污水處理廠智慧化運營管理平臺設計及研究

王 萍，楊 帆

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 污水處理廠智慧化建設的必要性

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

福建省住房和城鄉(xiāng)建設廳在完成對于福建省城鎮(zhèn)污水廠的評估考核后，下發(fā)了《關于督促加快2019 年污水處理廠運行評估問題整改的通知書》（閩建督字〔2020〕18 號），并通報了2019 年度福建省污水處理廠的運行評估考核結(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，應進行整改。

根據(jù)中央環(huán)保督察和福建省住房和城鄉(xiāng)建設廳提出的整改意見，在進行新（擴）建污水處理廠自控系統(tǒng)建設時，應對標國內(nèi)先進做法，進行智慧化提升。

要實現(xiàn)污水處理廠的高效運行，需要采取常規(guī)自動化控制和智能控制并舉的方案。常規(guī)自動化控制是指控制設備的開/ 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，邏輯運算量通過PLC 控制回路實現(xiàn)，相對簡單和固定。智能控制是指為實現(xiàn)運維管理水平提升、出水水質(zhì)穩(wěn)定、節(jié)能減耗等目標而建立的數(shù)學和機理模型及尋優(yōu)算法，以便實現(xiàn)高效能的輔助決策和精細化運行管理，以大閉環(huán)控制為主，需要模型作為后臺運算的支撐。

污水處理廠常規(guī)自動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、下達指令以及自學習[1]。

圖1 污水處理廠常規(guī)自動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)和動態(tài)信息以及分析統(tǒng)計結(jié)果，可即時查詢并展現(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、實時信息、設施信息、業(yè)務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；實現(xiàn)少人運維以及設備管理、巡檢管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和報表分析、物資管理等的智慧化；實現(xiàn)對污水污泥處理過程的嚴格監(jiān)管；實現(xiàn)對污水處理關鍵參數(shù)和狀態(tài)的全面、統(tǒng)一實時監(jiān)測；實現(xiàn)根據(jù)上級各類綜合調(diào)度指令，對污水處理廠關鍵設施設備進行遠程啟閉等調(diào)度操作；可解決污水處理廠運維及管理中的“痛點”；可提供決策支持、提高管理水平、挖掘設施潛力，保證污水處理系統(tǒng)的良好運行。

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)濟效益，設計開發(fā)了污水處理廠生產(chǎn)運行信息化管理系統(tǒng)，即污水處理廠智慧運營管理平臺。該平臺通過污水處理廠運行管理的數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡化來確立信息共享機制，建立信息化建設的領導、實施、管理體系；同時根據(jù)水廠業(yè)務需求，實現(xiàn)集中化管理、遠程監(jiān)控、報表管理、設備管理、報警管理、手機APP 應用功能。

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

系統(tǒng)需提供手機APP 來支持日常工單流轉(zhuǎn)及運行指標監(jiān)控，APP 需采用統(tǒng)一的開發(fā)平臺并且同時支持Android 和IOS 系統(tǒng)。

污水處理廠智慧運營管理平臺主要包括污水公司分調(diào)中心、廠級運行管理平臺及過程控制級。過程控制級與傳統(tǒng)污水處理廠無異，主要包括自動控制及儀表監(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”，在地圖上展示集團下各污水處理廠的分布情況及運行情況總覽，并可通過數(shù)據(jù)鉆取功能查看每個污水處理廠的詳細監(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、服務人口、集團公告以及重大事項、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)達標率等關鍵績效指標(KPI)。

（4）污水公司及各污水處理廠工單任務處理效率及完成率等工作效率指標。

（5）通過數(shù)據(jù)挖掘，還可查看每個廠的工藝健康狀況、設備健康狀況、人員或班組的工作效率等關鍵信息，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)護情況、設備異常情況、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，總覽集團所有污水處理廠的生產(chǎn)運營情況，全面掌握生產(chǎn)經(jīng)營狀況。

2.1.2 集團化報表管理

提供污水公司級運營報表、水質(zhì)匯總報表、公司級設備資產(chǎn)使用情況報表等集團常用分析匯總報表。

2.1.3 集團監(jiān)管AP P

（1）生產(chǎn)運營。污水公司管理者可通過手機APP，時刻關注并精準管控集團內(nèi)各水廠的各項運營指標，通過多維度分析數(shù)據(jù)，分析集團內(nèi)各水廠運營的問題，為集團管理者對下屬水廠的生產(chǎn)運營提供良好的決策支持，優(yōu)化生產(chǎn)運營指標，改進生產(chǎn)運營計劃。生產(chǎn)運營指標包括：集團水處理總量、整體水質(zhì)達標率、總體能耗數(shù)據(jù)（電耗、藥耗、碳源消耗等）、各水廠出水指標等。

（2）設備資產(chǎn)。集團管理人員可通過手機APP，關注集團的設備資產(chǎn)信息，監(jiān)控集團設備整體健康狀態(tài)，并通過APP 可視化分析圖表，了解集團所有工廠的設備運維效率、設備故障類型分布，以及關鍵設備能耗分布等數(shù)據(jù)。通過可視化分析圖表，可幫助設備資產(chǎn)管理者找出數(shù)據(jù)問題關鍵點，改進集團內(nèi)整體設備管控流程和計劃。

（3）應急事件。集團內(nèi)應急事件觸發(fā)后，系統(tǒng)會根據(jù)應急事件的處理預案，將事件通過手機APP 推送給相關人員，相關工作人員可通過移動APP 查看事件具體詳情和預案具體內(nèi)容，嚴格按照應急預案的工作流程處理應急事件。并可通過手機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。

邏輯學上的概念，包括三個方面：內(nèi)涵，外延，內(nèi)涵與外延的關系。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，到達什么樣的一個度？內(nèi)涵與外延的關系，講的是條件與限制。內(nèi)涵、外延、關系，三者互為包含，互不分割。

2.2 廠級運行管理平臺

2.2.1 廠級三維數(shù)字化建模

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

（2）三維數(shù)字模型應用。基于全廠以及各工藝段三維數(shù)字化模型，實景體現(xiàn)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、關鍵指標數(shù)據(jù)，并通過模型從各個角度有效監(jiān)控各關鍵指標，及時處理各種故障和預警情況，再以多媒體方式反饋處理結(jié)果。

2.2.2 運營管理可視化平臺

（1）運營分析中心。該中心包括以下3 類指標：

a. 生產(chǎn)運行類指標。對全廠運營情況進行匯總計算和統(tǒng)計分析，通過圖表等形式給管理者提供直觀的運營數(shù)據(jù)展示，如進出水流量、出水水質(zhì)及達標率等水質(zhì)信息。

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

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

（3）報警異常分析中心。該中心通過監(jiān)控全廠報警和巡檢的異常信息，顯示報警和異常的處理進度。相關工作人員可通過監(jiān)控中心，上升報警級別，催促處理進度以及指揮應急事件處理等。系統(tǒng)對報警和異常的處理效率、報警程度分布、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，可幫助管理者實時掌控廠內(nèi)運行風險；在改進運營指標、計劃等工作中，為管理者提供強有力的決策支持。

（4）工藝運行分析中心。該中心通過將實時采集的生產(chǎn)運行監(jiān)測點和工藝控制設定參數(shù)等多個指標數(shù)據(jù)進行趨勢和關聯(lián)變化關系的對比分析，幫助工藝運行人員及時發(fā)現(xiàn)運行異常，及時調(diào)整工藝參數(shù)或發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題。

2.2.3 運維管理系統(tǒng)

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

（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行線上的封存管理，實時掌握備品備件的庫存狀況，并詳細了解現(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)會根據(jù)所設置的維護保養(yǎng)項目以及維護保養(yǎng)計劃，自動生成維保工單，并在指定日期下發(fā)工單給相關的工作人員。將設備的維保工單進行報表統(tǒng)計，記錄任務工單的處理進度、任務明細以及處理流程數(shù)據(jù)，并實時反饋工單執(zhí)行結(jié)果。

2.2.4 移動AP P 應用

（1）顯示任務/ 關注/ 消息。自定義設置顯示內(nèi)容、待辦任務快捷查看、KPI 數(shù)據(jù)查看；自定義設置顯示內(nèi)容，支持對關注內(nèi)容添加關注，支持查看任務消息、報警消息、系統(tǒng)消息。

（2）進行生產(chǎn)運行實時監(jiān)測。包括實時監(jiān)測工藝畫面、關鍵指標、趨勢曲線；實時推送預警報警信息，實時進行歷史信息管理，報警信息分析等。

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

（4）維修養(yǎng)護管理。包括設備維修養(yǎng)護計劃制定、維修養(yǎng)護任務發(fā)布、結(jié)果反饋、維修養(yǎng)護KPI 分析。

（5）水質(zhì)化驗管理的移動端應用。

（6）基于AR 的遠程專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)專家和現(xiàn)場工作人員的實時會話（至少支持6 人同時在線），現(xiàn)場端可共享第一視角視頻，支持凍結(jié)畫面實時標注，可實時推送圖紙及操作指導，支持作業(yè)過程視頻記錄。專家端兼容PC、手機、平板，現(xiàn)場端集成在本移動APP 應用中。

2.3 智慧化運營管理平臺架構及具體內(nèi)容

智慧化運營管理平臺架構及具體內(nèi)容見圖2。

圖2 智慧化污水處理廠建設架構

圖2中污水公司分調(diào)中心與廠級運行管理平臺采用超融合架構，每個污水處理廠不用單獨部署應用，從而提高了運行效率。污水公司分調(diào)中心幫助管理者準確下發(fā)運營指標，為優(yōu)化運營計劃提供數(shù)據(jù)支持，并為實現(xiàn)廠站網(wǎng)絡一體化調(diào)度打下基礎。廠級運行管理平臺通過污水處理廠數(shù)字化感知和生物建模技術，對污水生產(chǎn)進行系統(tǒng)化、定量化分析和評估，在設備運維管理、數(shù)據(jù)分析指導、工藝運行優(yōu)化和生產(chǎn)決策支持等方面提升污水處理廠運維管理水平。

3 結(jié) 語

本文所設計的污水處理廠智慧運營管理平臺與自動化控制緊密結(jié)合，包含污水公司分調(diào)中心、廠級運行管理平臺及過程控制級。污水處理廠智慧運營管理平臺通過實時采集自動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)運行數(shù)據(jù)與上層管理決策數(shù)據(jù)的快速、準確、高效的共享與交換；實現(xiàn)了實時采集和存儲生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，直觀展示污水處理生產(chǎn)運行情況，智能分析指導生產(chǎn)運行調(diào)度，及時準確生成統(tǒng)計分析報表，科學規(guī)范管理設備資產(chǎn)，快速高效進行成本分析，簡潔快速進行計劃管理，從而達到了細致入微的企業(yè)體系管理，全面提升生產(chǎn)管理效率和運營水平的信息化管理目標。