IWA在2016年10月10日第十届世界水大会上发布了专家组(IWA Specialist Groups, SGs)的最新报告Global Trends & Challenges in Water Science, Research and Management。这份报告的第一版于2012年出版，由IWA的25个专家组对其所在领域的新兴热点进行了总结。今年发布的最新版报告，延续了其对水行业不同领域最新话题和前沿趋势的探讨，参与报告编写的专家组也上升到了36个，所关注的方面更加全面和深入。
这份报告包含38篇不限形式的简报，每篇文章除了水科研和管理方面的愿景和挑战之外，还有各种技术细节和综合性的解决方案，可谓是融合了IWA专家组成员智慧和热情的集体成果。IWA微信公众号将用连载的方式向大家介绍几个跟中国水处理现状密切相关的热点话题。本期要关注的话题是全球水处理的仪器控制及自动化。
全球水业的仪器控制与自动化
Instrumentation, Control and Automation in the Global Water Industry
从上世纪70年代以来，仪器控制与自动化(ICA)一直是IWA关注的焦点话题之一。ICA为满足当今饮用水供应和污水处理的需求提供了监测和控制的工具。全球水行业在ICA方面的经验是非常广泛和多层次的，这其中包括了下水道管网、污水处理厂和自来水厂及其供水网络的监控。
ICA在电子工程和化工行业已经非常普遍，而对工业和市政领域的客户来说，ICA正在变得越来越常见。ICA似乎是一种不可见的技术，当它成功运行时，可以为水务部门开辟全新层面的管理方式。ICA不仅仅是关于信息和通讯工程，它还包括了：
了解工艺的动态
传感器和仪器的配套
数据收集、自动测量记录传导和通讯
数据和信息的管理
工艺控制和自动化
数据分析的结果为决策提供支持
更积极主动的原点信息处理(edgeprocessing)
建模分析
ICA的终极目标不单是保障出水水质，而且是通过更加高效的方式来实现出水达标，平衡投资和运行的费用、稳定性、质量等因素，用恰当的技术实现最优化运行。然为物联网技术的出现和数据爆发式的增长，将使我们在ICA领域面临更大的挑战。
全球趋势与挑战
将自来水业务和污水处理有机整合，实现水圈的完整循环，让水从自然中来回到自然中去，是全球水业当今的一个重要愿景。水行业中的一体化系统应该将焦点放在其智能性上，使其具备快速收集和分析数据的能力，为对未来的预判洞察提供信息和知识。
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要想早日实现一体化的智能系统，水务部门需要在观念上做出改变：信息部门不应只是其单位的一个亮点，而应该是所有运行系统的核心和大脑。这样的认知应该得到更多的关注和认同。新技术和新观念的不断涌现为水行业提供一次加快应用智能技术的机遇，但在这些机遇面前，我们也面临着以下四方面的挑战：
1. 网络安全
随着互联网和物联网技术的发展，网络安全问题在水处理行业也受到越来越多的关注。PLCs和SCADA系统与网络的连接，增加了对产品质量和处理设施造成损失的风险。WiFi、蓝牙、GSM/GPRS和5G通讯工具的加入增加了系统的复杂度，这使得网络安全变成了ICA中的一个专门细分领域。CISCO公司估计到2020年，全球的联网设备将高达500亿个，如何保护客户的数据隐私会日渐成为ICA的重要课题。
2. 遥感通讯
目前水处理行业有不同的通讯协议，这种选择的多样性其实是另一种挑战。目前可行的协议包括传统的4–20 mA 模拟信号以及HART、Profibus、Fieldbus、Ethernet、GSM、Radio、 DNP3 和 WITS等。不同水务公司将使用不同协议收集的数据流来作整合和标准化不是一件容易的事情。常见的问题包括互用性、设计的挑战以及整体成本的上涨等，而这些问题通常都比较复杂，且并非短期能够解决。
3. 仪器规格和安装
ICA仪器的安装应该被视作工程项目的一部分而得到更多的重视和考虑，这样能更好地选购和安装仪器，费用更低，运行效果也更好。另外一个问题就是仪器国际规格的缺失。
4. 技能培训
工程师和技术人员的短缺是个全球问题，在水处理行业也是如此。很多项目现在并没有专门的ICA工程师的参与，这导致了仪器设备的选购不当，最终可能导致系统表现不及预期。另外，数据工程师也是需要配套的人才储备，给污水厂的运行人员提供专门培训有助于解决这些工艺上出现的问题。
污水处理方面的挑战
除了上述普遍性的问题之外， 排放标准的变化是ICA在污水处理领域面临的另外一个问题。尤其是在欧洲地区，BOD、磷和重金属以及POPs等微量污染物都是重点监测对象，这些标准的提高对目前的在线监测技术是新的挑战。
因此有必要采用基于生物技术的自动化监测方法，例如开发不同工艺阶段的微生物数据库，其中一个例子是全球污水和饮用水微生物组数据库(Global Wastewater and Water Microbiome Database)。用户能调用数据库信息，根据检验出的过度增长的指示微生物的信息分析出对应的运行问题，计算机甚至能够自动更正运行条件。其实这样的先进传感器在医学行业已经有应用了，水处理行业也应该考虑引进。
污水管网系统控制的挑战
美国克利夫兰早在上世纪70年代就开始最早的管网控制系统的开发探索，目前很多国家都开始使用先进的模型和运行系统来控制污水管网，丹麦是其中的佼佼者。
但污水管网系统控制方面的问题仍有很多，其中最突出的是：
降雨量的影响
更适合系统控制的模型研发
开发基于仪器的网络系统，并且能对其监测方法的不确定性进行更正
开发整合污水管网和污水处理系统的控制策略
使用先进的监测技术来实现雨污分流或者自动辨识浓度轻重决定分流与否的系统
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饮用水方面的挑战和趋势
饮用水方面最大的挑战还是微生物的检测和控制。如今市场需要更快的自动化检测工具，例如在线的流式细胞仪(flow cytometry)。虽然病原菌方面的检测已经取得进展，但在病毒和真菌方面则还没有。针对饮用水的生物传感器和生物鉴定技术已经存在，像三卤甲烷(Trihalomethane )的监控就是很好的例子。
Flow Cytometry流式细胞术的工作原理图
总结总体来讲，在水处理方面独立于工艺开发的ICA主要发展方向可以总结为：
1. 通讯协议的标准化：从传统的4-20mA的模拟信号转移到以太网，覆盖整个水网，以实现收集更大规模的数据。
2. 数据管理：随着数据量的增大，我们还需要将数据转化为可用的信息、知识和预测未来的洞察力，这包括了水务公司和个人使用者的企业数据以及两者间的交互。
3. 基于模型的自动化控制：这包括了饮用水和污水系统的分布、收集和处理。
4. 传感器在关键领域的开发：例如用于饮用水质量控制的改良式微生物传感网络系统，和污水处理中的流量和液位控制等。
关于作者：
Oliver Grievson，Water Industry Process Automation & Control 项目经理，英国
Juan Antonio Baeza，巴塞罗那自治大学助理教授，西班牙
Ken Thompson, CH2M，美国
Pernille Ingildsen, Kalundborg Forsyning A/S 项目和规划经理，丹麦
Gustaf Olsson, 隆德大学教授，瑞典
Eveline Volcke，根特大学教授，比利时
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原标题：IWA专家组最新报告《水科学、研究和管理的全球趋势和挑战》(1): 全球水处理的仪器控制及自动化
