北京科技大學(xué)天津?qū)W院 周洋 張偉 張鴻博 馮浩

本文針對(duì)涉及大氣污染的企業(yè)環(huán)保監(jiān)控問題,提出一種間接監(jiān)控策略。即分別用設(shè)備端監(jiān)測(cè)生產(chǎn)裝置與環(huán)保裝置的用電情況,來(lái)反映企業(yè)是否違規(guī)生產(chǎn)排污的難題。同時(shí),設(shè)計(jì)設(shè)備端與平臺(tái)端的軟硬件架構(gòu),并試制出設(shè)備端兩臺(tái)樣機(jī),與平臺(tái)端一起搭建測(cè)試環(huán)境。結(jié)論表明,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)本文的設(shè)計(jì)理念,并及時(shí)正確地判斷出違規(guī)生產(chǎn)的情況,對(duì)工程實(shí)踐有一定的參考意義。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求及背景

北方秋冬的霧霾天氣至今仍嚴(yán)重影響居民的生產(chǎn)生活。一方面,進(jìn)入供暖季節(jié)后,供熱電廠、供熱站的排污問題已通過(guò)煤改氣、煤改電等措施得到緩解[1]。比如,北京市在2016年前后,區(qū)域內(nèi)所有的熱能發(fā)電廠的燃料已經(jīng)由傳統(tǒng)的煤改為天然氣[2];石家莊市的市區(qū)及郊區(qū)2018年冬季已完全禁止燒煤取暖。但是另一方面,雖然政策規(guī)定企業(yè)生產(chǎn)排污前須經(jīng)過(guò)廢氣處理環(huán)節(jié),企業(yè)實(shí)際中是否真正開啟環(huán)保治污設(shè)備情況基本上都靠企業(yè)的自覺性去執(zhí)行;據(jù)環(huán)保執(zhí)法部門公開的統(tǒng)計(jì)資料,企業(yè)自主執(zhí)行效果普遍不佳。此類涉氣企業(yè)的偷排污現(xiàn)象加劇了不良擴(kuò)散氣象條件下霧霾的嚴(yán)重程度[3]。

鑒于以上情況,河北省政府在2019年8月分別下發(fā)《關(guān)于強(qiáng)力推進(jìn)大氣污染綜合治理的意見》及《河北省工業(yè)污染源全面達(dá)標(biāo)排放專項(xiàng)實(shí)施方案》兩份文件,并選擇保定、邯鄲與衡水作為示范城市,分批強(qiáng)制執(zhí)行企業(yè)安裝監(jiān)控設(shè)備,數(shù)據(jù)上送到地級(jí)市的環(huán)保局監(jiān)控平臺(tái)以作進(jìn)一步處理。

本文中的設(shè)計(jì)是基于工程項(xiàng)目中環(huán)保局提出的需求,分別設(shè)計(jì)了在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行算法的優(yōu)化和改進(jìn)。同時(shí),考慮到本科教學(xué)的實(shí)際需求和實(shí)驗(yàn)室的軟硬件條件,對(duì)系統(tǒng)的平臺(tái)端和設(shè)備端進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,以在實(shí)驗(yàn)室的模擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完整功能,并對(duì)參與其中的學(xué)生進(jìn)行貼近工程實(shí)際技的能訓(xùn)練。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

對(duì)污染氣體的監(jiān)測(cè)存在直接和間接兩種方式。直接方式為在企業(yè)的排污口安裝氣體探測(cè)設(shè)備,在某一種或幾種有毒氣體的含量超標(biāo)之后立即報(bào)警[4-6]。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是反映迅速、測(cè)量準(zhǔn)確;缺點(diǎn)是設(shè)備安裝成本高,設(shè)備單臺(tái)成本在萬(wàn)元左右,且半年需要更換一次氣體探頭,后續(xù)的維護(hù)成本高。根據(jù)環(huán)保局的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),95%以上的企業(yè)沒有安裝此類設(shè)備的意愿。故不采用這種監(jiān)測(cè)方式。

在涉氣企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,往往不需要精確知曉企業(yè)廢氣中某種氣體的含量,只需掌握企業(yè)的尾氣是否經(jīng)過(guò)環(huán)保設(shè)備處理后排放,此為間接監(jiān)測(cè)方式。企業(yè)是否違規(guī)操作,只關(guān)聯(lián)到廢氣處理的兩個(gè)生產(chǎn)流程,即生產(chǎn)裝置開機(jī)前后的環(huán)保裝置提前預(yù)熱和延后關(guān)閉。廢氣處理分為兩種處理方式[7]:物理處理和化學(xué)處理。物理處理裝置包括活性炭吸附裝置和濾網(wǎng)裝置;化學(xué)處理裝置有生物催化器和光氧化催化器,化學(xué)處理裝置發(fā)揮效能需要提前一段時(shí)間開機(jī),以使反映媒介達(dá)到臨界狀態(tài)。當(dāng)生產(chǎn)裝置開機(jī)后,廢氣即刻產(chǎn)生;生產(chǎn)裝置關(guān)機(jī)后,殘存在生產(chǎn)管道中的尾氣仍需處理一段時(shí)間。故考慮上述情況后,判定企業(yè)正常生產(chǎn)的條件,至少應(yīng)定為環(huán)保裝置開機(jī)時(shí)間不晚于生產(chǎn)裝置開機(jī)時(shí)間,關(guān)機(jī)時(shí)間不早于生產(chǎn)裝置關(guān)機(jī)時(shí)間。裝置的啟停狀態(tài)可以通過(guò)讀取裝置供電線路上的電流電壓來(lái)判斷,如此則整體監(jiān)測(cè)流程的復(fù)雜度大大下降。

基于上述考慮,在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)為三層架構(gòu),即平臺(tái)處理層、通信傳輸層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of online monitoring system

3 設(shè)備端的設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,是指分別安裝在生產(chǎn)線上的生產(chǎn)裝置和環(huán)保裝置同一供電線路上游段的裝置。由于要監(jiān)測(cè)是否排污,故在生產(chǎn)裝置和與之對(duì)應(yīng)的環(huán)保裝置上分別安裝一臺(tái),并記錄其對(duì)應(yīng)關(guān)系,二者合稱為設(shè)備對(duì)。本文目前只考慮生產(chǎn)裝置和環(huán)保裝置一一對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。設(shè)備的工作原理與常見的居民工業(yè)用電計(jì)量表類似,不同的是其功能做了特定增刪。其主要功能包括監(jiān)測(cè)電壓電流、記錄通斷電時(shí)間、報(bào)警和遠(yuǎn)程通信。

3.1 設(shè)備端硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述功能敘述,設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)主要包括五個(gè)模塊:電源模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、CPU、通訊模塊和報(bào)警模塊。

其中,報(bào)警模塊主要是為防止企業(yè)私自改動(dòng)設(shè)備接線而設(shè)計(jì)的,一旦企業(yè)私自打開設(shè)備的外殼,設(shè)備馬上切斷線路供電并發(fā)出遠(yuǎn)程報(bào)警信息和鳴笛聲。模塊之間的關(guān)系見圖2。由于有數(shù)據(jù)精度及通訊時(shí)效性的要求,CPU采用ARM11系列處理器,AD轉(zhuǎn)換模塊采用32位芯片,通訊模塊采用物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊。充電電池模塊有大容量電解電容為主體進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)備接通電源后自動(dòng)充電,其作用是在設(shè)備突然斷電后,把設(shè)備斷電的通訊報(bào)文發(fā)送到平臺(tái)端。

圖2 設(shè)備硬件架構(gòu)圖Fig.2 Device hardware architecture diagram

3.2 設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備端實(shí)現(xiàn)五個(gè)主要的功能:電流電壓值監(jiān)測(cè)、定時(shí)上送數(shù)據(jù)、平臺(tái)端命令接收和執(zhí)行、異常斷電和停上電狀態(tài)上送。電流和電壓的數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并由算法判斷機(jī)器是否只通電不開機(jī);數(shù)據(jù)上送流程根據(jù)通信協(xié)議的選擇而不同,按規(guī)定每小時(shí)的0、15、30、45時(shí)刻主動(dòng)上送(HJ212-2017協(xié)議)[8],或平臺(tái)端主動(dòng)下發(fā)查詢數(shù)據(jù)的報(bào)文(GD376.8-2013及DL/T634.5104-2002協(xié)議)[9-10],此部分?jǐn)?shù)據(jù)以遙測(cè)值的浮點(diǎn)數(shù)形式上送;平臺(tái)端命令響應(yīng)主要涉及對(duì)時(shí)命令和強(qiáng)制斷電命令(只涉及GD376.8及DL/T634.5104-2002協(xié)議);異常斷電功能主要是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)企業(yè)私自打開設(shè)備機(jī)殼設(shè)置的,一旦機(jī)殼被打開,立刻上送平臺(tái)端的報(bào)警信息并斷電;停電狀態(tài)上送功能主要是以遙信值的形式,將經(jīng)算法判定的環(huán)?；蛘呱a(chǎn)設(shè)備的通電狀態(tài)、異常斷電狀態(tài)、通斷電開關(guān)信號(hào)上送。

經(jīng)對(duì)通訊數(shù)據(jù)性質(zhì)進(jìn)行分類后,對(duì)經(jīng)由通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為如下三類:遙信量,即由設(shè)備端上送平臺(tái)端的開關(guān)量,包括生產(chǎn)環(huán)保裝置的異常斷電信號(hào)和啟停信號(hào);遙測(cè)量,即由設(shè)備端向平臺(tái)端發(fā)送的生產(chǎn)裝置、環(huán)保裝置的電流電壓電度等電量值,以及測(cè)量值對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳;命令量,即由平臺(tái)端下發(fā)到設(shè)備端的對(duì)時(shí)命令和斷電命令。

對(duì)數(shù)據(jù)類型和基本功能進(jìn)行綜合考慮后,本文對(duì)軟件架構(gòu)采用層次化設(shè)計(jì),主要分為四個(gè)功能層次:通訊報(bào)文層、數(shù)據(jù)處理層、共享內(nèi)存層和硬件執(zhí)行層。四個(gè)軟件功能層及其與對(duì)應(yīng)硬件層的邏輯關(guān)系如圖3所示。

圖3 設(shè)備端軟件層次邏輯關(guān)系Fig.3 The logical relationship of the device software level

4 系統(tǒng)平臺(tái)端的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺(tái)端的作用是接收設(shè)備端上傳的數(shù)據(jù),并解析出電量、設(shè)備開關(guān)時(shí)刻等信息。針對(duì)成對(duì)的環(huán)保設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備,在生產(chǎn)設(shè)備開機(jī)階段,對(duì)二者的開機(jī)時(shí)間進(jìn)行先后判斷,給出是否違規(guī)開機(jī)的判斷;在生產(chǎn)過(guò)程中,平臺(tái)每15分鐘統(tǒng)一下發(fā)查詢數(shù)據(jù)的命令,并根據(jù)回傳的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù),判斷企業(yè)是否在生產(chǎn)期間違規(guī)關(guān)停環(huán)保設(shè)備;在生產(chǎn)結(jié)束后,判斷環(huán)保設(shè)備是否晚于生產(chǎn)設(shè)備關(guān)停。以上的判斷結(jié)果顯示到軟件界面作為報(bào)警提示信息。

4.1 平臺(tái)端硬件架構(gòu)

系統(tǒng)平臺(tái)端的硬件架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,當(dāng)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)器,平臺(tái)端的所有程序均部署在一臺(tái)服務(wù)器上。當(dāng)平臺(tái)通過(guò)設(shè)備上傳數(shù)據(jù)計(jì)算得出環(huán)保設(shè)備違規(guī)啟停的事件后,由顯示器和揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警提示信息。平臺(tái)端的硬件架構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 平臺(tái)端硬件架構(gòu)示意Fig.4 Schematic of the hardware architecture of the platform

4.2 平臺(tái)端軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)

平臺(tái)端的軟件采用模塊化設(shè)計(jì),具體模塊間的邏輯關(guān)系如圖5所示,由于計(jì)算量和業(yè)務(wù)處理邏輯遠(yuǎn)遠(yuǎn)比單臺(tái)設(shè)備復(fù)雜,故根據(jù)分層處理的原則每個(gè)模塊編寫單獨(dú)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。一方面,減少系統(tǒng)間的耦合程度,方便調(diào)試代碼及測(cè)試程序;另一方面,留出后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)改進(jìn)的空間。

圖5 平臺(tái)端各功能模塊間的邏輯關(guān)系Fig.5 The logical relationship between the functional modules on the platform

當(dāng)設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)狡脚_(tái)端后,先經(jīng)過(guò)通訊報(bào)文模塊處理提取出每臺(tái)設(shè)備的電流電壓等遙測(cè)信息,以及開關(guān)量的遙信數(shù)據(jù),此類數(shù)據(jù)稱作一級(jí)數(shù)據(jù)。隨后,數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)設(shè)備對(duì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)5章中提到的場(chǎng)景進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯判斷,判斷結(jié)果作為二級(jí)數(shù)據(jù),合并一級(jí)數(shù)據(jù)后,傳送到共享內(nèi)存模塊。共享內(nèi)存模塊的作用有二:(1)一二級(jí)數(shù)據(jù)顯示到大屏的展示界面模塊上,同時(shí)將違規(guī)信息以語(yǔ)音播報(bào)出來(lái);(2)將一二級(jí)數(shù)據(jù)定時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊保留30天內(nèi)的歷史數(shù)據(jù),并具備數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面功能,可以根據(jù)不同的查詢方式生成數(shù)據(jù)文件,以.CSV格式導(dǎo)出。

4.3 系統(tǒng)通訊機(jī)制的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)前期調(diào)研,環(huán)保行業(yè)和自動(dòng)化行業(yè)常見的通訊協(xié)議有:工控領(lǐng)域的MODBUS協(xié)議,環(huán)保行業(yè)的HJ212-2017協(xié)議,電力行業(yè)的GD376.8-2013及IEC60870-5-104:2000協(xié)議。經(jīng)過(guò)比較以上四種協(xié)議的實(shí)現(xiàn)邏輯和本文所應(yīng)用的軟硬件條件后,最終選擇MODBUS協(xié)議。

為保證設(shè)備端的運(yùn)行數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到平臺(tái)端,并考慮最大成本地節(jié)省通訊成本,設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)與設(shè)備端的通訊機(jī)制分為兩種。第一種是由平臺(tái)端在每小時(shí)的0/15/30/45時(shí)刻向各設(shè)備主動(dòng)下發(fā)查詢命令,設(shè)備端逐一回復(fù)。設(shè)備端回復(fù)的報(bào)文中包含設(shè)備編號(hào)、設(shè)備類型、所配對(duì)的另一臺(tái)設(shè)備、電壓、電流、通電狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、日期時(shí)間的信息。平臺(tái)端解析出的信息存入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)DevData1中。其具體格式如下:{DevNO:int,DevType:int,PairDevNO:int,Voltage:float,Current:float,PowerStatus:bool,Alarm:bool,DateTime:string}。其中,int代表整形的數(shù)據(jù)類型,float代表浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)類型,bool代表布爾類型,string代表字符串行,本文中應(yīng)用精確到秒的14位字符串,格式定為年(4位)月(2位)日(2位)時(shí)(2位)分(2位)秒(2位),如20210915144152。

第二種數(shù)據(jù)是在突發(fā)數(shù)據(jù),主要指設(shè)備斷電、上電和發(fā)生報(bào)警的情況下,設(shè)備將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到平臺(tái)端。此部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)DevData2較DevData1簡(jiǎn)單,只涉及設(shè)備編號(hào)、設(shè)備類型、所配對(duì)的另一臺(tái)設(shè)備、通電狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、日期時(shí)間的信息。其具體格式如下:{DevNO:int,DevType:int,PairDevNO:int,PowerStatus:bool,Alarm:bool,DateTime:string}。數(shù)據(jù)類型代表的信息同DevData1。

5 系統(tǒng)測(cè)試

平臺(tái)對(duì)設(shè)備端是否發(fā)出報(bào)警的判斷決定于環(huán)保/生產(chǎn)裝置的開啟與關(guān)閉時(shí)間、是否有突發(fā)的設(shè)備報(bào)警與斷電。針對(duì)不同的業(yè)務(wù)判斷邏輯,總結(jié)出八種測(cè)試場(chǎng)景,如表1所示。

表1 不同的業(yè)務(wù)測(cè)試場(chǎng)景Tab.1 Different business test scenarios

限于實(shí)驗(yàn)室的條件,最終的系統(tǒng)測(cè)使用2臺(tái)設(shè)備端的樣機(jī)來(lái)分別模擬一組設(shè)備對(duì)中的生產(chǎn)與環(huán)保裝置,系統(tǒng)平臺(tái)端部署在服務(wù)器上,所采用的物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊的運(yùn)營(yíng)商選擇為中國(guó)移動(dòng)。人為控制環(huán)保設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備的開啟和關(guān)閉,為避免人為操作的誤差,每個(gè)場(chǎng)景模擬100次左右,除去操作過(guò)程中的硬件故障和人為失誤外,有效的測(cè)試結(jié)果如表2所示。表中,平均用時(shí)是指每次人工操作完設(shè)備,平臺(tái)端給出是否正常,所用的平均時(shí)間。

表2 不同場(chǎng)景的正確率Tab.2 The correct rate of different scenarios

表2中,正確率均達(dá)到95%以上,證明本文的設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目的,且有相當(dāng)?shù)膶?shí)用性。平均用時(shí)較長(zhǎng)的原因是,數(shù)據(jù)從設(shè)備端發(fā)送到平臺(tái)端需要經(jīng)過(guò)移動(dòng)公司的通信網(wǎng)絡(luò)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,從設(shè)備端發(fā)出通訊報(bào)文,到平臺(tái)端接收到報(bào)文,用時(shí)15～23秒不等,這方面的耗時(shí)屬于非可控因素,與測(cè)試時(shí)刻的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度、氣象因素、用戶數(shù)量、信道上下行速率等因素有關(guān),不在本文的研究范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

針對(duì)涉及大氣排污企業(yè)的環(huán)保監(jiān)控問題,本文創(chuàng)造性地提出一種間接監(jiān)控策略,并設(shè)計(jì)出設(shè)備端和平臺(tái)端的軟硬件架構(gòu)。在測(cè)試階段,通過(guò)搭建2臺(tái)設(shè)備樣機(jī)與一套平臺(tái)端的系統(tǒng),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理念的正確性,對(duì)工程實(shí)踐有一定的參考價(jià)值。

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