污水處理廠的智慧化改造

鄭宇祺

廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東廣州，510060

0 引言

近年來，我國污水處理廠的改造取得了很大進(jìn)展，其智能控化也越來越先進(jìn)。隨著污水處理廠出水水質(zhì)要求的提高和新技術(shù)的不斷發(fā)展，污水處理廠的智能化改造就顯得尤其重要。

1 污水處理廠智慧化的背景

十九大提出了建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的宏偉目標(biāo)。作為支撐我國國民經(jīng)濟(jì)和城市化快速、健康、有序發(fā)展的一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)，水利產(chǎn)業(yè)適應(yīng)了新時(shí)期、新要求。從“粗放發(fā)展”向“高質(zhì)量發(fā)展”，從“傳統(tǒng)模式驅(qū)動(dòng)”到“創(chuàng)新模式驅(qū)動(dòng)”的變革期。按照《城鎮(zhèn)水務(wù)2035年行業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》的發(fā)展目標(biāo)“到2035年，基本建成安全、便民、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)、智慧的現(xiàn)代化城鎮(zhèn)水務(wù)體系”，并提出了“以水為本”的發(fā)展目標(biāo)。基于人民對(duì)美好生活的期盼，基于韌性城市保障的需要和水務(wù)運(yùn)營能力，未來水務(wù)產(chǎn)業(yè)將重點(diǎn)放在飲用水安全保障、“廠網(wǎng)河湖”治理、城鎮(zhèn)排水防澇、資源節(jié)約綠色循環(huán)、水務(wù)數(shù)字化等五個(gè)方面上。而在新的信息技術(shù)支持下，供水系統(tǒng)的智能化改造是傳統(tǒng)水業(yè)突破短板、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然途徑和核心要?jiǎng)?wù)。

1.1 污水廠在提標(biāo)改造、節(jié)能降耗和運(yùn)營優(yōu)化的需求量大

“數(shù)字中國”建設(shè)是時(shí)代的必然趨勢，“十四五”規(guī)劃明確了數(shù)字時(shí)代的到來，也給水利信息化帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。數(shù)字水業(yè)作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要組成部分，是提升公共服務(wù)、社會(huì)治理等數(shù)字化和智能化水平的基礎(chǔ)。隨著“生態(tài)文明”新發(fā)展理念的提出，“碳中和”的遠(yuǎn)景目標(biāo)，我國城鎮(zhèn)供水、排水、水環(huán)境等領(lǐng)域的建設(shè)、運(yùn)營和服務(wù)水平都有待提高。而我國目前還處在起步階段，相對(duì)于燃?xì)狻㈦娏Φ绕渌袠I(yè)來說，“應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)+”的能力還相對(duì)薄弱。要加快水務(wù)數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)，打通“水安全、水資源、水生態(tài)、水景觀、水環(huán)境、水管理、水經(jīng)濟(jì)”的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)循環(huán)，助力水務(wù)行業(yè)運(yùn)營、管理、服務(wù)模式的數(shù)字化升級(jí)與創(chuàng)新。近年來，隨著我國政府日益重視環(huán)境治理的成效，我國的環(huán)保管理也逐步朝著精細(xì)化方向發(fā)展，更加注重對(duì)環(huán)境的影響。污水處理廠告別了傳統(tǒng)的發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)了“質(zhì)”和“效”的雙重升級(jí)。

1.2 技術(shù)與運(yùn)營上探索新一代的智慧污水廠經(jīng)營管理模式

深入學(xué)習(xí)習(xí)總書記對(duì)城市建設(shè)“既要善于運(yùn)用現(xiàn)代科技手段實(shí)現(xiàn)智能化，又要通過繡花般的細(xì)心、耐心、巧心提高精細(xì)化水平，繡出城市的品質(zhì)品牌”的重要囑托，研究將數(shù)字化創(chuàng)新技術(shù)運(yùn)用于市政污水處理廠智能化建設(shè)中，利用數(shù)字孿生、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)數(shù)字技術(shù)與污水處理產(chǎn)業(yè)實(shí)體深度融合，以數(shù)字化助推城鄉(xiāng)發(fā)展和污水廠治理模式的創(chuàng)新，賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式。

1.3 國家政策對(duì)水務(wù)治理的更高要求

“數(shù)字中國”是時(shí)代的必然趨勢，“十四五”規(guī)劃明確了數(shù)字時(shí)代的到來，也給水利信息化帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。在這樣的大背景下，準(zhǔn)確分析智慧水務(wù)發(fā)展過程中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，正確應(yīng)用數(shù)字技術(shù)將其與水務(wù)企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)運(yùn)營和經(jīng)營模式相融合，及時(shí)總結(jié)智慧水務(wù)建設(shè)路徑與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，是未來打造水務(wù)行業(yè)新格局下數(shù)字水務(wù)體系的重要基礎(chǔ)和必要條件。

1.4 污水廠智能技術(shù)建設(shè)與推廣缺乏頂層設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的智慧水廠建設(shè)往往根據(jù)水廠現(xiàn)狀進(jìn)行信息化升級(jí)，這樣做的優(yōu)勢是可以充分利用現(xiàn)有資源，但缺點(diǎn)在于缺少自上而下的頂層設(shè)計(jì)，雖然結(jié)合當(dāng)下熱門的人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)，但仍然難以實(shí)現(xiàn)水廠管理、服務(wù)的全面智慧化；加強(qiáng)智慧水廠運(yùn)營管理平臺(tái)的建設(shè)，要突破傳統(tǒng)的思維模式，從上到下，從最先進(jìn)的角度，從智慧城市出發(fā)，運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新的信息技術(shù)和思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)供水企業(yè)的管理、服務(wù)等方面的智能化管理，確保供水企業(yè)的安全、可靠、綠色。

2 目前水廠建設(shè)與運(yùn)營常見的問題

2.1 設(shè)備問題

系統(tǒng)集成繁瑣，易出錯(cuò)，設(shè)備故障率高、設(shè)備檢修麻煩，部分前端儀表設(shè)備采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響控制和判斷，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)營的可靠性低。

2.2 管理問題

在水廠運(yùn)營管理的過程中，往往需要配套較多的人員，容易存在工作協(xié)調(diào)難、效率低，粗放式管理的情況。

2.3 成本問題

生產(chǎn)運(yùn)營過程過度依賴人員參與，普遍存在過量的曝氣投藥導(dǎo)致整體能耗和藥耗成本上升，缺乏精細(xì)化調(diào)節(jié)。

2.4 其他問題

市場普遍存在偷排漏排現(xiàn)象，尤其是容易發(fā)生在夜間、經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝人員不值班時(shí)，偷排漏排將會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水水質(zhì)的波動(dòng)大，對(duì)污水處理工藝調(diào)整要求高，容易影響到最終的出水水質(zhì)指標(biāo)。

3 污水處理廠的智慧化改造

市政污水處理廠的智慧化改造應(yīng)立足于“規(guī)范管理、提升出水標(biāo)準(zhǔn)、減員增效、節(jié)能降耗”的建設(shè)目標(biāo)，最終通過以水質(zhì)為導(dǎo)向的智慧決策與自動(dòng)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工藝環(huán)節(jié)優(yōu)化控制。

依托于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)優(yōu)勢，對(duì)數(shù)據(jù)及資源的有效整合、挖掘、利用，發(fā)揮數(shù)據(jù)背后的價(jià)值，從傳統(tǒng)運(yùn)營思維向數(shù)字化集約化運(yùn)營轉(zhuǎn)變。通過智慧運(yùn)營管控平臺(tái)的建設(shè)，全面提升企業(yè)的生產(chǎn)管理效率和運(yùn)營水平[1]。

3.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的提升

自動(dòng)化控制系統(tǒng)的提升技術(shù)如圖1所示，控制系統(tǒng)應(yīng)確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。增加對(duì)關(guān)鍵工藝段、關(guān)鍵設(shè)備等的監(jiān)控點(diǎn)；增加突發(fā)事件自動(dòng)應(yīng)對(duì)程序；完善報(bào)警系統(tǒng)；增加局部工藝段自控調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過建模與仿真模擬出各種在實(shí)體污水廠難以實(shí)現(xiàn)的工況、運(yùn)行策略及控制策略對(duì)運(yùn)行效果的影響，從而提高污水廠的運(yùn)行質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化和節(jié)能降耗。

3.2 智能生產(chǎn)高級(jí)控制平臺(tái)建設(shè)

如圖2所示，通過在水廠PLC自控系統(tǒng)之上，基于計(jì)算機(jī)高級(jí)語言開發(fā)，并采用對(duì)象化、模塊化、平臺(tái)化的設(shè)計(jì)方法，來完成處理復(fù)雜工藝算法和業(yè)務(wù)邏輯的智能生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)智慧水廠可靠、高效、智能、低成本運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)污水廠生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性控制、工藝過程優(yōu)化控制（如智能曝氣、加藥除磷、氨氮優(yōu)化、碳源投加等）、控制回路評(píng)價(jià)分析等應(yīng)用[2]。

3.3 基于在線仿真模型的全廠運(yùn)行專家智能決策系統(tǒng)

系統(tǒng)采用污水處理工藝優(yōu)化與高級(jí)控制軟件針對(duì)全廠工藝運(yùn)行進(jìn)行建模和仿真，為污水廠的運(yùn)行管理提供運(yùn)行效果預(yù)測、方案決策支持、工藝優(yōu)化等功能。通過對(duì)實(shí)際污水廠建模與仿真，一方面可為污水廠的運(yùn)行管理提供運(yùn)行效果預(yù)測、方案決策支持、工藝優(yōu)化等服務(wù)；另一方面可對(duì)污水廠的工藝可行性進(jìn)行驗(yàn)證，提高改造方案的科學(xué)性。

3.4 智慧污水廠運(yùn)營管控平臺(tái)建設(shè)

“智慧水廠系統(tǒng)管理平臺(tái)”的建設(shè)是智慧水務(wù)的核心部分，利用先進(jìn)的現(xiàn)代信息技術(shù)，收集各廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至“智慧水廠系統(tǒng)管理云”平臺(tái)，利用不同的計(jì)算機(jī)終端，查看各類信息。不同的管理人員，可授予不同的權(quán)限，查看不同的數(shù)據(jù)等。實(shí)現(xiàn)水廠全面感知，靈活部署，實(shí)現(xiàn)專業(yè)技術(shù)人員連續(xù)值守，實(shí)時(shí)掌控各廠生產(chǎn)狀況，實(shí)現(xiàn)公司內(nèi)部生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理。

3.5 智慧安防系統(tǒng)

如圖3所示，污水廠以視頻監(jiān)控作為主要的安防監(jiān)控手段，需要加強(qiáng)安防體系的建設(shè)。加強(qiáng)廠區(qū)無人/少人值守、保證水質(zhì)安全和排水系統(tǒng)安全三大體系建設(shè)，改善污水廠生產(chǎn)裝備和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平，提高水廠智慧監(jiān)控能力，運(yùn)用現(xiàn)代科技手段建設(shè)水廠視頻監(jiān)控、智能預(yù)警、周界防范、人員管控、車輛管控等系統(tǒng)。

對(duì)于安防監(jiān)控體系的建設(shè)，是在滿足各子系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，尋求內(nèi)部各子系統(tǒng)之間、與外部其他智能化系統(tǒng)之間的完美結(jié)合。從諸如門禁、電子圍欄、監(jiān)控、道閘等感知層獲取數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)，結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)一管理界面、統(tǒng)一授權(quán)、統(tǒng)一安防管理業(yè)務(wù)流程等，同時(shí)將安防監(jiān)控體系資源作為信息化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，滿足部分生產(chǎn)運(yùn)營管理的業(yè)務(wù)需求，輔助業(yè)務(wù)流程優(yōu)化。

3.6 廠區(qū)信息安全建設(shè)

污水廠屬于相對(duì)封閉的管理環(huán)境，而隨著數(shù)字水務(wù)和智慧水務(wù)的發(fā)展，不斷有新技術(shù)、新理念和新思路提出，污水廠的數(shù)據(jù)由僅滿足于自身生產(chǎn)管理的需要逐漸向集團(tuán)和企業(yè)的集約化調(diào)度管理、展示、分析轉(zhuǎn)變，對(duì)水廠的網(wǎng)絡(luò)及信息安全的要求也日益增高，污水廠要加強(qiáng)自身的網(wǎng)絡(luò)及信息安全水平，做好安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全區(qū)域邊界、安全計(jì)算環(huán)境、安全管理中心等的建設(shè)工作。

污水廠網(wǎng)絡(luò)及信息安全對(duì)標(biāo)等保2.0進(jìn)行建設(shè)。二級(jí)系統(tǒng)安全保護(hù)環(huán)境的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：落實(shí)《GB/T 22239-2008 信息安全技術(shù) 信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》對(duì)二級(jí)系統(tǒng)的安全保護(hù)要求，在二級(jí)安全保護(hù)環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過實(shí)現(xiàn)基于安全策略模型和標(biāo)記的強(qiáng)制訪問控制以及增強(qiáng)系統(tǒng)的審計(jì)機(jī)制，使得系統(tǒng)具有在統(tǒng)一安全策略管控下，保護(hù)敏感資源的能力。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等核心技術(shù)（如圖4所示），建立了一個(gè)統(tǒng)一、開放的 IoT連接和管理平臺(tái)。IoT連接管理平臺(tái)包括數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理和操作管理，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一、安全的接入，靈活的終端配置，海量數(shù)據(jù)的收集和分析，創(chuàng)造新的價(jià)值。

數(shù)據(jù)平臺(tái)以采集、抽取、錄入、處理、分析、檢查、判定、預(yù)警、存儲(chǔ)各種生產(chǎn)和運(yùn)營數(shù)據(jù)為核心，并結(jié)合了信息數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)流分析和數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換等技術(shù)來構(gòu)建企業(yè)信息數(shù)據(jù)中心，生成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、具有擴(kuò)展性的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，讓生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高效聚合，快速互通，便捷共享，以形成合力，為實(shí)現(xiàn)公司水務(wù)運(yùn)營智慧化提供更好的基礎(chǔ)支撐。

要求在廠站中控室實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠工藝運(yùn)行的全過程監(jiān)控調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝段自動(dòng)閉環(huán)控制與狀態(tài)管理、工藝精細(xì)化調(diào)節(jié)，有效降低能耗、保障水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

要求智慧運(yùn)營管控平臺(tái)采用云架構(gòu)的部署模式，本地部署服務(wù)器做數(shù)據(jù)備份，防止數(shù)據(jù)丟失帶來的影響，在水廠部署智能通訊網(wǎng)關(guān)和PLC通訊，通過智能通訊網(wǎng)關(guān)將廠站內(nèi)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳輸?shù)皆浦屑写鎯?chǔ)。在智慧運(yùn)管管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠工藝流程、運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行綜合監(jiān)視和生產(chǎn)管理，通過WEB網(wǎng)頁或手機(jī)APP方式可隨時(shí)隨地掌握全廠運(yùn)行情況。數(shù)據(jù)補(bǔ)傳功能：如出現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集失敗，如出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，在系統(tǒng)恢復(fù)正常后，能自動(dòng)將丟失數(shù)據(jù)（不低于3天的數(shù)據(jù)）補(bǔ)傳至集團(tuán)“云平臺(tái)”[3]。

4.2 數(shù)字孿生技術(shù)

“數(shù)字孿生”是用數(shù)字化的方法構(gòu)建一個(gè)和現(xiàn)實(shí)污水廠一模一樣的數(shù)字世界的技術(shù)，通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠物理實(shí)體的了解、分析和優(yōu)化。充分利用基于BIM的三維數(shù)字物理模型、傳感器協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)行歷史存儲(chǔ)等數(shù)據(jù), 在數(shù)字化的虛擬空間中完成污水廠設(shè)施的物理映射，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的數(shù)字世界同生共存、虛實(shí)交融的格局。基于BIM三維可視化平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)虛、虛控實(shí)的過程，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結(jié)合在一起，建立模擬，即物理對(duì)象的虛擬映射的過程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控的一體化、精細(xì)化管理。數(shù)據(jù)采集依靠可靠的工業(yè)通訊設(shè)計(jì)，保證采集任務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行，為平臺(tái)提供一個(gè)完整的數(shù)字化表現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[4-5]。

將基于BIM等數(shù)字化技術(shù)的污水處理廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，通過運(yùn)行、生產(chǎn)管理平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行調(diào)度、調(diào)節(jié)、優(yōu)化。在設(shè)備管理方面，利用仿真的方法對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行仿真，從而達(dá)到機(jī)械和電器的聯(lián)動(dòng)。數(shù)字孿生在傳統(tǒng)PLC等控制設(shè)備的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，通過廠區(qū)內(nèi)大量部署的數(shù)字傳感器儀表采集各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，借助智慧水廠管理系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析，通過機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測原本無法直接測量的指標(biāo)。由此完成評(píng)估、診斷、分析、模擬、預(yù)測和決策等一系列操作，從而解決運(yùn)行管理問題。該過程主要包含：對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行BIM等數(shù)字化手段建模、對(duì)運(yùn)維階段的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析掌握產(chǎn)品的具體情況、利用同步和交互（VR和AR技術(shù)）等技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)修復(fù)。

利用廠區(qū)部署的大量的數(shù)字傳感器來采集污水廠運(yùn)行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化結(jié)合智慧水廠專家控制系統(tǒng)來避免設(shè)備的故障，改善運(yùn)營管理[6]。

5 結(jié)語

在“十四五規(guī)劃”和“碳中和”目標(biāo)的宏觀愿景之下，水務(wù)企業(yè)在完成自身數(shù)字化轉(zhuǎn)型的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的綠色可持續(xù)發(fā)展。通過促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)及數(shù)字孿生技術(shù)與市政污水處理廠區(qū)提標(biāo)或改造建設(shè)的深度融合，以數(shù)字化助推城鄉(xiāng)發(fā)展和污水廠廠區(qū)治理模式的創(chuàng)新，賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式。