鄂男旬

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智慧污水廠組成域邏輯分析與框架設(shè)計(jì)

鄂男旬

（沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

通過分析智慧污水廠的內(nèi)涵，提出其實(shí)現(xiàn)污水全過程控制管理、實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障報(bào)修和定期維護(hù)、實(shí)現(xiàn)物料的智慧管理、實(shí)現(xiàn)智能診斷等功能需求，搭建其構(gòu)成框架以完善“智慧水務(wù)”建設(shè)，豐富“智慧城市”組成部分。隨著智慧地球的提出、科技的進(jìn)步和人民生活質(zhì)量提高，污水廠的管理要求也進(jìn)一步提高，智慧污水廠發(fā)展成為必然的趨勢。

智慧； 污水； 信息化建設(shè)；

現(xiàn)如今已經(jīng)迎來了水行業(yè)變革的契機(jī)。首先，從政策層面，“十三五”規(guī)劃綱要中專欄13新型城鎮(zhèn)化建設(shè)重大工程第四點(diǎn)明確提出建設(shè)智慧城市，以基礎(chǔ)設(shè)施智能化、公共服務(wù)便利化、社會(huì)治理精細(xì)化為重點(diǎn)，充分運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)，建設(shè)一批新型示范性智慧城市?！笆濉币?guī)劃配合《水十條》提出，就可以看出，國家、政府、乃至于整個(gè)行業(yè)，都已經(jīng)史無前例的對(duì)水資源給與了高度的關(guān)注和重視。

作為水行業(yè)重要組成部分的污水處理行業(yè)在我國迅速發(fā)展，污水廠運(yùn)營、管理等方面技術(shù)已達(dá)瓶頸。因此，智慧控制系統(tǒng)作為運(yùn)營管理的重要組成部分被重視起來。污水處理自動(dòng)化、信息化及智能化技術(shù)隨著行業(yè)監(jiān)管的加強(qiáng)、人工成本的上升和企業(yè)盈利狀況需要進(jìn)一步發(fā)展?！爸腔畚鬯畯S”主要通過先進(jìn)的設(shè)備和智慧控制系統(tǒng)對(duì)污水進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)“節(jié)能降耗”處理污水的目的。

城市的污水處理正發(fā)展為“智慧化”的新范式，城市的“智慧”特征更突出：一方面，管理者通過運(yùn)用各類新興技術(shù)手段來滿足城市內(nèi)污水處理需求；另一方面，城市范圍內(nèi)不同的業(yè)務(wù)部門之間乃至各城市之間需要有效的貫通，通過數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)的智慧化分析及信息整理，實(shí)現(xiàn)污水處理智慧化控制。

1 智慧污水廠功能需求

1.1 能夠?qū)崿F(xiàn)智能診斷

現(xiàn)階段污水處理的異常診斷仍然依靠廠內(nèi)經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)專家進(jìn)行人工判斷，其主要過程為：查看日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)->根據(jù)經(jīng)驗(yàn)找出異常水質(zhì)指標(biāo)->根據(jù)具體異常數(shù)據(jù)判斷處理方法。復(fù)雜的診斷經(jīng)驗(yàn)往往掌握在少數(shù)專家手中。隨著水質(zhì)采樣設(shè)備的發(fā)展以及分布式控制系統(tǒng)（DCS）在污水處理過程中的應(yīng)用，污水處理數(shù)據(jù)大量增長，傳統(tǒng)的依靠專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估監(jiān)測的方法在準(zhǔn)確性以及速度上已無法滿足需求[2]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)算法的深入研究，使得傳統(tǒng)工業(yè)模式與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)逐漸融合，提高工業(yè)運(yùn)作的效率并進(jìn)一步降低了人力成本。所以，將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入污水處理異常診斷中，形成通用的自動(dòng)化的在線診斷系統(tǒng)，可以大幅提高污水處理廠的運(yùn)行效率，降低人工操作的成本，提高診斷準(zhǔn)確性。

1.2 能夠?qū)崿F(xiàn)污水全過程控制管理

通過只能診斷的實(shí)現(xiàn)得以監(jiān)測污水處理運(yùn)行情況的全過程，通過只能診斷生成得到的各種圖表，為系統(tǒng)決策提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，通過“智慧污水廠”控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營的調(diào)度和管理，并根據(jù)情況進(jìn)行及時(shí)管控。

1.3 能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的故障報(bào)修和定期維護(hù)

機(jī)械設(shè)備聯(lián)入物聯(lián)網(wǎng)，可以根據(jù)自身運(yùn)行時(shí)間、耗能、效率等狀態(tài)進(jìn)行智能判斷，了解其自身是否需要維護(hù)、維修，將這些數(shù)據(jù)直接發(fā)送至廠家，形成區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)，由廠家統(tǒng)一管理地區(qū)設(shè)備的維護(hù)工作。

1.4 能夠?qū)崿F(xiàn)物料的智慧管理

通過運(yùn)行狀況分析，判斷藥品剩余情況，當(dāng)藥品余量不足時(shí)，自動(dòng)向預(yù)設(shè)電商提交訂單，判斷耗電量自動(dòng)繳納電費(fèi)等。

2 智慧污水廠組成域

參考項(xiàng)目管理的“人機(jī)料法環(huán)測”以及工業(yè)4.0中縱向維度的構(gòu)成，可將信息、知識(shí)、功能等定義為虛擬資源；而對(duì)應(yīng)工業(yè)4.0的水平維度，實(shí)體資源依據(jù)空間尺度的不同進(jìn)行劃分，包括人力、物料、設(shè)備等。虛擬資源和實(shí)體資源聯(lián)合則被定義為資源域；工業(yè)4.0縱向維度中資源的集成、交互需由相關(guān)架構(gòu)和規(guī)范等決定，將其定義為組織域；污水廠本身作為污水處理行業(yè)中的服務(wù)單元，其對(duì)應(yīng)工業(yè)4.0全生命周期維度的各階段均可視為服務(wù)環(huán)節(jié)[3]。其表述圖見圖1。

3 資源域內(nèi)組成及映射關(guān)系

資源域應(yīng)包含實(shí)體資源域和虛擬資源域兩種。其中，實(shí)體資源域?yàn)檎鎸?shí)存在的實(shí)物，如機(jī)械設(shè)備、水廠進(jìn)水、電能等；虛擬資源域則有如操作經(jīng)驗(yàn)、建模仿真、管理制度等。如此，將實(shí)體資源域分為人力域、設(shè)備域和物料域三種，而將虛擬資源域劃分為功能域、知識(shí)域與信息域。其模型參考圖2。

圖1 智慧污水廠組成域?qū)蛹?jí)映射關(guān)系

圖2 資源域內(nèi)層級(jí)映射參考模型

人力域包括專業(yè)層、管理層和操作層三部分人員。專業(yè)層為廠長及部分專家；管理層為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)人員、財(cái)務(wù)分析人員等；操作層為實(shí)驗(yàn)員和工人。

設(shè)備域包括機(jī)械設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備、信息處理設(shè)備等，為污水廠運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持、數(shù)據(jù)分析及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

物料域包括進(jìn)入污水廠的原水、處理污水所用化學(xué)藥劑、處理污水所消耗的能源、處理達(dá)標(biāo)的出水及污泥、沼氣等中間產(chǎn)物。

功能域表現(xiàn)了智慧污水廠的概念用途，其能夠?qū)μ幚磉^程進(jìn)行仿真建模模擬處理流程，根據(jù)模擬過程管理調(diào)整處理流程，制定高效的運(yùn)行計(jì)劃，在運(yùn)行過程中記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，提供可視化的圖表信息，智能化分析數(shù)據(jù)圖表，細(xì)節(jié)微調(diào)達(dá)到節(jié)能降耗的目的，對(duì)生產(chǎn)資源進(jìn)行合理分配。并與設(shè)備商合作，要求設(shè)備損壞能自報(bào)修，廠家自主安排維修維護(hù)。

知識(shí)域?yàn)橹腔畚鬯畯S運(yùn)行的核心，其中應(yīng)有所在污水處理廠的工藝原理全流程，收錄工作人員多年的操作經(jīng)驗(yàn)，提供數(shù)據(jù)分析的合理的、科學(xué)的算法，對(duì)整個(gè)污水廠進(jìn)行仿真建模，并不斷的優(yōu)化模型。

信息域是整個(gè)智慧污水廠運(yùn)行的紐帶，有其連接功能域、知識(shí)域、設(shè)備域、物料域，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸處理，信號(hào)收發(fā)等功能。

4 污水廠框架設(shè)計(jì)

以資源域?yàn)楹诵拇罱ㄎ鬯畯S框架雛形基于污水廠資源域內(nèi)參考模型，實(shí)體與虛擬資源間需要保持一致，因此可從實(shí)體資源層開始，自下而上搭建污水廠框架雛形，依次包括虛擬資源層、核心服務(wù)層、功能組件層/應(yīng)用接口層、應(yīng)用層和交互服務(wù)層。

圖3 智慧污水廠構(gòu)架體系

圖3參考架構(gòu)將各組成域內(nèi)涵映射為完整的污水廠組織架構(gòu)，并借鑒了智慧制造系統(tǒng)中的7項(xiàng)特征，即信息驅(qū)動(dòng)、知識(shí)驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)自治、自組織、自維護(hù)、虛擬制造和人機(jī)協(xié)同。

5 結(jié)束語

污水處理過程復(fù)雜多變，經(jīng)過多方面的因素相互影響可以產(chǎn)生各種不同的結(jié)果。所以以往比較依賴?yán)蠁T工的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析及解決各種問題。但是這類經(jīng)驗(yàn)很難總結(jié)、傳遞，更加難以廣泛運(yùn)用。建設(shè)智慧污水廠，可以替代過去憑專家經(jīng)驗(yàn)獲取的對(duì)未來的預(yù)測，而且現(xiàn)在憑借數(shù)據(jù)分析還能做到更好、更精確，并有助于回避個(gè)人認(rèn)知的局限和經(jīng)驗(yàn)的混淆，把經(jīng)驗(yàn)歸納為數(shù)學(xué)公式、曲線，從其中推斷一些具體的結(jié)果，從而達(dá)到預(yù)測、預(yù)警的目的，并能提供多組運(yùn)行方案，提高污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體運(yùn)行的科學(xué)性、信息性、智能性。從而提高了污水處理的效率，并科學(xué)的實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

通過建設(shè)智慧污水廠，能夠有效地提升污水處理廠的管理水平，能夠提升污水處理廠的核心競爭力，能夠提升污水處理廠的智慧管理水平，提升了污水處理廠辦事效率和服務(wù)水平。這樣才會(huì)提升污水處理效率，促進(jìn)行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展。

［1］張之滄, 閭國年. “智慧地球”概念解析[J]. 自然辯證法研究, 2015，(11):117-122.

［2］趙曦.智慧污水廠建設(shè)運(yùn)行模式的探討[J]. 科研, 2017，(2):00243-00243.

［3］張益, 馮毅萍, 榮岡. 智慧工廠的參考模型與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2016, 22(1):1-12.

Logical Analysis and Frame Designof Constituent Domains of Smart Wastewater Treatment Plant

（Shenyang Jianzhu University, Liaoning Shenyang 110168, China）

The connotation of smart wastewater treatment plant was analyzed, and its functional requirements were discussed, such as whole process control management of wastewater treatment,fault repair and regular maintenance of equipments,the material management, intelligent diagnosis and so on. The smart wastewater treatment framework was established to improve the "smart water service " construction.

intelligence; sewage; information construction

X703

A

1004-0935（2017）10-1002-03

2017-08-11

鄂男旬（1993-），男，碩士，遼寧省錦州市人，研究方向：智慧污水處理廠。