基于產排預測的園區固廢管理系統設計與應用

石靖靖，陳盛龍，李強，夏詔杰，張文娟

（1.中國科學院過程工程研究所中國科學院綠色過程與工程重點實驗室戰略金屬資源綠色循環利用國家工程研究中心，北京 100190；2.中國科學院過程工程研究所 多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190；3.中國科學院大學 化學工程學院，北京 100049；4.沈陽化工大學 化學工程學院，遼寧 沈陽 110142）

“十三五”以來，我國對于固體廢物（以下簡稱固廢）處置和利用過程管理不斷加強，其信息化管理體系建設取得了顯著成效[1]。2020年9月1日，新《固體廢物污染環境防治法》實施，明確提出“建立全國危險廢物等固體廢物污染環境防治信息平臺，推進固體廢物收集、轉移、處置等全過程監控和信息化追溯”等固廢嚴格管理要求。目前，生態環境部已建立了全國層面的固廢信息管理系統[2，3]，各省市也建立了省市級層面的固廢信息管理系統[4，5]。這類系統以企業整體為管理對象，通過涉固廢主體（主要是企業）申報進行數據采集和追蹤，已實現固廢的基本信息備案、申報登記、統計查詢、轉移聯單、跟蹤溯源等宏觀管理功能[6-8]。

在國家、省市層面固廢信息管理系統建設的同時，工業園區（包括大宗固廢綜合利用基地等）作為我國工業生產的重要載體，也在不斷探索面向園區和企業生產管理的固廢信息管理系統建設。現有工業園區固廢信息管理系統主要依托企業人工申報數據，采用常規數據統計處理和分析方法，實現了固廢收集、轉移、處置等過程的數據匯總和信息追溯[9-11]。然而這類系統定位于主管部門監管需求，用于指導企業生產調優的動態追蹤、預測預警、綜合分析等功能設計不足[12，13]。

研究面向園區和企業生產管理，融合固廢產生和利用生產線生產監控、產品質檢等多源數據，依托機器學習算法，重點突破多源異構固廢管理關聯數據采集和管理、生產線運行狀況和相關固廢排放、固廢利用產品產出實時預測、生產系統資源環境綜合效益分析等技術和方法，實現企業和生產線層面固廢動態追蹤、預測預警和綜合分析功能，為企業和園區固廢產排全過程智能管控提供支撐。

1 固廢全過程管理系統建設思路

1.1 系統建設的主要難點

目前園區和企業層面固廢信息管理系統的規劃和建設主要存在以下3 個難點。

1.1.1 多源異構數據自動有序獲取困難

企業生產部門含有大量的設備屬性、能源消耗、產品質量信息、產品生產信息、運行信息、環境參數、物料信息等數據，這些數據來自于不同的管理控制系統（如DCS，Distributed Control System，分散控制系統；MES，Manufacturing Execution System，制造執行系統；LIMS，Laboratory Information Management System ，實驗室信息管理系統等），數據采集遵循不同的工業標準通訊協議（如MODBUS，OPC，OLE for Process Control，對象鏈接與嵌入的過程控制等），數據存儲在不同的數據庫系統（如SQL Server，Oracle，DB2 等）中，數據格式、口徑、存儲方式等存在差異；同時，各系統數據通常相互獨立，數據共享程度不高，“多源異構”特點使得基礎生產數據自動有序獲取存在困難[14-16]。

1.1.2 統計分析方法對大數據挖掘作用不夠

現有固廢信息管理系統主要采用常規統計分析方法，采用求和、平均、比較等計算方法，展示固廢產生量、綜合利用量、處置量、貯存量等數量指標，以及不同類型、范圍和時間段的數量指標比較，其數據挖掘局限于固廢管理本身；在園區和企業層面，固廢數據中隱藏的生產指導信息大部分未被挖掘，計劃管理、生產和環保等多源數據缺乏有效整合利用[17,18]。

1.1.3 評價預測深度分析功能不足

現有固廢信息管理系統主要服務環保管理相關部門需求，其功能設計主要針對企業基本信息、固廢基本信息、臺賬信息，以及產生、運輸、貯存、處理和處置等環節管理。而對于園區和企業管理，現有系統未與生產管理功能有效聯系，生產過程與固廢產生、資源化過程缺乏功能交互，固廢管理功能缺少生產過程信息和功能支持，因而固廢在園區和企業內全過程動態追蹤、產排分析預測等深度分析功能不易升級完善[19-21]。

1.2 系統建設的思路

針對上述難點，建立固廢信息管理系統總體架構，如圖1 所示。該系統主要由數據采集和存儲、數據挖掘和分析、應用功能等組成。

圖1 系統的總體架構

該系統融合企業生產監控、產品質檢等多源數據，依托機器學習進行大數據挖掘，以物質流分析和運行狀態評價方法為基礎，重點突破多源異構數據采集和管理技術、生產線產排實時預測模型、資源環境綜合效益分析方法，開發固體廢物產生和利用過程產品產出、固廢排放預測和資源環境綜合分析功能，實現固體廢物的全過程智能化管控。

1.2.1 多源異構數據采集和管理技術

針對生產DCS、MES、生產報表系統、LIMS 等不同來源數據，建立采集協議和模板；建立中間層數據庫，用于生產運行數據的傳輸和存儲，生產線實時運行數據先存入本地中間層數據庫，再傳輸到下一層系統數據庫；在中間層數據庫中設定數據篩查機制，對數據脫敏處理，避免企業敏感的生產運行數據直接進入系統數據庫。

1.2.2 生產線產排實時預測模型

依托多源異構數據采集和管理，采用特征選擇技術，深度分析工藝參數歷史數據，篩選出關鍵參數；對關鍵參數歷史數據進行聚類分析，建立基準工況庫，實時數據比對計算生產線健康度，評估生產線實時運行狀態；挖掘物料投入、生產線運行狀態歷史數據特點，采用機器學習方法建立生產線產排實時預測模型。

1.2.3 資源環境綜合效益分析方法

基于生產線產排實時預測模型數據，以單位產值為基準，建立自下而上的統計系統，構建生產線—企業—園區三級資源環境綜合效益分析指標體系，量化資源消耗強度、能源消耗強度、廢物排放強度等指標，實時評估生產線、企業和園區的資源、能源、環境和經濟綜合效益，并對效益變化趨勢和波動情況進行分析評估。

2 固廢信息管理系統設計

2.1 系統功能模塊設計

根據園區和企業全過程生產監控、運行優化和環境管理等需求，基于層次化設計方法，在常規統計分析功能基礎上，設計園區—企業—生產線3 個層面數據分析和管理功能，包括生產線運行狀態評估、產排在線監測、資源環境綜合效益分析等。功能結構如圖2所示。

圖2 系統功能結構圖

2.1.1 生產線運行狀態評價功能

該功能展示生產線健康度和狀態等級，并進一步統計最近一周、一個月的生產線健康度和狀態等級，預測下周生產線健康度和狀態等級。

2.1.2 生產線產排在線監測功能

該功能展示生產線物質投入、工藝參數等在線監測情況，以及產品產出、廢物排放、能源消耗等的預測結果。

2.1.3 資源環境綜合效益分析功能

該功能展示綜合效益、能源消耗強度、資源消耗強度、廢物排放強度等指標，以及生產線、企業和園區的資源、能源消耗量、環境排放量、產品產值等的時序變化。

2.2 系統數據庫設計

系統數據庫的E-R 圖（Entity-relationship model，實體-關系圖）設計如圖3 所示。系統數據庫以園區—企業—生產線—工序—物料（工藝參數）為核心，包括了基本表、關聯表、狀態表和基準工況表等4 類數據表，實施多源異構數據的采集、存儲、處理及使用一體化。

圖3 系統數據庫E-R 圖

3 系統應用實例與效果分析

目前系統已依托工業園區進行部署且穩定運行，生產線運行狀態評估、固廢產排在線監測和生產系統資源環境綜合效益分析等功能實現在線分析。

3.1 生產線運行狀態評價

生產線運行狀態評價針對關鍵參數和生產線的健康度和狀態等級進行實時核算和預測，反映生產線運行狀態實時評價結果和生產線關鍵參數的實時狀態，如圖4 所示。園區和企業通過生產線運行狀態評價，實時了解生產線動態，準確掌握工藝參數狀態，關注生產現狀信息反饋，對生產線故障進行提前防范，有助于生產線生產效率提升，為固廢產排預測和生產工藝優化提供支撐。

圖4 系統生產線運行狀態評價

3.2 生產線產排在線監測

生產線產排在線監測針對生產線物質流進行實時監測和固廢利用產品產出、固廢排放預測，反映生產線物質投入、工藝參數等在線監測情況，以及產品產出、廢物排放、能源消耗等的預測結果，如圖5 所示。生產線產排在線監測可解決固廢利用產品產量、固廢排放量等數據采集滯后問題，有利于園區和企業掌握固廢實時產出和利用情況，及時了解固廢資源供給與再利用情況，有效提高固廢管理效率。

圖5 系統生產線產排在線監測（以產品產量預測為例）

3.3 資源環境綜合效益分析

資源環境綜合效益分析針對生產線、企業、園區3 個層級，進行資源消耗強度、廢物排放強度、能源消耗強度等指標核算和綜合效益分析，反映特定時間段內各指標的時序變化情況，如圖6 所示。資源環境綜合效益分析有利于促進園區指標評價體系的建設，有助于園區及時掌握區域內各類企業的相關數據并進行質量控制，也為不同生產工藝和企業的橫向比較提供支持。

圖6 系統資源環境綜合效益分析（以資源消耗為例）

該系統設計可支持大型工業園區內多家固廢生產和利用企業同時實施固廢全過程管控，可供4TB/月以上數據接入，實現90%以上固廢資源化過程關聯數據管理。

4 結論

大數據技術應用于園區、企業固廢管理，可實現各類數據的快速共享和量化分析，配合相應的數據分析模型，可實現企業主體產品生產和固廢處置利用全過程的動態跟蹤、智能化管控并逐步支持生產過程改進。該系統可通過固廢信息自動采集，進行固廢利用生產線的實時狀態評價，上溯固廢產生和資源化利用過程，實現固廢在企業和園區內部產生、轉運、貯存到資源化利用或處置的全過程監管。該系統設計可進一步結合原料、產品和固廢組分實時監測信息，進行深入到關鍵組分層級的全廠資源環境效率和生產線運行狀況實時評估，提升決策支持能力。