来拥抱数字化。很多技术是可用的，这些技术在我们的项目中取得了成功，数字化能为我们大家解决很多问题。后面的章节将深入探索 PUB 在数字化方面的努力，突出其决策背后的思考，展示其项目，并强调基础设施、网络安全和人力因素这些水务公司在规划自己的前进道路时需要考虑的方面。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest第二章 为何开展数字化？当水务公司考虑是否应该投资数字化时，他们必须回答一个决定性问题：为什么这样做？对于PUB 来说，数字化之路始于两个增长趋势的融合。一方面，新加坡的用水需求持续攀升，供水运营成本不断增加，水行业的人力资源短缺日益凸显，气候变化等亟待解决的新挑战层出不穷。另一方面，数字化和信息通信技术的进步正在改变全球格局，可以为水务公司提供全新的方法，在不显著影响成本的情况下提升规划、运营、服务呈递中的生产力和效率。简而言之，我们认为数字化为很多新加坡开始出现的水难题提供了答案。通过拥抱数字化，我们旨在成为智慧型机构，继续履行我们的使命，为人们提供优质饮用水，回用污水以及治理雨水。谨记这些，我们提出了四个主要目标来指导我们的数字化转型：发展新能力为 PUB 创造价值、更高效的运营、更好的工作环境以及更优质的客户服务。设定这四个广泛的目标让我们能够聚焦研发和投资，更详细地规划我们的数字化之旅，更深入地思考如何以创新的方式收集和使用数据。PUB 中一个部门收集的数据对其他部门也同样有用，而将不同的数据组关联起来可能会碰撞出全新的见解，从而全面改善运营。规划旅程这种更高层次的思维方式也让我们能够为转型设定一个总体路线，同时为那些能产生多重效益的创新项目留出投资空间。例如，我们在新加坡的工厂和污水管网部署了传感器来监查非法排污。数据不仅被用于打击违规企业的执法行动中，还会被分享给再生水厂的运营者，让他们有更多的时间来调整水厂运行。作为智能水表计划第一阶段的一部分，我们还将于 2021-2023 年在新加坡各地的住宅、商业建筑和工业场所安装 30 万台智能水表。智能水表将提供近实时的用水量信息，取代每两个月一次的人工抄表。这项尝试也将为我们的用户和 PUB 带来许多不同的裨益。有了这些智能水表，用水者可以通过用户平台跟踪其每天的用水情况，帮助他们增强节水意识，更明智地用水。用户还会收到高用水量或漏水风险的通知，让他们能更及时地修复漏点以减少漏失，节省水费支出。与此同时，我们的工作人员将能按照每日或每小时，以及不同分区来分解数据。通过分析水厂供水量和消费者用水量之间差异，工作人员可以发现何处存在未计量用水，查找漏点并尽早修复。我们还计划利用数字技术鼓励用户改变行为习惯以实现节约用水，优化用水需求管理，提升运营效率。此外，了解需水模式可以帮助我们主动规划系统以更好地服务客户需求。PUB 执行副总裁 Harry Sean 先生此前曾指出：“所有这些数字化项目将使我们的运营更高效，节约成本，减少公众的问题和投诉”。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest吸取教训，通权达变随着我们继续实施数字化项目，PUB 也收集了许多见解和其他宝贵经验。例如，从我们最早的项目中发现，向员工们展示数字化将如何提升他们的工作生活平衡是赢得员工支持的关键。机构推行数字化时往往倾向于关注成本收益，例如生产率的提高。然而，员工们则更关心数字化将如何影响他们的生计和工作环境。由于担心因自动化而失去工作，他们可能会抗拒数字化变革。水务公司需要解决这一问题，显明数字化非但不会威胁他们的就业，反而会促进他们的工作生活平衡。尽早以及定期邀请员工就规划的数字系统提供反馈，水务公司可以展示这些系统将如何帮助他们更有效地工作，甚至可能缩短他们的工作时间。与此同时，员工也可以提出重要的改进建议。虽然许多人可能期望数字系统从推出的那一刻起就是完美的，但事实很少如此。每个系统必须根据使用它的员工们的特定需求进行调整。例如，当 PUB 委托一家公司去设计其集水区和水道运营系统时，该公司会向使用该系统的不同运营组展示各类菜单仪表盘，运营者则提出进一步修改的要求，以期系统能帮助他们更好地开展工作内容。在每个数字化项目中，我们也鼓励从数字化项目中受益的员工与同事分享他们的经验。这种口口相传在改变观念和赢得人心方面所起的作用，要比管理主导的方式更为有效。面向未来展望未来，我们看到数字化的需求在增加。当城市致力满足人们的用水需求，同时实现温室气体减排等其他目标时，他们必须更加灵活，并且要利用新技术。通过数字化以及分析用水模式等数据，水务公司可以实现对水的实时管理，避免过量生产，提高处理工艺的效率，减少电力、化学品等资源的消耗。我们已经在所有这些方面取得进展。展望未来，我们会利用数字化来加快自动化的应用，取代繁重和重复性的任务，让员工能腾出时间从事更高附加值的工作活动，例如去解决问题及开发新创意。我们还利用人工智能来支持运营，通过分析和自动化来缩短决策和行动所需的时间。这些战略将缓解新加坡长期低出生率引发的迫在眉睫的人力资源短缺问题。闭路电视监控系统、传感器及其他监测技术将成为监控水厂的眼睛和耳朵，工作人员无需再做太多的人工检查，可以腾出时间去处理其他任务。我们还将水费账单查误等重复性和低价值的工作自动化，这样员工就可以花更多时间在更高价值的职责上，并专注于优化改善水系统中他们所负责的那些部分。数字化还将拓宽我们应对骤发洪水等问题的供选方案。在 2019 年的一次事件中，暴雨再次在克雷格路（Craig Road）引发山洪。传统的解决方法是拓宽道路上的排水沟或修建排水箱涵，但在分析了暴雨期间收集的数据并进行计算机模型模拟后，我们找到了一个影响小得多的修复方案：架设一座堰。修建堰只花了一天时间。几个月后，当同样强度的降雨倾泻在该地区时，没有发生山洪。通过数字化，我们有了更多的明智供选方案，避免了大量不必要的工作。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest综合性水管理我们的最终目标是建立一个统一高效的水系统(图 2.1)，在这个系统中，所有监测用水、污水收集与处理、饮用水处理生产与输配的流程都将在系统层面进行优化，而不是基于功能或部门局部化考虑。图 2.1 PUB 数字化工作的核心功能和成果(IWMS:智能水管理系统)员工可以利用数字系统实现这个目标。人和数字系统这两者对于实现目标的过程和结果都是必不可少的。虽然数字系统可以解决许多问题，但它们必须由具备合适行业专业知识的人来指导、操作和维护。数字系统不是人类的替代品。Harry Seah 先生强调：“数字化是一个推动力，但是必须由人来做出决策。数字工具将为你提供更多的数据，更具信息量的选项，对系统优化更大的信心，但一切最终还是取决于人。如果我们希望水务公司能在运营上尽其所能做到最好，我们需要人与数字化携手努力。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest第三章 PUB 中的数字化在开启数字化之旅时，我们的目标是通过新技能创造价值，营造更好的工作环境，改善用户服务，实现更高效的运营。为此，我们已在 PUB 各个层面启动项目以实现这些目标。在迄今为止的转型中，我们已经创建了数字管理系统，针对我们的特定需求在市场上定制工具，并开展了研究以设计下一代的水务公司数字产品。在许多这样的努力中，我们受益于产业界和学术界合作伙伴的专业知识。在我们继续推进 PUB 的数字化运营时，我们的努力已经产生了成效，这些成果可能会成为其他水务公司迈向数字化之旅的有用起点。从制定路线图到将付诸行动，我们将介绍 PUB 如何开发、测试和实施数字创新来实现它的四个目标。创造价值PUB 每天管理着复杂的水循环系统，这个系统旨在通过收集每滴雨水、回用所有污水和淡化海水来满足生活、商业和工业的用水需求。在我们不断完善战略和技术的同时，数字化让我们有机会将运营推向更高水平。通过数字化，我们将新流程纳入到既有的例行程序中，这使我们获得了更高的工作效率，找到了更优的资产健康监测新方法，并实现了其他突破。以下项目是我们如何利用数字化在运营中创造价值的一些示例。优化水系统尽管新加坡有本地集水区、进口水、被称为 NEWater 的高级再生水和淡化海水这四个“国家水龙头”，但每天如何分配四个水龙头的供水量来满足国家需求则取决于我们工作人员的决策。这些决策是由诸如需水量预测、气象预报、系统限制、每个水厂的实际处理能力等因素决定的。比如，处理雨水的成本要比海水淡化低，因此如果可能的话会出于经济上的考虑选择提高前者（处理雨水）的供水比例。PUB 的工作人员会全天候监控水的状况，包括天气变化、需水量的意外波动以及水厂故障等其他可能的干扰。他们必须对水厂的生产调度做出必要调整，以确保需求得到满足，水系统得到优化。为了尽可能顺畅地管理这一过程，过去我们的员工每天一上班要花上两个小时来规划如何在尽可能降低成本并满足运营限制的同时实现新加坡当天的用水需求。工作人员会收集 PUB 各部门的运营情况数据，并根据标准操作程序制定当天的计划。随着数字化的发展，这一耗时的过程已被缩短至仅 15 分钟。现在，一个人工智能程序通过分析传感器收集的数据以及 PUB 工作人员手动输入的数据来确定当天的最佳调度方案。该系统能够快速处理新数据，循环假设场景预案，不断优化供水，这也给了工作人员信心去拓展运营边界。例如，我们将配水调蓄池的每日初始水位调低了 5%，在不影响用户供水的情况下减少了水处理和泵送的能耗。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest该数字系统由 PUB 和新加坡政府科技局(GovTech)共同开发，通过优化水库之间的调配以及水厂的生产来满足供水需求，在 2019 年为 PUB 节约了大量资金。它还使工作人员每年用于规划运行方案的时间减少了 64 个工作日。这项应用只是 PUB 如何利用数字化为其运营增加价值的一个例子。PUB 也在使用数字化工具去创造新的价值定位，从更密切、更具预测性地观察每个泵组的健康状况，到更智能的排水管网全系统监测。监测资产健康泵送机组是每个水务公司不可或缺的资产组成部分。它们能使水保持流动，向水中投加药剂，并执行一系列其他功能。PUB 在新加坡拥有超过 2000 个泵组，包括泵站的传输泵、工艺流程泵和前后化学加药泵。自 2018 年以来，我们一直在栗子大道水厂 (Chestnut Avenue Water Works--CAWW)使用 ProaspectSolutions 公司的低成本振动传感器，来测试其监测和预测泵组运行情况的有效性(图 3.1)。传感器定期获取读数，并在超过振动阈值时通过短信向工程师发出警报。之后会对这些事件做进一步分析以预测即将发生的组件故障。此外，这些传感器还可以在启动过程中监测泵组。在启动阶段测量和检查泵组特征可以更早地发现即将出现的启动问题或故障，以便及早采取行动，防止设备故障。为了充分利用这一点，我们正在与一家本地公司开展传感器分析项目，在泵组的启动瞬态和稳定运行状态下获取关键的运行数据。这其中包括开发了一个人工智能系统,对收集到的数据进行分析以发现即将发生故障的迹象以及提前识别特定故障。图 3.1 安装在泵组上用于状态监控的物联网传感器Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest此类故障包括不平衡、不对中、松动、系统共振、滚动元件轴承缺陷，以及感应电机故障，如转子缺陷和静态偏心。经过初始学习期，传感器和分析系统将进入评估模式，开始基于寻找泵组振动行为与设定基线之间的偏差数据，寻找显著且持续的偏差。PUB 和 Proaspect 公司还正在合作开发一个用于分析泵组电流特征的低成本系统。通过研究被捕获的 600 伏以下低压电机相电压和电流信号，我们将会有另外一种方法来发现即将发生的电机和泵机械故障。除了预防故障，预测性维护的传感器分析系统还能改进维护机制，允许根据设备状况对泵组进行维护，而不是按照固定时间间隔或根据累计运行时间进行维护。这将优化我们的维护成本，提高运行可靠性。除了这些项目，我们还一直在试用 ABB 公司的智能传感器来监控水厂低压电机的状况。这些传感器可以测量电机的振动情况、表面温度、磁场和声波信号，并传输相关数据以供分析。运行人员还可以通过手机 app 检查电机状态。为了方便检查，该 app 根据电机状态对电机做了颜色编码，红色表示严重问题，需要立即解决以防稍后发生故障；黄色表示应密切观察电机，并在下一次维修计划中进行维护；绿色表示电机状态良好。此外，将单个电机的能耗水平数据与水厂运行信息相结合，让我们能够通过调整适合的电机来降低能耗成本。与泵组监测一样，该项目也将完善维护机制。随着我们持续利用数字技术来更好地监控资产健康状况，设备的临界状态、更换交付周期和成本等因素仍将是决策过程的关键。通过这些项目，我们可以提前预防故障，而不是被动响应，最大限度地减少运行中断。智慧排水管网在我们致力于减少甚至消除资产设备故障的同时，我们也更广泛地考虑以更加积极主动的方式管理排水系统。自 2009 年以来，我们已经建立了一个由 260 多个水位计和 80 多个流量计组成的水文监测网络，并在全新加坡的水道沿线安装了闭路电视监控系统。我们还可使用国家环境局的降雨计量数据。尽管 PUB 目前使用这些监测设备提前向公众发布洪涝预警以及提醒工作人员更好地预测和管理洪水，但是数据还可以发挥更多作用。将这些不同的数据链条关联起来，我们就可以深入了解排水系统各个部分是如何运行的，从而在战略层面上改善排水规划和维护计划。例如，在规模较小的暴雨期间，如果排水管道和运河的水位异常地高，而这种情况在过去类似强度的暴雨事件中不曾出现，这可能表明下游出现了淤积或堵塞。通过标记这些问题，我们可以开展调查，并借助有针对性的维护措施解决局部的排水问题，以免其在更严重的暴雨中导致内涝。通过分析水道的水位变化趋势，并将这些信息与降雨强度相关联，我们还可以确定哪些管道尺寸过小，可能需要扩充排水能力或采取其他措施来预防溢流。相应地，也可以了解管道和河道在不同区段的排水能力。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest这些深入见解正是 PUB 期望通过智慧排水管网系统(图 3.2)获得的。智慧排水管网系统是一个数据分析系统，它将传感器网络生成的所有数据整合到一个数据库中，并进行近实时的更新。为了确保不在分析中使用错误数据，系统会自动过滤并标记这样的问题数据点供后续检查。图 3.2 智慧排水管网系统视图系统于 2019 年 6 月建成，目前已投入使用，并在根据用户反馈不断优化。PUB 工作人员一直使用该系统开展降雨事件分析(图 3.3)，侦测排水系统的异常情况，以便在需要之处开展针对性维护，以及通过时序性能分析来为战略性排水规划提供洞见。除了上述例子，PUB 还尝试利用该系统，通过分析流量-水位关系来跟踪分析排水管道的表面粗糙度，以及利用该系统跟踪新加坡集水区城市化率的变化。图 3.3 智能排水管网系统中降雨事件分析示例长远来看，我们可以用这些分析中得出的见解来更新《地表水排水系统实践准则》中的排水规划参数和规范。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest检测有毒污染物雨水管网收集雨水，而单独的污水管道则会收集污水进行处理和回用。PUB 也在对污水管网开展数字化，以侦测意外或非法排放的污染物，这些污染物会损害再生水厂的生物处理过程和新生水的生产。我们已要求高风险工厂在其末端监测点安装 pH 值和挥发性有机化合物监测装置，以确保其符合新加坡的污水排放标准。这些监测装置可以防止含强酸碱性化学物质和违禁挥发性有机化合物的非法排放。为了进一步保护污水处理系统，我们与新加坡国立大学合作开发了一种微生物电化学传感器(MES)并进行了试用。该传感器的工作原理是生物电化学。污水中高浓度的有毒重金属和氰化物会使MES 系统的电压下降，并引发警报发给指定人员。安装这些传感器将防止工厂将含有氰化物和重金属(如铜、镍和锌)的工业废水非法排入市政污水处理系统。它们会在出现意外或非法排放这些污染物时提供预警，以便我们迅速应对，采取必要的执法行动。2018 年，新加坡国立大学成立了一家名为 EnvironSens 的衍生公司，将这项技术商业化。我们正在支持 EnvironSens 对 100 套升级的 MES 系统开展更大规模的应用示范。之前项目中的知识经验被整合到重新设计的系统中，在国家研究基金会的部分资助下维护机制也进行了优化以降低技术成本。截至 2020 年 3 月，已在相关工厂站点共安装了 66 套 MES 系统(图 3.4)。图 3.4 在一工厂站点安装 MES 系统 (来源:EnvironSens Pte Ltd)与此同时，EnvironSens 正在开发物联网平台来传输和整理来自 100 个 MES 单元的实时数据，数据将通过网页版数据仪表版来展示。运营人员可以通过网页版数据仪表版中的地图了解已安装 MES 单元的状态，以及查看这些 MES系统各自的维护记录、警报触发记录等信息。当设备单元中的警报被触发时，MES 系统还将通过短信和邮件通知运营人员。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest创新的 MES 系统也可以让新加坡外的水务公司受益。该实时在线传感器是首个该类产品，可能会在全球范围找到巨大市场，包括中国、印度、美国、越南、澳大利亚等国家。通过上述四个项目，以及其他正在开展或已规划的项目，我们正在转变我们对供水、排水、污水和其他系统的管理方式。这些数字化方面的进步将帮助我们做好准备，去更好地迎接新挑战，为未来奠定良好的基础。高效运营除了创造新的价值主张，PUB 还通过其他方式利用数字化来提升现有运营的效率。传感器、数据分析和预测工具的应用彻底改变了我们对滨海集水区（Marina Catchment）排水管网和滨海拦河坝（Marina Barrage）这两个新加坡重要水基础设施的管理。我们还在测试一套预测控制系统来更好地管理污水处理工艺中的关键部分以及水厂的数字孪生系统。数字孪生系统让工程师能够在实际实施之前探究各种操作会对水厂运行产生何种影响。下面将对这些项目及其带来的益处进行概述。计算方法的突破滨海集水区是新加坡最大的集水区，占地 1 万公顷，覆盖了新加坡城市化程度最高的地区。由明渠和封闭排水管组成的排水系统流至滨海水库。一同汇入滨海水库还有五大主要支流，即新加坡河、罗乔运河、斯坦福德运河、葛兰河、加兰河（包括黄埔河和派尔顿运河）。自 2015 年起，PUB 开始与苏伊士环境（SUEZ Environment）合作，依靠他们的综合经验建设了一套复杂精细的系统，即现在的集水区和水道运营系统 (Catchment and Waterways OperationsSystem--CWOS)。CWOS 实现了三大功能：优化滨海拦河坝的运行，最大程度增加原水储备，同时将城市低洼地区的洪涝风险降至最低；监测集水区上游水位；监测和预测集水区水库和水道的水质。CWOS 每天从各种来源(如雨量计和水位传感器)收集超过 35 万条数据作为其运营数据仪表板页面和分析预测模型的输入。为了提高准确性，CWOS 会通过一种算法来识别并筛除疑似错误的异常数据点。PUB-SUEZ 团队为 CWOS 的三个主要用户组设置了单独的数据仪表板页面。具体来说，这三个用户组分别是负责排水运行、水质管理与建模、滨海拦河坝运行的工作人员。。在暴雨期间，排水页面会提醒使用者注意高水位或高降雨量地区，以便他们能够制定最佳的人员分配和车辆响应方案来应对此类天气事件。CWOS 自 2017 年投入使用以来为超过 170 场风暴提供了可执行的建议，这些风暴的雨量在滨海集水区的累积高度超过 2 毫米。滨海拦河坝运行页面用集水区的当前状况和预测状况为运行人员提供泵和闸门开启运行数量的建议，这些建议均考虑了操作范围、延迟或连续性等限制条件。系统的好处已经在 150 多个应用场景下得到了验证。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest水质管理与建模页面有三个综合水质模型，能自动提供水质预测。当水质传感器数据超过预设的正常范围时会发出警报，以便水质工程师能够快速诊断和解决问题。除了这些数据仪表板页面， CWOS 的使用者还可访问数据浏览模块，对时间序列数据做更详细的分析，生成报告和导出数据。CWOS 能够自动生成和发送各类报告，如每日水质报告、滨海拦河坝事后报告等，进一步降低了员工的工作量。自动报告甚至可以为各水库客制，每天或在降雨事件后发送给特定的收件人。有了这一功能，水库管理工程师不再需要每天花一个小时登录系统来提取水质数据，确定趋势，为执行缓解行动准备报告。随着滨海集水区成功推出 CWOS 系统，我们还在开发一个能提供所有水库运行情况整体概览的综合数据仪表板页面，同时也为每个水库设置单独仪表板页面。此外，PUB 还升级了水质管理与建模的数据仪表板页面，以便该系统能够识别水质问题，在全岛范围内进行溯源追踪，协助水库间的输水调度。曝气控制的进步随着新加坡的用水需求将在未来几十年持续增长，寻找更加经济适用的污水处理方案也很关键。我们正在综合验证厂（Integrated Validation Plant--IVP ）对一套高级监测与预测控制系统开展中试(图 3.5)，建设综合验证厂是为了帮助 PUB 评估在再生水厂以及 PUB 的其他设施中部署创新技术的可行性。高级监测与预测控制系统让我们能够更好地执行污水处理过程中一个至关重要的步骤：通过曝气去除水中的氨氮。图 3.5 Aquasuite 高级监控与预测控制系统该曝气控制系统拥有自学习算法，每 15 分钟对进水氨氮负荷做一次研究分析。通过收集到的数据，它可以建立和每天更新氨氮负荷模式，并提前 48 小时生成负荷预测。这些预测被输入到第二个算法中，该算法将确定再生水厂每个反应池所需的相应曝气量。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest为了确保更高的精度，预测算法将筛除疑似错误的进水氨氮传感器读数，以免其误导预测。通过软传感，系统会用历史运行数据代替这些可疑读数，并补充了 PUB 员工手动输入的出水氨氮浓度数据进行重新自校准。中试显示该系统的预测精度为 88%，和目前控制器根据溶解氧传感器和氨氮传感器数据来确定曝气量的方法相比，该系统可令曝气量降低 15%。作为污水处理工艺曝气部分的高效自动化解决方案，该系统还有助于解决未来可用熟练运营人员数量可能缩减的问题。数字孪生如果说预测系统让我们得以一瞥未来的优化系统，模拟则为运行人员针对各种目的开展的假设场景试验提供了安全空间。PUB 与日本工程与软件公司横河（Yokogawa）合作，设计了一种具有三大功能的集成系统，目前正在下实里达水厂(Lower Seletar Water Works--LSWW)进行测试。运行人员培训模拟器(Operator Training Simulator--OTS)支持自学习，使受训人员能够针对各种故障场景(如水质偏差、水厂设备故障)，根据逐步说明指南来熟悉水厂的工艺流程和操作。OTS 的核心是具有严谨模型的工艺流程动态模拟器，可针对水厂范围内的大型工艺，进行快速仿真模拟。OTS 还允许培训导师通过讲师平台来引导、监督和评估学员的表现。另外两个功能是逻辑检查平台(Logic Check-out Platform--LCP)和镜像水厂系统(Mirror Plant System--MPS)，它们让运维工程师能够先对流程和处理工艺调整方案进行研究、修改、测试和验证，之后再实际应用于水厂。目前，我们的工程师需要人工计算工艺配置变化的影响，由于水处理工艺的复杂性，可能会无意中遗漏紧密关联子系统之间的相互作用。LCP 提供了更全面、时变、精确的工艺调整结果模拟。有了它，我们的工程师可以更好地评估针对维护或运行需求提出的调整建议，并对网络安全攻击的潜在后果作出迅速反应。水厂的控制系统和结构布局需要在整个生命周期中不断更新，以适应全新的设备、改进的控制算法、更好的用户界面、增强的安全逻辑以及其他方面的进步，LCP 将有助于确保这些升级改造在不干扰水厂运行的情况下进行。另一方面，MPS 演示了水处理条件变化的结果。水处理效果取决于原水水质、处理所使用的化学品等因素。目前，可编译的逻辑控制器会根据原水水质调整处理工艺，但这是一种被动响应方式。MPS 是与实际水厂同步运行的数字孪生平台，它可以让水厂运营人员变得更加积极主动。MPS 从水厂本地历史记录服务器上收集近实时的数据，并模拟处理过程。MPS 拥有水厂及其运行的详细信息，包括设备规格、流量等，运行人员可以利用它先准确了解各种操作将如何影响水厂的水处理效果，之后采用最优运行方案。例如，处理工艺中有需要对原水加药的环节，水厂运行人员不仅需要决定使用多少化学品，还需要决定何时投加。通过在 MPS 上运行假设方案，运营人员能够确定最佳的投加量和投加时间。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest通过提供各水处理工艺和方案场景的数字副本，该集成系统可以加强运营人员的运维技能。就像其他特色项目所展示的，数字化将帮助我们的运营变得更安全、更高效。改善工作环境传感器、机器人、无人机等技术正变得越来越先进，它们可以帮助水务公司的运营者执行重复性和劳动密集型的任务，或在对员工来说过于危险的环境中工作。多年来，我们发展机器和系统来减轻我们的工作量，为员工配备更好的工具，保障他们的安全，提升他们的技能。这些投资不仅创造了更好的工作环境和更快乐的员工队伍，也让 PUB 为未来新加坡低出生率和经济增长可能引发的人力资源短缺做好了准备。我们将通过以下项目介绍我们在改善工作环境方面的努力，包括用于隧道检查的智能无人机(UAV)、用于跟踪备件的射频识别系统(RFID)。这些都展示了数字化为水务公司带来的诸多可能。无人巡检2008 年，PUB 完成了深隧污水系统(DTSS)第一期工程，这是一条用于污水管理的地下高速公路。DTSS 第二期工程正在建设中，到 2025 年完工时，两期工程将形成一个通向两条主隧道、纵横交错地分布于新加坡的污水干管系统，将污水输送到三个集中式再生水厂。第一期工程中修建了一条 48 公里长的污水深隧，利用重力将污水从新加坡西北部的克兰芝（Kranji）输送到东部的樟宜。位于隧道终点的樟宜再生水厂(CWRP)日处理规模为 90 万立方米。为确保 DTSS 持续为樟宜再生水厂输送污水，需要定期检查隧道的防腐保护内衬，其由高密度聚乙烯内衬和现浇混凝土内衬组成。由于隧道位于地下深处且在输送污水，隧道内存在有害气体，派人进入检查存在危险性。同时，也无法关闭或隔离封锁隧道，即使是很短的时间。为了解决这个难题，我们与无人机开发商天狮技术公司（AeroLion Technologies）合作，设计并生产了一款无人机，可以在隧道中水面上方飞行，代替工作人员开展检查。虽然市面上有很多无人机，但由于隧道长，空间狭小且完全黑暗，隧道出入口位于偏远地区，隧道中无法接受 GPS 定位信号，我们需要一款具有客制化功能的无人机。在无人机项目的第一阶段，团队定制了搭载有导航摄像机、全向检测摄像机、测距仪、加速度计、陀螺仪、气压计、磁力仪和甲烷气体探测器等机载传感器的无人机平台 (图 3.6)。此外，它还配备了 LED 照明灯，可以在漆黑的隧道环境中为摄像机提供照明。除了硬件，团队也设计了基于导航摄像机感应的实时三维导航算法，将其程序载入无人机的机载微型计算机中。同时，他们还发明了一种起飞和回收机制，以便无人机可以从垂直竖井的底部安全地起飞和回收。该机制也可作为无人机与外部地面控制站之间的通信中继，解决非视距无线传输(non-line-of-sight,NLOS)问题。无人机已经成功通过竖井飞至 DTSS 主隧道开展任务。团队目前正在完善无人机的定位精度，以及提高数据收集的种类和质量，这将包括增加更多的气体传感器和激光雷达传感器。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest图 3.6 DTSS 巡检无人机的设计方案此外，我们还在计划开展更高级的图像和数据分析，使其可以自动生成并可视化无人机的巡检结果，通过改进让这项技术变得更加功能强大、高效、便于使用。当完成时，先进的无人机将成为PUB 维护工具箱的关键组成，让我们能够实现隧道的无人巡检。自动化检测除了代替人类在潜在的危险环境中工作，机器人和其他数字化工具还可以缩短水务公司运营者在重复性和人工任务上花费的时间。为了满足新加坡日益增长的用水需求，我们必须未雨绸缪，扩大供水基础设施和管网。这反过来意味着将需要检测更多的水样。为了应对更高的工作量，我们引入了制造执行系统，将各种检测流程整合起来，并使之从数据收集、样品制备，到实际检测、结果报告实现自动化 (图 3.7)。以前，PUB 工作人员必须人工准备样品，并在 5 个不同的仪器上检测 6 个参数。现在，制造执行系统从现有的实验室信息管理系统(LIMS)接收对每个样品进行何种检测的指令，执行操作，并将检测结果发回 LIMS。这一改变让员工有更多时间专注于其他工作。制造执行系统还消除了人为失误，并允许全天候开展检测，大大提高了生产效率。也可以通过系统软件更方便地追踪检测结果。此外，制造执行系统的设计和构建允许潜在的修改和扩展。比如可以补充新增一个在线分析模块，将分析速度提高一倍。更多的参数也可以添加到系统，使其检测能力最大化。建立这个系统让我们能用更少的成本处理更多的检测，并从长远上确保检测结果是可靠、准确、可追溯的。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest图 3.7 TPUB 水样分析系统(来源: Labman Automation Ltd)。追踪备件另外一项类似的努力--自动化计数和跟踪备件也非常成功。保持不同类型维护工作所需的备件储备充足是 PUB 至关重要的任务，但是过去我们在这上面耗费了过多的时间。工作人员必须人工记录每个备件的特征细节，以及其从到货到报废期间的行踪情况。他们还需要留出大量时间进行月度库存盘点。人工管理备件非常繁杂，占用了本可以更好地用于其他任务的时间。无线射频识别（RFID）等数字化技术能够更高效地执行任务(图 3.8)。PUB 在有超过 3 万个备件储备的蔡厝港水厂（Choa Chu Kang Waterworks-CCKWW)测试了 RFID 系统。备件被单个标记或按批次标记。大型部件如电机和泵会配置单独的 RFID 标签。批次物品如螺母和螺栓保存在托盘中，每个托盘贴有 RFID 标签。作为系统的一部分，还安装了射频识别机架、壁挂式天线和垫式天线。图 3.8 使用 RFID 系统检查库存试点项目还涉及定制具有在线表格和特定模块（包括用于备件登记和回收的模块）的网页版程序。管理员可以在线批准这些备件相关的申请，随时了解库存整体情况，并在库存低于预设水平时得到通知。这些功能优化了库存管理。RFID 系统还会让库存盘点过程更高效。有了该系统，我们的员工在这项工作上所需时间缩短了92%。这包括花在传输数据上的时间，不仅流程更快了，也防止了出错。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguestRFID 系统除了精简备件管理、提高流程效率之外，还有其他好处。安装了 RFID 机架后可以监测到仓库中的未授权提货行为，并向工作人员发出警报。蔡厝港水厂的中试项目验证了 RFID 系统的效用，我们已将该技术整合到涉及更多资产范围的资产管理系统中。健康与安全第一可穿戴智能设备的相关技术日渐成熟，它们也可能颠覆水务公司运营的其他方面，让员工工作更轻松、更安全。当在水厂或其他设施现场工作时，PUB 员工会采用同事结伴机制(buddy system)来确保安全。然而，这种安排并不是对员工时间的有效利用。PUB 正在测试可穿戴安全追踪器，它将取代结伴机制但不会降低安全性(图 3.9)。这些设备可以通过 GPS 和地理围栏实时跟踪员工在室内和室外的位置，并且它配有遇险按钮，员工可在紧急情况时按下提醒水厂控制中心提供立即救援 (图 3.10)。图 3.9 可穿戴安全追踪器利用这种位置跟踪功能，虚拟地理围栏还可以应用于水厂的不同区域，以发现建筑物和工艺区域内未授权的徘徊逗留。每个跟踪器也可以成为通行权限卡，授予或限制员工进入设有围栏或受安全保护的区域，例如如配电室、工艺单元的反应池。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest图 3.10 地理围栏闯入者警报系统乌鲁班丹再生水厂的中试项目展示了追踪器的有效性，但也突显了应用上的潜在障碍，例如供室内使用的低成本无线解决方案尚处于起步阶段。目前，PUB 正在开展更大规模的测试，在乌鲁班丹再生水厂和栗子大道水厂为员工和承包商配备了超过 150 台追踪器。通过这次测试，我们将评估各种低功耗无线通信模式，并进一步研究应用跟踪器的流程管理和后勤管理，以期在所有水厂全面推广使用。增强现实PUB 还开发了基于微软 HoloLens 运行的增强现实应用程序，推进维护流程数字化。员工进行故障排除、日常例行维护或维修工作时，通常会携带某种形式的记录文件，如打印的手册或手机上的图片供现场参考。查找相关信息可能耗时繁琐，尤其是他们在完成手中任务期间必须逐页翻阅资料。使用增强现实头盔，工作人员可以在现场轻松访问和查看设备的技术文件和规格参数。他们可以与远程的同事和专家共享其视场，而远程人员反过来也可以在现场工作人员的视场中投影技术文档、图像，甚至可以绘图。该应用程序还可以用三维模型来动画演示维护过程，指导新手或缺乏经验的员工安全正确地执行维护工作(图 3.11)。此功能对开展员工培训和技能更新有着非常宝贵的价值。旧设备和老水厂的文件和图纸必须从原始纸张形式的资料开始数字化，而新一代的设备和水厂（拥有更好的数字化数据基础）则不大需要采用这种方式。此外，随着增强现实头盔和眼镜通过硬件升级获得了更强大的处理能力，它们将能够支持更复杂的可视化应用程序。图 3.11 利用增强现实支持现场维护工作这些特色项目的多样性表明水务公司可以通过多种方式实施数字化，提升员工在工作中履行职责的能力。数字化不仅不会对他们的生计构成威胁，反而能帮助公司照顾员工的福祉，帮助他们更快、更有效地履行职责，赋能他们更好地达成工作生活平衡。提升用户服务水务公司的终极目标是服务用户。为了更好地履行其使命，PUB 还启动了数字化项目来改善用户服务，征集更多的用户反馈，并为用户提供更多的实时数据以帮助他们削减用水量。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest下面我们将介绍其中的一些创新，包括广泛安装智能水表和部署机器人巡检关键设备和水库。智能水表创造更智慧的系统2021-2023 年，在智能水表项目一期工程中，我们在新旧小区、商业建筑和工业区中安装了 30 万台智能水表。这些智能水表将传输接近实时的用水数据，而目前机械水表只能每两个月由人工进行一次抄表。有了这些近实时数据，我们将能更快地识别和修复漏点，通过匹配供需优化产水和管网管理。用户也将从中受益。他们将能通过用户端应用跟踪其每日用水情况，提高用水效率。用户还会收到高用水量或漏水风险的通知，以便能及时采取行动修复漏点。PUB 还可以向用户展示他们与其他类似规模家庭的用水情况对比。研究发现，自我比较和同侪比较都能显著减少用水。PUB 将设计一些方式，例如通过用户端应用来推送这样的数据供用户做对比。除了提供比较，我们还将游戏化视为鼓励节水的一种潜在方式。把节约用水变成一种游戏，完成特定目标获得虚拟积分，这可能会激励更多人去高效用水。与传统的节水推广活动相比，这种游戏化工具更能吸引青少年和儿童。从小就养成节水习惯的人更有可能在他们的一生中践行这些习惯。PUB 已经分别在 2016 年和 2018 年开展的两项智能水表试点中验证了其中的许多举措。800 户参与调查家庭的报告显示，由于更早发现漏失及养成了良好的节水习惯，这些家庭平均节约用水5%。用机器人保障安全除水务运营外，我们也负责维护公共水库及主要设施的安全。PUB 的水库是新加坡人和游客经常光顾的地方，那里可以欣赏水库的美景，还可以举办水上运动、钓鱼等活动。为保障水库水质及确保访客安全，我们的工作人员会定期到水库巡逻和监查。在关键设施上，PUB 将其安全需求外包给了一家专业安保公司，由该公司提供人力和监控技术（如闭路电视监控系统）在综合运营中心进行管理。由于安保部门在招聘和留住员工上面临着越来越大的挑战，这种安排已经变得愈发难以维持。此外，培训受雇安保人员达到所需标准的成本也在逐年增加。这意味着现有的人力密集型安全管理模式从长远来看可能是不可持续的。数字化技术，特别是用于巡逻和监查的智能安全机器人，可能是这个问题的长期解决方案。我们正在与安全供应商合作开发机器人，以补充和增强当前的巡检操作。目前正在开发的机器人之一是 O-R3，这是一种具有视频和音频功能的自主移动机器人。与人类安保不同，O-R3 能够在区域内持续巡逻，但不会产生身体或精神疲劳。它可以自主移动，避开静止和移动的障碍物，具有各种安全工作功能，包括用于视频直播和实时数据采集的 360 度摄像系统，以及用于检测异常情况的视频分析仪。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguestPUB 已经成功地在两个不同的环境中测试了 O-R3，一个是在对公众开放的勿洛水库（BedokReservoir），另一个是在作为限制区的下实里达水厂（Lower Seletar Waterworks--LSWW)。勿洛水库有很多游客，包括儿童、慢跑和骑自行车的人；而下实里达水厂人流量很小，主要是 PUB 的工作人员和承包商。两个独立试验测试了 O-R3 在两个非常不同环境中的能力，这两个环境都有各自的挑战和问题。在勿洛水库，对 O-R3 的测试围绕加强 PUB 的水库监查工作，防止市民靠近水库边缘进行非法的水库活动(图 3.12)。O-R3 在勿洛水库巡逻时受到公众接纳，有很多人给机器人拍照、录像，有时甚至同它合影。图 3.12 O-R3 机器人在勿洛水库执行任务由于最近爆发了 COVID-19 新冠疫情，新加坡已经实施了安全距离措施，减少公共和私人场所的活动和互动，最大限度减少病毒传播。针对公众反馈在勿洛水库和班丹水库存在不遵守安全距离规定的行为，我们认为可以安排 O-R3 作为”安全距离大使”。由该机器人在水库周边巡逻，用四种语言广播信息，提醒游客不要在水库公园内聚集或闲逛，遵守安全距离要求。部署这些机器人监查技术的最终目标是非现场监控，这在当今看似遥不可及，但在未来将可能成为现实。洪涝风险自动预警作为综合排水管理及控制系统的一部分，我们已经在主要河道和排水管道安装了超过 200 个传感器来追踪水位。数字化改善了运营，同时我们也利用传感器，通过短信或 PUB 的应用程序MyWaters 向公众提供洪涝风险预警服务。人们可以最多订阅三个传感器的预警信息。当水位超过指定水道深度的 50%、75%、90%、100%以及低于相应警戒水位时，他们将收到通知。该自动化系统让订阅用户可以提前得到预警，尽早针对可能出现的骤发洪水采取预防措施。这样的风险预警充分展示了水务公司可以如何应用数字化来提升用户服务。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest正如本章介绍的各个项目所表明的，水务公司在数字化方面有许多选择，它们将使水务公司在用户服务、生产效率等诸多方面获益。结合数字化将使水务公司的运营更加智慧，是明智的选择。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest第四章 数字化框架每个数字化项目都让 PUB 收获了宝贵的经验。这些经验可以应用在我们未来的工作中，并帮助其他水务公司实现数字化发展。我们迄今的经历突显了很多关键考虑因素和原则的重要性，特别是应该把这些考量和原则作为支撑数字化之旅的根基。为了实现运营数字化，水务公司必须拥有收集数据的技术、传输和共享数据的基础设施，以及对数据进行分析并将其转化为可行见解的分析方法(图 4.1)。图 4.1 数字化过程每个数字化项目都是不同的，至关重要的是每次都选择正确的工具组合。为了长期使用，硬件和软件的设计也应该考虑到连续性，这样水务公司就不会被任何特定的协议或供应商约束限制。PUB 已经将这些以及其他基本原则作为其数字化框架的一部分，用于项目制定和执行。下面的章节将详细介绍这个框架，它可能对其他水务公司也有用。构建适合的无线设施适当、稳健、安全的无线通信网络是数字化最重要的组成部分之一。如果没有可靠安全的数据传输方式，由传感器、无人机、机器人等技术收集的所有信息都无法得到分析和应用。如今市场上有很多通信网络可以满足不同的用途和应用，如 4G、Wi-Fi、LoRa、SigFox 等。水务公司在决定使用哪种网络时，应该考虑所需的网络覆盖范围和传输速率、传输数据大小、网络的功耗和延迟等因素。安全应该是一个关键问题。我们的系统须遵循数据分类框架和严格的政府网络安全政策，特别是对于关键信息基础设施(Critical Information Infrastructure --CII)中的系统。因此，我们仅采用那些符合强制安全标准的无线基础设施。在迄今的数字化项目中，我们针对不同的应用需求使用了不同的网络。我们使用窄带物联网(NBIoT)网络进行户外定位，使用蓝牙信标和低能耗蓝牙 (BLE)网关进行室内定位。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest在位于乌鲁班丹再生水厂的综合验证厂（IVP），我们建立了用于资产状况监控的 BLE 网络，因为它成本低，易于部署，并且能够实时监测资产以开展预测性和预防性维护。我们也建立了 LoRa 网络，用来支持利用智能手表对员工和承建商进行位置跟踪。LoRa 网络成本较低，可基于信号强度提供粗略定位。PUB 还安装了一个无线过程和环境传感网络，用来监测污水管网中的管道腐蚀、硫化氢气体、水位和流量。它通过射频网格路由功能提供可靠的通信，并克服了水厂环境中基础设施密集造成的干扰问题。在一些情况下，我们会转向混合型解决方案。网络可能无法在污水处理厂内实现全覆盖，特别是在一些室内区域和地下楼层。这些地方可能成为死角，让其中的设备无法传输数据。PUB 克服这个难题的一个例子是，我们在室外定位中使用 NB-IoT，在室内定位中使用了基于 BLE的解决方案，将两者集成到同一个用于人员定位的可穿戴追踪器中，此外我们还增加了中继器和网关数量。我们也展望未来，去预测我们在无线通信方面的需求和机会。从 2020 年起，我们在水厂搭建了Wi-Fi 网络，做好准备迎接可能到来的物联网应用，例如智能可穿戴设备、用于资产管理的设备传感器和机器人监测。我们还在识别对带宽要求较高的应用场景，如虚拟现实和三维增强现实应用程序、水库无人机监控作业、实时视频流分析等，预计自 2020 年在新加坡推广的 5G 网络可能会使这些应用受益。收集数据随着近年来的科技进步，现在水务公司在数据收集设备上有了太多的选择。PUB 已经试用、测试和应用了其中的很多设备，还有更多的正在测试中，包括上一章提到的用于监测和预测泵组状态的振动传感器。PUB 建立了名为 WaterWiSe 的智能水网系统。该近实时系统于 2013 年开发和应用。目前，新加坡全岛共有 346 个传感器站点实时跟踪供水管网的压力和水质，包括 pH 值、电导率、浊度等指标。到 2020 年底，我们将安装另外 130 个传感器，覆盖范围扩大至 NEWater 和工业水管网。通过实时监测管网压力，传感器消除了安装临时压力记录仪这样的劳动密集型工作，对潜在漏损等问题采取先发制人的预防措施，还能通过侦测压力瞬变来识别爆管事件。到 2025 年，我们将把传感器数据与即将建成的智能水表系统的数据整合起来，创建虚拟 DMA，以便更好地开展检漏。这也有助于管网事件的动态预测。我们也在研究其他类型的数据收集设备。目前，我们派员工乘小型巡逻船进行水库巡检。这是劳动密集型的，且只能够覆盖有限的空间范围。此外，水库的水质监测是通过固定剖面仪监测和人工采集水样进行实验室检测来进行的，但这两种方法都只能提供采样点的水质信息。而另一方面，无人机可以用来执行空中监查任务。它们能快速监查大型水体，分析图像，标记藻华等异常现象。它们还可以飞行扫掠管线，发现漏点，检查下水道等狭小空间。无人机配备了摄Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest像头来捕捉非法活动、高光谱摄像机来监测水质以及热感摄像机来识别漏点，因此可以在更大范围内更高效地开展监控。除了传感器和无人机，机器人也可以收集数据。除了上一章介绍的巡检机器人外，我们还会使用遥控潜水器进行水下检查，以及使用机器人检查修复大管径污水管道。打破孤岛然而，收集数据只是第一步。与其他复杂的组织一样，水务公司各部门可能仅仅收集了数据供自己部门使用，没有将数据与其他部门共享。打破这样的信息孤岛是至关重要的，因为一个部门收集的数据可能对其他部门也是有用的，整合所有数据可能创造新的关联以及实用的想法。PUB 正在进行的智能水管理系统(IWMS)升级工程就是一个很好的例子。目前，该系统集成了关键运营系统的一些数据，主要用于基本运营监测和报告。改进后的 IWMS 将整合运营和非运营系统，分析来自整个水循环的数据，以增强我们的服务和工程运营。联合运营中心(Joint Operations Centre--JOC)是所有实时的和响应式的关键运营决策的神经中枢，而 IWMS 将成为 JOC 的基础支撑系统。IWMS 还将拥有新功能，展示整合数据所能带来的可能性。例如，IWMS 的新事件汇报功能将取代现有的工作人员邮件报告。它将允许员工通过移动设备报告事件和后续更新。我们的工作人员将能够在现场处理事件期间上传定位、添加附件和拍照。我们也设有自动审批工作流程来简化事件报告提交程序。有了这项新功能，我们的工作人员将能够从首次报告、事件发展到结束的全过程中高效跟踪事件。在该功能模块中捕获的信息也将自动用于行动后审查平台（After Action Review Portal）的分析和回顾。在每次事件中，与该事件管理相关的所有信息都将被整合并呈现在一个单独的运营数据仪表板中，方便主管人员、JOC 和我们的高级管理层使用。在现场处理事件的工作人员可以通过移动设备把实时状态更新共享至页面。例如，如果饮用水供应中断，相关管道压力传感器数据、指示性的漏点位置、受影响用户数量、PUB 在现场的资源、响应团队的实时更新等信息将被显示在运营数据仪表板中。与此同时，用户响应功能会根据事件的性质、工作人员的专业知识和所在位置自动为事件分配资源。JOC 将不再需要人工调度资源，提高了任务效率。联系用户的 PUB 工作人员可以通过移动设备获得用户基本信息、支援资源的位置及到达时间、附近的类似案例、调查清单等丰富信息。这将能让他们更好地为受影响的用户服务。在事件发生后，行动后审查平台将启用行动审核，记录调查结果，跟踪未处理事项并提醒相关部门做后续跟进。它也将有助于进一步的分析，例如深入了解特定类型事件的发生频率。补充数据PUB 努力集中数据并最大程度地利用数据，同时我们也用软传感器对数据进行补充以弥补仪表误差的影响。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest例如，在污水处理中工艺自动化高度依赖于仪表读数。仪表读数中的错误可能导致处理工艺出现问题，让污水厂出水水质变差。虽然设备维护有助于防止错误，但让仪器保持崭新状况却是说起来容易做起来难。污水中的脏污和微生物会堵塞和污染仪器。污水中产生的硫化氢气体还会腐蚀电子设备。软传感器将有助于弥补仪器读数错误的影响。不同于物理传感器，软传感器是使用历史数据、易于测量的变量或两者的组合来估算处理工艺参数指标的推理软件模型。以流量为例，软传感器可以根据运行泵的数量、泵的转速和它们的能耗推算出流量。它还可以通过分析进水 MLSS（混合液悬浮固体）、进水流量和分配情况、进水氨氮浓度、阀位（阀门开度状况）、气压等数据来估算溶解氧浓度。配置软传感器将在很多方面帮助水务公司。如果一个仪表出现故障，它的读数可以用软传感器的估算值来替代。当软传感器估算值与仪表读数之间的差异越来越大时，系统会提醒运行人员注意仪表设备或相关处理工艺存在问题，需要解决。在樟宜再生水厂的一项试验中，我们对溶解氧软传感器和物理传感器的精度做了对比测试。在对物理传感器进行维护前，软传感器的估算更为准确；在维护后，两者的读数相似。软传感器唯一的局限是它们的精度会在一段时间后下降，因为它们最终依赖于物理传感器，而像前面所解释的，物理传感器很难保持崭新精确的状态。即使软传感器利用历史数据，如果物理传感器长期提供错误读数，软传感器的准确性将不可避免地下降。因此，软传感器最适合用于故障检测，以及短期内作为替换数据的来源。基于这些优点，我们将于 2020 底在樟宜再生水厂和位于乌鲁班丹再生水厂的综合验证厂应用软传感器系统。如果在这两个试点获得成功，我们将最终在新加坡所有的再生水厂应用该软传感器系统。解析数据收集和验证数据后需要对其进行分析，将其转化为行动决策依据的有用见解。这就是为什么水务公司也必须对能够优化工艺和系统的技术进行投资，如视频分析、机器学习和数字孪生技术。为了让 PUB 自来水厂和再生水厂的安全工作实现数字化，我们正在调试一个能对摄像机拍摄的录像进行视频分析的系统。该智能系统将具有强大的人脸识别能力，能于 10 秒内在每帧画面中识别5 人以上。有了这些功能，该系统将能够标记未授权进入某区域或建筑物的情况，或侦测测限制区域内的徘徊逗留。一旦识别到禁区内的移动，系统可以指示摄像机聚焦于移动源（无论是人或车辆），并对其进行追踪直至其消失于视线之外。这些摄像机实况录像将被分组，并显示在摄像监控工作站，以引起安全注意。工作人员还可以使用搜索功能来筛选所有包含特定属性的录像片段，如移动的车辆或特定的面孔。然后，他们可以按照时间顺序播放筛选出的视频，并通过不同的摄像机视角跟踪人或车辆的移动，或以缩略图形式显示筛选出的视频。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest通过识别未穿戴安全帽或安全服的人员，该系统还可以用于执行设施内的安全规则。PUB 会规定各类安全装备的颜色，以方便开展此类检查。未来，我们可能还会拓展该系统的功能，使它能够探测管道和太阳能板损坏，观察施工进度，通过热成像定位漏点，以及负责其他工作任务。虽然这个搭载视频分析功能的安全系统还在开发中，但图像分析技术已经在其他运营业务中得到了使用。我们的淤泥成像检测系统利用图像分析让闭路电视摄像机（CCTV）变为了传感器。CCTV 摄像头位于与公共排水管相连的建筑工地排口，分析软件会提醒工作人员现场排放颜色的变化。这一数字化升级每年为我们的承包商节省了超过 10 万个工时，为 PUB 节约了超过 50 万美元。它也增强了对不合规事件的查处。PUB 的鱼类活动监测系统(FAMS)也依赖于图像分析技术。我们将鱼类作为监控水厂和配水调蓄水库水质的手段，以确保饮用水供应安全。FAMS 分析鱼的运动，在发现鱼类出现疾病或异常迹象时向运营人员发出警报，这些迹象可能表明水质出现了变化。预测的力量借助数据分析和机器学习，水务公司还可以根据所拥有的数据开展预测，在运营中采取更加积极主动的态度。虽然现在大多数水务公司在收到警报后会修复问题，但有了更精准的预测后，水务公司还可以提前预警潜在的问题，甚至阻止它们发生。在这一领域，PUB 与不同的解决方案供应商合作，部署数据分析和机器学习工具来帮助预测智能水厂和智能管网的未来场景。在污水处理方面，我们与 Royal HaskoningDHV 和 ST Engineering Marine 合作测试了 Aquasuite PURE软件，以期在提升出水水质的同时降低能耗。并且在 Aquasuite PURE 中融入了 ST EngineeringMarine 的 Sensemaking 预测维护算法。人工智能和机器学习可以预测进水流量并持续优化运行表现。Aquasuite PURE 利用它们来预测污水流量，监测处理效果，控制关键处理工艺。Sensemmaking 软件采用了一种专利数据分析算法对平台机器进行状态监测。同时它还拥有决策支持引擎，能为运营者提供行动建议。它利用各种模拟参数做分析，并从过去的故障中学习，以预测下一次故障的时间；它还能计算设备的有效运行时间，给出下一次维修的时间建议，这可能与计划的维修时间有所不同。利用数据分析和机器学习在水处理应用方面的能力，我们还与三菱电机(Mitsubishi Electric)合作，在勿洛新生水厂（Bedok NEWater Factory--BNF)开发了一套人工智能指导系统，用于预防性预警和设置点的设定指导。该系统的目的是提前提醒操作人员注意即将发生的工艺流程异常，并推荐故障排除的相关控制策略(即设置点)。这有助于填补新手运行人员在熟悉水厂工艺流程时可能存在的知识缺口。Surbana Jurong 公司将负责开发一套智能数据采集与监视控制系统 (SCADA)，用以研究蔡厝港水厂各种参数之间的相互作用，预测工艺流程异常并明确其原因。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest数据分析和机器学习也可能会改变探漏流程。目前，PUB 会标记 WaterWiSe 系统中传感器收集的压力瞬变和声学数据中的异常点，然后人工对异常点附近做排查，以此来核验供水管网中的漏点。然而，这种方法会产生很高的误报率。为了尽快找到漏水点，我们与软件公司奔特力（BentleySystems）合作开发了一套解决方案，可以通过机器学习来识别异常并进行近实时定位。映射体系数字孪生是工艺和系统优化的第三大推动力。水务公司可以利用水厂的虚拟副本模拟各种操作的后果，从而能更好地防范网络攻击，在众多选择中确定最佳选项，以及培训运行人员对电力或设备故障等事件未雨绸缪。除了前一章介绍的与横河（Yokogawa）合作的项目，PUB 还在樟宜再生水厂与嘉科工程集团（Jacobs Engineering Group）合作，在位于乌鲁班丹再生水厂的综合验证厂与 Royal HaskoningDHV合作，在两地分别搭建了全水厂模拟平台。Jacobs 平台复制了樟宜再生水厂的流程，包括它的工艺、水力和控制系统、水线和污泥线。它从控制和监测系统中检索实时的生产工艺数据，分析信息并剔除错误，再将其输入数字孪生系统以研究再生水厂运行表现并做出预测。在对再生水厂的预测运行情况和实际运行情况进行对比后，平台可以提醒运营者注意异常状况。它还支持对未来最多五天进行预测模拟，预估特定事件的发生概率，就处理过程中将要出现的偏差和不良出水水质向运行人员发出提醒，并建议整改步骤。这些功能增强了樟宜再生水厂运营的韧性。由于模拟器运行独立于水厂实际系统，因此还可以利用其开展运行人员培训，以及在实施前对操作策略安全地开展评估。例如，如果运行人员必须要降低生物反应池中污泥停留时间，减少剩余污泥量，他们可以利用模拟器来确定该操作对二级出水水质的影响，以及评估剩余污泥量增加对污泥浓缩和消化过程的影响。前方道路我们继续着数字化之旅，仍有很多方向值得探索。借助即将建成的智能水表系统中的数据和更详细的降雨预报，我们可以更好地预测污水管网流量和再生水厂进水量。来自其他部门甚至全球其他水务公司的数据也将有所帮助。为了充分利用数字化，水务公司需要确保收集相关且高质量的数据，并让数据科学家和水务领域专家携手合作。当创建和测试系统时，水务公司应该在系统精度达到 80%时再部署应用，并在此之后持续根据反馈完善系统。没有一个系统从一开始就是完美的，尤其是机器学习系统。就像很多其他工作一样，对数字化来说最重要的事情是开始。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest第五章 网络安全：数字化的支柱PUB 拥抱数字化，我们也继续将网络安全作为我们政策、计划和项目的基石。虽然网络安全一直是我们的一项要务，但不断加深的数字化程度让我们需要更广泛更严格的保护、网络安全培训和故障恢复措施。在全球范围内，由于设备和物理资产之间互联性，网络安全攻击和入侵的风险正伴随着数字化进程在上升。2019 年，技术公司西门子（Siemens）与数据安全研究中心波尼蒙研究所 (PonemonInstitute)的一份报告显示，针对水务和电力公司的网络威胁正变得越来越频繁、严重和复杂。在 1726 位来自公共事业单位的受访者中，约有一半人表示他们的组织在过去一年经历过导致了私人信息丢失或运营技术中断的网络攻击。大约一半的受访者预计明年这种网络攻击还会发生。恶意攻击可能以各种形式影响水务公司。在澳大利亚，一名心怀不满的前承包商侵入了一家水务公司，利用其系统访问权限向河流、公园和居民区排放了近 1000 立方米未经处理的污水。在美国，一名黑客利用互联网支付应用服务器与提供运营和信息通信功能的计算机系统之间的有线连接，从一家水务公司窃取了 250 万条记录。在英国，一家水务公司发现，负责管理其网上账户和处理手机支付的第三方呼叫中心有一名员工受到贿赂，将超过 50 万英镑的退款转至海外银行账户。这样的例子不胜枚举。为了保护自己，水务公司必须把网络安全放在首位。以色列最近在 2020 年4 月成功挫败了一起针对其供水系统的重大网络攻击，这是一次有计划有组织，试图破坏关键国家基础设施的攻击。PUB 已经投入力量打造全面的网络安全政策，并通过体系、流程和培训落实执行。系统与设计从最开始，我们的基础设施在设计和建设上就旨在抵御网络安全攻击。PUB 有一项水务部门政策，其中包括新加坡网络安全法案的条款和美国国家标准与技术研究所的最佳实践。这些指南确保了资产保护的最低要求。例如，作为一项政策，系统不应与互联网或云端连接以限制其暴露于恶意破坏者。每座水厂的设计必须符合网络安全设计框架，从一开始就嵌入网络安全措施和许可。这包含开展系统威胁评估，确定系统的薄弱点并在系统安装前解决所有安全漏洞。在设施内，生物识别系统限制了对控制室和服务器机房的访问，并在关键区域结合了多因素身份验证机制。内部控制系统设有网闸，只允许信息单向流入外部网络，防止黑客篡改水厂控制系统造成危害甚至灾难性后果。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest除了各种保护措施，我们还配备了检测系统来提醒运营者潜在的入侵和破坏，比如阀门在未得到指令时开启或关闭、企图导出数据等。这种预先考虑是至关重要的，因为后续通过改造水厂和系统来提升其网络安全的难度要大得多，而且可能需要暂时关闭工艺流程，影响运营。作为补充预防措施，我们还会在系统有重大变化时(如软件修改)以及在每年度进行渗透测试，以确保系统能够抵御网络攻击。培训与协议我们的全体员工也接受网络安全培训，被教授基本的安全原则和实践。这包括只使用安全 U 盘传输数据，因外部 U 盘中可能携带恶意软件；不点击来自未知发件人的电子邮件，其可能是网络钓鱼和其他形式网络入侵的工具。我们也教授负责监督管理运行人员的值班主管去识别网络安全事件的迹象，比如泵运行或水质读数中的意外变化。虽然黑客可能会试图通过操纵与其企图劫持的运行流程相关的传感器来隐藏其踪迹，但来自其他传感器的数据可能会暴露他们。负责 SCADA 和运维系统的仪表与控制(IC)工程师接受了更多的培训，包括为期五天的课程，内容涵盖网络安全防御以及在受到攻击或入侵时该如何应对。PUB 还组建了一个由网络安全专业人士和专家组成的网络应急响应团队。当出现运行人员、值班主管和 IC 工程师无法解决的网络安全事件时，这个顶尖团队就会介入。备份与恢复尽管我们竭尽全力，一些网络攻击仍然可能成功。为了尽可能降低其影响，我们也投资于恢复措施。我们的工业控制系统有冗余配置，在一些事件中如果一个系统或部件停止工作，将会有备用系统或部件就位来保障系统正常运行。此外，数据和系统配置会定期备份并离线保存以备使用，确保运行连续性，减少恢复所需的时间。适应未来需求的安全策略网络安全攻击与防御之间的对决不断演变，我们也已采取措施确保我们的保护系统始终符合要求。在 2015 年和 2016 年，我们与新加坡科技设计大学（Singapore University of Technology andDesign）的网络安全研究中心 iTrust 合作，建立了安全水处理(Secure Water Treatment--SWaT)和输配水(Water Distribution--WADI)测试平台设施。SWaT 测试平台复制了一套六段式水处理工艺。WADI 测试平台中包括水库蓄水池、用户水箱、原水池、回流池、化学加药系统、增压泵与阀门、仪器与分析仪，它也接收 SWaT 平台的部分反渗透出水。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest这两个测试平台共同构建了完整真实的水处理、储存和输配过程，为全球研究人员提供了独一无二的工业级平台来开展试验和研究，验证网络攻击的模型和理论，测试网络保护方法的鲁棒性。经过多年的深入研究，一些旨在从多角度检测网络攻击并能让系统从攻击中快速恢复的新技术获得了多项专利。这其中包括为传感器创建独特“噪声指纹”的系统，可以侦测由传感器欺骗攻击所造成的偏差。网络攻击的手段不断花样翻新，网络安全措施也需要与时俱进。SWaT 和 WADI 测试平台能起到至关重要的作用，帮助 PUB 和其他水务公司始终走在网络威胁的前面。除了致力于网络安全研究，我们还将持续提升员工的网络安全能力。例如，我们与新加坡公务员学院合作，为主要从事网络安全工作的员工制定了能力框架，以指导他们建立和更新知识与技能储备。这种进修是十分关键的，因为我们缺乏有能力的网络安全人员，无论是水行业还是许多其他行业对这类人才的需求都很高。能满足水行业需求的网络安全人才短缺，这一定程度上是由于网络安全传统上关注的是信息技术，而非运营技术。因此，培训水厂工程师掌握网络安全技能往往是更简单的解决方法。他们在水务公司运营方面的专业知识在设计水厂的安全系统时也是优势。展望未来，我们还将增强我们的安全运营中心以促进网络安全。该中心目前会跟踪水系统中被触发的安全警报。在未来，我们将利用机器学习技术来扩展我们的能力，从而能够更好地侦测那些可能预示着网络安全攻击和入侵的异常情况。我们还将在全球收集那些已经发生在水务公司或可能在将来危及他们的网络安全攻击、间谍活动、恶意软件和其他威胁的情报。这些分析将作为 PUB 网络安全风险的先行指示信号。与其他组织建立联系和共享信息也是优先事项。PUB 已经在与其他水务公司和机构分享信息和最佳实践，并通过考察旅行、公开活动、大会、会晤(例如每年的新加坡国际网络周)了解他们的信息和最佳实践。我们也是新加坡运营技术信息共享和分析中心的成员，它是面向能源、水和其他关键信息基础设施行业公司和机构的威胁信息共享中心。成员们可以放心地就他们经历过的运营技术和信息技术方面的威胁和攻击交换详情，以预防和迅速缓解遏制恶意行为者造成的损失。网络安全攻击和入侵的威胁不应阻止水务公司拥抱数字化。通过主动防御，他们可以最大程度地减少自身的薄弱点，锐意进取抓住机会。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest第六章 数字化中人的因素归根结底，数字化转型成功与否取决于我们的员工。尽管数字化是关于利用硬件和软件，但它只有在得到人们的支持(无论是在精神层面还是在执行层面)时才能成功。只有依靠强大的领导力和各级员工的支持，水务公司才能转变为面向未来的智慧型组织。在 PUB，数字化的推动力始于顶层管理者。我们成立了智慧 PUB 管理委员会，由政策与发展副执行总裁和营运副执行总裁担任主席，PUB 首席信息官也参与该委员会工作的协调。为了激励员工，PUB 的高层领导多次在发言和员工大会中强调了数字化机构的愿景，通过自动化和其他技术简化工作，使工作更轻松、更高效，让员工能更好地实现工作生活平衡。仅在 2019 年，PUB 的高级管理层就召开了 200 多次员工大会，全公司 3000 多位员工参会。通过这些大会，他们分享了推动机构数字化的驱动力，并强调所有员工都应在这项努力中发挥作用。高层领导还负责指挥关键数字化改革项目在 PUB 的全面落实，如智能水管理系统的升级，借助他们自身的参与为变革增强支持和动力。全机构共同努力为了鼓励普通员工来参与和支持，所有数字化运动的内部沟通和宣传都旨在展示我们的转型愿景、需要改变的原因、员工参与的方式、参与的奖励，以及如何让并且是必须让数字化在 PUB 全面实现。PUB 有一个面向全体员工的一站式创新门户平台 “PUB IDEAS Exchange（PUB 思想交流）”。这个门户平台包含各种创意想法，包括提议的和已实施的想法，以及同事们创建的原型方案，供员工们任意查看、学习以及谏言完善。每个可节约成本的创意被实现后，我们会为创意背后的工作人员颁发最高达 1.5 万新元的奖金，以激励所有人在工作中继续创新。此外，我们也透过内部新闻通讯和专题报道，以及每年的“服务与创新日（Service and InnovationDay--SID）”公布最佳创新及服务员工，表彰他们的努力。过去一年的杰出创意还有资格获得执行总裁创新奖(Chief Executive Innovation Awards)的额外奖金。服务与创新日是一个尤其重要的平台，让员工有机会讲述他们自己的创新和数字化故事，这反过来激励和推动了其他人加入到公司的数字化旅程中。这些故事通常有共同的主题，即实现数字化的决心和团队合作，它们强化了成功所需的价值观。服务与创新日期间还会举办创新展，展示正在融入 PUB 的最新创新和技术。举办这样的展览向PUB 的员工们表明，变化是真实的并且正同时在整个运营范围内全面发生，这会让他们为未来几个月将体会到的裨益感到兴奋。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest基础培训奠定成功对数字化的热情不可或缺，但拥有相关的知识和能力也同样至关重要。在 PUB，为员工提供适合其工作范围和职责的数字化培训是一个优先事项。2018 年，新加坡政府设定目标，到 2023 年培训所有公务员使其具备基本的数字化素养和技能。公共服务部制定了“数字化素养框架”，列出了所有公务员在数字化办公环境中工作所需要达到的基本标准。在公共服务部框架的指导下， 为本地和国际水专业人士提供培训的 PUB 新加坡水学院专门制定了符合 PUB 需要的数字化素养培训方案。它包含三个层级的标准，具体规定了不同职业等级所需的数字化知识和技能。该学院已经制定推出了培训员工数字化技能的课程。这包括数字化办公环境课程，涵盖技术与数据素养、数据保护、网络安全、数字化转型技术、数据分析应用程序、数据收集实践培训等方面。截至 2019 年，被挑选参加培训的 PUB 员工中约有 75%已完成课程，我们将按计划到 2021 年完成培训。变革管理是高层领导、项目主管和其他变革推动者应具备的关键技能，新加坡水学院也因此推出了该方向的课程。聚焦数据分析培训建立面向未来的数据分析团队也是水务公司实现数字化飞跃的必要条件。许多组织仅能做到“数字感知（data-aware）“，他们的员工只是简单地制作 excel 电子表格再将其汇编用于汇报。我们的目标是数据驱动，即通过数据做决策，大量利用机器学习和预测模型。新加坡水学院和信息技术与数字转型部合作，在根据实际情况评估了新加坡政府技术局的数据科学能力框架后，引入了数据分析培训框架，旨在为员工提供做数据驱动型决策所需的相关知识和技能。这个框架根据 PUB 工作角色能力要求规定了数个水平等级。我们的计划是建立具有基本数据分析技能的广泛员工基础，并激励有兴趣和动力的员工参加数据分析课程来进一步加深他们的技能和知识。PUB 还计划培养一批精通业务智能分析的数据分析师，并培养能够设计和实现大数据架构的数据工程师。为了实现这些目标，我们将为所有工程师和高管组织基本的数据分析培训，并在各个部门的中级和高级数据分析课程中安排数据分析师。通过在组织内部建立强大的数据分析文化，我们的员工将培养使用数据并从中获得见解来支持决策的习惯，从而提升机构绩效。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest着眼设计创新我们也在开展能培养员工设计创新的培训。这种创新涉及考察和重新思考工作流程，以提高生产效率和实现其他工作目标。在该培训中，数据分析对于收集证据和验证假设是必不可少的。PUB 的信息技术与数字转型部与新加坡科技设计大学(SUTD)及新加坡水学院合作策划了一项为期六天的课程，教授员工促进工作流程审核和再设计所需的设计创新和数据分析技能。该课程培养了一种合作模式，让机构内部多学科团队共同参与，提出新视角来改进产品和业务流程。课程还包括数据分析训练营为员工提供相关指导。完成课程后，学员将掌握数据分析的基础知识，并能够在其负责本部门数字化转型项目时应用这些设计创新工具。2019 年 11 月，37 名员工参加了在新加坡科技设计大学举办的首期课程。以人为本未来，我们还将为 PUB 员工创造更多的机会，让他们与承包商一起合作开发和应用数字化解决方案，使他们在该领域获得更多的实践经验。PUB 执行总裁 Ng Joo Hee 先生强调，员工是 PUB 是最宝贵的资产。他说：“我们必须要让员工人尽其才，使他们能够去引领和创新，创造非凡的成果。我们必须为他们提供最好的培训和发展，让他们能在 PUB 做到最好。机构变革不会自动发生，它需要从共同的愿景中汲取力量。它需要由拥抱变革的普遍文化来维持。变革的必要、如何变革、现在改变什么，以及接下来改变什么都必须在我们的机构中上传下达。要让即便是最偏远地区最基层的运营人员知道，他也必须要做出改变。”Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest第七章 结论当一支足球队少了一名球员时，剩下的队员需要更聪明地发挥，调整战术以赢得比赛。PUB 执行总裁 Ng Joo Hee 先生用了这个比喻来解释 PUB 推动数字化的重要性。在不久的将来，由于人口老龄化和低出生率，一些水务公司可能需要学会在员工减少的情况下工作。其他国家可能面临不同形式的资源限制，例如由于气候变化，可用来收集、处理和使用的降雨越来越少。数字化可以为这些问题提供解决方案。在这本书中，我们总结了迄今为止 PUB 在数字化旅程中的关键学习点。构建和选择适合的基础设施是最为重要的，这包含但不局限于无线通信网络和传感器等硬件。能打破信息孤岛，聚合、补充和分析数据的软件系统也至关重要。在水务公司构建基础设施的同时，他们也必须将网络安全作为其计划的基石。这意味着要确保从最开始就考虑网络安全措施并将其纳入到水厂设计中，并且确保其他技术在应用于运营系统之前都要经过严格的测试。此外，成败的差别在于人。PUB 任命了首席风险官和首席信息官领导新部门来引领其数字化转型，使 PUB 成为面向未来的智慧型水务机构。各种培训方案将让员工掌握这一转型所必需的技能。这种书中介绍的项目案例还强调了协作的裨益。在 PUB，研发和工业开发归由一名执行总裁助理统一负责，以尽快将实验室的发现转化为应用。通过建立伙伴关系，水务公司还可以从企业和研究机构中挖掘丰富的专业知识和资源，并反过来提供实际测试设施来加速水创新走向市场的商业化进程。俗话说，众人拾柴火焰高。数字化走向舞台中央许多水务公司正在朝数字化迈进，这表明数字化的潜能得到了更多的认可。南非德班（Durban）的乌梅杰水务（Umgeni Water）应用数字化技术来改善其水资源管理以及更好地保护客户。这包括耦合水文模型和监测设备来优化水坝和水库的蓄水量。负责美国拉斯维加斯山谷地区供水的政府机构--拉斯维加斯山谷水务局转向数字技术定位漏点。他们使用探漏设备监听供水管线中渗水所引发的声音和振动。通过持续监测管道以及在漏点变大前及时修复小漏点，该机构得以防止重大供水中断事件，并延长了管道使用寿命。为英国 600 多万人提供自来水和水回用服务的盎格鲁水务（Anglian Water）正在与工程公司博莱克威奇（Black & Veatch）合作，为水司位于纽马克特地区的水处理和输配基础设施构建数字孪生。具有预测和分析能力的人工智能将被嵌入到数字孪生系统中，支持水务公司在该地区的决策。在马来西亚，马六甲省的供水公司 Syarikat Air Melaka Berhad (SAMB)也越来越依赖数字化。它部署了地理信息系统（GIS），其中包含管径、管材、连接点等管网系统汇总数据并会定期更新。Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest当客户打电话报告管道故障时，自动定位系统使水司能提醒最近的维修团队在 20 分钟内到达现场。维修队在现场通过 GIS 查看问题管道的细节，并立即订购更换部件。此举将停水时间从过去的 24 小时减少到目前的 3-4 小时。和 PUB 一样，许多水务公司已经将数字化作为其运营的核心部分以及公司未来的关键部分。数字化前沿随着数字化变革继续深化，我们也密切关注着新兴数字技术，以及如何应用这些技术适应新加坡当前和未来的需要。以区块链为例，这项技术已经开始被国际上的一些水务公司试用。在美国加州，科技巨头 IBM 正与非营利组织、企业和研究人员合作，测试应用区块链、传感器和其他物联网技术来实现透明、实时地监测地下水使用情况。传感器传输储存于 IBM 区块链平台上的取水数据，这些数据成为了仅追加、不可变的记录。一个向农民、投资者和监管者开放的基于互联网的数据面板让所有各方都可以通过该页面追踪地下水使用情况，个人用户还可以在上面交易用水配额。人工智能聊天机器人可以快速回答来自用水者的问题，人们不必再等待呼叫中心或在水务公司网站的信息页面搜索答案。北爱尔兰水务 (Northern Ireland Water)的人工智能聊天机器人每月处理2500 至 3000 个客户互动，识别客户问题的成功率为 92%，回答正确率为 70%。数字化解决方案正在变得越来越先进，新的解决方案也在进入市场。PUB 将对它们进行评估，甚至可能协助开发其中的一些解决方案。我们过去已经在这样做，现在将继续那样做。PUB 执行总裁 Ng Joo Hee 先生指出，数字化计划将推动公司全面坚定地进入数字技术世界。他说：“很多变革正在全面席卷我们的组织，我们完全有意愿推进和坚持这些变革，直到它们成为PUB 的新常态。”他总结道：“我们不能墨守成规。我们必须改变，必须现在就改变。我们的水务使命太重要了。”Downloaded from http://iwaponline.com/ebooks/book-pdf/1430938/wio9781789064957.pdfbyguest
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数字水务—新加坡的经验分享
数字水务—新加坡的经验分享
By
PUB, Singapore's National Water Agency
IWA Publishing
DOI: https://doi.org/10.2166/9781789064957
ISBN electronic: 9781789064957
Publication date: June 2024
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This book provides an overview of the digital tools available in the market as well as the impact of digitalisation on the water sector by sharing Singapore's experiences. PUB, Singapore's National Water Agency, unveiled its SMART PUB Roadmap in 2018 to digitalise Singapore's entire water system to improve the utility's operational excellence and meet the nation's future needs. This book shares PUB's digitalisation drive, highlights the deliberations behind its decisions, showcases its projects, and underlines the infrastructural, cybersecurity and human elements in digitalisation that other water utilities need to consider in crafting their own path forward.
To guide the digitalisation efforts, PUB has come up with four major goals:
to create value for the utility through new capabilities,
more efficient operations,
a better work environment, and
improved customer service.
With these goals, PUB has been able to focus their research and investments, plan their digitalisation journey in greater detail, and consider more deeply how to collect and use data in innovative ways.
ISBN: 9781789064957 (eBook)
The English edition of this book is on our website here: https://iwaponline.com/ebooks/book/806/Digitalising-Water-Sharing-Singapore-s-Experience
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