基于智慧化的高速公路站區(qū)污水管控平臺的建設(shè)與應(yīng)用

師建飛

（山西省交通環(huán)境保護(hù)中心站（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

目前我國部分現(xiàn)行的污水處理廠管控平臺系統(tǒng)缺乏整體性，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互隔離，縱向上未形成穩(wěn)固的信息根基，橫向上未構(gòu)筑互補(bǔ)的信息橋梁，信息溝通存在缺陷，信息出現(xiàn)孤島問題。各數(shù)據(jù)之間總體上呈現(xiàn)出松散的弱相關(guān)關(guān)系，沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)廣泛互聯(lián)與更深層次的挖掘，從而導(dǎo)致資源消耗、運(yùn)維成本高昂現(xiàn)象，加劇了落后的生產(chǎn)管理方式與日益增長的污水處理需求之間的矛盾。

針對上述問題，利用計(jì)算機(jī)智慧管控系統(tǒng)高效化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化的手段與技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)挖掘和分析、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化控制、3D建模等技術(shù)，在不同地點(diǎn)設(shè)置在線監(jiān)測站點(diǎn)，將分層分級數(shù)據(jù)有機(jī)統(tǒng)一在大數(shù)據(jù)中心，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一運(yùn)維、統(tǒng)一管理的綜合管控體系，預(yù)期達(dá)到環(huán)保達(dá)標(biāo)、降本增效、精細(xì)管理、決策支撐的目標(biāo)，可為同類分散型項(xiàng)目管控提供借鑒和示范作用。

1 站區(qū)智慧污水管控平臺系統(tǒng)架構(gòu)

站區(qū)智慧污水管控平臺系統(tǒng)架構(gòu)包括設(shè)備工況監(jiān)控系統(tǒng)、污水在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及決策支持系統(tǒng)、運(yùn)維管理系統(tǒng)、GIS地圖系統(tǒng)、基礎(chǔ)資料系統(tǒng)、系統(tǒng)設(shè)置功能等7個(gè)子系統(tǒng)，把不同地域的處理設(shè)備有機(jī)統(tǒng)一起來，形成全流程大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，將設(shè)備、數(shù)據(jù)可視化，具備設(shè)備遠(yuǎn)程化維護(hù)和智能化運(yùn)行的功能，實(shí)現(xiàn)全程控制、智能分析、節(jié)能降耗、環(huán)保達(dá)標(biāo)的目的[1]。

1.1 設(shè)備工況遠(yuǎn)程管控與應(yīng)急處理系統(tǒng)

污水處理設(shè)備工況監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的：通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對一體化污水處理設(shè)備風(fēng)機(jī)、水泵、液位等關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行情況運(yùn)程監(jiān)測和周邊影像實(shí)時(shí)采集，遠(yuǎn)程分析得到一體化污水處理設(shè)備有無異常情況的反饋；通過一體化污水處理設(shè)備遠(yuǎn)程開關(guān)控制對關(guān)鍵或故障設(shè)備進(jìn)行關(guān)停或重啟，以達(dá)到優(yōu)化處理工藝、降低能耗、維持設(shè)備正常運(yùn)行等效果。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)從污水處理設(shè)備PLC通過RS485或其他總線通訊實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)[2]。

周邊影像系統(tǒng)主要通過各個(gè)不同攝像頭對設(shè)備重要部位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，讓管理人員遠(yuǎn)程觀看設(shè)備的運(yùn)行情況和周邊影像，使管理人員能更直觀地了解設(shè)備實(shí)時(shí)狀況。

1.2 污水在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

典型站區(qū)通過電磁流量計(jì)、濁度傳感器、氨氮pH二合一傳感器等對污水處理設(shè)備進(jìn)出口pH值、氨氮、懸浮物含量、日進(jìn)水量、日出水量等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)分析，了解和掌握不同處理工藝、不同處理量狀態(tài)下的污水設(shè)備處理效果和水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，建立監(jiān)測指標(biāo)并制定指標(biāo)閾值，臨界前發(fā)布信息提醒。傳感器的安裝構(gòu)思總圖如圖1[3]。

圖1 傳感器安裝構(gòu)思總圖（單位：mm）

1.3 數(shù)據(jù)分析及決策支持系統(tǒng)

根據(jù)行業(yè)管理、日常運(yùn)維、工藝選型、科技研發(fā)的不同需求，對污水處理設(shè)備的能耗、處理效率、監(jiān)測達(dá)標(biāo)率、故障率進(jìn)行綜合分析，形成科學(xué)有效的設(shè)備性能分析報(bào)告；形成年度污水的產(chǎn)生量和污水處理波形圖，準(zhǔn)確掌握污染源占比變化情況，獲取人流量峰谷值以及季節(jié)環(huán)境對于污染物處理的影響，為環(huán)境保護(hù)措施制定提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1.4 運(yùn)維管理系統(tǒng)

通過下發(fā)各種工單的形式安排、督促運(yùn)維人員的日常工作和突發(fā)性工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備警告管理人員對運(yùn)維工作人員的管理[4]。

1.5 GIS地圖系統(tǒng)

通過利用模型、空間和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫集成等技術(shù)，形成直觀的“交通環(huán)境一張圖”和站點(diǎn)3D模型。通過點(diǎn)擊標(biāo)記進(jìn)入直觀了解污水設(shè)備的工作全流程。

1.6 基礎(chǔ)資料系統(tǒng)

主要構(gòu)架分設(shè)備資料和文檔資料管理，建立設(shè)備臺賬和檔案，編制技術(shù)手冊和培訓(xùn)資料，為進(jìn)一步提高工作效率提供有力工具。

1.7 系統(tǒng)設(shè)置功能

通過姓名、手機(jī)號等賬號管理、角色分配、部門和員工管理、權(quán)限分配管理等模塊對使用者系統(tǒng)集中管理。

2 站區(qū)智慧污水管控平臺建設(shè)與應(yīng)用

2.1 站區(qū)平臺建設(shè)

樹立“全生命周期”新理念，通過對大量交通環(huán)境數(shù)據(jù)的管理、分析、挖掘功能，從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營、管理、服務(wù)全過程提供數(shù)據(jù)支撐和決策支持[5]。

圖2 大數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)景規(guī)劃圖

圖3 站區(qū)智慧綜合管控平臺系統(tǒng)圖

2.2 站區(qū)平臺應(yīng)用

站區(qū)平臺應(yīng)用功能包括：3D模型視圖、數(shù)據(jù)分析、智能曝氣、污水中樞，手機(jī)App應(yīng)用。

2.2.1 3D模型視圖

實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)模型和信息全方位的3D可視化展示。提供對高速公路站區(qū)污水處理系統(tǒng)的模型、監(jiān)測和數(shù)據(jù)、能耗和工單統(tǒng)計(jì)、環(huán)境和水質(zhì)監(jiān)測、報(bào)警信息的顯示；提供組合水池、化糞池、一體化設(shè)備等構(gòu)筑物系統(tǒng)模型中的空間詳情和相關(guān)系統(tǒng)工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息的瀏覽查看，并通過3D視圖呈現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)，為運(yùn)維人員提供信息，方便運(yùn)維。平臺模型視圖如圖4所示。

圖4 平臺模型視圖

2.2.2 智能分析

通過數(shù)據(jù)挖掘算法剖析歷史數(shù)據(jù)，找出運(yùn)維主體的規(guī)律、各類特性畫像和關(guān)系，構(gòu)建知識圖譜，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備設(shè)施利用率和完好率、能耗和環(huán)境效益、設(shè)施等數(shù)據(jù)的科學(xué)化和數(shù)字化分析，依據(jù)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果做出決策。

2.2.3 智慧曝氣

ASM經(jīng)典活性污泥數(shù)學(xué)模型是國際水協(xié)（IWA）主推的模型，基于此模型，系統(tǒng)考慮入水水質(zhì)及污水處理系統(tǒng)運(yùn)行情況，以理論需氧量計(jì)算公式為核心，動(dòng)態(tài)計(jì)算單位時(shí)間所需曝氣量。通過建立基于大數(shù)據(jù)，采用“前饋＋模型＋反饋”的多因子曝氣控制方式，比常規(guī)控制方法節(jié)電7%～10%，同時(shí)有效地保證了收費(fèi)站出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性和節(jié)能降耗雙目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.2.4 移動(dòng)應(yīng)用

管理和運(yùn)維等使用人員按照授權(quán)通過手機(jī)App登錄微信小程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的查看和遠(yuǎn)程控制功能，適時(shí)查看設(shè)備信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)模型等數(shù)據(jù)，并通過查看數(shù)據(jù)判斷運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)起控制任務(wù)，現(xiàn)場和遠(yuǎn)程全方位溝通協(xié)調(diào)，做出處理決策。

圖5 手機(jī)App界面圖

3 站區(qū)智慧污水管控平臺效益分析

3.1 降本增效

高速公路運(yùn)營站區(qū)污水處理系統(tǒng)工程建設(shè)點(diǎn)多面廣，且建設(shè)地點(diǎn)小、散、遠(yuǎn)的特點(diǎn)導(dǎo)致其建成后運(yùn)營維護(hù)對人力、物力、財(cái)力要求非常高，通過智慧環(huán)保綜合管控系統(tǒng)能使設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)連接和數(shù)據(jù)共享，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量設(shè)備數(shù)據(jù)的分析與工作模型數(shù)據(jù)共享，遠(yuǎn)程管理方式減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境。同時(shí)在運(yùn)營維護(hù)過程中能提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的故障，變大修為小修，大幅降低維修成本，縮短維修時(shí)間，有效維護(hù)設(shè)備的精密度，延長其使用壽命，保證污水處理效果，從整體上降低成本，提高效率。

3.2 決策支持

樹立“全生命周期”新理念，通過智慧環(huán)保綜合管控系統(tǒng)采集的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助交通流分配和預(yù)測等關(guān)鍵基礎(chǔ)理論模型，對大量交通環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行管理分析和功能挖掘，為規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維等全過程提供數(shù)據(jù)支撐和決策支持。

3.3 示范引領(lǐng)

智慧環(huán)保綜合管控系統(tǒng)建成后形成以“交通環(huán)境一張圖”為展現(xiàn)模式，直觀呈現(xiàn)分布式治理系統(tǒng)成果，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)和綠色交通的深度融合，將對全國交通運(yùn)輸同類項(xiàng)目起到示范和引領(lǐng)作用。

4 結(jié)論

利用計(jì)算機(jī)智慧管控系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析控制，對線長、點(diǎn)多和地域分散的站區(qū)進(jìn)行高效化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化的集中統(tǒng)一管理，形成系統(tǒng)集成科學(xué)、環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)、降耗降本增效、集約精細(xì)管理的成果，通過系統(tǒng)創(chuàng)新拓展和推廣，為同類分散型項(xiàng)目管控提供借鑒和示范作用，實(shí)現(xiàn)低能耗、低污染、高質(zhì)量和高效益目標(biāo)。