智慧污水廠組成域邏輯分析與框架設計

鄂男旬

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智慧污水廠組成域邏輯分析與框架設計

鄂男旬

（沈陽建筑大學 市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

通過分析智慧污水廠的內涵，提出其實現污水全過程控制管理、實現設備的故障報修和定期維護、實現物料的智慧管理、實現智能診斷等功能需求，搭建其構成框架以完善“智慧水務”建設，豐富“智慧城市”組成部分。隨著智慧地球的提出、科技的進步和人民生活質量提高，污水廠的管理要求也進一步提高，智慧污水廠發展成為必然的趨勢。

智慧； 污水； 信息化建設；

現如今已經迎來了水行業變革的契機。首先，從政策層面，“十三五”規劃綱要中專欄13新型城鎮化建設重大工程第四點明確提出建設智慧城市，以基礎設施智能化、公共服務便利化、社會治理精細化為重點，充分運用現代信息技術和大數據，建設一批新型示范性智慧城市。“十三五”規劃配合《水十條》提出，就可以看出，國家、政府、乃至于整個行業，都已經史無前例的對水資源給與了高度的關注和重視。

作為水行業重要組成部分的污水處理行業在我國迅速發展，污水廠運營、管理等方面技術已達瓶頸。因此，智慧控制系統作為運營管理的重要組成部分被重視起來。污水處理自動化、信息化及智能化技術隨著行業監管的加強、人工成本的上升和企業盈利狀況需要進一步發展。“智慧污水廠”主要通過先進的設備和智慧控制系統對污水進行處理，從而實現“節能降耗”處理污水的目的。

城市的污水處理正發展為“智慧化”的新范式，城市的“智慧”特征更突出：一方面，管理者通過運用各類新興技術手段來滿足城市內污水處理需求；另一方面，城市范圍內不同的業務部門之間乃至各城市之間需要有效的貫通，通過數據采集、大數據的智慧化分析及信息整理，實現污水處理智慧化控制。

1 智慧污水廠功能需求

1.1 能夠實現智能診斷

現階段污水處理的異常診斷仍然依靠廠內經驗豐富的技術專家進行人工判斷，其主要過程為：查看日報數據->根據經驗找出異常水質指標->根據具體異常數據判斷處理方法。復雜的診斷經驗往往掌握在少數專家手中。隨著水質采樣設備的發展以及分布式控制系統（DCS）在污水處理過程中的應用，污水處理數據大量增長，傳統的依靠專家經驗對水質進行實時評估監測的方法在準確性以及速度上已無法滿足需求[2]。計算機技術的發展和相關算法的深入研究，使得傳統工業模式與現代計算機技術逐漸融合，提高工業運作的效率并進一步降低了人力成本。所以，將計算機技術引入污水處理異常診斷中，形成通用的自動化的在線診斷系統，可以大幅提高污水處理廠的運行效率，降低人工操作的成本，提高診斷準確性。

1.2 能夠實現污水全過程控制管理

通過只能診斷的實現得以監測污水處理運行情況的全過程，通過只能診斷生成得到的各種圖表，為系統決策提供數據支持。同時，通過“智慧污水廠”控制系統，實現生產運營的調度和管理，并根據情況進行及時管控。

1.3 能夠實現設備的故障報修和定期維護

機械設備聯入物聯網，可以根據自身運行時間、耗能、效率等狀態進行智能判斷，了解其自身是否需要維護、維修，將這些數據直接發送至廠家，形成區域性網絡，由廠家統一管理地區設備的維護工作。

1.4 能夠實現物料的智慧管理

通過運行狀況分析，判斷藥品剩余情況，當藥品余量不足時，自動向預設電商提交訂單，判斷耗電量自動繳納電費等。

2 智慧污水廠組成域

參考項目管理的“人機料法環測”以及工業4.0中縱向維度的構成，可將信息、知識、功能等定義為虛擬資源；而對應工業4.0的水平維度，實體資源依據空間尺度的不同進行劃分，包括人力、物料、設備等。虛擬資源和實體資源聯合則被定義為資源域；工業4.0縱向維度中資源的集成、交互需由相關架構和規范等決定，將其定義為組織域；污水廠本身作為污水處理行業中的服務單元，其對應工業4.0全生命周期維度的各階段均可視為服務環節[3]。其表述圖見圖1。

3 資源域內組成及映射關系

資源域應包含實體資源域和虛擬資源域兩種。其中，實體資源域為真實存在的實物，如機械設備、水廠進水、電能等；虛擬資源域則有如操作經驗、建模仿真、管理制度等。如此，將實體資源域分為人力域、設備域和物料域三種，而將虛擬資源域劃分為功能域、知識域與信息域。其模型參考圖2。

圖1 智慧污水廠組成域層級映射關系

圖2 資源域內層級映射參考模型

人力域包括專業層、管理層和操作層三部分人員。專業層為廠長及部分專家；管理層為數據統計人員、財務分析人員等；操作層為實驗員和工人。

設備域包括機械設備、監測設備、信息處理設備等，為污水廠運行提供數據支持、數據分析及執行機構。

物料域包括進入污水廠的原水、處理污水所用化學藥劑、處理污水所消耗的能源、處理達標的出水及污泥、沼氣等中間產物。

功能域表現了智慧污水廠的概念用途，其能夠對處理過程進行仿真建模模擬處理流程，根據模擬過程管理調整處理流程，制定高效的運行計劃，在運行過程中記錄相關數據，提供可視化的圖表信息，智能化分析數據圖表，細節微調達到節能降耗的目的，對生產資源進行合理分配。并與設備商合作，要求設備損壞能自報修，廠家自主安排維修維護。

知識域為智慧污水廠運行的核心，其中應有所在污水處理廠的工藝原理全流程，收錄工作人員多年的操作經驗，提供數據分析的合理的、科學的算法，對整個污水廠進行仿真建模，并不斷的優化模型。

信息域是整個智慧污水廠運行的紐帶，有其連接功能域、知識域、設備域、物料域，進行數據傳輸處理，信號收發等功能。

4 污水廠框架設計

以資源域為核心搭建污水廠框架雛形基于污水廠資源域內參考模型，實體與虛擬資源間需要保持一致，因此可從實體資源層開始，自下而上搭建污水廠框架雛形，依次包括虛擬資源層、核心服務層、功能組件層/應用接口層、應用層和交互服務層。

圖3 智慧污水廠構架體系

圖3參考架構將各組成域內涵映射為完整的污水廠組織架構，并借鑒了智慧制造系統中的7項特征，即信息驅動、知識驅動、系統自治、自組織、自維護、虛擬制造和人機協同。

5 結束語

污水處理過程復雜多變，經過多方面的因素相互影響可以產生各種不同的結果。所以以往比較依賴老員工的工作經驗進行分析及解決各種問題。但是這類經驗很難總結、傳遞，更加難以廣泛運用。建設智慧污水廠，可以替代過去憑專家經驗獲取的對未來的預測，而且現在憑借數據分析還能做到更好、更精確，并有助于回避個人認知的局限和經驗的混淆，把經驗歸納為數學公式、曲線，從其中推斷一些具體的結果，從而達到預測、預警的目的，并能提供多組運行方案，提高污水處理自動化控制系統整體運行的科學性、信息性、智能性。從而提高了污水處理的效率，并科學的實現了節能降耗的目的。

通過建設智慧污水廠，能夠有效地提升污水處理廠的管理水平，能夠提升污水處理廠的核心競爭力，能夠提升污水處理廠的智慧管理水平，提升了污水處理廠辦事效率和服務水平。這樣才會提升污水處理效率，促進行業長遠發展。

［1］張之滄, 閭國年. “智慧地球”概念解析[J]. 自然辯證法研究, 2015，(11):117-122.

［2］趙曦.智慧污水廠建設運行模式的探討[J]. 科研, 2017，(2):00243-00243.

［3］張益, 馮毅萍, 榮岡. 智慧工廠的參考模型與關鍵技術[J]. 計算機集成制造系統, 2016, 22(1):1-12.

Logical Analysis and Frame Designof Constituent Domains of Smart Wastewater Treatment Plant

（Shenyang Jianzhu University, Liaoning Shenyang 110168, China）

The connotation of smart wastewater treatment plant was analyzed, and its functional requirements were discussed, such as whole process control management of wastewater treatment,fault repair and regular maintenance of equipments,the material management, intelligent diagnosis and so on. The smart wastewater treatment framework was established to improve the "smart water service " construction.

intelligence; sewage; information construction

X703

A

1004-0935（2017）10-1002-03

2017-08-11

鄂男旬（1993-），男，碩士，遼寧省錦州市人，研究方向：智慧污水處理廠。