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创新何以发生?80年代法国下水道创新及其对当前智慧排水发展的启示

作者:陈豹   来源:圣端之牡   时间:2024-02-19

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创新需要大量的资源支撑,包括人才、资金、场景等因素,创新扩散遵循以下路径:从高端市场到平价市场,从专业市场到大众市场,从领先者到追随者。

所以,当公众服务领域,尤其是排水领域(平价市场、大众市场、追随者)发生技术创新,是一个值得思考的现象。

1985年的法国塞纳-圣但尼省曾短暂的产生过这一现象,一篇论文对此现象进行了详细的分析。

23年6月份的时候闲逛偶然发现一篇论文《La gestion automatisée des réseaux d'assainissement : analyse d'un processus d'innovation technique》(排水系统自动化管理技术创新过程分析),

发现原来在80年代就有过“智慧排水”的创新,论文相关信息可见(https://theses.hal.science/tel-00523044/),翻译过程详见:(https://sewagemade.me/article/AI)

而且当下看起来,这篇论文的结论也并不过时,我整理汇总提炼出如下内容,供大家参考(想看原文及翻译的,在本文末附上了法语+中文全文pdf)

01序

创新需要大量的资源支撑,包括人才、资金、场景等因素,通常情况下,创新扩散遵循以下路径:

从高端市场到平价市场

一些创新产品最初作为高端、高价商品推出,随着规模经济的发展和生产成本的降低,逐渐向平价市场转移。

从专业市场到大众市场

一些创新最初只针对特定的专业或小众市场,随着技术的普及和成本的降低,它们逐渐进入大众市场。例如,最初只有专业人士使用的计算机技术最终成为普通家庭的标准配置。

从领先者到追随者

这句话听起来像一句废话,在许多行业中,创新往往由少数领先企业推动,随后被其他企业模仿和采纳。这种“领跑者-追随者”模式促进了整个行业的技术进步。

所以,当公众服务领域,尤其是排水领域(平价市场、大众市场、追随者)发生技术创新,是一个值得思考的现象。1985年的法国塞纳-圣但尼省曾短暂的产生过这一现象,论文对此现象进行了详细的分析,也客观描述了法国共产党人在创新中发挥重要作用,表现出“实干家”的精神面貌,值得我们学习借鉴。

02概念定义

定义“排水系统”

排水系统管理这个概念是有边界的:

“排水系统管理的主要目的是确保:   

-通过保护操作保持排水工程的持久性;

-通过清洁、维修和保养干预来进行管网和机械器件的日常维护;

-通过运营来调节流量和同步:收集、转移和处理”... 排水系统的管理为任何旨在延长管网寿命(例如防止其恶化)、维护及保养特殊工程(保持其良好运行状态)、调节流量,即控制输入、输出和排放的流量和水质以优化其运行的行动。

这个定义排除了人员管理和新工程规划(预测、设计、建设)的领域。“排水系统”概念包括所有收集设施、附属和特殊工程,如暴雨溢流口、蓄水池、提升泵,旨在收集、运输和排放城市聚居区的污水和雨水到自然环境中,以保护后者的要求并遵守排水规范。因此,本次讨论排除了排污口的部分;同样,也排除了污水处理厂。当前创新主要关注排污口下游至污水处理厂入口之间的管网部分的自动化管理。

定义“自动化管理”

在1985年,还没有“智慧”的概念,但是有类似的词语“La gestion automatisée”(自动化管理),考虑当前国内智慧水务的发展现状,我们可以将其视作“80年代的智慧排水”。

同时只包括运营阶段,不包括设计、建设阶段。(因为排水系统作为市政的一部分,设计和建设往往不是单独进行的,而是跟其他市政工程一同建设,这将牵扯到更大的管理领域,模糊了讨论的焦点)

JAGODA在1983年6月1日由CREPIF组织的关于计算机和城市的圆桌会议上给出的定义:

“城市自动化是一个围绕信息传输网络组织的系统,基础是执行较为复杂功能的电子设备(可编程自动机或传感器),它们发送或接收由更高层级管理的信息。这些设备受系统监督者控制。”

管理被定义为“结合一个辖区可用的各种物质和智力资源,以在给定的组织中在确定的周期内达到最大的效率和生产力”。

自动化管理本身不是一个新技术,因为它几乎适用于所有城市技术管网的管理(道路交通、燃气、饮用水、电力网络...)。然而,需要将现有的技术或技术工具(监测传感器、自动化设备、数学模型、远程传输系统、流量调节器件)适应一个新领域——排水系统。这项技术融入了信息技术和机器人技术的世界,代表了现代社会的形象。

排水系统自动化管理系统在应急时刻实现完全自动化和优化的在线控制,这仍然是科幻领域的事物。

定义“创新”

根据KRANSBERG的定义,创新分为几个阶段:

1.问题定义和观念生成

2.发明

3.研究和开发

4.应用(首次使用)

5.传播(在原始应用场景之外的引入)

我们也可以将在创新过程中区分两个阶段:创新的出现阶段(对应于KRANSBERG的前四个阶段)和传播阶段(对应于KRANSBERG的第五个阶段),创新的特点是它“承诺实现目标比现有手段更好,提供相同价格的更高质量,或者提供更低价格的同等质量,或者是更快的生产过程等。”

(同等目标)更好的手段

(同等质量)更低的价格

(同等价格)更高的质量

(同等目标)更高的效率

创新不一定是为了追求利润,其过程的最终目的不一定是在市场上的可解决性;也可能是追求社会、政治等领域的领先地位或形象。

03排水系统创新的窘境

市场分散

地方公共服务市场有限且分散,对市场来说不太有吸引力。因此,这个领域很少有创新举措。公司担心政治方向的频繁变化。地方选举官员保守求稳、不愿意改变。他们经常被认为对新技术无感,无法通过营销和“销售推广”来推广市政领域的产品和服务。

市场的狭窄、分散和政治方向的不确定性抑制私营单位对公共服务领域创新的意愿。

在排水领域,不存在标准且适应性强的自动化管理工具。管理单位使用来自其他行业的衍生设备。不同单位选择最适合自己的设备,并且在所使用工具的范围内没有真正的统一性。

运行环境恶劣

不同于供水系统,排水系统的管理面临着不可预测、时间和空间变化的事件,对于这些事件的预测是困难的,因此排水系统自动化管理是一种控制难度高的技术;同时,排水系统的运行环境还具有侵蚀性。这要求设计和维护具有特定的性能。而市场的狭窄范围并不足以支撑供应商投资研发完全适应需求的工具。而运营单位又要求尽量的标准化。这就形成了一个悖论。

关注度不高

“排水系统总是城市规划方案中的穷亲戚。”

在城市规划中,10-20年的规划期与排水系统动辄50年的寿命不完全匹配,而且下水道埋在地下,无法被公众直观感受,有限的财政资金往往根据“钱要花在刀刃上”的原则,被执行成“钱要花在可见的政绩工程上”,这导致了财政资金分配比例的不合理。

通常等到城市内涝、水体黑臭造成严重后果时,政府领导才会被意识到问题的严重性并作出反应。

经常实行的“最低报价”政策导致了以牺牲材料质量为代价的经济型实现。地方政府和相关行政部门没有充分意识到城市规划和城市水文学之间的性质和复杂性的相互作用。

成效难以估量

“价格在不同地区的重大差异,导致建立排水系统成本面临成本确认和会计来源有效性的困难”。

统计不完全。年度附属预算中并不总是包括污水处理站的运营和投资成本。

成本拆分困难。部分地区通过指示一般预算(运营收入)的参与率来突出显示雨水的部分;其他地区则不这样做,因为两者并不总是容易区分。当同一个服务单位负责供水和排水时,将运营开支在供水和排水之间进行分配并不总是容易。

不同地区增值税不同。有些预算受增值税影响,有些则不受。

私营单位信息披露不够。当管理模式是通过委托运营时,账户会重叠,信息不透明,等等。

04创新何以发生

1985年法国塞纳圣但尼省排水系统创新的发生,从基于水的重力流动的被动管网管理,转变为动态管理,在这种管理中,员工在暴雨事件发生时,借助现代技术(在其他领域已存在),以最有效的方式共同利用管网中的所有设施。

需求引导

城市内涝和环境污染引发居民不满,进而引起政府官员的重视,采取改进措施,包括:CAREDAS计算模型、远程监控、污染治理。

自动化管理起源于直接管理的服务部门。塞纳圣但尼省排水服务部门寻求创新,并不是为了商业化,而是为了公共服务的改进。

同时,基础设施的成本对地方政府来说越来越高。它们难以应对“管网明显不足的情况,需要同时扩展上游管网以支持城市化,还要加倍下游收集设施的能力”,尤其是在给城市提供的补贴很少的情况下。在面临重大需求时,地方政府可能会寻求成本最低、最合理的解决方案。

官员支持

(稳定的政治环境和充分的信任)

官员们意识到需要解决的问题,并表现出通过省级行动手段的意愿。他们在财务和人员招聘方面表现出灵活性。服务部门得以配备高素质的人员。官员们让技术人员选择现代化的解决方案,并在整个系统开发过程中信任他们。

技术人员展现出的积极性,以不寻常的方式解决排水系统管理问题。他们在污水处理服务中引入了新的学科。这导致了问题的新方法。他们试图不是从常规的土木工程或传统水力学的角度,而是从水文学和系统论的角度来解决问题。这种新的方法论已经形成并持续下去。

务实的法国共产党人

选举官员同意服务部门采用在法国排水系统管理领域从未使用过的尖端技术,可能与他们的政治倾向有关。共产党一直以“高效管理者”的形象呈现,关心工人阶级的物质和直接利益。这种对公共服务设施的更好管理具有强烈的意识形态意义,尤其是这些设施影响到遭受损害的贫困人群。另一方面,共产党长期被视为“实干家”。他们自豪于这一形象,并不惜尝试创新项目。例如,使用钻井水、地热能,最近则是光纤电缆、机床中心的创建以及Bobigny到Saint-Denis的有轨电车的重新利用。

实验性的远程监测和远程控制设备符合他们作为实干家的声誉。选举官员接受这个项目时冒了险,因为立即依赖这种方法解决问题似乎不切实际。然而,由于伴随着大量新工程的规划,这种风险变得可以控制。此外,选举官员的强大政治基础可能使他们能够采取其他政治上更脆弱的选举官员所避免的行动。值得注意的是,尽管处于相同的制度环境(省级排水服务部门),但上塞纳省和瓦勒德马恩省在排水系统自动化管理方面的尝试要晚得多。

机构支持

排水管理是由一个服务部门负责的,该部门的结构在同一地理位置下,由同一领导管理运营、新工程、研究,并且最近还包括水资源管理。自动化管理是通过研究办公室与现场工作人员之间的紧密合作形成的。随后,它导致了服务部门的重组,期间创建了一个专门负责水资源管理和处理的分部。目前,塞纳圣但尼省是唯一一个由于自动化管理而引起如此结构变化的地区。但我们也看到,它也是唯一一个开始拥有操作性强、在线且分层的动态自动化管理系统的地区。

机构权力分散可能会导致以下问题:

上塞纳省的服务部门似乎受阻于“新工程”和“研究”不在同一个负责运营的部门下的事实。为了系统的实际应用,协调工作做得不好。

瓦勒德马恩省的“运营”分部被划分为地区部门,这使其目前失去了全面管理管网的可能性。

波尔多城市辖区(SLEE)管网管理者面临着来自CUB技术服务部门的一些抵触,这些部门的负责人认为自动化管理掩盖了其他技术解决方案,而且他们认为这是一种“跟风效应”。两个组织遵循的政策可能不同。

在尼斯和里昂,自动化管理并未不是运营人员要求的,其实施阶段推迟了。因此,自动化管理项目能够更好地实现,取决于研究部门和运营服务部门“携手合作”并接受一定的任务分配。"想要实现管理的现代化,也意味着要承担服务的现代化"。

人才支持

塞纳圣但尼省排水系统的自动化管理是在外部机构的帮助下发展起来的,同时还得益于一支高素质的员工队伍,这些员工是根据需要陆续招聘的(液压工程师、化学家、然后是计算机工程师、自动化工程师、水文学家等)。我们调查的很多地方政府中,很少有服务部门配备如此齐全且同样资质的员工。

追求先进形象

自动化管理技术目前非常流行。它们已经在饮用水、城市交通、供暖管网、电网、燃气管网、河道及石油流量等多个领域应用了数年,是管网管理向更现代、更高效管理演进的标志。

这些技术在某些领域比其他领域更为先进,令人惊讶的是,相比之下,排水领域似乎落后了。

如果我们这样推理,似乎不可避免地,排水行业最终也会逃不过自动化管理。作为现代社会,我们有责任使用现代化的管理方法。

然而,那些提出这类论点并对排水自动化管理相对于饮用水处理等其他领域的落后感到惊讶的人,可能对这个领域不太了解。从技术上讲,排水行业要复杂得多,因为需要控制的事件具有随机性,水流在自由表面非永久性地流动,且环境对电子设备具有腐蚀性。另外,由于设计已经陈旧且任何新工作的成本都很高,泄洪和储水的可能性有限(排水管网很少有网状结构)。此外,与饮用水不同,排水自动化管理不仅仅是为了增加管网运行的安全性和减少监控团队。在不同领域之间的类比有时过于匆忙,人们倾向于应用手段而忽视了目标,这导致了技术重组。不应忘记,正是从这些目标的选择中,可能会引发管网结构的潜在变化。

在1984年12月举办的关于“排水系统运营中的信息技术和自动化”的研讨会上,一些熟悉饮用水领域的工程师表示:“目前,必须证明自动化可以带来收益”...“必须证明更好的管理能带来经济效益”。这是否是排水系统自动化管理追求的唯一目标?提高受体环境质量的目标又如何呢?目前能证明这种新做法能带来收益吗?除了塞纳-圣但尼省,还有谁能做到这一点?专家们也发出警告:“这当然是最吸引人的解决方案。但是,如果这种管理观念是合理的,只有在更好地了解触发它的现象(管网水力学、降雨量、水质、对受体环境的影响等)后,它才能以较低的成本实现”。

无论如何,尽管存在这些警告(这实际上反映了这一现象的存在),认为排水管理应该以现代化、自动化的方式进行管理的观念仍然非常强烈。

私营单位的发力

不少排水系统自动化管理系统与污水处理厂(图卢兹,雷恩)或预处理站(尼斯,马赛)的管理系统相结合,甚至与饮用水管网的自动化管理(南希,勒阿弗尔)相结合。它们使用相同的信息处理工具,相同的远程传输线路,相同的值班人员(图卢兹,卡昂)。正如我们所见,特许经营公司有兴趣在排水系统自动化管理方面积累经验,以保持同等竞争水平。

此外,由于自动化动态管理技术或技术尚未完全掌握,研发操作可能对私营企业有利(申请专利,产品商业化等)。大型水务公司在垂直方面的业务多样性(生产,工程,维护,咨询,培训,管理)无疑有利于自动化管理的传播,因为它们可以在市场的多个层面上发挥作用)。因此,它们有兴趣将业务扩展到这一新的技术领域。

新鲜血液的推动

很可能新进入排水服务的年轻人会更倾向于采用自动化管理这类解决方案,这使他们能够实践所学的知识,而不是传统的土木工程解决方案。污水处理领域引入新学科,潜在地扩大了这一领域的实践活动范围,这有利于创新的推广。

05对当前智慧排水发展的启示

在谈“智慧排水”这一概念,无论80年代的“排水自动化管理”,还是2000年的第一次“智慧城市”概念诞生,还是当下再起的第二次“智慧城市”大潮,我们发现其内核都是一致的,只是外围技术有所进步。一些之前的经验仍然适用于当下。我们可以用看待30多年前历史事物的眼光来评判当前智慧水务建设,希望能透过现象看到些许本质,少一些胡言乱语。

管理是根本

当下的“智慧排水”往往是:

立项一个信息化项目,然后业主看着供应商,供应商望着业主,双方大眼瞪小眼直到工程验收,不欢而散。

讲究一点的死马当活马医,能报奖的报个奖,适当宣传一下,有个交待拉倒了。

“智慧排水”是一个管理概念,不是一个系统工程实施完,或者建了一个多么高大上的“智慧排水管理平台”,就实现了智慧排水。智慧是管出来的,不是建出来的,咨询单位、信息化厂家只能提供改进建议以及工具,用好才是关键。正如“买健身器材”跟“实现减脂增肌”没有必然关系一样,80%的宣称要健身的人都是没有实现目标的。

自动化管理是一个围绕信息传输系统组织的技术系统,其基础是执行劳动、观察、存储和决策等功能的电子或机电设备,其中一些功能以前是手动执行的(今后可能自动执行)。收到或发出的信息在可能位于层级更高的级别上进行管理。因此,这个系统一方面通过持续跟踪其健康状况来确保工程的持续性,通过严格规划系统和附属设施的维护来确保其维护(静态自动化管理),另一方面,通过实时控制水流,最大限度地利用现有容量来改善系统的运作,以抵御溢流或降低对受体环境质量的破坏(动态自动化管理)。

没有对管网运作有深刻了解的动态自动化管理系统是不可能存在的。这种了解通常需要多年的研究和监测。传统运营辅助系统可以帮助构建这一观察的第一阶段(尽管动态自动化管理所需的监测并不都需要“远程传输”)。

···

制定管理规则需要“持续性、严谨性和一些运气来正确捕捉到罕见且随机的重要事件,它还需要人员的能力、坚持和对管网的深刻了解来解读数据”。因此,在实施在线层次化动态自动化管理方面存在一定的缓慢性。

···

不要认为一旦使用了模型,就会存在自动化管理。这种模型可能仅用于新工程的规划辅助(目前里昂的情况)。同样,一个简单的自动化管理系统(局部自动化)并不一定需要用数学模拟模型来编制管理软件(南希的蓄水池情况)。然而,我们注意到使用数学模拟模型是对自动化管理项目研究的初步方法。它为污水处理管理提供了新的可能性,符合自动化管理的方向。

智慧排水建设是必要的

如今,许多地方政府认为,排水系统的自动化管理应该能够像饮用水管网的自动化管理一样,节省运营成本(参见经济背景)。在这种情况下,私营公司可能会从中获益,并因此对这种创新感兴趣。它们还可以利用在供水管网自动化管理方面的丰富经验,因此在技术上具有一定优势。虽然排水管理技术更为复杂,但在他们的服务中,这种原则已经成为常态。

自动化管理通常是对重大工程规划的补充。

自动化管理有时似乎是对重型工程的无可替代的补充解决方案(密集城市区域、无力负担上游城市用于收集水的大型管道成本的地方政府、河流污染防治...)。

尽管自动化管理不能解决问题的根源,但它通过相对于排水系统成本较低的解决方案减轻了问题。

人们不再仅从土木工程或简单水力学的角度来处理排水系统,而是将水文学、高级水力学、电子学、计算机科学和自动化技术纳入其中。人们不仅仅是维护管网,而是试图理解其中发生的事情,并通过不同的技术手段(如数学建模、计算机、远程传输、自动化控制)来控制水流,以实现某些目标(如防止管网溢流、提高受体环境的质量),这些目标符合新的社会关注或由过去20年里城市化的快速发展以及经济危机时期产生的新需求。

据Doctors先生所述,技术转移过程要求创新的创始人和潜在应用者积极参与和投入。

当下我国排水管理似乎并不比当年的法国先进多少:很多地方的排水管理仍是被动管理;很多自控系统仍然是静态控制;在突发应急时刻(暴雨、污染)通过应用水文学、先进水力学、信息技术、电子学和自动化等手段来控制并管理水流,最大化利用现有管网,最小化控制应急污染仍然不太现实。

虽然智慧排水不是排水系统管理现代化的全部,但它一定是核心。

政治稳定是关键

一个明确且持久的共同政治管理意愿,有助于在一个流域内实施一致的自动化管理。

智慧排水的建设离不开政治上的团结和稳定。实际上政府机构做任何事都是如此,朝令夕改,阳奉阴违,部门防火墙林立…往往起到1+1+1=0.5的效果。

地方的特殊性有限

因此,可以说,在实现必要条件和从一开始就预见到的进化过程下,一个简单的自动化管理系统(如经典运营辅助或仅限于局部管理的类型)可以发展为更复杂的系统,如实时优化、层次化和分散的管理。

··· 

这些系统也可以相互结合。一个静态的自动化管理系统可以从一个适应性的动态自动化管理系统中获益匪浅。例如,在没有下雨的风险时,修复可以不在工作时间外进行,警报可以不被转发,值班可以减少… 

… 

我们可以得出结论,无论目标是什么或采用何种技术手段,目前在法国地方政府规划中的各种自动化管理类型之间存在的是一种同质性而非异质性。尽管自动化管理系统在表面上看起来多样化,但将它们归纳在一个综合表格中,我们可以断言,不同的自动化管理案例属于一个简单的类型学。