農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)的設計與應用

摘? 要：農(nóng)村生活污水處理站點數(shù)量多、分布廣，傳統(tǒng)運管模式存在效率低、維護成本高、易出現(xiàn)異常及發(fā)生安全事件等問題。為了實現(xiàn)農(nóng)村生活污水精細化管理，有必要充分利用新一代信息科學技術，強化農(nóng)污業(yè)務與信息化技術的深度融合，對設備設施運行狀態(tài)、出水水質(zhì)等信息進行采集、存儲、管理、分析與共享，構建集電腦端和手機端于一體的智慧運營管理系統(tǒng)，有效保障生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)采集，滿足農(nóng)污運維管理人員實時掌握現(xiàn)場情況，提高農(nóng)污運維工作效率，方便企業(yè)及時掌握農(nóng)污運營工作情況，科學做出生產(chǎn)經(jīng)營決策，提升企業(yè)運營管理效率和服務質(zhì)量。

關鍵詞：農(nóng)村生活污水治理；智慧運營系統(tǒng)；數(shù)字化轉型；新農(nóng)村建設

中圖分類號：TP311；X799.3 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）09-0099-05

Abstract： The number of rural domestic sewage treatment stations is large and widely distributed. The traditional operation and management mode has problems such as low efficiency， high maintenance cost， and easy to occur abnormalities and safety incidents. In order to realize the refined management of rural domestic sewage， it is necessary to make full use of the new generation of information science and technology， strengthen the deep integration of agricultural sewage business and informatization technology， collect， store， manage， analyze and share information such as the operation status of equipment and facilities， water quality， and build a smart operation management system that integrates computer and mobile terminals， effectively ensuring the real-time data collection of the production process， meet the requirement that the management personnel of agricultural sewage operation and maintenance grasp the on-site situation in real time， improve the efficiency of rural domestic sewage operation and maintenance， facilitate enterprises to grasp the rural domestic sewage operation in time， make scientific production and operation decisions， and improve the efficiency of enterprise operation and management and service quality.

Keywords： rural domestic sewage treatment; intelligent operation system; digital transformation; new rural construction

0? 引? 言

隨著農(nóng)村經(jīng)濟水平的不斷提高，農(nóng)村環(huán)境問題日益凸顯。我國絕大多數(shù)村莊缺少完備的污水收集和處理系統(tǒng)，農(nóng)村污水隨意排放導致水體污染嚴重，破壞了原本山清水秀的自然生態(tài)。“十四五”規(guī)劃中明確提出要加快推進農(nóng)村污水處理，開展農(nóng)村人居環(huán)境整治提升行動，《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》要求加快推進農(nóng)村污水治理工作，到2025年形成一批可復制推廣的農(nóng)村污水治理模式，到2035年基本消除我國農(nóng)村黑臭水體等，在一系列國家政策的大力扶持下，綠色農(nóng)村建設進入如火如荼的階段。隨之，農(nóng)村污水處理市場也迅猛發(fā)展，一大批農(nóng)村污水處理設施籌建完成并逐步投入使用。

然而，由于農(nóng)村生活污水處理具有站點設施點位多且分散、日常巡檢和養(yǎng)護頻繁等特點，存在運維管理科學調(diào)度力量薄弱，運維成本居高不下的問題，一些農(nóng)污站點被迫成為“曬太陽”工程，未能實現(xiàn)“利民利村”的預想效果。因此，亟需開發(fā)農(nóng)村污水信息化系統(tǒng)，對農(nóng)污站點進行數(shù)字化管理，有效提升農(nóng)污設施運維管理效率和監(jiān)控調(diào)度水平，降低企業(yè)生產(chǎn)運營成本，為農(nóng)村水務行業(yè)標準化運維提供堅實保障。

以往關于農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)的研究存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）在信息化系統(tǒng)建設上投入資金是非常重要的前提條件之一。由于農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)功能模塊其對業(yè)務需求的分析深度較低，導致該系統(tǒng)與城市污水信息化系統(tǒng)功能區(qū)別不大。但是，農(nóng)村信息化系統(tǒng)投資較低，而城市污水信息化系統(tǒng)所需投資較大，與農(nóng)村實際經(jīng)濟水平不匹配。

2）農(nóng)村污水處理設施數(shù)量多且分布范圍廣，單純依靠傳統(tǒng)模式檢查監(jiān)管，不僅效率低下而且往往會因數(shù)據(jù)掌握不及時而導致出現(xiàn)異常及安全事件。目前，大部分的農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)沒有配備基于電腦端和手機移動端的遠程控制系統(tǒng)，不能同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和設備下控。

3）農(nóng)村污水處理設施數(shù)量多而且大多建設在農(nóng)村住宅附近。目前的農(nóng)污信息化系統(tǒng)在使用中存在沒有充分調(diào)動農(nóng)污設施周邊的農(nóng)戶及時反饋農(nóng)污設施使用情況的情況，農(nóng)戶參與投訴的主觀能動性不夠，一定程度上存在發(fā)現(xiàn)設備損壞延遲，容易導致異常情況發(fā)生的問題。

為進一步推動農(nóng)村綠色發(fā)展和數(shù)字化新農(nóng)村建設，提升農(nóng)村生活污水治理水平，避免因農(nóng)村生活污水處理站點運維成本居高不下而出現(xiàn)“曬太陽”工程的問題，農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)面向農(nóng)村生活污水處理站點運營管理，旨在解決農(nóng)村生活污水處理站點低運管、維護成本高等問題。

本論文在以往先者研究的基礎上，設計構建了一個業(yè)務功能豐富、適用于絕大部分農(nóng)村的綜合化農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)，旨在提升農(nóng)村污水精細化管理水平，實現(xiàn)少/無人值守的遠程監(jiān)控、智慧管控、智慧運維調(diào)度，推動分散式污水處理設施穩(wěn)定運行，降低人員管理成本，賦能農(nóng)村生活污水處理站點低成本高效率運營。

1? 系統(tǒng)介紹

本論文所提的農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)，立足于安全可行及現(xiàn)有技術的合理運用兩個方面，設計適度超前，經(jīng)濟適用與可擴展相結合，充分實施數(shù)據(jù)集成與業(yè)務共享交換，開發(fā)各類業(yè)務和數(shù)據(jù)標準化接口，打通農(nóng)污管理各部門業(yè)務間的隔離，實現(xiàn)信息系統(tǒng)與業(yè)務管理的有效融合，實現(xiàn)橫向、縱向間的業(yè)務貫通，全面提高運營企業(yè)整體工作效率。系統(tǒng)建設預留相關業(yè)務系統(tǒng)接口，為后期實現(xiàn)互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享交換、無縫協(xié)同聯(lián)動奠定基礎。結合當今計算機網(wǎng)絡信息系統(tǒng)的共性，對照農(nóng)污監(jiān)管工作的特性，系統(tǒng)建設遵循“實用性、先進性、業(yè)務性、可靠性、易操作性、兼容性、開放性、安全性、共享性、可擴充性”的原則。

系統(tǒng)基于微服務架構，采用BS+MS交互應用設計，開發(fā)基于表單引擎、流程引擎、頁面配置引擎、規(guī)則引擎的快速配置服務，研究項目初始化設置、數(shù)據(jù)源設置、業(yè)務配置、一張圖配置，從而囊括設備設施臺賬信息，適配各類視頻、農(nóng)污站點等監(jiān)測監(jiān)控接口協(xié)議，建立設備故障、數(shù)據(jù)異常在線報警體系，集成日常運行維護流程，內(nèi)置各類農(nóng)污統(tǒng)計報表樣例，實現(xiàn)快速部署構建智慧管控、智慧運維調(diào)度，提供運維人員管理、設備運維到工藝管控、少/無人值守、效率提升等全方位的業(yè)務線條。

2? 系統(tǒng)架構

2.1? 總體架構

系統(tǒng)總體架構包括感知層、基礎設施層、數(shù)據(jù)資源管理層、應用支撐平臺層、綜合業(yè)務應用層、用戶層和兩個體系。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2.1.1? 感知層

實現(xiàn)農(nóng)村污水處理設施站點機泵狀態(tài)、電度、液位、流量、視頻監(jiān)測等數(shù)據(jù)的采集和接入。

2.1.2? 基礎設施層

為系統(tǒng)各部分功能提供硬件及網(wǎng)絡支撐，硬件部分包括服務器、網(wǎng)絡安全設施等；網(wǎng)絡支撐則依托運營商提供網(wǎng)絡基礎運行保障環(huán)境，包括硬件設備之間、硬軟件之間的網(wǎng)絡互聯(lián)。為實現(xiàn)農(nóng)村污水處理設施遠程統(tǒng)一控制、統(tǒng)一視頻監(jiān)控、系統(tǒng)運行及數(shù)據(jù)存儲，提供支撐作用。

2.1.3? 數(shù)據(jù)資源層

構建監(jiān)測類、管理類、基礎類、多媒體類、空間數(shù)據(jù)類、共享交換類六類數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲管理、匯集、維護更新等。

2.1.4? 應用支撐平臺層

包括PC端運營管理系統(tǒng)、移動APP應用、公眾輿情系統(tǒng)微信小程序。

2.1.5? 綜合業(yè)務應用層

在政府監(jiān)管、企業(yè)運維管理、公眾參與三個方面打造農(nóng)村生活污水處理設施運維管控平臺，提供對農(nóng)村污水處理運維全過程的實時監(jiān)測、報警管理、視頻圖像呈現(xiàn)、運維管理、運營分析等服務，達到節(jié)約能耗、降低成本、提高效率的目的。

2.1.6? 用戶層

用戶是本信息系統(tǒng)的使用者，主要包括政府用戶、企業(yè)用戶和公眾用戶。

2.2? 控制架構

如圖2所示，在少/無人值守農(nóng)村生活污水處理站點遠程控制方面，可劃分為現(xiàn)場/就地控制層和遠程控制層。工作人員可以通過電腦端或手機端平臺監(jiān)視農(nóng)村生活污水處理站點所有設備和工藝參數(shù)以及實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和存儲，并與各PLC站實現(xiàn)對等通信。在無人值守的情況下，可以通過平臺遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行運行監(jiān)視和設備控制，實現(xiàn)工藝運行數(shù)據(jù)實時查看、遠程控制、運行參數(shù)遠程設定與調(diào)整，設備設施工藝運行模式選擇與監(jiān)測設備數(shù)據(jù)傳輸頻次設定與修改。

2.3? 網(wǎng)絡架構

2.3.1? 智能感知網(wǎng)絡

分散的農(nóng)村污水集中處理站均為自控設備，內(nèi)含RTU模塊，可插入SIM卡，優(yōu)先采用（NB-IoT、4G/5G等）無線網(wǎng)絡通信方式，將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)存儲設備。

2.3.2? 信息服務網(wǎng)絡

信息服務網(wǎng)絡是為農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)、業(yè)務訪問服務的支撐網(wǎng)絡，鑒于農(nóng)污項目對安全等級的要求不高，采用帶有固定IP地址的公網(wǎng)即可。

2.3.3? 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

傳感器儀表通過Modbus或串口采集至農(nóng)污站點PLC，然后利用采集網(wǎng)關通過MQTT協(xié)議上行傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺，再以API接口的方式與業(yè)務平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接。

網(wǎng)絡架構如圖3所示。

3? 系統(tǒng)功能

如圖4所示，農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)包括電腦端運營管理系統(tǒng)、手機端移動應用和公眾輿情系統(tǒng)微信小程序三部分，涵蓋農(nóng)污資產(chǎn)管理、綜合監(jiān)督、安全管理、監(jiān)督考核、決策分析、水質(zhì)管理、智能預警、統(tǒng)計報表等多項內(nèi)容，可明顯提升農(nóng)村生活污水設施的監(jiān)管效率，為今后標準化運維提供堅實保障。

通過農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)建設可基于GIS一張圖的形式展現(xiàn)各站點的空間分布，實時掌握水量水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)獲取巡檢人員的軌跡，及時發(fā)現(xiàn)設備的報警位置，并對故障告警做出分析，結合最優(yōu)路徑規(guī)劃算法、歷史運維情況、現(xiàn)場人員情況、站點監(jiān)控視頻等業(yè)務數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置規(guī)則引擎派發(fā)工單，實現(xiàn)站點的日常運維、調(diào)度，為用戶呈現(xiàn)整個農(nóng)污系統(tǒng)的“電子沙盤”，以更加高效便捷、全面系統(tǒng)地反映農(nóng)污的總體管控態(tài)勢。

3.1? 電腦端運營管理系統(tǒng)

電腦端運營管理系統(tǒng)在個人首頁、管網(wǎng)管理（如圖5所示）、監(jiān)測中心、報警管理、設備中心、物資管理、工單中心、安全管理、報表管理等一系列日常業(yè)務功能的基礎上，通過控制中心對設備設施進行遠程可視化控制管理，實現(xiàn)設備下控和對各生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集傳輸和水務全要素運行工況及視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)全掌控等。電腦端運營管理系統(tǒng)是實現(xiàn)農(nóng)污日常運營管理各項業(yè)務全過程工作精細化管理的平臺，是形成農(nóng)污資產(chǎn)全周期數(shù)字化管理體系和農(nóng)污運維高效率精細化管理體系，滿足農(nóng)污運維及監(jiān)管單位各級人員便捷辦公需求的綜合管理平臺。

3.2? 手機端移動應用

手機端移動應用包括首頁、運行監(jiān)測（如圖6所示）、工單中心、報警管理、隱患管理、人員管理、消息中心等功能，并支持根據(jù)用戶角色和權限進行配置。手機端移動應用滿足運維監(jiān)管人員移動式掌握農(nóng)污運維工作情況并進行事務處理，現(xiàn)場運維人員實時定位、現(xiàn)場設施設備運行情況及故障上報、巡查運維工作移動填報等日常需要。

3.3? 公眾輿情系統(tǒng)微信小程序

如圖7所示，公眾輿情系統(tǒng)微信小程序作為農(nóng)戶上報農(nóng)污設施運行異常等問題與信息填報的便捷窗口，支持村民現(xiàn)場掃二維碼上報信息（如上傳現(xiàn)場照片、視頻等），顯示運維單位聯(lián)系電話，具備快速信息上報、問題處理進度查詢等功能。同時，還可在微信小程序中建設首頁、項目介紹、安全須知等其他功能界面。其中，首頁展示項目片區(qū)運維人員的姓名和聯(lián)系方式，方便公眾直接與片區(qū)運維人員取得聯(lián)系，減少公眾向政府的投訴次數(shù)；項目介紹和安全須知模塊，方便公眾了解農(nóng)污項目的概況，便于公眾安全使用相關農(nóng)污設備。

4? 結? 論

本論文設計建設集電腦端運營管理系統(tǒng)、手機端移動應用、公眾輿情系統(tǒng)微信小程序于一體的農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)，圍繞精益運營、降本增效的宗旨，采用當前較為先進的信息技術平臺和理念，具有行業(yè)前瞻性、技術先進性、業(yè)務完整性、框架穩(wěn)定性，有效實現(xiàn)了農(nóng)村污水核心業(yè)務的信息化管控，實現(xiàn)了農(nóng)污廠站生產(chǎn)運行數(shù)字化、設備管理規(guī)范化、站點運營自動化。農(nóng)村生活污水智慧運營管理系統(tǒng)的應用將產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）與傳統(tǒng)農(nóng)污運營方式相比，每年預計減少人員投入、物力投入等綜合成本約20%，從而助力企業(yè)降本增效。

2）系統(tǒng)具備管人員、管資產(chǎn)、管流程、管時間、管數(shù)據(jù)等各類功能，通過信息化技術手段推動傳統(tǒng)農(nóng)污運營管理流程和模式持續(xù)優(yōu)化改進，以智能數(shù)據(jù)分析技術打造技術優(yōu)勢，推動多業(yè)態(tài)運營管理數(shù)字化轉型，提升產(chǎn)業(yè)信息化水平。

3）對系統(tǒng)的使用不但能提高企業(yè)生產(chǎn)運營管控能力，提升產(chǎn)業(yè)信息化水平，還能推進農(nóng)村生活污水處理站信息化建設，確保農(nóng)村污水處理站正常運行，污水排放達標，進一步改善群眾生活質(zhì)量，實現(xiàn)生態(tài)、社會、經(jīng)濟三大效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

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作者簡介：降瑞嬌（1995.03—），女，漢族，山西呂梁人，助理工程師，碩士，研究方向：智慧水務信息化系統(tǒng)需求分析與設計。