城市污水處理信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王小藝 蔣耘瑋 魏 偉 許繼平 楊 斌 劉 萌

(1.北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048；2.北京金控自動(dòng)化技術(shù)有限公司，北京 100048)

目前我國(guó)大多數(shù)污水處理廠缺乏先進(jìn)的管理方式，不能充分利用生產(chǎn)設(shè)備,自動(dòng)化、智能化水平相對(duì)落后，導(dǎo)致污水處理廠出現(xiàn)高成本、低效益及出水水質(zhì)差等局面。國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)的研究成果表明，很多污水處理廠處理效率不高甚至不達(dá)標(biāo)，兵器單位處理成本較高，其根本原因并不在于原有工藝本身，而在于沒(méi)有對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行一體化、智能化的管理，沒(méi)有發(fā)揮原有工藝的處理能力。

不少研究人員對(duì)污水處理軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。陳茂東等基于ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境，利用VBA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了C/S模式的城鎮(zhèn)污水處理廠監(jiān)管的信息管理系統(tǒng)[1]；曹麗婷等基于PLC和工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)Profibus總線完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制功能[2]；劉加森和張洪明設(shè)計(jì)了B/S模式的污水廠管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人事及工資信息管理等功能[3]。但上述系統(tǒng)有兩個(gè)缺點(diǎn)：其一，運(yùn)行維護(hù)量大，難以移植，并且都需要在PC機(jī)上安裝相應(yīng)的客戶端軟件才能進(jìn)行管理操作[4]；其二，功能類型較單一，多以簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)信息管理或開(kāi)關(guān)量控制為主，沒(méi)有嵌入智能算法對(duì)污水處理過(guò)程進(jìn)行智能化管理。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者開(kāi)發(fā)了一種基于B/S模式的污水處理信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以B/S模式為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)、ExtJS和Java面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，界面友好，易于維護(hù)升級(jí)。在此基礎(chǔ)上，嵌入故障診斷專家系統(tǒng)模塊，為污水處理過(guò)程提供智能化控制方法。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用技術(shù)①

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)性工作，其性能特點(diǎn)直接影響解決方案的可靠性、安全性及開(kāi)放性等。針對(duì)城市污水處理工藝一體化管理的要求，筆者設(shè)計(jì)了如圖1所示的城市污水處理信息管理系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 城市污水處理信息管理系統(tǒng)架構(gòu)

城市污水處理信息管理系統(tǒng)建立在組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集軟件基礎(chǔ)之上，分為表示層、中間層和數(shù)據(jù)服務(wù)層。

組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可以和污水處理廠所有的控制設(shè)備通信，并從中采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集軟件負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)庫(kù)。

表示層使用ExtJS技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，包括系統(tǒng)布局及各功能模塊的顯示等，用戶可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)前端界面進(jìn)行相應(yīng)操作。

中間層為服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理程序，包括業(yè)務(wù)邏輯程序和數(shù)據(jù)庫(kù)連接程序。業(yè)務(wù)邏輯程序：系統(tǒng)的一切業(yè)務(wù)邏輯和相關(guān)規(guī)則都可以在其中得到體現(xiàn)，是中間層的主要部分，該部分主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)規(guī)則的解釋跟執(zhí)行，并接收客戶端用戶的指令請(qǐng)求，響應(yīng)客戶端請(qǐng)求；數(shù)據(jù)庫(kù)連接程序即JBDC驅(qū)動(dòng)，負(fù)責(zé)Java程序與數(shù)據(jù)庫(kù)連接交互，數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)則的確定。

數(shù)據(jù)服務(wù)層是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、安全性管理及完整性約束管理等工作。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

城市污水處理信息管理系統(tǒng)采用的主要技術(shù)有ExtJS技術(shù)、Servlet技術(shù)和MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。ExtJS框架具有強(qiáng)大的Web界面設(shè)計(jì)與顯示功能，讓開(kāi)發(fā)者可以快速構(gòu)建美觀、友好的前端界面；Servlet實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)端的信息傳遞，響應(yīng)客戶端請(qǐng)求，是系統(tǒng)重要的組成部分；MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)污水處理信息管理系統(tǒng)所有參數(shù)的管理。城市污水處理信息管理系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2 城市污水處理信息管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式

在城市污水處理信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期，綜合分析了系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能特性，并以數(shù)據(jù)查找高效性為原則，整理出各功能模塊與所操作的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系表，最終根據(jù)關(guān)系表設(shè)計(jì)功能由大到小的層次式數(shù)據(jù)庫(kù)模型。在系統(tǒng)的后臺(tái)代碼中，利用JDBC技術(shù)搭建了與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接池，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)連接及即時(shí)關(guān)閉等功能。

2 系統(tǒng)模塊功能

城市污水處理信息管理系統(tǒng)分為生產(chǎn)監(jiān)視、運(yùn)行管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析和故障診斷專家系統(tǒng)五大功能模塊。各模塊之間相互聯(lián)系，互為補(bǔ)充，構(gòu)成信息管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，完成污水處理整個(gè)工藝的運(yùn)營(yíng)監(jiān)控、設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)、故障的全面診斷、能耗與成本的綜合分析，圖3為系統(tǒng)主界面。

生產(chǎn)監(jiān)視模塊。針對(duì)污水處理過(guò)程的復(fù)雜性，需要對(duì)各個(gè)工藝階段進(jìn)行全面監(jiān)視，因此將生產(chǎn)監(jiān)視中心模塊按照各個(gè)工藝階段設(shè)計(jì)為進(jìn)水泵房、格柵間、沉淀池、反應(yīng)池、消毒間以及污泥回流泵房等模塊進(jìn)行監(jiān)視。仿照組態(tài)軟件形式設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，將各階段中所包含的設(shè)備按工藝流程添加到界面中，將數(shù)據(jù)庫(kù)中采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如進(jìn)水量、液位值及運(yùn)行狀態(tài)等顯示到各工藝階段對(duì)應(yīng)的設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 城市污水處理信息管理系統(tǒng)主界面

運(yùn)行管理模塊。運(yùn)行管理模塊的作用是從管理角度出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧和協(xié)調(diào)各部門(mén)的工作內(nèi)容，以節(jié)省人力、物力資源，發(fā)揮最大的管理效益和經(jīng)濟(jì)效益。該模塊主要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容包括運(yùn)行值班和化驗(yàn)記錄兩個(gè)功能：運(yùn)行值班主要針對(duì)值班人員而設(shè)計(jì)，包括值班日志的填寫(xiě)、巡檢記錄的填寫(xiě)和當(dāng)值人員的交接記錄；化驗(yàn)管理主要是針對(duì)工藝需求進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)的記錄和所用試劑、用品的合理化管理。

設(shè)備管理模塊。設(shè)備的儲(chǔ)備對(duì)工藝的應(yīng)急需求是十分重要的，各工藝階段所需的設(shè)備或儀表都需要在倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)備一定數(shù)量，保證在用設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)更換，防止工藝中斷。因此設(shè)備管理中心的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)添加備件信息、刪除備件信息和修改備件信息3方面展開(kāi)的。以圖表的方式顯示現(xiàn)有備件的相關(guān)信息，包括備件名稱、主要參數(shù)、廠家、庫(kù)存量和備注，直觀反映當(dāng)前庫(kù)存?zhèn)浼那闆r，方便設(shè)備統(tǒng)計(jì)管理。

數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析能直觀地反映出管理效益和工藝的運(yùn)行效益，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或者非規(guī)律性數(shù)據(jù)時(shí)，用戶可追蹤溯源查出問(wèn)題原因，從而對(duì)工藝作出相應(yīng)調(diào)整。數(shù)據(jù)分析在故障診斷和整體運(yùn)行分析中起到了關(guān)鍵性作用。信息管理系統(tǒng)針對(duì)工藝將數(shù)據(jù)分析中心劃分為能耗分析、工藝分析、成本與利潤(rùn)分析。

故障診斷專家系統(tǒng)。故障診斷專家系統(tǒng)包括知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和人機(jī)交互界面3部分[5]，故障診斷專家系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示。

圖4 故障診斷專家系統(tǒng)的架構(gòu)

知識(shí)庫(kù)是將知識(shí)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。對(duì)于基于故障樹(shù)的專家系統(tǒng)，知識(shí)庫(kù)要將故障樹(shù)對(duì)應(yīng)的故障信息表示出來(lái)，作為專家系統(tǒng)的知識(shí)[6]。故障樹(shù)所表現(xiàn)出來(lái)的事件故障因果關(guān)系使用Java語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)，可以表示成一組規(guī)則集合。

推理機(jī)是根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)定的一系列污水處理過(guò)程參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，與知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行匹配，并通過(guò)規(guī)則的執(zhí)行來(lái)修改數(shù)據(jù)庫(kù)中相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后通過(guò)不斷地推理得出診斷結(jié)論。

針對(duì)污水處理工藝過(guò)程故障診斷的特點(diǎn)，采用專家系統(tǒng)對(duì)污水處理工藝流程中的異?，F(xiàn)象進(jìn)行故障診斷,主要步驟為：

a. 系統(tǒng)對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行初始信息處理，制定故障診斷規(guī)則；

b. 從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)，并與知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行匹配，確定故障原因；

c. 根據(jù)故障信息與輔助信息，按照推理機(jī)指定的推理策略給出故障解決方案[7,8]。

用戶通過(guò)人機(jī)交互界面輸入系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容以獲得系統(tǒng)診斷推理結(jié)果解釋，設(shè)計(jì)的污水處理故障診斷專家系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 污水處理故障診斷專家系統(tǒng)界面

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了由生產(chǎn)監(jiān)視、運(yùn)行管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析和故障診斷專家系統(tǒng)5個(gè)功能模塊組成的城市污水處理信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水處理各工藝階段的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及全廠各數(shù)據(jù)指標(biāo)的分析，提高了水廠整體運(yùn)營(yíng)管理效率，為實(shí)現(xiàn)城市污水處理廠的產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供了有效的技術(shù)支持。污水處理過(guò)程故障診斷專家系統(tǒng)的嵌入，對(duì)解決我國(guó)現(xiàn)階段污水處理廠運(yùn)行管理人員缺乏，改善污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性都有積極的現(xiàn)實(shí)意義，有助于提高我國(guó)污水處理行業(yè)的管理水平和信息化水平。