[2010.11.06] 智能系统特别报道:精打细算

091 Special report - Making every drop count.mp3

关于智能系统的特别报道

精打细算

智能管网和仪表使城市公共设施日渐智能化

2010年11月4日

伦敦的街道有点像是一个迷宫，而地面下的管网则更加错综复杂。自来水管纵横交错，遍布城市地下的四面八方。某些地区常常出现数家自来水公司相互竞争的局面，每家公司都铺设了自己的供水管网。泰晤士水务公司（Thames Water）是眼下负责管理伦敦供水管网的公用事业单位，即使该公司也无法确切地了解全部供水管网的分布情况。

此外，供水管网已经老化。就在几年前，伦敦街道下面10000英里（16000公里）长的自来水管中的一半已经过了百岁，经常爆裂。泰晤士水务公司1989年为私人所有，由于投入不足，这种状况多年来也没有改观。21世纪头十年的中期，在发达国家的城市中伦敦的供水系统跑冒现象最为严重。每天有近9亿升的自来水流失了，每天要抢修的漏水点达240处。

不过在过去的五年里，泰晤士水务公司已经用塑料水管更换了1300英里长的供水主管线，这些铸铁管线还是维多利亚时代铺设的，也是最容易出现破损的线段。此举使每天流失的自来水量减少到6.7亿升。该公司在铺设新管道的同时，也在管线上安装无线感应器，使公司能够随时了解管线的运行状况。该公司资产管理部门负责人鲍勃•柯林顿（Bob Collington）说：“现在用户打电话告知我们之前，我们就已经知道主管线在何处出现了破损。”

泰晤士水务公司不仅需要随时掌握供水管线的运行状况，也需要根据这些信息迅速采取行动的能力。世界各地的基础设施运营者们同样如此。无论是水、电、运输系统还是建筑物的运营者，他们都试图将自己管理的无感知能力的基础设施变成一种类似中枢神经系统那样能够即时作出反应的系统。这种需求使他们成为融合有形的基础设施与无形的数码世界的先锋。

将传感器与伺服器（控制某个机构的装置）安装到有形的基础设施上并不是什么新发明。这样的系统被称作“监视控制与数据采集系统”，已经出现几十年了。但许多情况下这种系统仍需人工干预：派出工人去下载传感器的读数或去抢修故障。而且，即使传感器和伺服器相连接，由于型号各异而导致了系统不兼容的问题，所以这些传感/伺服器难以形成可以自动处理故障的组合。

泰晤士水务公司控制中心负责伦敦西部地区的监控室是一个比较新、旧系统的好地方，不久这里还可以看到代表未来的系统。一个大幅电子屏幕显示着未来几个小时内预计的降雨量，而工作人员则在各自的电脑屏幕上监视着水库的水位。但如果有一台水泵出现了故障，他们可能还是要拨打电话，因为有些阀门还没有实现远距遥控。

泰晤士水务公司正在投入1亿英镑（1.58亿美元）进行设施改进，以使公司的大量故障处理业务实现远距遥控自动化。如果该项目顺利完工，供水系统不仅能够自动处理自来水的跑冒故障，也使工作人员能够有条不紊的按计划进行工作，并及时发送短信通知受到影响的客户。该公司供水控制部门的负责人杰瑞•怀特（Jerry White）解释说，控制中心的工作人员届时就不用花那么多的时间去监视管网的运行状况，他们可以腾出时间来提高公司数据处理工作的效率。

这项工作的很大一部分是将管网监控系统反馈的所有数据进行分析并与其他信息建立关联。怀特先生解释说，管网中的水流突然出现峰值并不一定是出现了管网泄漏故障。例如在斋月期间，天黑后的一段时间管网记录的出水量会剧增；在世界杯足球赛的中场休息时段出水量指示也会出现突跃。

不久前的一天，泰晤士水务公司甚至在一处供水主管线发生爆裂之前就及时派出了抢修队伍。2010年初，该公司开始使用一种基于数据网络的维护系统，这套系统由以色列的TaKaDu公司提供。用该公司老板与创始人阿米尔•皮莱格（Amir Peleg）的话说，这套系统是供水管网的“眼睛和耳朵”。公司历年记录的分析数据和目前的在线即时数据提供了进行比较计算的基础，使系统能够依据其算法检测到供水管网可能要出现的故障。

世界各地都在取得类似的进展。在供水行业和其他领域，节约的潜力都非常巨大。供电行业远远走在了前面，主要原因是他们可以利用电网来收集传感器反馈的数据和控制伺服开关。运输系统则相对落伍，特别是道路管理系统，除了使用交通监控探头外他们是毫无作为。甚至建筑物的管理也越来越自动化了，现在可以对建筑物的能源消耗状况实施不间断的监控。

人机接口的智能化

然而基础设施要真正实现智能化，仅在网络的管线中安装更多的信息反馈装置还是不够的。边缘地带（使用者与监控设施的接口）也应该实现智能化。这种想法导致了智能计量这个概念的提出，智能计量在电力工业领域的应用已经获得了长足进展。埃森哲（Accenture）公司是一家咨询公司，据该公司统计，世界各地目前分布着大约90个智能电网。至去年底，世界各地电网安装的智能电表已经超过了7600万块。据市场调研机构ABI Research估计，到2015年，智能电表的安装数几乎还要增长三倍，达2.12亿块。

组成智能电网的智能电表和其他装置要价不菲。据摩根斯坦利（Morgan Stanley）投资银行预测，全球用于构建智能电网的费用将由去年的200亿美元增至2030年的1000亿美元。然而收益也将同样可观：可以节省电能，减少发电投入和降低碳排放量。

想要亲眼见识一下这种技术使用状况的最佳之地是科罗拉多州的博尔德市（Boulder），这里诞生了世界上第一个完全成熟的“智能电网”。当地的电网管理部门是埃克西尔能源公司（Xcel Energy），该公司对用电并不吝啬。公司安装了能够自动报告电路跳闸事故的设备。公司安装的智能电表达2万多块，通过光纤将这些电表并入网络。此外还建立了一个跟踪用户用电状况的网站，并推出了鼓励用户避开用电高峰时段的定价方案。公司甚至还在一些家庭安装了能够在用电高峰出现时自动关闭空调系统的装置。这种机制被称作“需求响应”（Demand Response）。

迄今为止的结果好坏参半。该系统肯定帮助埃克西尔能源公司提高了电网的运行效率。这家经营共用事业的公司现在对其电网的运行状况一目了然，电路跳闸的事故很少出现了。一旦电路出现故障，可以精确判明其位置，迅速地完成抢修工作。但用户的用电量与以往相比并没有显著的下降。

然而这只是初期阶段。一些公司已经根据需求响应机制取得了不菲的成效。例如EnerNOC公司（美国能源利用领域的一家中间商），该公司与其它公司签订合同，其它公司在电网运行的高峰时段关闭非必要用电设备，而该公司则给予相应的资金回报，如此提高了电网的载荷能力。到年中该公司已经同3300名左右的客户签订了合同，这些客户从钢铁企业到食杂店，无所不有。这些客户的用电量总计是4800兆瓦（如果需要，其他用户也还可以继续签约），超过了美国最大核电站的装机容量。

但智能电网的终极目标是希望电价能够按照需求响应而上下浮动，实现动态定价。这样可以在用电峰值时段将峰值负荷降低10~15％。布拉特尔集团（Brattle Group）是一家咨询公司，据该公司的艾哈迈德•法鲁基（Ahmad Faruqui ）估计，如果能够向用户提供用电实时信息，削峰填谷的效果可以增加两倍以上。他说，与动态定价和需求响应相结合，这个数字很容易再次翻番。

智能电表的主要目的是降低峰值负荷，从而使电厂能够降低峰值发电功率。斯特凡•赫麦基（Stefan Helmcke）是麦肯锡公司（McKinsey）的水务专家，他解释说，供水行业的经济指标有所不同。水很容易存储，而消费者对于何时用水的选择余地不大（例如，家庭日常生活中耗水最多的项目是冲厕所，而人们要方便是不能推迟的），所以采用智能水表的理由就不那么充分。

然而智能水表的推广同样迅速。波士顿在这方面也一直是杰出的典范。早在2004年，波士顿水资源及排水管理委员会(Water and Sewer Commission)就为该市的所用用户安装了无线智能水表。但纽约很快就会后来居上，该市计划耗资2.5亿美元安装80万块以上的智能水表。泰晤士水务公司的大部分用户以往没有安装过任何类型的水表，即便如此，该公司现在正计划给部分用户安装智能水表。

基础实施智能化方兴未艾

在交通运输领域，相当于一块智能电表的是汽车上的一个车载单元。以往这个车载单元只是一个简单的装置，当车辆通过收费公路入口处时，这个装置就起到了一个无线电频率身份识别标签的作用，但这个装置也开始实现智能化了。德国的车辆通行收费系统依靠在某些方面像智能手机一样灵巧的装置，使货车司机在使用了该国拥挤的高速公路后要被扣除掉相应的费用。除了其他措施，他们还通过GPS（全球定位系统）追踪载货卡车的位置。

这种收费系统不断被各个城市所采纳，特别是拥挤的大城市，包括伦敦和斯德哥尔摩。但新加坡在这项技术的应用上更是遥遥领先。在这个城市国家不仅驾车驶上繁忙的道路要收费（高速公路的收费可能是6新元或4.60美元），新加坡还通过出租车收集的数据计算公路上的车流量，并根据车流量调整交通信号灯。由于认识到汽车寻找停车的地方现在成了交通拥堵的一个主要原因，新加坡正在开发一个停车引导系统。

新加坡也有可能成为首个引进道路实时动态收费系统的城市。2006年，陆路交通管理局测试了一套由IBM公司制造的用于设置收费额的交通预测系统。明年该局还计划测试一套以卫星定位为基础的收费系统，这样就不用建立公路收费站，只需根据特定时段这条公路的拥挤状况来进行收费。

新加坡的另一项基础设施管理系统——供水管理系统，已经成为世界典范。位于该岛南端的信息中心紧挨着滨海湾水坝，到信息中心的参访者可以拿起一瓶“新生水”（NEWater），从字面上品出其含义。这是将废水经过深度处理后又重新制成的饮用水。但大多数废水都是经过初步处理后通过一个单独的配送系统送到新加坡的各工厂和电厂，然后（根据各自需要）再进行相应处理。

这个封闭的水循环利用系统是供水系统的一部分。叶庆冠（Yap Kheng Guan）是新加坡公用事业局的一位局长，用他的话说就是“要节约每一滴水”。滨海湾水坝是另一个例子。这座大坝落成于2008年，是作为阻挡海水与潮汐的一道屏障而修建的，将这个岛上人口最密集的区域和港口变成了一座水库。明年当另外两座水库启用后，新加坡三分之二以上的国土将用来储存雨水。

这个城市国家的海水淡化厂也位居全球同类工厂中效率最高之列。新加坡面积比卢森堡还小，却有近500万人口，而且其经济总量与香港大致相当。采用了这些措施后就意味着新加坡所需供水量的60％以上可以实现自给。但新加坡的目标更加宏大：50年后，供水全部实现自给自足。


图表3：世界各国平均每人每日生活用水量（2000年数据，单位：公升）

由于新加坡的基础设施都是新建的，传感器在供水管理上起到的作用相对较小。新加坡平均每天只出现一次跑水事故。新加坡公用事业局只在几个关键位置安装了传感器，例如，在水库取水点上安装传感器。一旦系统探测到危险的污染物，供水网络的这一部分就会立即关闭。如果在海水的高潮位期间新加坡中心地带下起了暴雨，洪水威胁到城市的安全，紧靠滨海湾水坝安装了七台巨大的水泵，这些水泵能以40立方米/每秒的排量将洪水排向大海。

到目前为止新加坡还没有安装智能水表，而且眼下也没有迫切的需求。大多数新加坡人生活在高层公寓楼内，查验水表很容易。但是，如果公用事业局想要实现其每人每天生活用水由2008年的155公升降至2020年的147公升（与印度的人均耗水量差不多，大致相当于美国的1/4。详见图表3）的目标，新加坡就必须进一步推进基础设施的智能化，开创又一个典范。