Water 4.0 – Industry 4.0 за водния сектор

Значимостта на дигитализацията за обществото нараства непрекъснато, като същевременно се наблюдава и нова основна тенденция, която може да промени веригите за създаване на стойност и да доведе до следващата индустриална революция. Това от своя страна популяризира термини като големи масиви от данни (big data), Интернет на нещата (IoT) и кибер-физически системи (CPS).

Водната индустрия постоянно търси възможности за адаптиране към променените гранични условия, както и за намиране на ефективни решения за отговаряне на глобалните предизвикателства в областта. Климатичните изменения и урбанизацията – само две от важните движещи сили в сектора в световен мащаб, непрекъснато увеличават търсенето на изчерпващите се водни ресурси. Water 4.0 е концепция, която отскоро се приема като бъдещето на водната индустрия. Но за да се обясни какво точно представлява тя, първо трябва да се разгледат принципите на Industry 4.0.

Industry 4.0
Това е сборен термин за технологиите и концепциите за организация на веригите за създаване на стойност. Базирана на технологичните концепции за кибер-физическите системи, Интернет на нещата и Интернет на услугите, Industry 4.0 спомага за реализиране на визията за интелигентния завод (Smart Factory).

В рамките на модулно структурираните интелигентни фабрики кибер-физическите системи наблюдават протичащите процеси, създават виртуални копия на физическия свят и вземат децентрализирани решения. Тези системи комуникират и си сътрудничат помежду си, както и с хората, в реално време посредством Интернет на нещата. Благодарение на Интернет на услугите както вътрешните, така и междуорганизационните услуги се предлагат и използват от участниците във веригата на стойността. Концепцията Industry 4.0 се основава на шест принципа:

• оперативна съвместимост – способността на кибер-физическите системи (т. е. носещите устройства за работните детайли, станциите за асемблиране и продуктите), хората и интелигентните фабрики да се свързват и да комуникират помежду си чрез Интернет на нещата и Интернет на услугите;
• виртуализация – виртуално копие на интелигентната фабрика, създадено чрез свързване на сензорни данни (от мониторинга на физическите процеси) с виртуални и симулационни модели;
• децентрализация – способността на кибер-физическите системи да вземат решения сами;
• мониторинг в реално време – възможност за събиране и анализ на данни и незабавно предоставяне на изводи;
• ориентираност към услугите – предлагане на услуги (на кибер-физически системи, хора и интелигентни фабрики) чрез Интернет на услугите;
• модулност – гъвкава адаптация на интелигентните фабрики към променящите се изисквания на отделните модули.

Всички концепции от Industry 1.0 до 4.0 се отнасят за производствената промишленост, която е сравнително опростена – нещо се изработва и се сглобява, използвайки отделни части. Водната индустрия всъщност е съвсем различна – независимо дали става дума за питейни или отпадъчни води, те се пречистват или за потребление от обществото, или за връщане обратно в околната среда.

Water 4.0 поставя дигитализацията и автоматизацията в центъра на стратегия за ресурсно ефективно, гъвкаво и конкурентоспособно управление на водите. Концепцията включва същите основни характеристики и използва същите термини, свързани с индустриалната революция Industry 4.0, като например мрежово свързване на машини, процеси, системи за съхранение и ресурси, интелигентни мрежи, Интернет на нещата и услугите, и ги обединява в системния контекст на управление на водите.

При внедряването на Water 4.0 чрез кибер-физическите системи се постига оптимално свързване на виртуалните и реалните водни системи, като планирането, изграждането и експлоатацията се извършват до голяма степен от софтуера. Това позволява интелигентното свързване на потребителите на вода (селското стопанство, промишлеността и домакинствата) и компонентите от водните системи в устойчива инфраструктура с околната среда и водоснабдителната верига, следвайки холистичен подход по веригата на добавената стойност. Освен това Water 4.0 осигурява висока степен на прозрачност за потребителите на вода, като по този начин покрива настоящите нужди и предоставя възможности за устойчиви дейности в управлението на водите.

Water 4.0
В хода на дигитализацията стават достъпни все повече процедури, инструменти и други ресурси, които допринасят за нова ера в управлението на водите. Както и много други отрасли, водната промишленост е в състояние да усъвършенства допълнително бъдещата си конкурентоспособност чрез използването на автоматизация в интелигентните мрежи.

Посредством засилено внедряване на ИТ, сензори и приложения за моделиране се създават възможности за по-добро разбиране на системите за управление на водите по отношение на тяхната комплексност и степен на работа в мрежа, демонстрирайки ги при процесите на производство, ранно предупреждение и вземане на решения. Интегрирането на планирането и оперативните процеси с помощта на интелигентен хардуер, софтуер и независим обмен на информация – от потребителя до отделни компоненти чак до водоснабдителната компания/оператора на пречиствателна станция, става все по-необходимо за постигането на висока производителност и ресурсна ефективност.

Интернет на нещата и услугите играят важна роля и за управляваните в реално време системи, тъй като благодарение на тях данните за процесите и характеристиките, свързани с водата, стават все по-постоянни, достъпни и използваеми, когато и където е необходимо. Освен това е възможно да се извърши и допълнително свързване в мрежа с други данни (например метеорологични), за да се изготвят прогнози, които могат да бъдат въведени в управлението на процесите в съответните водни съоръжения.

Важна особеност на настоящия етап на развитие както в Water 4.0, така и в Industry 4.0, е сливането на реалните и виртуалните модели в кибер-физическите системи. Тази фаза описва свързването на сензори, компютърни модели и контролери в реално време с действителни водни системи с помощта на интелигентни мрежи и интранет/интернет. Тези системи комбинират процесите, мерките и технологиите в ИТ единица и включват класически, доказани методи, както и нови, иновативни подходи. Те могат да бъдат реализирани както като централизирани, така и като разпределени решения.

Единствената предпоставка е наличието на обмен на данни и информация, които се записват онлайн или се въвеждат и извеждат офлайн (ръчно), на дигитален модел на определената система, както и на взаимодействие между виртуалната и реалната система. Имайки предвид всичко това, Water 4.0 не е конкретна технология и за нея не съществува строга дефиниция. По-скоро Water 4.0 е взаимодействието на иновативни, настоящи и бъдещи мрежови технологии, в които водата се разглежда като природен ресурс, продукт или суровина, с цел устойчиво управление, използване и намаляване на риска, като същевременно се вземат предвид интересите на всички преки и косвени потребители и заинтересовани страни.

Свързването в мрежа на контролно-измервателни системи с решения за анализ и моделиране на данните води до получаване на информация, която подпомага или дава основа за вземането на решения, прилагането на мерки и следенето на функционирането им във водната система. В допълнение, събраната с времето информация може предостави нови начини за осигуряване на по-ефективно използване на водата в различните области на приложение.

Това превръща Water 4.0 в холистичен подход, който оценява цифрови данни и ги използва за изготвяне на прогнози, разчитайки на данни и от други технически области, като по този начин дава възможност за вземането на устойчиви решения. Концепцията Water 4.0 не е статична, а следва техническите разработки и използва новите предоставени възможности. Подходът е фокусиран предимно върху цялата система и сравнението между виртуалните и реалните водни системи, и в по-малка степен върху иновативни отделни елементи.

Предизвикателства
Реализирането на концепцията Water 4.0 (интелигентната водна индустрия или просто ефективната експлоатация на водните съоръжения), която е от съществено значение за бъдещето на сектора, може да се постигне чрез прилагане на основните принципи на Industry 4.0. Пред успешното прилагане на подхода обаче има няколко бариери, които трябва да бъдат отчетени не на ниво компания, а на ниво индустрия като цяло.

Първата от тези бариери е свързана с комуникационните протоколи – досега в по-голямата си част водната индустрия работи основно с аналогови сигнали и Profibus при по-големите инсталации, а бъдещите концепции са насочени повече към Ethernet. Втората е киберсигурността, която се превръща във все по-належащ въпрос. Гарантирането на пълна сигурност е абсолютно задължително за всички, използващи облачни или IoT среди. Проблемът става още по-важен и актуален с оглед на минали хакерски атаки и възможността за нови такива. Хакерска атака, свързана например с промяна на нивата на химикалите, може да има сериозно въздействие върху клиентите на водоснабдителните дружества или околната среда.

Третото предизвикателство пред реализирането на концепцията е качеството на инструментите и данните и елиминирането на ситуации, в които са налични много данни, а липсва извлечената полезна информация. Водната индустрия разполага с разнообразие от инструменти, генериращи огромно количество данни, които обаче невинаги предоставят основа за предприемане на необходимите действия. Затова следва да се премине към подход, който осигурява наличието на богата и точна информация, но в разбираем и лесно достъпен формат. Това, разбира се, налага закупуването, инсталирането, управлението и правилната поддръжка на подходящото оборудване. Това невинаги е така в съвременната водна индустрия, тъй като стойността на данните и информацията е относително ниска.

Water 4.0 предлага огромен потенциал за оптимизиране на управлението на водните инфраструктурни системи и за постигане на още по-ефективно използване на ресурсите (например на енергия, вода, персонал), съчетано с подобрена сигурност на услугите по водоснабдяване и третиране на отпадъчните води.

Първоначалните проучвания показват, че ключовият момент в изграждането на мрежи и автоматизацията на водната инфраструктура е свързан с образованието, обучението и уменията на целия персонал, участващ в създаването на стойност. За да се отговори на новите изисквания, следва да се установи какви точно умения са необходими и как да се развият знанията на участващите страни.

В бъдеще както опитният, така и новоназначеният персонал ще се нуждаят от подготовка, за да могат да се справят с новата ситуация, а образованието и обучението ще трябва да се съсредоточат върху актуалните предизвикателства. Въвеждането на ново технологично оборудване и модернизирането на системите ще трябва да бъде съпроводено от подходящото обучение на служителите, съобразено с новите изисквания.

Реализирането на Water 4.0 е еволюционен процес – съществуващите основни технологии и опит трябва да бъдат адаптирани към специалните нужди на водната индустрия, особено в международно отношение. В същото време е необходимо да се прилагат иновативни решения и едновременно с това да се използва пазарният потенциал.