污水處理廠智慧化運(yùn)營管理平臺(tái)設(shè)計(jì)及研究

王 萍，楊 帆

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

1 污水處理廠智慧化建設(shè)的必要性

本文基于廈門市8 座傳統(tǒng)污水處理廠的運(yùn)營現(xiàn)狀，分析構(gòu)建污水處理廠智慧運(yùn)營管理平臺(tái)的必要性。

福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳在完成對于福建省城鎮(zhèn)污水廠的評(píng)估考核后，下發(fā)了《關(guān)于督促加快2019 年污水處理廠運(yùn)行評(píng)估問題整改的通知書》（閩建督字〔2020〕18 號(hào)），并通報(bào)了2019 年度福建省污水處理廠的運(yùn)行評(píng)估考核結(jié)果，其中提及廈門市8 座現(xiàn)狀傳統(tǒng)污水處理廠存在自控系統(tǒng)較為老舊落后，功能房配置和自控程度等方面水平較低，污水處理廠的自控軟件及硬件配置整體水平相對落后的問題，應(yīng)進(jìn)行整改。

根據(jù)中央環(huán)保督察和福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳提出的整改意見，在進(jìn)行新（擴(kuò)）建污水處理廠自控系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，應(yīng)對標(biāo)國內(nèi)先進(jìn)做法，進(jìn)行智慧化提升。

要實(shí)現(xiàn)污水處理廠的高效運(yùn)行，需要采取常規(guī)自動(dòng)化控制和智能控制并舉的方案。常規(guī)自動(dòng)化控制是指控制設(shè)備的開/ 停、液位、流量等以常規(guī)邏輯控制為主的環(huán)節(jié)，在水廠過程控制中占60%～80%的比例，以小閉環(huán)為主，邏輯運(yùn)算量通過PLC 控制回路實(shí)現(xiàn)，相對簡單和固定。智能控制是指為實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理水平提升、出水水質(zhì)穩(wěn)定、節(jié)能減耗等目標(biāo)而建立的數(shù)學(xué)和機(jī)理模型及尋優(yōu)算法，以便實(shí)現(xiàn)高效能的輔助決策和精細(xì)化運(yùn)行管理，以大閉環(huán)控制為主，需要模型作為后臺(tái)運(yùn)算的支撐。

污水處理廠常規(guī)自動(dòng)化控制和智能控制流程見圖1。

由圖1 可知：采取常規(guī)自動(dòng)化控制的傳統(tǒng)污水處理廠致力于現(xiàn)場的感知、執(zhí)行和反饋，而采取智能控制的智慧化污水處理廠致力于污水處理全局的協(xié)調(diào)、調(diào)度、決策、下達(dá)指令以及自學(xué)習(xí)[1]。

圖1 污水處理廠常規(guī)自動(dòng)化控制和智能控制流程

傳統(tǒng)污水處理廠與智慧化污水處理廠在管理模式、水質(zhì)安全、行業(yè)監(jiān)管和運(yùn)營成本上的對比見表1。

由表1 可知，若是能將傳統(tǒng)污水處理廠改造為智慧化污水處理廠，即可建立起集中所有污水處理廠靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息以及分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可即時(shí)查詢并展現(xiàn)的污水處理廠“一張圖”；建立起集中污水處理廠所有地理信息、實(shí)時(shí)信息、設(shè)施信息、業(yè)務(wù)信息等的污水處理廠數(shù)據(jù)庫；建立起包含污水處理廠各方面的水質(zhì)模型；實(shí)現(xiàn)少人運(yùn)維以及設(shè)備管理、巡檢管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和報(bào)表分析、物資管理等的智慧化；實(shí)現(xiàn)對污水污泥處理過程的嚴(yán)格監(jiān)管；實(shí)現(xiàn)對污水處理關(guān)鍵參數(shù)和狀態(tài)的全面、統(tǒng)一實(shí)時(shí)監(jiān)測；實(shí)現(xiàn)根據(jù)上級(jí)各類綜合調(diào)度指令，對污水處理廠關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟閉等調(diào)度操作；可解決污水處理廠運(yùn)維及管理中的“痛點(diǎn)”；可提供決策支持、提高管理水平、挖掘設(shè)施潛力，保證污水處理系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

表1 傳統(tǒng)污水處理廠與智慧化污水處理廠的對比

2 污水處理廠自控及智慧化方案

為提高企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營管理水平，提高企業(yè)的核心競爭力和經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)開發(fā)了污水處理廠生產(chǎn)運(yùn)行信息化管理系統(tǒng)，即污水處理廠智慧運(yùn)營管理平臺(tái)。該平臺(tái)通過污水處理廠運(yùn)行管理的數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化來確立信息共享機(jī)制，建立信息化建設(shè)的領(lǐng)導(dǎo)、實(shí)施、管理體系；同時(shí)根據(jù)水廠業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)集中化管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)表管理、設(shè)備管理、報(bào)警管理、手機(jī)APP 應(yīng)用功能。

為了滿足運(yùn)營數(shù)據(jù)采集需要，自控采集點(diǎn)需要支持自動(dòng)采集和手工錄入2 種形式；數(shù)據(jù)采集軟件應(yīng)具有支持分布式采集的功能，以滿足大量數(shù)據(jù)點(diǎn)采集的性能要求。

系統(tǒng)需提供手機(jī)APP 來支持日常工單流轉(zhuǎn)及運(yùn)行指標(biāo)監(jiān)控，APP 需采用統(tǒng)一的開發(fā)平臺(tái)并且同時(shí)支持Android 和IOS 系統(tǒng)。

污水處理廠智慧運(yùn)營管理平臺(tái)主要包括污水公司分調(diào)中心、廠級(jí)運(yùn)行管理平臺(tái)及過程控制級(jí)。過程控制級(jí)與傳統(tǒng)污水處理廠無異，主要包括自動(dòng)控制及儀表監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)信息安全系統(tǒng)，本文不再贅述。

2.1 污水公司分調(diào)中心

2.1.1 可視化綜合監(jiān)管“一張圖”

建立污水公司下屬所有污水處理廠一體化監(jiān)管“一張圖”，在地圖上展示集團(tuán)下各污水處理廠的分布情況及運(yùn)行情況總覽，并可通過數(shù)據(jù)鉆取功能查看每個(gè)污水處理廠的詳細(xì)監(jiān)管信息。

監(jiān)管“一張圖”可以查看包括但不限于的如下信息：

（1）污水分調(diào)中心及各污水處理廠的處理量、服務(wù)人口、集團(tuán)公告以及重大事項(xiàng)、突發(fā)事件處理和跟蹤信息。

（2）污水公司及各污水處理廠藥耗、電耗、碳源消耗等匯總信息。

（3）污水公司及各污水處理廠的水質(zhì)達(dá)標(biāo)率等關(guān)鍵績效指標(biāo)(KPI)。

（4）污水公司及各污水處理廠工單任務(wù)處理效率及完成率等工作效率指標(biāo)。

（5）通過數(shù)據(jù)挖掘，還可查看每個(gè)廠的工藝健康狀況、設(shè)備健康狀況、人員或班組的工作效率等關(guān)鍵信息，如人員分類匯總信息、水質(zhì)水量信息、能耗藥耗信息、維修巡檢養(yǎng)護(hù)情況、設(shè)備異常情況、備件使用及庫存情況、突發(fā)事件處理情況等。

通過“一張圖”及數(shù)據(jù)挖掘，總覽集團(tuán)所有污水處理廠的生產(chǎn)運(yùn)營情況，全面掌握生產(chǎn)經(jīng)營狀況。

2.1.2 集團(tuán)化報(bào)表管理

提供污水公司級(jí)運(yùn)營報(bào)表、水質(zhì)匯總報(bào)表、公司級(jí)設(shè)備資產(chǎn)使用情況報(bào)表等集團(tuán)常用分析匯總報(bào)表。

2.1.3 集團(tuán)監(jiān)管AP P

（1）生產(chǎn)運(yùn)營。污水公司管理者可通過手機(jī)APP，時(shí)刻關(guān)注并精準(zhǔn)管控集團(tuán)內(nèi)各水廠的各項(xiàng)運(yùn)營指標(biāo)，通過多維度分析數(shù)據(jù)，分析集團(tuán)內(nèi)各水廠運(yùn)營的問題，為集團(tuán)管理者對下屬水廠的生產(chǎn)運(yùn)營提供良好的決策支持，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)營指標(biāo)，改進(jìn)生產(chǎn)運(yùn)營計(jì)劃。生產(chǎn)運(yùn)營指標(biāo)包括：集團(tuán)水處理總量、整體水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、總體能耗數(shù)據(jù)（電耗、藥耗、碳源消耗等）、各水廠出水指標(biāo)等。

（2）設(shè)備資產(chǎn)。集團(tuán)管理人員可通過手機(jī)APP，關(guān)注集團(tuán)的設(shè)備資產(chǎn)信息，監(jiān)控集團(tuán)設(shè)備整體健康狀態(tài)，并通過APP 可視化分析圖表，了解集團(tuán)所有工廠的設(shè)備運(yùn)維效率、設(shè)備故障類型分布，以及關(guān)鍵設(shè)備能耗分布等數(shù)據(jù)。通過可視化分析圖表，可幫助設(shè)備資產(chǎn)管理者找出數(shù)據(jù)問題關(guān)鍵點(diǎn)，改進(jìn)集團(tuán)內(nèi)整體設(shè)備管控流程和計(jì)劃。

（3）應(yīng)急事件。集團(tuán)內(nèi)應(yīng)急事件觸發(fā)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)應(yīng)急事件的處理預(yù)案，將事件通過手機(jī)APP 推送給相關(guān)人員，相關(guān)工作人員可通過移動(dòng)APP 查看事件具體詳情和預(yù)案具體內(nèi)容，嚴(yán)格按照應(yīng)急預(yù)案的工作流程處理應(yīng)急事件。并可通過手機(jī)APP 記錄事件處理的過程信息。APP 支持“文字”、“語音”、“圖片”和“視頻”的信息反饋方式。

邏輯學(xué)上的概念，包括三個(gè)方面：內(nèi)涵，外延，內(nèi)涵與外延的關(guān)系。內(nèi)涵指的是給對象的定義，指包括哪些現(xiàn)象、因素或問題。外延指的是邊界，即這些現(xiàn)象、因素或問題的數(shù)量和規(guī)模，到達(dá)什么樣的一個(gè)度？內(nèi)涵與外延的關(guān)系，講的是條件與限制。內(nèi)涵、外延、關(guān)系，三者互為包含，互不分割。

2.2 廠級(jí)運(yùn)行管理平臺(tái)

2.2.1 廠級(jí)三維數(shù)字化建模

（1）全廠、工藝段三維數(shù)字模型搭建。搭建整個(gè)污水處理廠的三維數(shù)字化模型，采用高空相機(jī)、平面巡視相機(jī)等視角建模，可形象展示具體廠站的三維立體空間結(jié)構(gòu)、工藝段、運(yùn)行實(shí)景的模擬情況，達(dá)到實(shí)景體驗(yàn)、有效監(jiān)管的目標(biāo)。

（2）三維數(shù)字模型應(yīng)用。基于全廠以及各工藝段三維數(shù)字化模型，實(shí)景體現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，并通過模型從各個(gè)角度有效監(jiān)控各關(guān)鍵指標(biāo)，及時(shí)處理各種故障和預(yù)警情況，再以多媒體方式反饋處理結(jié)果。

2.2.2 運(yùn)營管理可視化平臺(tái)

（1）運(yùn)營分析中心。該中心包括以下3 類指標(biāo)：

a. 生產(chǎn)運(yùn)行類指標(biāo)。對全廠運(yùn)營情況進(jìn)行匯總計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，通過圖表等形式給管理者提供直觀的運(yùn)營數(shù)據(jù)展示，如進(jìn)出水流量、出水水質(zhì)及達(dá)標(biāo)率等水質(zhì)信息。

b. 能耗藥耗類指標(biāo)。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前能耗數(shù)據(jù)，同時(shí)通過存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，記錄和計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)的主要設(shè)備能耗量，并計(jì)算出最終的能耗成本。實(shí)現(xiàn)對污水處理廠部分能耗較大的工藝端的電耗統(tǒng)計(jì)，按照工藝段、設(shè)備等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和歷史綜合監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)小時(shí)、天、月、年等分類統(tǒng)計(jì)，并輔助以電耗單價(jià)情況計(jì)算的能耗成本，給管理人員提供節(jié)能降耗的操作依據(jù)；通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方式或者人工錄入方式進(jìn)行藥耗量統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合投藥量和藥品單價(jià)計(jì)算出藥耗成本。

（2）設(shè)備運(yùn)行分析中心。該中心通過以可視化圖表形式展示的資產(chǎn)及設(shè)備運(yùn)行狀況的匯總分析結(jié)果，可以使管理人員掌控廠內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)效率、設(shè)備利用率、設(shè)備故障率及故障類型，了解設(shè)備生命周期內(nèi)的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)低效或高故障率的設(shè)備。為維修、更換等行動(dòng)和預(yù)算提供數(shù)據(jù)支撐，降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）報(bào)警異常分析中心。該中心通過監(jiān)控全廠報(bào)警和巡檢的異常信息，顯示報(bào)警和異常的處理進(jìn)度。相關(guān)工作人員可通過監(jiān)控中心，上升報(bào)警級(jí)別，催促處理進(jìn)度以及指揮應(yīng)急事件處理等。系統(tǒng)對報(bào)警和異常的處理效率、報(bào)警程度分布、發(fā)生區(qū)域分布的監(jiān)控，通過多種可視化圖形和日歷看板等展現(xiàn)方式，可幫助管理者實(shí)時(shí)掌控廠內(nèi)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；在改進(jìn)運(yùn)營指標(biāo)、計(jì)劃等工作中，為管理者提供強(qiáng)有力的決策支持。

（4）工藝運(yùn)行分析中心。該中心通過將實(shí)時(shí)采集的生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)測點(diǎn)和工藝控制設(shè)定參數(shù)等多個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢和關(guān)聯(lián)變化關(guān)系的對比分析，幫助工藝運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)或發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題。

2.2.3 運(yùn)維管理系統(tǒng)

（1）設(shè)備臺(tái)賬管理。建立污水廠設(shè)備的全過程管理，包括臺(tái)賬、使用、維修、維保、報(bào)廢等一系列過程。通過設(shè)備生命周期管理，使得設(shè)備管理規(guī)范化，以提升設(shè)備使用效率，減緩損耗，達(dá)到成本控制的目的。

（2）備品備件管理。提供備品備件的資產(chǎn)管理，方便用戶對已有的備品備件庫存進(jìn)行線上的封存管理，實(shí)時(shí)掌握備品備件的庫存狀況，并詳細(xì)了解現(xiàn)有庫存的出入狀況，追蹤到人，使得企業(yè)對自身的資產(chǎn)狀況一目了然。

（3）工單管理。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所設(shè)置的維護(hù)保養(yǎng)項(xiàng)目以及維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，自動(dòng)生成維保工單，并在指定日期下發(fā)工單給相關(guān)的工作人員。將設(shè)備的維保工單進(jìn)行報(bào)表統(tǒng)計(jì)，記錄任務(wù)工單的處理進(jìn)度、任務(wù)明細(xì)以及處理流程數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)反饋工單執(zhí)行結(jié)果。

2.2.4 移動(dòng)AP P 應(yīng)用

（1）顯示任務(wù)/ 關(guān)注/ 消息。自定義設(shè)置顯示內(nèi)容、待辦任務(wù)快捷查看、KPI 數(shù)據(jù)查看；自定義設(shè)置顯示內(nèi)容，支持對關(guān)注內(nèi)容添加關(guān)注，支持查看任務(wù)消息、報(bào)警消息、系統(tǒng)消息。

（2）進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。包括實(shí)時(shí)監(jiān)測工藝畫面、關(guān)鍵指標(biāo)、趨勢曲線；實(shí)時(shí)推送預(yù)警報(bào)警信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行歷史信息管理，報(bào)警信息分析等。

（3）巡檢管理。包括巡檢計(jì)劃制定、任務(wù)發(fā)布、巡檢結(jié)果反饋、巡檢KPI 分析。

（4）維修養(yǎng)護(hù)管理。包括設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)計(jì)劃制定、維修養(yǎng)護(hù)任務(wù)發(fā)布、結(jié)果反饋、維修養(yǎng)護(hù)KPI 分析。

（5）水質(zhì)化驗(yàn)管理的移動(dòng)端應(yīng)用。

（6）基于AR 的遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)專家和現(xiàn)場工作人員的實(shí)時(shí)會(huì)話（至少支持6 人同時(shí)在線），現(xiàn)場端可共享第一視角視頻，支持凍結(jié)畫面實(shí)時(shí)標(biāo)注，可實(shí)時(shí)推送圖紙及操作指導(dǎo)，支持作業(yè)過程視頻記錄。專家端兼容PC、手機(jī)、平板，現(xiàn)場端集成在本移動(dòng)APP 應(yīng)用中。

2.3 智慧化運(yùn)營管理平臺(tái)架構(gòu)及具體內(nèi)容

智慧化運(yùn)營管理平臺(tái)架構(gòu)及具體內(nèi)容見圖2。

圖2 智慧化污水處理廠建設(shè)架構(gòu)

圖2中污水公司分調(diào)中心與廠級(jí)運(yùn)行管理平臺(tái)采用超融合架構(gòu)，每個(gè)污水處理廠不用單獨(dú)部署應(yīng)用，從而提高了運(yùn)行效率。污水公司分調(diào)中心幫助管理者準(zhǔn)確下發(fā)運(yùn)營指標(biāo)，為優(yōu)化運(yùn)營計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支持，并為實(shí)現(xiàn)廠站網(wǎng)絡(luò)一體化調(diào)度打下基礎(chǔ)。廠級(jí)運(yùn)行管理平臺(tái)通過污水處理廠數(shù)字化感知和生物建模技術(shù)，對污水生產(chǎn)進(jìn)行系統(tǒng)化、定量化分析和評(píng)估，在設(shè)備運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)、工藝運(yùn)行優(yōu)化和生產(chǎn)決策支持等方面提升污水處理廠運(yùn)維管理水平。

3 結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)的污水處理廠智慧運(yùn)營管理平臺(tái)與自動(dòng)化控制緊密結(jié)合，包含污水公司分調(diào)中心、廠級(jí)運(yùn)行管理平臺(tái)及過程控制級(jí)。污水處理廠智慧運(yùn)營管理平臺(tái)通過實(shí)時(shí)采集自動(dòng)化控制及儀表傳感器等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)字模型統(tǒng)一聯(lián)系起來，建立起企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)與上層管理決策數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確、高效的共享與交換；實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，直觀展示污水處理生產(chǎn)運(yùn)行情況，智能分析指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)度，及時(shí)準(zhǔn)確生成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，科學(xué)規(guī)范管理設(shè)備資產(chǎn)，快速高效進(jìn)行成本分析，簡潔快速進(jìn)行計(jì)劃管理，從而達(dá)到了細(xì)致入微的企業(yè)體系管理，全面提升生產(chǎn)管理效率和運(yùn)營水平的信息化管理目標(biāo)。