武新梅，周素茵，徐愛俊

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測與信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州311300）

隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，信息技術(shù)被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代，日本將水環(huán)境因子自動化監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用到了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。美國、加拿大、新西蘭、澳大利亞等國家相繼將智能化管理技術(shù)應(yīng)用于養(yǎng)殖場，由于其獨(dú)特的地理環(huán)境逐步形成了畜牧養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)模式。這一模式將 “3S”（remote sensing，RS），地理信息系統(tǒng)（geographical information system，GIS）， 全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）技術(shù)與智能化感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，具有集約化、智能化的特點(diǎn)［1］。盡管這些國家設(shè)施畜牧養(yǎng)殖場物聯(lián)網(wǎng)模式不盡相同，但其設(shè)施養(yǎng)殖都形成了畜牧業(yè)工廠化生產(chǎn)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)達(dá)、農(nóng)民文化程度高的集約化模式。歐美等一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，污水遠(yuǎn)程監(jiān)測信息系統(tǒng)已基本遍及全國［2-5］。一些國家還將 “3S”技術(shù)、無線傳感技術(shù)、遠(yuǎn)程終端監(jiān)控技術(shù)及無線通信技術(shù)等應(yīng)用在了污水監(jiān)測與污水治理中，建立了以污水監(jiān)測指標(biāo)和相應(yīng)的項(xiàng)目為基礎(chǔ)的環(huán)境在線監(jiān)測信息系統(tǒng)［2,6］。另外，韓國也使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建了功能較為完善的畜禽疾病監(jiān)管平臺，可用于預(yù)防和減少因畜禽疾病造成的經(jīng)濟(jì)損失［7］。在國內(nèi)，畜牧業(yè)信息化發(fā)展水平不平衡［8］。與國外養(yǎng)殖業(yè)信息化、機(jī)械化程度相比，中國在畜牧業(yè)信息化技術(shù)的研究起步較晚，但發(fā)展速度較快［9］。近年來，中國畜牧業(yè)信息化在管理信息系統(tǒng)、 “3S”技術(shù)、無線射頻技術(shù)、廣角視頻監(jiān)控、生產(chǎn)統(tǒng)計監(jiān)測等方面有所發(fā)展［10-11］，國內(nèi)已研制了專家智能咨詢系統(tǒng)，PIGMAP，GBS和畜禽診斷專家系統(tǒng)等［12］。中國畜牧業(yè)信息化已在畜牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營、畜牧業(yè)生態(tài)監(jiān)測預(yù)警、畜產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管等方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展［8］，但養(yǎng)殖廢棄物不合理排放帶來的可持續(xù)發(fā)展問題也同樣突出［13］，特別是在養(yǎng)殖污水排放監(jiān)測方面仍存在監(jiān)管效率低、取證難度大以及養(yǎng)殖企業(yè)環(huán)保意識淡薄等問題。在畜禽養(yǎng)殖污水監(jiān)控平臺構(gòu)建，污水排放預(yù)警等方面未見報道。目前，中國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖的比例不斷擴(kuò)大，養(yǎng)殖污水的違規(guī)排放對環(huán)境造成了嚴(yán)重影響［14］。本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于不斷升級完善的生豬養(yǎng)殖污水治理物聯(lián)網(wǎng)硬件監(jiān)控平臺，利用定性分析與定量統(tǒng)計的方法，研究生態(tài)治理模式下生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水治理智慧監(jiān)管策略并構(gòu)建相應(yīng)的監(jiān)管模型，對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而可以避免因養(yǎng)殖污水泄露造成的環(huán)境污染。同時，智慧監(jiān)管策略能在養(yǎng)殖污水處理排放過程中提供相關(guān)預(yù)警信息，有效提升企業(yè)的應(yīng)急反應(yīng)能力和政府監(jiān)管部門的監(jiān)管效率。

1 生態(tài)治理智慧監(jiān)管策略與模型

中國生豬養(yǎng)殖業(yè)污水處理方式種類主要有3種：生態(tài)治理、工業(yè)治理和集中處理［14－16］，其中生態(tài)治理指生豬養(yǎng)殖企業(yè)通過消納地等來實(shí)現(xiàn)污水的循環(huán)利用。該治理模式適用于具有一定面積消納地的中小規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)［15－16］。生態(tài)治理技術(shù)的原理：養(yǎng)殖污水排入沼液池后，可以去除沖洗水中的有機(jī)物，把有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，降低污水中化學(xué)需氧量、氨氮、總磷等的濃度。然后污水由總排污管口分別排向各分支排污管口從通往消納地，消納地通常為果園基地消納池、稻草基地消納池或水生植物濕地等。消納地利用植物吸收養(yǎng)殖廢水中多余的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，通過過濾、吸附、沉淀、微生物分解等實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。

1.1 智慧監(jiān)管策略的工作原理

生態(tài)治理智慧監(jiān)管策略通過對監(jiān)管數(shù)據(jù)的分析，判斷生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水排放是否存在違規(guī)排污現(xiàn)象，并根據(jù)其違規(guī)排污量、企業(yè)信用等級以及企業(yè)對警報的應(yīng)急處理時間等因素的不同決定其推送的優(yōu)先級別和推送對象。

生態(tài)治理智慧監(jiān)管策略原理：生豬養(yǎng)殖業(yè)養(yǎng)殖污水排放時需要先開啟電泵，此時安裝在電機(jī)上的電壓電流檢測儀監(jiān)測到電機(jī)處于開啟狀態(tài)，沼液池液位監(jiān)測傳感器及安裝在沼液池排污口處的流量傳感器所獲取的數(shù)據(jù)發(fā)生變化。正常排放時，安裝在沼液池排污口處的流量傳感器數(shù)值應(yīng)與安裝在通往消納地各分支排污口流量傳感器值的總和大致相同，但由于養(yǎng)殖污水在由總排污口流向各分支排污口的過程中存在固體懸浮顆粒的沉降和傳感器精度等因素的影響，造成養(yǎng)殖污水排放總流量與各分支的流量會存在一定的誤差，在可接受的誤差范圍內(nèi)認(rèn)為養(yǎng)殖企業(yè)屬于正常排放。若兩者相差較大，可認(rèn)為該養(yǎng)殖企業(yè)違規(guī)排放或監(jiān)管設(shè)備出現(xiàn)故障。

此外，生態(tài)治理模式下夜間及雨天不允許排放，因此夜間或雨天若檢測到電機(jī)處于開啟狀態(tài)，則認(rèn)為是違規(guī)排放，違規(guī)排放類型為不適宜時間排放。當(dāng)電泵未開啟時，一旦監(jiān)測到液位數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)有變化或者僅僅是液位數(shù)據(jù)減小，也可視為違規(guī)排放。綜上所述，生態(tài)治理模式下存在的違規(guī)排放情況有偷排漏排、滿溢、不適宜時間排放3種，可通監(jiān)控攝像機(jī)進(jìn)行輔助監(jiān)測。其具體判斷策略原理如表1。

表1 生態(tài)治理監(jiān)管策略Table 1 Strategy of ecological governance supervision

1.2 智慧監(jiān)管模型

本研究將生態(tài)治理模式下生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水治理智慧監(jiān)管模型定義為：

其中：Eco表示Ecological模型，h為沼液池深度的90%，hi為第i次獲取液位傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，r為當(dāng)前消納地的天氣狀態(tài)，r值為0或1。r等于0時代表未下雨，此時允許排放養(yǎng)殖污水；r等于1時代表下雨，此時不允許排放污水。t為排放時間，用于對污水排放時間進(jìn)行監(jiān)測。λ代表電機(jī)狀態(tài)，λ等于0或1。λ為0時代表電機(jī)關(guān)閉，λ為1時代表電機(jī)開啟。

Ecological模型處理過程是λ等于1時，電機(jī)開啟，此時模型通過將h與第i次獲取的液位傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)hi進(jìn)行對比判斷沼液池是否存在滿溢現(xiàn)象，同時通過比較沼液排放總流量μ0與各終端流量μ1,μ2,…,μn之和來判斷生豬養(yǎng)殖業(yè)污水是否存在偷排、漏排或者設(shè)備是否出現(xiàn)故障。另外，Ecological模型通過r和t的取值判定生豬養(yǎng)殖企業(yè)是否不適宜時間排放。

若待處理數(shù)據(jù)為D，上述模型可以通過具體函數(shù)形式表示，Eco可表達(dá)為：

其中：F表示Full方法，用于判斷沼液池是否存在滿溢現(xiàn)象；T表示Time方法，用于判斷養(yǎng)殖污水是否在不正確的時間（雨天或夜間）排放；S表示State方法用于判斷電機(jī)狀態(tài)。warn表示Ecological模型中預(yù)警分析函數(shù)，該函數(shù)可對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并發(fā)出相應(yīng)警報。I為該企業(yè)接收到的所有預(yù)警信息。若M方法表示總流量與各終端流量之和的關(guān)系。下面對以上提到的處理方法做具體的解釋。

根據(jù)生豬養(yǎng)殖污水生態(tài)治理方式，Ecological模型具有3個性質(zhì)。

性質(zhì)1：Ecological模型滿足分配率，即對所有數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析所得的預(yù)警信息，等于分別對各個數(shù)據(jù)集分析預(yù)警的并集。

性質(zhì)2:Ecological模型中各個方法的判斷順序具有隨機(jī)性，各方法不存在優(yōu)先級的差異。

性質(zhì)3：Ecological模型中各個方法出現(xiàn)預(yù)警所占的權(quán)重等級有所不同，αi（1≤i≤3）反映養(yǎng)殖場m所在地區(qū)監(jiān)管部門對該種警報類型監(jiān)管的重點(diǎn)程度，并且預(yù)警等級函數(shù)：

2 生態(tài)治理智慧監(jiān)管模型實(shí)現(xiàn)

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)項(xiàng)

生態(tài)治理智慧監(jiān)管模型以生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水排放與處理過程為研究對象，綜合分析從各類傳感器獲取來的實(shí)時數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)對生豬養(yǎng)殖污水排放的 “實(shí)時感知、快速預(yù)警”提供理論支撐。

針對生態(tài)治理相關(guān)需求，污水智慧監(jiān)管模型需要采集的數(shù)據(jù)包括沼液池液位、電機(jī)狀態(tài)、排污管網(wǎng)總流量及各終端流量、傳感器位置、排放時間、消納地天氣狀況（表 2）。

表2 生態(tài)治理模式下生豬養(yǎng)殖業(yè)污水監(jiān)測數(shù)據(jù)項(xiàng)Table 2 Monitoring data of swine effluent under ecological management mode

2.2 數(shù)據(jù)流分析

為了確保養(yǎng)殖污水是由沼液池正常排入消納地而非偷排，本研究根據(jù)已建立的生態(tài)治理智慧監(jiān)管策略和監(jiān)管模型，通過Ecological數(shù)學(xué)分析方法對前文所提到的監(jiān)管數(shù)據(jù)項(xiàng)實(shí)時監(jiān)管和分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生態(tài)治理智慧監(jiān)管模型，并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)管流程。具體分析流程如圖1所示。監(jiān)管數(shù)據(jù)項(xiàng)由數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備被傳送到服務(wù)器，服務(wù)器對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析并存儲。數(shù)據(jù)處理中心通過對電機(jī)狀態(tài)、沼液池液位及流量等進(jìn)行實(shí)時分析從而判斷生態(tài)治理過程是否存在違規(guī)排放或設(shè)備故障。在數(shù)據(jù)監(jiān)管過程中，監(jiān)管模型先對沼液池是否存在滿溢進(jìn)行判斷，若液位深度等于沼液池深度的90%則存在滿溢現(xiàn)象。之后通過電機(jī)狀態(tài)、總流量與終端流量之和的關(guān)系對可能存在的偷排漏排、設(shè)備故障等進(jìn)行監(jiān)測。最后監(jiān)管污水排放時的天氣及排放時間。這里對滿溢狀況、排放時間與天氣、偷排漏排的監(jiān)測并非依存關(guān)系，監(jiān)測順序可以進(jìn)行調(diào)整。數(shù)據(jù)監(jiān)管程序?qū)崿F(xiàn)如下。

輸入：沼液池深度的90%（h），當(dāng)前液位數(shù)據(jù)hi，天氣狀態(tài)r，當(dāng)前時間t，電機(jī)狀態(tài)λ，總流量μ0，各終端流量μ1,μ2,…,μn，m條來自傳感器的數(shù)據(jù)，終端個數(shù)n。

輸出：警報warn

圖1 生態(tài)治理數(shù)據(jù)監(jiān)管流程Figure 1 Data regulatory process under ecological management mode

2.3 預(yù)警決策方法

根據(jù)生態(tài)治理智慧監(jiān)管策略及監(jiān)管模型，可實(shí)現(xiàn)對違規(guī)排污現(xiàn)象的實(shí)時監(jiān)管、實(shí)時預(yù)警。對生態(tài)治理模式下所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析后還需將數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象以警報的方式推送給生豬養(yǎng)殖企業(yè)負(fù)責(zé)人及污水監(jiān)管人員。其警報推送方式如圖2所示。

圖2 預(yù)警推送決策Figure 2 Strategic decision of early warning

當(dāng)監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常時，將警報信息推送給生豬養(yǎng)殖企業(yè)管理人員，同時對該企業(yè)的企業(yè)信用度進(jìn)行評判，若企業(yè)信用度較低（企業(yè)信用等級劃分標(biāo)準(zhǔn)由生豬養(yǎng)殖污水監(jiān)管部門提供，信用等級≤60為較低），將該警報信息推送給監(jiān)管人員；否則將繼續(xù)對其違規(guī)排污量進(jìn)行計算，按照企業(yè)違規(guī)排污量與規(guī)定閾值之間的差值進(jìn)行等級劃分，違規(guī)排污量等級較高的將警報信息推送給監(jiān)管人員；針對違規(guī)排污量較小的企業(yè)根據(jù)企業(yè)管理人員是否對預(yù)警做出及時處理決定是否將預(yù)警信息推送給監(jiān)管人員。總之，生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水排放的預(yù)警決策是由數(shù)據(jù)異常與否、企業(yè)信用等級、違規(guī)排污等級以及企業(yè)管理人員對預(yù)警處理的時效性等因素決定的。

3 應(yīng)用平臺構(gòu)建

生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水智慧監(jiān)管策略是結(jié)合當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的新態(tài)勢，基于先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，提出的一種 “互聯(lián)網(wǎng)＋”畜牧業(yè)的新思路。因此，本策略應(yīng)與相關(guān)軟硬件平臺結(jié)合使用，以策略和模型為核心，系統(tǒng)平臺為支撐，數(shù)據(jù)的定性與定量分析為手段，構(gòu)建完整的污水監(jiān)管新模式。

3.1 硬件平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

利用傳感器設(shè)備對生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水排放過程進(jìn)行全程監(jiān)測，采用星型組網(wǎng)方式將信息獲取模塊組成一個網(wǎng)絡(luò)后，自動定時（本系統(tǒng)10 min采集1次數(shù)據(jù)）的采集生豬養(yǎng)殖污水治理排放信息，如液位、流量、天氣狀態(tài)和電機(jī)狀態(tài)等，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。這樣做的原因是ZigBee組網(wǎng)方式中，星型組網(wǎng)方式簡單且易于管理［17－19］。終端信息獲取模塊使用的傳感器信息如表3所示。

本研究選擇ZigBee模塊作為短距離無線通信模塊，接收來自信息獲取終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)被傳送到云服務(wù)器，并通過Zig-Bee網(wǎng)將同步數(shù)據(jù)包返回信息獲取終端，從而實(shí)時掌握監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)養(yǎng)殖污水排放情況。監(jiān)測中心站的計算機(jī)控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、整理和綜合分析。

表3 傳感器基本信息Table 3 Basic information of sensor

各監(jiān)測點(diǎn)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)可以和預(yù)先設(shè)定的IP地址或者域名建立TCP鏈路，從而實(shí)現(xiàn)云平臺和各個監(jiān)測點(diǎn)間雙向傳輸數(shù)據(jù)。在云端配套的軟件部分根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時分析、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析等功能。硬件平臺整體架構(gòu)如圖3所示。

3.2 監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)管策略和模型可用于指導(dǎo)生態(tài)治理模式下生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水軟件監(jiān)管平臺的搭建，同時功能完善的平臺也使得監(jiān)管策略的實(shí)用價值得以更好的體現(xiàn)。因此監(jiān)管策略的制定與軟件平臺的搭建息息相關(guān)。

生豬養(yǎng)殖污染治理智慧監(jiān)管軟件平臺主要包括用戶中心、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警中心4個部分組成，由實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、視頻監(jiān)控模塊、站點(diǎn)管理模塊、設(shè)備管理模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊和預(yù)警管理模塊組成。生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水排放智慧監(jiān)管平臺實(shí)現(xiàn)效果如圖4。

圖3 硬件平臺整體架構(gòu)Figure 3 Overall frame of hardware platform

圖4 生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水智慧監(jiān)管實(shí)現(xiàn)效果Figure 4 Wisdom supervision effect of swine effluent

以某養(yǎng)殖企業(yè)為例說明系統(tǒng)應(yīng)用案例。圖5是該養(yǎng)殖企業(yè)2017年5月4日的污水排放監(jiān)管實(shí)時數(shù)據(jù)信息。監(jiān)管系統(tǒng)利用Ecological模型對該企業(yè)實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析，對其違規(guī)排污結(jié)果進(jìn)行預(yù)警。

4 結(jié)論與討論

本研究通過分析中國生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水生態(tài)治理的實(shí)際情況和排放流程，對該模式下生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水排放智慧監(jiān)管策略原理進(jìn)行分析，并構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)管模型及Ecological數(shù)學(xué)分析方法，該模型通過Ecological數(shù)學(xué)分析方法對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行定性與定量的分析監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)治理模式下生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水排放的實(shí)時預(yù)警。另外，本研究還給出了模型的具體實(shí)現(xiàn)方式和預(yù)警決策分析方法。并據(jù)此提出了系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)方案，包括硬件平臺感知層的搭建、傳感器型號的選取及數(shù)據(jù)通訊協(xié)議等。通過采集某養(yǎng)殖企業(yè)污水排放實(shí)時數(shù)據(jù)對軟件平臺實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本策略和模型的監(jiān)管效率較傳統(tǒng)監(jiān)管方式具有效率高、預(yù)警準(zhǔn)確等優(yōu)勢。

圖5 生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水排放智慧監(jiān)管示例Figure 5 Sample of swine effluent discharging wisdom supervision

生豬養(yǎng)殖企業(yè)污水排放智慧監(jiān)管模型通過對養(yǎng)殖污水排放的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計，從而實(shí)現(xiàn)對養(yǎng)殖污水排放過程的偷排漏排、設(shè)備故障、滿溢等問題的監(jiān)管，可以避免因養(yǎng)殖污水被大量排出而造成的生態(tài)環(huán)境破壞。另外，該模型有助于提升企業(yè)的應(yīng)急反應(yīng)能力和政府監(jiān)管部門監(jiān)管效率。實(shí)現(xiàn)了畜牧業(yè)的信息化、智能化，為 “互聯(lián)網(wǎng)+”畜牧業(yè)的發(fā)展提供新思路。但由于不同地區(qū)消納地土壤對養(yǎng)殖污水的吸收力差異很大，在采用本策略對養(yǎng)殖污水排放進(jìn)行監(jiān)管的過程中需要不斷修正和完善。且生豬養(yǎng)殖污水對傳感器存在不同程度的侵蝕，使得本策略在實(shí)施過程中仍存在許多問題。因此，如何進(jìn)一步完善養(yǎng)殖污水排放的監(jiān)管分析方法，構(gòu)建合理的評價指標(biāo)體系，使之在全國發(fā)揮作用，是今后研究的方向。

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