中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司 張煒 郝正 魏立超 付海鵬 王曉 張小兵

1 引言

智慧環(huán)保是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳統(tǒng)環(huán)?；ハ嗳诤习l(fā)展所產(chǎn)生的新事物，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)和信息的快速存儲(chǔ)傳輸和全方位感知，具有緊急事件科學(xué)智能決策等功能。為全面提升我國(guó)環(huán)境治理能力，應(yīng)該進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度，有效整合環(huán)保信息，加大數(shù)據(jù)融合力度，提升應(yīng)急決策能力。為了全面落實(shí)環(huán)保要求，加快生態(tài)文明建設(shè)步伐，應(yīng)該構(gòu)建脫硫脫硝智慧環(huán)保島，以提高企業(yè)環(huán)境綜合治理能力。

在智慧環(huán)保島的構(gòu)建過程中，智慧生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)是其中十分重要的子系統(tǒng)[1]。通過智慧生產(chǎn)綜合運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，可以集成脫硫脫硝的環(huán)保設(shè)備指標(biāo)、物耗能耗數(shù)據(jù)；建設(shè)脫硫脫硝環(huán)保數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享。運(yùn)用人機(jī)協(xié)作進(jìn)行智能巡檢，可提升環(huán)保管理智能化和信息化水平，降低環(huán)保管理成本，達(dá)到企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)融合，促進(jìn)傳統(tǒng)環(huán)保向智慧環(huán)保轉(zhuǎn)化。

2 智慧生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

智慧生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)最終目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)全企業(yè)級(jí)的環(huán)境信息化數(shù)據(jù)綜合管理平臺(tái)，是智慧環(huán)保島建設(shè)的重要部分，其功能包括環(huán)境指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析管理、環(huán)境異常預(yù)測(cè)提示、環(huán)保能物耗管理、環(huán)保過程智能管控、人機(jī)協(xié)作智能巡檢、環(huán)保成本核算等。智慧生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

本系統(tǒng)Web 端基于B/S 架構(gòu)、Hadoop 平臺(tái)開發(fā)。采用Mybatis+Spring、Boot+Shiro 框架技術(shù)建立Web應(yīng)用體系。Mybatis框架應(yīng)用于數(shù)據(jù)持久化領(lǐng)域并達(dá)到數(shù)據(jù)表的對(duì)象化，便于程序直接操作數(shù)據(jù)表[1]。調(diào)用框架中Statement,SessionFactory等組件構(gòu)建事務(wù)處理體系，增強(qiáng)數(shù)據(jù)管理靈活性。運(yùn)用Spring Boot 框架，調(diào)用控制器、過濾器組件實(shí)現(xiàn)對(duì)各類請(qǐng)求的控制，增強(qiáng)數(shù)據(jù)訪問安全性。

3 功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 環(huán)保指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析模塊

該模塊包含環(huán)保運(yùn)行負(fù)荷信息、各類污染物排放總量、產(chǎn)污設(shè)施統(tǒng)計(jì)分析、污染物排放實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、污染物排放小時(shí)均值、環(huán)保指標(biāo)超標(biāo)統(tǒng)計(jì)、減產(chǎn)減排統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、環(huán)保指標(biāo)預(yù)警信息等功能。

在對(duì)上述環(huán)保指標(biāo)的分析中，運(yùn)用模糊二階段算法對(duì)環(huán)保指標(biāo)進(jìn)行分類，在指標(biāo)訓(xùn)練集和數(shù)據(jù)集中提取系統(tǒng)的輸入變量的特征集，劃分?jǐn)?shù)據(jù)樣本，訓(xùn)練樣本的模糊識(shí)別矩陣，通過模糊識(shí)別算法進(jìn)行環(huán)保指標(biāo)分析。假設(shè)訓(xùn)練集的輸入和輸出已確定，P代表訓(xùn)練集，式（1）表示輸入和輸出對(duì)的語言變量升序排列。

利用公式（2）和（3）計(jì)算相似矩陣。其中δ為常數(shù)。

則利用公式（6），（7）計(jì)算（δx,δy）

式（6）、式（7）中，x1，m代表整體指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)中首個(gè)輸入變量的最大值，在構(gòu)建數(shù)量為樣本數(shù)據(jù)間的相似關(guān)系的基礎(chǔ)上獲取代表相似矩陣，從而進(jìn)一步獲取模糊聚類中心矩陣，取得該測(cè)試樣本的最優(yōu)模糊識(shí)別矩陣，從而輸出聚類分析結(jié)果。

3.2 環(huán)境異常預(yù)警模塊

本模塊可以實(shí)時(shí)處理環(huán)境異常記錄，保證脫硫脫硝過程安全高效。環(huán)境異常預(yù)警功能模塊實(shí)時(shí)監(jiān)督設(shè)備重要指標(biāo)，參數(shù)達(dá)到限值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警，之后自動(dòng)分析，給出結(jié)論。系統(tǒng)首先對(duì)各重要環(huán)保指標(biāo)超限情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分為自動(dòng)分析和人工輔助分析?，F(xiàn)場(chǎng)建設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)具體包括脫硫旋流器溢流、輸灰管道泄漏的視覺識(shí)別等，建立圖像模式識(shí)別模型。當(dāng)發(fā)生安全問題時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警并顯示具體位置、圖像[2]。

環(huán)境異常記錄功能模塊可查看填寫異常信息，可以根據(jù)創(chuàng)建時(shí)間、事件類型、監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱檢索環(huán)境異常記錄，并掌握環(huán)境異常事件審核進(jìn)度。

3.3 環(huán)保物耗管理模塊

該模塊功能包括物耗分析控制、物耗統(tǒng)計(jì)、物耗報(bào)表管理。系統(tǒng)從歷史工況數(shù)據(jù)中查找相近工況下滿足達(dá)標(biāo)排放的物耗最低點(diǎn)，作為脫硫、脫硝劑等物耗量控制的參考。

系統(tǒng)展示一段生產(chǎn)周期內(nèi)所需的物料量、物耗量同比和環(huán)比以及變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)物耗排名。據(jù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)物耗狀況，展示所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)在特定時(shí)段的物耗數(shù)據(jù)，導(dǎo)出為報(bào)表。系統(tǒng)可進(jìn)行物耗優(yōu)化。比如通過控制石灰石漿液泵流量，減少物耗量；通過調(diào)控噴氨調(diào)節(jié)閥開度，計(jì)算噴氨流量，減少脫硝反應(yīng)器噴氨量，并獲得理論曲線作為運(yùn)行參考。

脫硫物耗優(yōu)化方法：第一，抽取脫硫裝置影響供漿流量的歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化清理，導(dǎo)入Hadoop平臺(tái)；第二，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分類算法，對(duì)數(shù)據(jù)按機(jī)組負(fù)荷、出入口SO2濃度等分類；第三，尋找出各工況最優(yōu)值，形成運(yùn)行庫；第四，按照實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)行庫進(jìn)行工況匹配，得到最優(yōu)給漿流量；第五，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，定期更新優(yōu)化庫。系統(tǒng)顯示設(shè)計(jì)曲線，優(yōu)化曲線，實(shí)時(shí)曲線。

脫硝噴氨優(yōu)化方法：第一，抽取脫硝噴氨歷史數(shù)據(jù)，包括全部工況，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化清理后，導(dǎo)入Hadoop平臺(tái)；第二，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分類算法，對(duì)數(shù)據(jù)按機(jī)組負(fù)荷、出入口NOx 濃度等詳細(xì)分類，區(qū)分工況；第三，尋找出各工況最優(yōu)值，形成運(yùn)行庫。第四，按照實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)行庫進(jìn)行工況匹配，得到最優(yōu)噴氨流量；第五，采用機(jī)器學(xué)習(xí)先進(jìn)算法，定期更新優(yōu)化庫，實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)自適應(yīng)能力。顯示設(shè)計(jì)曲線，優(yōu)化曲線，實(shí)時(shí)曲線。

3.4 環(huán)保能耗管理模塊

本模塊功能包括能耗分析控制、能耗統(tǒng)計(jì)等。通過報(bào)表管理對(duì)環(huán)保能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)當(dāng)前工況，從歷史數(shù)據(jù)中尋找相近工況下滿足達(dá)標(biāo)排放的設(shè)備狀態(tài)，作為控制參考。能耗統(tǒng)計(jì)針對(duì)固定時(shí)間內(nèi)不同區(qū)域耗能量，呈現(xiàn)用能環(huán)比和同比以及變化趨勢(shì)。按照時(shí)間計(jì)算能耗狀況，體現(xiàn)所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)在固定時(shí)間段能耗數(shù)據(jù)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)表。報(bào)表模板定義時(shí)，通過自定義SQL，生成數(shù)據(jù)源模板，實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，管理報(bào)表。能耗數(shù)據(jù)匯總主要包括能耗類別、耗能時(shí)間，各環(huán)節(jié)耗能量以及能耗總量。

能耗優(yōu)化實(shí)現(xiàn)需要循環(huán)泵等設(shè)備啟停，也需要根據(jù)脫硫漿液罐情況調(diào)整設(shè)備啟停，根據(jù)給水量，給料量調(diào)節(jié)電流[3]。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

第一，步驟與脫硫優(yōu)化相同，記錄不同工況下設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；第二，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在優(yōu)化運(yùn)行庫中進(jìn)行工況匹配，展現(xiàn)設(shè)備能耗最優(yōu)狀態(tài)；第三，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，定期更新運(yùn)行庫。顯示設(shè)計(jì)曲線，優(yōu)化曲線，實(shí)時(shí)曲線，提供設(shè)備能耗優(yōu)化指導(dǎo)。

3.5 人機(jī)協(xié)作智能巡檢

采用智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，綜合運(yùn)用圖像識(shí)別、無線通訊等技術(shù)，搭建數(shù)字化、可視化、智能化的操作及遠(yuǎn)程診斷交互平臺(tái)，將AI技術(shù)運(yùn)用于環(huán)保管理，提升工作效率[4]。智能巡檢系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能巡檢系統(tǒng)整體架構(gòu)

巡檢機(jī)器人運(yùn)用紅外熱成像和高清視頻雙視技術(shù)，準(zhǔn)確識(shí)別環(huán)保設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。機(jī)器人監(jiān)控后臺(tái)通過場(chǎng)內(nèi)通信系統(tǒng)，與機(jī)器人雙向信息交互；實(shí)時(shí)掌握機(jī)器人回傳的環(huán)保設(shè)備和機(jī)器人本體數(shù)據(jù)[4]。通過遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)管理多臺(tái)機(jī)器人，提供決策依據(jù)。

基于紅外熱成像設(shè)備溫度診斷，機(jī)器人行進(jìn)過程中，采集處理溫度數(shù)據(jù)，與設(shè)備、管道相關(guān)聯(lián)，存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫[4]。對(duì)特定點(diǎn)采集聲音，在三維模型中拾取設(shè)備或者管道，查看區(qū)域聲音信息。通過智能視頻分析算法，診斷設(shè)備環(huán)境異常。各類表計(jì)、指示燈等狀態(tài)讀取，自動(dòng)識(shí)別異常。配置高精度傳感器，在巡檢路線中實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)異常氣味，及時(shí)發(fā)出報(bào)警。通過智能視頻、圖像分析算法進(jìn)行設(shè)備污損、漏油漏液等狀態(tài)檢測(cè)。巡檢過程中，機(jī)器人發(fā)回現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像。出現(xiàn)緊急情況，遠(yuǎn)程操控機(jī)器人到指定區(qū)域巡視。機(jī)器人在巡檢周期內(nèi)，自動(dòng)完成巡檢，將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器。

智能巡檢系統(tǒng)支持不同時(shí)間段巡檢計(jì)劃，根據(jù)管理需求靈活設(shè)置。實(shí)時(shí)記錄巡檢工作情況，巡檢記錄儲(chǔ)存在云端，管理人員可以通過終端隨時(shí)查看。系統(tǒng)支持多種方式（文字、語音、圖片）上報(bào)巡檢情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)，保障安全。

3.6 生產(chǎn)及環(huán)保成本分析核算

根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)，按發(fā)電、脫硫脫硝工藝流程分步計(jì)算生產(chǎn)及環(huán)保處理成本，制定脫硝、脫硫經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。通過利潤(rùn)測(cè)算，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，系統(tǒng)支持基于收入、成本參數(shù)進(jìn)行利潤(rùn)分析的模型預(yù)測(cè)方法。以實(shí)時(shí)系統(tǒng)和計(jì)量設(shè)備采集成本核算數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)管理。根據(jù)原材料修正月度、年度成本統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，修正生產(chǎn)、環(huán)保管理成本。

系統(tǒng)提供多種固定成本分配標(biāo)準(zhǔn)。靈活設(shè)置生產(chǎn)成本、環(huán)保管理費(fèi)用等計(jì)算信息。自動(dòng)計(jì)算發(fā)電及環(huán)保處理成本，并將費(fèi)用自動(dòng)分?jǐn)偟礁鳝h(huán)節(jié)，自動(dòng)計(jì)算成本，展現(xiàn)成本分布情況。通過曲線和報(bào)表形式分析生產(chǎn)產(chǎn)量與單位成本間關(guān)系，分析成本構(gòu)成、固定成本、投入產(chǎn)出分析，為預(yù)測(cè)成本提供依據(jù)。分析各類成本比例，同期成本比較；分析生產(chǎn)、環(huán)保成本構(gòu)成，增加經(jīng)濟(jì)效益。提供各環(huán)節(jié)成本結(jié)構(gòu)分析，篩選需著重進(jìn)行成本控制的項(xiàng)目。比較分析實(shí)際成本與預(yù)算成本，展示不同期間各成本變化趨勢(shì)，將歷史成本數(shù)據(jù)作為成本決策指導(dǎo)。

4 結(jié)語

隨著環(huán)保管理系統(tǒng)建立與改進(jìn)，企業(yè)環(huán)保管理正在向信息化、智能化發(fā)展。打破信息孤島，建設(shè)統(tǒng)一環(huán)境數(shù)據(jù)中心即智慧環(huán)保島，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，突破多源復(fù)雜的數(shù)據(jù)流集成技術(shù)，全方位整合環(huán)境業(yè)務(wù)和空間數(shù)據(jù)，建立監(jiān)測(cè)、管理于一體的數(shù)據(jù)庫。將環(huán)境管理與實(shí)時(shí)在線信息融合，在統(tǒng)一的環(huán)境綜合管理平臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用。建立生產(chǎn)及環(huán)境成本分析核算模型，指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，對(duì)于環(huán)境管理成本進(jìn)行計(jì)算分析和指標(biāo)評(píng)價(jià)，為環(huán)境管理提供指導(dǎo)性建議，達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益雙贏。