Цифровой водоканал – миф или реальность? - ЗАО ВИВ – Москва

Цифровой водоканал – миф или реальность?

В.И. Баженов¹, руководитель секции «Энергоэффективность сооружений и систем водоснабжения и водоотведения. Системы управления» Экспертно-технологического Совета РАВВ, ЗАО «Водоснабжение и водоотведение»

Д.А. Данилович², руководитель Центра технической политики и модернизации в ЖКХ, Ассоциация «ЖКХ и городская среда», эксперт-директор журнала «Наилучшие Доступные Технологии водоснабжения и водоотведения»

Г.А. Самбурский³, ученый секретарь Экспертно- технологического Совета РАВВ, руководитель департамента водоподготовки РАВВ

В.В. Баженов⁴, студент МГТУ им. Н.Э. Баумана по направлению подготовки «Информационные системы и технологии», кафедра ИУ3

Эпоха четвертой промышленной революции

Мир входит в эпоху «Четвертой промышленной революции». Как известно, первые три кратко можно охарактеризовать как использование энергии пара, электричества, автоматизации и промышленных роботов. При этом третью промышленную революцию считают промежуточной, подразумевая, что полностью переход на новый промышленный уклад произойдет в ходе четвертой.

Одно из определений, данных четвертой промышленной революции: массовое внедрение киберфизических систем в производство. Под киберфизическими системами (КФС) подразумевается интеграция вычислительных ресурсов в физические процессы. В такой системе датчики, оборудование и информационные системы соединены на протяжении всей цепочки создания продукта (оказания услуги), выходящей за рамки одного предприятия или бизнеса. Эти системы взаимодействуют друг с другом с помощью стандартных интернет-протоколов для прогнозирования, само- настройки и адаптации к изменениям. Однако не следует ожидать появление полноценных КФС из «ниоткуда», без промежуточных этапов.

В России концепция киберфизической производственной системы получила название «Цифровое предприятие», задачи которого на настоящий момент сформулированы, например, так: «Набор технологий под названием «Цифровое предприятие» позволяет построить на российских продуктах систему создания, отработки, производства и эксплуатации различных изделий в рамках единого жизненного цикла, единой цифровой модели изделия, единых цифровых процессов предприятия и модели бизнеса». Следует отметить, что «Цифровое предприятие» в этой трактовке - существенно более упрощенное понятие, чем полноценная КФС. Термин «цифровой» следует рассматривать в объединенном контексте двух понятий:

оцифровка - преобразование потока аналоговых данных в цифровые (цепочки информации, передаваемой в виде битов - двоичного кода);
цифровизация - перевод коммуникаций и всей медиа-инфраструктуры на цифровые и компьютерные технологии.

Можно предполагать, что лидерами четвертой промышленной революции будут сложные производства (электронного оборудования, машиностроительной продукции, биотехнологические и др.).

Для водной отрасли в целом прорабатываются ее направления. Так, например, Немецкое Водное Партнерство (GWP) разработало концепцию «Вода 4.0», которая включает основные черты и термины индустриальной революции 4.0, такие как «сеть машин, процессов, систем хранения и ресурсов», «умные сети», «интернет вещей и услуг» и объединяет их в системном контексте управления водным хозяйством.

При внедрении концепции «Вода 4.0» водное хозяйство должно становиться киберфизической системой, объединяющей в себя интеллектуальные сети водопользователей (сельское хозяйство, промышленность и домохозяйство), поставщиков воды и их ведущих бизнес-партнеров в единой устойчивой системе, обеспечивающей целостный процесс создания добавленной стоимости при интеграции с контролем состояния окружающей среды. Кроме того, «Вода 4.0» призвана обеспечивать высокую степень прозрачности для водопользователей.

АКТУАЛЬНОСТЬ

Указ Президента РФ «Стратегия развития информационного общества в Российской Федерации на 20172030 годы» [4] посвящен информационным и телекоммуникационным технологиям, как важнейшему элементу национальной инфраструктуры. Построение общества знаний и создание в России цифровой экономики являются целью развития информационного общества.

В Послании Президента В.В. Путина Федеральному собранию подчеркивается:

«Необходимо сосредоточиться на направлениях, где накапливается мощный технологический потенциал будущего, а это цифровые, другие, так называемые сквозные технологии, которые сегодня определяют облик всех сфер жизни. Предлагаю запустить масштабную системную программу развития экономики нового технологического поколения, так называемой цифровой экономики. Это вопрос национальной безопасности и технологической независимости России, в полном смысле этого слова - нашего будущего».

Формирование концепции «Цифровой водоканал»

Производство водоканалом услуги является совокупностью разнообразных бизнес-процессов: эффективное управление производственными активами; управление «портфелем заказов» абонентов, организация системы приема оплаты за услугу; управление цепочками поставок оборудования и товара (реагента, ресурса, энергии и т.д.); управление безопасностью деятельности и др.

Согласно концепции «Цифровой водоканал» («ЦВ») исполнителем являются водоканалы, а заказчиком услуги - его абоненты, целесообразно определить структурные объекты цифровизации:

системы: водоснабжения, водоотведения;
подсистемы питьевых и сточных вод: линейные объекты, обеспечивающие их транспорт, очистные сооружения, обеспечивающие их очистку;
заказчики: абоненты (физические, либо юридические лица, заключившие дого- вор с исполнителем) и подлежащие процедуре регистрации в Государственной Информационной Системе ЖКХ (ГИС ЖКХ).

Целями перехода к «Цифровому водоканалу» являются:

1.Улучшение качества обслуживания абонентов

«ЦВ» участвует в полнофункциональной и интегрированной системе ГИС ЖКХ, которая создана как оптимизированная система с опциями: установка счетчиков при оцифровке и считывании данных, выставление счетов, обслуживание абонентов, сбор и финансовая отчетность. Абоненты, как заказчики услуги, должны быть удовлетворены ростом качества обслуживания.

2.Снижение операционных издержек

Эта задача подразделяется на две подзадачи:

снижение издержек в результате функционирования систем АСУ ТП, направленных, в частности, на оптимизацию технологических процессов по таким параметрам, как энергозатраты, реагенты и т.п. Эти под- задачи решаются уже сейчас при внедрении локальных АСУ ТП;
получение и анализ данных хозяйственного, технологического, технического характера в цифровом виде в режиме реального времени. Решение этой задачи позволит поступательно снижать операционные издержки для всех структурных объектов цифровизации. Важно отметить, что для этого необходимо обеспечить либо отсутствие контакта персонала с потоком цифровых данных, либо, если эти данные изначально получены не на цифровом оборудовании (например, результаты многих анализов, выполняемых в химико-аналитических лабораториях), их ввод в систему должен быть единственным актом «ручной» работы с данными и осуществляться с помощью специальных информационных систем.

3.Снижение рисков и управление производственными активами

Прогнозное управление рисками с использованием современных систем управления производственными активами (датчики, анализаторы, сенсоры, цифровизация лабораторных анализов и т.д.) позволяет «ЦВ»:

поддерживать технологические процессы в установленных регламентных рамках;
выявлять проблемы и обеспечивать их минимизацию, прежде чем они станут чрезвычайными или катастрофическими. Это распространяется, том числе, на упреждающее планирование капитальных, эксплуатационных и ремонтных мероприятий.

Эта задача во многом смыкается с за дачей снижения издержек, так как анализ одних и тех же потоков данных может позволить получить выводы и действия различного содержания, как для снижения издержек, так и для снижения рисков (повышения надежности).

Прогнозное управление производственными активами позволяет водоканалу сохранить и реинвестировать оборотные средства, потраченные на капитальный ремонт и замену неэффективного оборудования. Информационные системы управления производственными активами содержат данные и анализ сроков реабилитации и восстановления активов (насосы, воздуходувки, сети и элементы линейных объектов и т.д.). Например, простой датчик вибрации на насосе способен обеспечить информацией о необходимости и сроке его профилактического обслуживания.

Реабилитация, ремонтизамена старых, изношенных активов (балансовых капитальных средств) на новые и эффективные является источником «монетизации» для реинвестиций. Методическая системность «ЦВ» заключается в способности генерации анализа, по оценке максимально- возможной выгоды в условиях ограниченных финансовых ресурсов. Планирование мероприятий, системный подход позволяют также сглаживать потенциальное повышение тарифа для абонентов.

4.Совершенствование финансово- хозяйственного управления ресурсами

Повышение эффективности анализа хозяйственных и финансовых показателей на основе внедрения информационных систем взамен громоздких и трудоемких «электронных таблиц».

Совершенствование финансово-хозяйственного управления ресурсами осуществляют на основе анализа балансовых систем: финансового планирования и прогноза возможных финансовых последствий.

5.Совершенствование коммуникационных, вычислительных и защитных средств

Цифровые способы передачи сигналов и данных ускоряют динамику прогноза результата управляющих воздействий и совершенствуют процесс принятия решений. Портативные смарт-устройства, облачные технологии, датчики, современные средства навигации (GPS, Глонасс, GSM, Bluetooth, Wi-Fi, RFID, NFC) способствуют мониторингу сложных динамических систем. Это позволяет «ЦВ» анализировать причинно-следственные связи для принятия срочных и обоснованных решений. Искусственный интеллект, в направлении которого движутся информационные системы в ходе развития «Промышленности 4.0», способен «хаос» из миллионов входных данных превратить в управленческие решения, улучшающие показатели работы водоканала.

Основные способы совершенствования коммуникационных, вычислительных и защитных средств «ЦВ»:

внедрение лабораторно-информационных менеджмент-систем (ЛИМС) - компьютерных систем, которые осуществляют хранение и управление информацией, произведенной в процессе лабораторной деятельности. Эти системы используются для управления лабораторными процессами, включая определение основных данных, управление образцами и цепочкой хранения информации об образцах, назначение на работу, управление приборами и оборудованием, управление стандартными образцами и реагентами, планирование сбора образцов и проведения испытания, ввод результатов, просмотр (рассмотрение) результатов, отчетность, наблюдение за отклонениями и применением нормативных документов. Эти системы соединяются с помощью интерфейсов с лабораторными и другими информационными системами, такими как система планирования ресурсов предприятия;
совершенствование аппаратно-программного комплекса сбора, обработки и передачи данных уровня полевых устройств, включая использование персоналом служебных устройств, повышающих качество и точность сбора данных и отображающие реальность событий (смартфоны, планшеты, гарнитуры, средства навигации и др.);
улучшение совместимости использования данных из различных источников (ГИС ЖКХ, ГИС, SCADA, а также информационных систем управления: проектами, инжинирингом, финансами, хозяйственной деятельностью);
развитие и ускорение работы систем отображения информации: визуальной, звуковой, навигационной и т.д.;
улучшение работоспособности сети Ethernet с информацией, подлежащей: хранению, архивированию, протоколированию и т.д.;
поддержка и совершенствование средств доступа к имитационным моделям инженерных систем и инфраструктуры (описывают процессы гидравлические или очистки вод), требующих серверного размещения;
интеграция с существенными для деятельности «ЦВ» компонентами информационных платформ региональных предприятий смежного профиля: теплотехнических, энергетических, гидротехнических, а также гидрологических, геологических, геодезических служб;
развитие совместных платформ для взаимного вовлечения партнеров и органов власти: правительственных, региональных, административных, промышленных и коммунальных абонентов;
интеграция с государственными платформами с целью демонстрации достижений по соблюдению нормативных требований, а также ускорения получения документов: законодательных, юридических, разрешительных, нормативных и разъясняющих.

Также, несомненно, важнейший способ, обеспечивающий работоспособность и эффективность «ЦВ» в целом - совершенствование аппаратно-программного комплекса защиты водоканала, как режимного предприятия, от непреднамеренных и несанкционированных воздействий.

Перечисленные подходы будут способствовать разработке, внедрению и совершенствованию единой информационной инфраструктуры (программно-аппаратный комплекс) с единым информационным пространством (ЕИП) и с единой системой электронного документооборота. Они будут способствовать вовлечению общественных, государственных и смежных структур в решение проблем водоканала.

Основные принципы, заложенные в концепции:

обеспечение надежности и единства комплекса «ЦВ» на основе: прозрачности, гласности, открытости, достоверности, однозначности;
обеспечение интеграции с обществом улучшит взаимопонимание, доверие и ускорит управление внутренней структурой «ЦВ»;
снижение зависимости «ЦВ» от IT- разработчиков путем использования новых стандартных технологий и средств;
обеспечение информационной и технической безопасности: документов системы «ДСП», управляющих систем SCADA, систем полевого уровня управления и др. по особому распоряжению руководства.

6.Достижение кадрового прогресса путем эффективного взаимодействия и подготовки персонала

Широкое использование цифровых технологий в совокупности с производственными и информационными активами в соответствии с должностными обязанностями обеспечивает работникам эффективное взаимодействие, прямой доступ к информации, устранение бюрократии, работу с достоверными данными, использованию бенчмаркинга, участие в НИОКР и т.д. В конечном счете, система «ЦВ» должна функционировать при руководящей роли кадров, т.е. человеческого интеллекта.

Для подготовки кадров «ЦВ» использует как внешние системы профильного образования: высшего и профессионально-технического, курсы повышения квалификации; так и собственные учебные центры. Особенностью профиля кадров «ЦВ» является широкое вовлечение специалистов информационных технологий. Динамика современного развития IT- технологий существенно опережает скорость реакции на запросы времени системы образования не только в России, но и за рубежом. Трендом «ЦВ» является сокращение количества штатного персонала при одновременном росте уровня его квалификации.

Основные способы прогресса кадров в «ЦВ»:

работа персонала с устройствами для сбора и передачи данных, использующих, в том числе, специальное программное обеспечение;
улучшение взаимодействия работников водоканала с абонентами и клиентами через веб-сайты, социальные сети или телефоны посредством онлайн доступа к их учетной записи, в режиме реального времени;
использование персоналом текущей и непрерывной информации о качестве вод, состоянии объектов, их эксплуатации и строительстве, а также финансово-хозяйственной деятельности водоканала, что создает основу для ускоренного принятия решений;
использование специалистами имитационных моделей для принятия управленческого решения на основе техно- логического прогноза (гидравлические, технологические модели), назначения уставок SCADA-систем, а также для обучения технологов и операторов;
системное привлечение кадров к технологическим задачам с момента начала инжиниринга и проектирования объектов;
вовлечение сотрудников в ролевые (технологи, операторы) или деловые игры (руководящий состав);
использование цифровых вебинаров и систем цифрового общения (например, Skype) для привлечения и подбора эффективных кадров;
организация учебных центров переподготовки специалистов на базе водоканалов, а также кооперация с профильными кафедрами ВУЗов, включая целевую подготовку кадров;
обеспечение кадров, в целях поддержания безопасности «ЦВ», средствами доступа с возможностью индивидуальной идентификации и аутентификации: коды, пароли, логины, криптографические ключи, прием биометрических данных и др. средства проверки подлинности.

Основные принципы прогресса кадров в «ЦВ»:

формирование взаимодействия кадров на основе: прозрачности, открытости, достоверности, однозначности;
повышение личной ответственности за принятые решения;
повышение общей эффективности «ЦВ» за счет использования кадров уровня «цифрового специалиста»: подготовка и поступательный рост квалификации, специальный отбор и наем;
поддержание высокого уровня удовлетворенности абонентов и клиентов при общении (живом и опосредованном) с кадровым составом водоканала;
предоставление широких возможностей для устойчивой творческой деятельности;
поддержание и обеспечение процессов информационной и технической безопасности «ЦВ»;
достижение конечной и главной цели людьми, вооруженными «цифровыми» инструментами предоставление надежных, безопасных и доступных услуг по водоснабжению и водоотведению.

АСУ предприятия «Водоканал»

В целом, используя более привычную терминологию, «Цифровой водоканал» - это предприятие, на котором все приемлемые технологические процессы охвачены АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическими процессами), а остальные процессы в полной мере сопровождаются поддержкой цифровых технологий (онлайн контроль, применение переносных гаджетов, подсоединенных к корпоративной сети и т.п.), при этом все бизнес-процессы в целом поддержаны АСУП (автоматизированная система управления предприятием).

использование персоналом текущей и непрерывной информации о качестве вод, состоянии объектов, их эксплуатации и строительстве, а также финансово-хозяйственной деятельности водоканала, что создает основу для ускоренного принятия решений;
использование специалистами имитационных моделей для принятия управленческого решения на основе технологического прогноза (гидравлические, технологические модели), назначения уставок SCADA-систем, а также для обучения технологов и операторов;
системное привлечение кадров к технологическим задачам с момента начала инжиниринга и проектирования объектов;
вовлечение сотрудников в ролевые (технологи, операторы) или деловые игры (руководящий состав);
использование цифровых вебинаров и систем цифрового общения (например, Skype) для привлечения и подбора эффективных кадров;
организация учебных центров переподготовки специалистов на базе водоканалов, а также кооперация с профильными кафедрами ВУЗов, включая целевую подготовку кадров;
обеспечение кадров, в целях поддержания безопасности «ЦВ», средствами доступа с возможностью индивидуальной идентификации и аутентификации: коды, пароли, логины, криптографические ключи, прием биометрических данных и др. средства проверки подлинности.

Иерархические уровни АСУП

С учетом имеющегося в отрасли опыта для водоканала за основу выбрана пятиуровневая иерархическая структура АСУ (табл. 1).

Особенностями нулевого и первого уровней АСУ является использование полного и самодостаточного пакета программного обеспечения для управления технологическими процессами каждого конкретного объекта. Использованные ПЛК выполняют сравнение значений параметров: текущих и заданных уставками. На втором сетевом уровне обеспечивают сбор, архивацию, визуализацию, важнейших данных от ПЛК, а также выполняют оповещения об аварийных ситуациях (Alarm) на обычные портативные устройства типа смартфонов при обеспечении беспроводной локальной сети WLAN. Верхние уровни АСУ (третий, четвертый) совершенствуют достаточно автономно.

Особенностями нулевого и первого уровней АСУ является использование полного и самодостаточного пакета программного обеспечения для управления технологическими процессами каждого конкретного объекта. Использованные ПЛК выполняют сравнение значений параметров: текущих и заданных уставками. На втором сетевом уровне обеспечивают сбор, архивацию, визуализацию, важнейших данных от ПЛК, а также выполняют оповещения об аварийных ситуациях (Alarm) на обычные портативные устройства типа смартфонов при обеспечении беспроводной локальной сети WLAN. Верх- ние уровни АСУ (третий, четвертый) совершенствуют достаточно автономно.

Аппаратный комплекс способен обеспечить ключевые функции:

работоспособность модели единого информационного пространства (ЕИП);
сетевые протоколы обмена данных на основе существующих: Modbus, Probus, Ethernet, CAN, HART, и др.;
защиту локальной сети от внешнего доступа и сетевых атак (одна из функций прокси-сервера);
самодостаточность и работоспособность сети Ethernet;
возможность подключения рабочих мест ключевых работников (а также других, на блок-схемах не показано) и центральной диспетчерской;
удаленный мониторинг и управление объектами;
отображение, хранение, архивирование, протоколирование и т.д. информации различного вида и назначения,
передачу данных на расстояние различными способами, а также использовать облачные технологии,
внедрение единой системы электронного документооборота и т.д.

В целом, аппаратный комплекс, реализующий ЕИП, способен обеспечить все условия для исполнения обязанностей штатных сотрудников водоканала: диспетчеров, инженеров, технологов, сервис-инженеров, проектировщиков, бухгалтеров, операторов, работников смежного профиля (склад, га- раж и др.), а также руководителей, вплоть до членов совета директоров.

Специальное программное обеспечение

Методология организации интегрированной информационной системы требует обеспечения комплексной АСУ предприятия в ЕИП на основе специального программного обеспечения (ПО) в соответствии со стадиями бизнес-процесса.

В табл. 2 приведены результаты анализа (преимущественно на примерах отечественных разработчиков), подтверждающие достаточность предложений ПО, необходимого для создания ЕИП водоканала.

Из анализа табл. 2 следует:

указанный перечень ПО не полный, но достаточный для реализации задач;
зарубежные информационные системы к настоящему времени в целом адаптированы для их использования на рынке РФ;
информационные системы предприятия, отвечающие за решение инженерных задач доступны или, уже находятся в пользовании ряда водоканалов;
информационные системы предприятия, отвечающие за управление производственными активами (SCADA, ГИС) успешно внедряются водоканалами, как правило, в рамках новых или реконструируемых объектов;
комплекс информационных систем для финансово-хозяйственного управления ресурсами водоканала может быть реализован на базе «1С: Предприятие»;
разработан (Минкомсвязью России со вместно с Минстроем России) механизм по управлению «портфелем заказов» от абонентов и организацией системы приема оплаты за услугу (ГИС ЖКХ), который находится на начальной стадии оформления баз данных. ПО для самого верхнего уровня является BI-система (Business intelligence), которая выполняет функцию перевода информации в стандартные для бизнес-анализа формы, а также способно распространять управленческие решения на исполнителей.

Практика использования указанного ПО свидетельствует о недостаточной степени конвергенции (слияния), что усложняет и затрудняет его внедрение, вызвано уровнем состояния элементов ПО в целом на предмет их совместимости.

Особую группу составляет ПО информационной и технической безопасности. С 01.01.2018 вступает в силу Федеральный закон № 187-ФЗ «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации» . Указ Президен- та РФ определяет задачи по созданию государственной системы обнаружения, предупреждения и ликвидации последствий компьютерных атак на информационные ресурсы РФ. Для обеспечения информационной безопасности требуется привлекать компании, имеющие лицензии ФСБ России.

Побочным эффектом цифровизации являются реальные угрозы и риски кибератак и кибервойн. Широкомасштабное использование облачных технологий комфортно в быту любому пользователю, но не стоит забывать, что привычные системы iOS, Android, Windows 10 Cljud Shell зарубежного происхождения существенно снижают уровень информационной безопасности российский предприятий. Нет ничего странного в том, что они могут содержать преднамеренную уязвимость.

Заключение

Представленная концепция “Цифровой водоканал” представляет перспективы будущего. Несмотря на это, инструменты и возможности уже существуют и эффективно используются сегодня. Водоканалы внедряют обозначенные процедуры, ликвидируют расточительные процессы, планируют цифровые мероприятия, картируют инфраструктуру (ГИС) и повышают уровень обслуживания абонентов (ГИС ЖКХ), сокращают затраты, начинают использовать имитационные модели, обучают кадры и эксплуатируют системы цифрового (аппаратно-програмного) комплекса. Представленные примеры (см рис. 1, 2, табл.2), уже сегодня демонстрируют готовность рынка к обеспечению цифровыми продуктами потребностей Цифровых водоканалов.

Представленная концепция технически реализуема. Внедрение концепции одновременно на всех объектах цифровизации в водоканалах пока сдерживается недостатком ресурсов: инвестиций, квалифицированного персонала, степенью совместимости средств ПО, а также особенностью периода - необходимостью обеспечения безопасности критической информационной инфраструктуры РФ.

Реализация концепции заключается во внедрении стратегически обоснованных методов перестройки управления и экономики водоканала на основе широкой интеграции цифровых технологий с производственными и информационными активами при руководящей роли человеческого интеллекта

открыть статью в PDF