基于智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)保設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘" 要：針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)保設(shè)備監(jiān)控存在的一系列問題，通過對(duì)傳感器布局與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、監(jiān)控要素信息傳輸、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、用戶界面的設(shè)計(jì)，構(gòu)建出一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)保設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、故障樹分析，提升設(shè)備監(jiān)控運(yùn)行能力，達(dá)到自適應(yīng)超值預(yù)警的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)保設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，助力環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) """監(jiān)控系統(tǒng) """"系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) """"數(shù)據(jù)分析處理[wl1]

中圖分類號(hào)：TN918

Research on the Design of Environmental Protection Equipment O0peration Monitoring System Based on Intelligent Internet of Things Technology

ZHANG Jianyi

AVICCNAD Guizhou Honglin Aviation Power Control Technology Co.， Ltdlimited company， Guiyang， Guizhou Province， 550009 China

Abstract： Aiming at a series of problems existing in traditional environmental protection equipment monitoring， this paper constructs a set of environmental protection equipment operation monitoring system based on Internet of Things "（IoT） technology through the design of sensor layout and data conversion subsystem， monitoring element information transmission， monitoring system database， and user interface. On this basis， deep convolutional neural network and fault tree analysis are further utilized to improve the equipment monitoring and operation capability， and achieve the effect of adaptive over-value warning，. rRealize the remote monitoring of environmental protection equipment and help the development of environmental protection.

Key Wwords： Internet of Things; Monitoring system; Overall system design; Data analysis and processing

當(dāng)今社會(huì)環(huán)境問題日益嚴(yán)重，對(duì)人類的生存發(fā)展構(gòu)成了巨大威脅^[1]。我國已經(jīng)意識(shí)到生態(tài)環(huán)境的重要意義，各種環(huán)保設(shè)備相繼投入使用，但國內(nèi)在如何保障設(shè)備高效運(yùn)轉(zhuǎn)方面仍有很大進(jìn)步空間。在實(shí)際操作中，傳統(tǒng)的監(jiān)控方式暴露出人力成本高昂、數(shù)據(jù)記錄與分析滯后、維護(hù)管理不便等諸多弊端^[2]，造成了巡檢周期長、錯(cuò)過最佳干預(yù)時(shí)機(jī)、增加維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間等一系列不良后果。物聯(lián)網(wǎng)憑借著高效的遠(yuǎn)程監(jiān)測及操控技術(shù)、極強(qiáng)的信息采集能力，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)修復(fù)、降低維修成本等目的，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本文將從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理兩大方面進(jìn)行分析，全面闡釋基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)保設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。[wl2]

1 ""系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 ""傳感器布局與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 ""傳感器布局規(guī)劃

（1）覆蓋關(guān)鍵部位。將傳感器布置在設(shè)備的關(guān)鍵部位，以獲取這些部位的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。以污水處理設(shè)備為例，可以在進(jìn)水泵或曝氣池等關(guān)鍵部位布置流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行情況和水質(zhì)情況。

（2）實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測。對(duì)于大型或復(fù)雜設(shè)備，應(yīng)在多個(gè)關(guān)鍵部位布置傳感器，形成多點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.1.2 ""數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換

傳感器在感知環(huán)境中物理化學(xué)變化后，將這些變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。為方便后續(xù)數(shù)據(jù)的處理分析，上述電信號(hào)需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog-to-Digital Conversion，ADC）過程，轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊也應(yīng)支持多種傳感器接口，如采用集成電路總線、串行外設(shè)接口、通用異步收發(fā)傳輸裝置等，以兼容不同類型的傳感器。

1.2 ""監(jiān)控要素?cái)?shù)據(jù)傳輸

1.2.1 ""有線傳輸

有線傳輸方式在環(huán)保設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)中扮演著重要角色，這種方式具有傳輸速度快、穩(wěn)定性高的顯著優(yōu)點(diǎn)。[A3]

（1）以太網(wǎng)傳輸。以太網(wǎng)作為一種成熟且常用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠提供高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。通過以太網(wǎng)，可以將分布在各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街醒肟刂剖遥_保數(shù)據(jù)的完整性和時(shí)效性。同時(shí)，以太網(wǎng)還支持長距離傳輸和大規(guī)模組網(wǎng)，適用于覆蓋范圍廣、設(shè)備數(shù)量多的大型環(huán)保設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）串口通信。串口通信雖然傳輸速度相對(duì)較慢，但在某些特定場景下仍具有較大優(yōu)勢(shì)。例如[A4]"：在一些老舊環(huán)保設(shè)備的升級(jí)改造中，由于設(shè)備本身可能不支持以太網(wǎng)等現(xiàn)代通信方式，因此可以采用串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2.2 ""無線傳輸

這種方式具有安裝方便、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于難以布線的場合。[A5]

[A6]"（1）Wi-Fi傳輸。Wi-Fi作為一種廣泛應(yīng)用的無線通信技術(shù)，具有傳輸速度快、覆蓋范圍較廣等特點(diǎn)。在一些需要高速傳輸?shù)沫h(huán)保設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中，可以采用Wi-Fi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。然而，Wi-Fi傳輸?shù)墓南鄬?duì)較高，并且覆蓋范圍存在上限，因此在一些對(duì)功耗和覆蓋范圍有嚴(yán)格要求的場合可能不適用。

（2）藍(lán)牙傳輸。藍(lán)牙傳輸具有低功耗、短距離通信的特點(diǎn)，適用于一些小型、低功耗的環(huán)保設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3 ""監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

選用MySQL作為主數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄。為應(yīng)對(duì)大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理，引入Hadoop分布式文件系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)倉庫，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)和高效查詢^[3]。當(dāng)收到環(huán)保設(shè)備監(jiān)控信息時(shí)，系統(tǒng)可以利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析比對(duì)，并決定是否發(fā)出報(bào)警。

1.3.1 ""數(shù)據(jù)安全性與完整性保障

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)應(yīng)重視數(shù)據(jù)的安全性和完整性。系統(tǒng)應(yīng)采取有效的安全措施，如訪問控制、加密存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)備份等，以確保數(shù)據(jù)在傳輸和存儲(chǔ)過程中不被篡改或丟失。同時(shí)，還應(yīng)建立完善的數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)機(jī)制，如數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)一致性檢查等，用來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)施定期自動(dòng)備份策略，可以使用MySQL公司的mysqldump程序進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，保障數(shù)據(jù)的完整性和可恢復(fù)性。

1.3.2 ""數(shù)據(jù)查詢與分析功能

數(shù)據(jù)庫應(yīng)支持高效的數(shù)據(jù)查詢和分析功能，以滿足環(huán)保管理部門對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的多樣化需求。系統(tǒng)還需要提供豐富的查詢接口和查詢方式，如結(jié)構(gòu)化查詢語言（Structured Query Language，SQL）查詢、圖形化查詢等，以便用戶能夠方便地獲取所需的數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)提供設(shè)備數(shù)據(jù)分析工具和功能，如數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析、數(shù)據(jù)對(duì)比分析、數(shù)據(jù)挖掘等，用于幫助用戶更好地理解和利用數(shù)據(jù)。

1.4 ""用戶界面設(shè)計(jì)

1.4.1 ""用戶界面設(shè)計(jì)原則

用戶界面設(shè)計(jì)應(yīng)遵循直觀性、易用性、可定制性等原則。界面應(yīng)簡潔明了，通過折線圖、儀表盤和地圖展示實(shí)時(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)；操作應(yīng)簡單便捷，符合用戶的操作習(xí)慣；同時(shí)，界面還要支持用戶根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制和配置，支持?jǐn)?shù)據(jù)篩選、對(duì)比和導(dǎo)出功能。

1.4.2 """報(bào)警觸發(fā)機(jī)制

報(bào)警觸發(fā)機(jī)制是用戶界面報(bào)警設(shè)計(jì)的核心。系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測分析環(huán)保設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的動(dòng)態(tài)閾值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。這些閾值可以根據(jù)設(shè)備的正常運(yùn)行范圍、歷史數(shù)據(jù)與環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。一旦觸發(fā)報(bào)警，系統(tǒng)應(yīng)立即通知相關(guān)人員采取措施。對(duì)于重要的報(bào)警事件，系統(tǒng)還可以設(shè)置多級(jí)報(bào)警，通過不同的通知方式和頻率，確保相關(guān)人員能夠及時(shí)收到報(bào)警信息。

2 """環(huán)保設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析處理

2.1 ""深度CNN在環(huán)保設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控中的應(yīng)用

2.1.1 """特征提取優(yōu)勢(shì)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）可以通過卷積層、池化層、全連接層等結(jié)構(gòu)，自動(dòng)提取視頻傳感器中的特征信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的精準(zhǔn)識(shí)別與分類^[4]。在環(huán)保設(shè)備檢測中，這意味著管理部門能夠利用CNN對(duì)設(shè)備圖像進(jìn)行分析，辨識(shí)出設(shè)備的外觀缺陷、運(yùn)行狀態(tài)等關(guān)鍵信息，極大減輕人工工作量。

2.1.2 """模型訓(xùn)練與準(zhǔn)確分類

利用大量環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)樣本對(duì)CNN模型進(jìn)行訓(xùn)練后，模型可以高效、準(zhǔn)確地識(shí)別實(shí)時(shí)工況。以污水處理廠的曝氣機(jī)為例，對(duì)于設(shè)備突發(fā)異常振動(dòng)、零部件松動(dòng)導(dǎo)致的異常工況，CNN能夠快速捕捉畫面里的設(shè)備外觀和動(dòng)態(tài)變化，將工況細(xì)分為輕微故障、中度故障與嚴(yán)重故障，為后續(xù)針對(duì)性處理提供關(guān)鍵依據(jù)。

2.2 ""基于故障樹的環(huán)保設(shè)備故障診斷

2.2.1 ""故障樹構(gòu)建原理

故障樹分析是從系統(tǒng)頂層故障開始，逐步向下分解至基本事件（如設(shè)備部件失效、操作失誤等），形成樹狀結(jié)構(gòu)，通過邏輯運(yùn)算（如與、或、非）連接這些基本事件，描述系統(tǒng)故障的多種可能原因和組合方式。以垃圾焚燒爐為例，頂層事件設(shè)為“焚燒爐運(yùn)行中斷”，往下細(xì)分中間事件，可以找出“燃燒系統(tǒng)故障”“進(jìn)料系統(tǒng)堵塞”等原因；再進(jìn)一步剖析底層基本事件，則涵蓋“燃燒器點(diǎn)火故障”“螺旋進(jìn)料器卡頓”等具體部件失效情況。

2.2.2 ""故障概率計(jì)算與排查策略

賦予故障樹各基本事件發(fā)生概率值，基于布爾代數(shù)與概率計(jì)算法則，向上推算各中間事件、頂層事件發(fā)生概率，鎖定高概率故障模塊。故障發(fā)生時(shí)，維修人員可以根據(jù)故障樹自上而下排查，優(yōu)先檢查高概率故障分支。

2.3 ""自適應(yīng)超值預(yù)警技術(shù)

自適應(yīng)超值預(yù)警技術(shù)作為該系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過數(shù)據(jù)庫信息比對(duì)、卷積網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)分析等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)保設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能預(yù)警。

2.3.1 """動(dòng)態(tài)閾值設(shè)定機(jī)制

自適應(yīng)超值預(yù)警的閾值采用非恒定設(shè)計(jì)，它是基于設(shè)備大數(shù)據(jù)挖掘與實(shí)時(shí)運(yùn)行追蹤來動(dòng)態(tài)厘定的。首先，收集設(shè)備過往數(shù)年的運(yùn)行參數(shù)，借助統(tǒng)計(jì)分析法明確各參數(shù)常態(tài)分布區(qū)間。其次，運(yùn)用[A7]"均值、標(biāo)準(zhǔn)差界定基礎(chǔ)閾值范圍，在此基礎(chǔ)上，考慮季節(jié)更迭、生產(chǎn)峰谷對(duì)設(shè)備負(fù)荷的影響，使閾值隨時(shí)間規(guī)律波動(dòng)。

2.3.2 """防誤報(bào)機(jī)制

物聯(lián)網(wǎng)傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)保設(shè)備各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，以秒甚至毫秒傳至監(jiān)控系統(tǒng)。自適應(yīng)預(yù)警技術(shù)即刻比對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)閾值，一旦數(shù)據(jù)逾越預(yù)警界限，迅速啟動(dòng)初步甄別機(jī)制^[5]。因設(shè)備運(yùn)行偶有瞬時(shí)波動(dòng)，故采用滑動(dòng)時(shí)間窗算法，只有持續(xù)異常達(dá)到設(shè)定時(shí)長，才確認(rèn)為有效超值信號(hào)。

3 ""結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)下環(huán)保設(shè)備傳統(tǒng)監(jiān)測模式的諸多弊端，通過系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析處理兩方面，打造出適合社會(huì)發(fā)展的環(huán)保設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，從而為環(huán)保事業(yè)提供更先進(jìn)的技術(shù)支持。

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