吳楚輝，王亞東，張楚蕙

（1.汕頭市北軸廣業(yè)環(huán)保有限公司，廣東 汕頭 515041；2.廣州市揚新技術(shù)研究有限責任公司，廣州 510000）

0 引言

為貫徹落實中央環(huán)保督察整改及百日攻堅戰(zhàn)行動實施方案工作要求，某地區(qū)全面推進PPP項目。該項目包括建設(shè)運營分布在區(qū)內(nèi)6 個鎮(zhèn)區(qū)的6 座污水處理廠、涵蓋7 個鎮(zhèn)區(qū)共24 個農(nóng)村一體化污水處理站點、11 個廠外提升泵站以及完善城區(qū)10 個鎮(zhèn)區(qū)的污水管網(wǎng)鋪設(shè)。

項目于2020年基本完成建設(shè)并投入運營，由于站點多、分布散和覆蓋面積大的特點，項目運營如按照傳統(tǒng)人員的管理模式將容易導(dǎo)致運維成本高、管理難度大。因此，需要采用先進的技術(shù)手段，以解決污水廠運維人員不足等問題。

無人值守技術(shù)基于數(shù)字化技術(shù)，在各行各業(yè)均有應(yīng)用，如電力行業(yè)在21 世紀初就研究無人值守變電站，取得了一些成果；而在污水處理行業(yè)，因其工藝過程的復(fù)雜性，研究并不多，但也有一些相關(guān)的研究。文獻［1-2］介紹了一般污水廠基于C／S 架構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計，無法實現(xiàn)自動或運程運行，也無法實現(xiàn)無人化；文獻［3］闡述了集中控制的管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用與運行管理，大大減少了人力成本；文獻［4］介紹了在吉化污水處理廠的無人值守改造過程，取得了較好的效益；文獻［5］介紹了基于MQTT協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸與控制單元，實現(xiàn)了較復(fù)雜的單廠無人值守的污水處理廠，并融合了數(shù)據(jù)存儲分析等，具有較強的無人值守效果；文獻［6］則綜述了中小污水廠無人值守控制系統(tǒng)建設(shè)方案和原則，具有較強的指導(dǎo)意義。文獻［7］則介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)及云平臺的工廠環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用了新型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有一定的借鑒意義。上述文獻雖然都闡述了無人值守的方案，但是均有點從原中控出發(fā)，未從集團化污水處理廠無人或少人值守方向考慮，因而存在一定問題。

本文將從實際工程項目分析，建立較全面的集團化污水廠無人值守系統(tǒng)，基于日常運行維護的經(jīng)驗，提出相關(guān)運營管理要求。最后，針對本系統(tǒng)進行分析，驗證其準確性與有效性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)集中運營管理某區(qū)域1 座區(qū)域中心污水廠、6座鎮(zhèn)污水廠、24 個農(nóng)村站點、11 個泵站以及4 座人工濕地，管網(wǎng)長度約55.2 km。某區(qū)廠設(shè)計處理量為8 萬t／d，其余6座鎮(zhèn)級污水廠在1500 ～4 500 t／d之間，因此，無法按原污水廠管理模式，在每個廠安排崗位人員，需要采用信息化的手段。設(shè)計在某區(qū)廠內(nèi)設(shè)置中心控制室（區(qū)域控制中心），其他廠區(qū)設(shè)置VPN （Virtual Private Network）虛擬專用網(wǎng)，數(shù)據(jù)上傳至中心控制室。

系統(tǒng)總體由現(xiàn)場站點通信層、VNP 專網(wǎng)傳輸層、系統(tǒng)平臺層構(gòu)成，其中系統(tǒng)平臺部署在企業(yè)私有云，并可通過網(wǎng)絡(luò)上傳至調(diào)度中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 EconWorx-SWP軟件體系

1.1 現(xiàn)場通信層

現(xiàn)場通信層采用智能網(wǎng)關(guān)和VPN專用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，智能網(wǎng)關(guān)在云集控平臺與現(xiàn)場自控間起承上啟下的作用，即通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實時采集自動控制系統(tǒng)信息（上行信息），并轉(zhuǎn)發(fā)至云集控平臺；云集控平臺操作下發(fā)控制命令時，將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)至自控系統(tǒng)（下行信息），完成云端遠程操控。

1.2 VPN專網(wǎng)安全傳輸層

采用VPN（Virtual Private Network）虛擬專用網(wǎng)，分Client 與Server即在公用網(wǎng)絡(luò)上建立安全的“加密信道”，通過隧道協(xié)議通信，在協(xié)議上又分為PPTP、L2TP、IPSec等，連接在Internet上的位于不同地方的兩個或多個企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)之間建立一條專有的通信線路。本系統(tǒng)中在各項目現(xiàn)場配置VPN路由器（連接智能網(wǎng)關(guān)DataHub）作為VPN Client與云VPN服務(wù)器進行加密通信，使得傳輸數(shù)據(jù)安全可靠、又完全掌握著自己網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)。

1.3 系統(tǒng)平臺層

采用工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫RdbPlus，RdbPlus 是一套工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息應(yīng)用、海量數(shù)據(jù)的壓縮存儲和分析系統(tǒng)平臺，以實時數(shù)據(jù)庫為核心，可以幫助用戶完成底層廣泛的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)整合（I／O Server）、實時數(shù)據(jù)服務(wù)（Rdb Server），海量歷史數(shù)據(jù)存儲和檢索，生產(chǎn)工況圖形組態(tài)和WEB 方式發(fā)布圖形系統(tǒng)。并開放API 和WebSocket接口供第三方訪問，便于第三方對工業(yè)數(shù)據(jù)挖掘與分析。IOServer 作為實時庫生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)軟件，主要用于下層數(shù)據(jù)采集和控制輸出。當運營管控平臺向RdbPlus發(fā)送控制命令時，RdbPlus經(jīng)網(wǎng)關(guān)IO Server下傳到控制系統(tǒng)。

1.4 生產(chǎn)運營管理軟件EconWorx-SWP

EconWorx-SWP基于SpringCloud 微服務(wù)框架，圍繞著各領(lǐng)域業(yè)務(wù)場景來開發(fā)應(yīng)用服務(wù)組件，是EconWorx以分布式實時庫RdbPlus 為內(nèi)核，集成開源分布式數(shù)據(jù)庫Hadoop及關(guān)系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建數(shù)據(jù)中臺，服務(wù)平臺層基于微服務(wù)框架開發(fā)管理基礎(chǔ)工具箱，應(yīng)用層調(diào)用平臺服務(wù)API可快速實現(xiàn)專業(yè)領(lǐng)域解決方案應(yīng)用App。EconWorx具有高可靠、高可用、跨平臺、易伸縮特性，應(yīng)用EconWorx可實現(xiàn)對大廣域機電系統(tǒng)可視化實時監(jiān)測、生產(chǎn)調(diào)度、節(jié)能控制及預(yù)防性運維管理。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 監(jiān)控管理

系統(tǒng)根據(jù)污水廠處理過程、工藝流程采集工藝儀表數(shù)據(jù)、各類型設(shè)備運行狀態(tài)信號和電氣數(shù)據(jù)和其他信息等，自動協(xié)調(diào)和管理污水處理過程，打印水處理報表、繪制趨勢曲線圖，報警及事件記錄。

生成污水廠的工藝流程、變配電系統(tǒng)實時動態(tài)圖、實時視頻瀏覽及智能聯(lián)動功能，給污水廠值班人員提供實用、清晰、友善的中文化的人機界面，生動形象地反映污水處理工藝流程、變配電系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)、完成報警、歷史數(shù)據(jù)、歷史趨勢曲線的存儲、顯示和查詢。生成、打印各類水處理運行管理的班報、日報、月報和年報表。對接入系統(tǒng)中的監(jiān)測點所對應(yīng)的標簽進行管理，通過對標簽的報警閾值進行配置，可產(chǎn)生相應(yīng)的報警事件。

2.1.1 工藝實時監(jiān)測

以工藝流程圖界面的方式，生動形象的將污水處理設(shè)施的現(xiàn)場情況展示出來。并在對應(yīng)位置上展示集成化采集上來的動態(tài)實時數(shù)據(jù)情況，能夠一眼明白現(xiàn)場的狀況，如圖3 所示。

圖3 工藝實時監(jiān)測

2.1.2 輔助決策“一張圖”

“一張圖”能夠展示項目的基本分布情況、處理水質(zhì)情況、出水量、主要參數(shù)指標曲線、處理成效等，使得用戶通過一張圖全局掌握整體生產(chǎn)情況，如圖4 所示。

2.1.3 歷史事件、報警功能

結(jié)合各污水處理設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，合理設(shè)置對應(yīng)告警規(guī)則，以WEBGIS 的形式展示各污水處理設(shè)施的位置，并按照報警規(guī)則實時監(jiān)控各污水處理設(shè)施的告警狀態(tài)，狀態(tài)包括設(shè)備故障報警、工藝運行異常告警、固體藥劑量報警、藥劑桶內(nèi)液體藥劑量報警、污泥累計量告警等，實現(xiàn)告警監(jiān)測的及時性、精準性、有效性。同時，針對告警情況，管理員可以進行告警處理流程跟蹤。

針對智慧運營管理平臺的告警提醒，當告警事項長時間沒有解決時，監(jiān)管平臺會逐步提高對巡檢人員的提醒頻率和強度，直至告警事情被解決。

2.1.4 歷史趨勢分析

默認情況下，展示各污水處理設(shè)施24 h 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。結(jié)合數(shù)據(jù)的曲線情況，判定各項監(jiān)測指標變化趨勢是否正常，有沒有出現(xiàn)突發(fā)的數(shù)據(jù)跳變及其他異常，也可以選取特定時間展示。圖5 所示為趨勢分析。

圖5 趨勢分析

（1）對常用的、重要的參數(shù)曲線進行分類展示；

（2）曲線上展示指定時間段的最大值及最小值；

（3）可以對重要曲線進行配置；

（4）可對重要曲線進行實時展示；

（5）可以自定義同類設(shè)備相同的監(jiān)測量進行同比、環(huán)比分析，對同一設(shè)備的各個監(jiān)測量進行簡單的趨勢進行分析，為后期的大數(shù)據(jù)分析中的特征量獲取提供支撐。

2.1.5 分析報表

用戶可按需方便地自定義生產(chǎn)報表及業(yè)務(wù)經(jīng)營報表，下載、上傳報表，如圖6 ～7 所示。

圖6 生產(chǎn)報表

圖7 經(jīng)營報表

2.1.6 預(yù)案場景全自動化運行

污水廠正常生產(chǎn)運營時，需要運行人員根據(jù)相關(guān)運行參數(shù)對各個設(shè)備遠程啟停，這就需要運維人員了解整個工藝，控制流程不能錯亂。系統(tǒng)可設(shè)置多個預(yù)案系統(tǒng)，通過配置預(yù)案任務(wù)的觸發(fā)參數(shù)，可以設(shè)定的程序、定時順控啟、停整個生產(chǎn)工藝，當工藝段的某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)會按照程序自動停止關(guān)聯(lián)的設(shè)備，并發(fā)出報警通知相關(guān)負責人，負責人通過手機遠程調(diào)度維修人員進行處理。圖8 為工藝運行流程。

圖8 工藝運行流程

2.2 遠程控制

系統(tǒng)基于B／S 架構(gòu)，應(yīng)用PC／APP 基于圖形界面和中文提示方式，值班人員在區(qū)域控制中心通過計算機開啟或停止設(shè)備、設(shè)定控制調(diào)節(jié)參數(shù)，如圖9 所示。

圖9 控制及權(quán)限校驗

2.3 運營管理

2.3.1 設(shè)備巡檢管理

設(shè)備需要日常的巡檢和維護，調(diào)度人員根據(jù)實際情況在系統(tǒng)進行排班，巡檢人員進行巡檢并在系統(tǒng)填寫巡檢記錄；如在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備需要維修，需要巡檢人員提交維修計劃請求。

（1）工藝巡檢

工藝巡檢，關(guān)注點為各工藝段的運行參數(shù)和狀態(tài)，如水的顏色、污泥顏色、工藝儀表參數(shù)等。在巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)問題，可拍照上傳系統(tǒng)，并調(diào)整相關(guān)的工藝設(shè)備運行狀態(tài)。

（2）設(shè)備巡檢

關(guān)注點為各設(shè)備的運行參數(shù)和狀態(tài)，巡檢中發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)運行中設(shè)備安全和運行異常情況，立即作出相應(yīng)調(diào)整，確保穩(wěn)定運行，并記錄上報相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）視頻巡檢

視頻巡檢是在區(qū)域控制中心對各廠進行視頻巡檢，主要對人員和設(shè)施的安全、設(shè)備的正常狀態(tài)進行遠程視頻巡視，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并進行調(diào)度處置或現(xiàn)場跟蹤復(fù)查。

（4）巡檢路線

粗格柵＋調(diào)節(jié)池＋進水泵房→細格柵＋沉砂池＋進水在線監(jiān)控→前處理工段（如有）→生化工段＋回流工段＋風機房→脫水間→二沉池→深度處理工段→消毒池＋出水在線監(jiān)控＋出水口；巡檢路線需要權(quán)限設(shè)定，設(shè)定后巡檢按路線執(zhí)行。

（5）巡檢計劃

系統(tǒng)可根據(jù)污水處理廠運維規(guī)程，各工藝設(shè)備巡檢頻率、巡檢工作內(nèi)容指定巡檢計劃及對應(yīng)巡檢項目，如圖10 所示。

圖10 巡檢計劃

（6）巡檢任務(wù)

巡檢任務(wù)可通過巡檢計劃周期生成，巡檢任務(wù)可以指定具體執(zhí)行人，也可以不指定執(zhí)行人，當不指定執(zhí)行人時，該任務(wù)可以被所有巡檢人看到并領(lǐng)取。在巡檢過程中，巡檢人可以對每個巡檢項檢查并確定是否報障。如圖11 所示，管理人員可以指派某個巡檢任務(wù)到具體執(zhí)行人，當點擊某個任務(wù)時，可查看到該任務(wù)規(guī)劃的巡檢路徑及巡檢人員的實際巡檢路徑，通過規(guī)劃路徑與實際路徑對比是否重疊，分析巡檢任務(wù)是否有漏檢項。

圖11 巡檢任務(wù)

2.3.2 設(shè)備保養(yǎng)管理

設(shè)備維護人員制定設(shè)備維護保養(yǎng)計劃，包括制定維護設(shè)備保養(yǎng)的年度計劃，月度計劃。計劃內(nèi)容包括保養(yǎng)編號、設(shè)備編號、設(shè)備名稱、設(shè)備型號、使用部門、保養(yǎng)周期、保養(yǎng)時間、負責人、保養(yǎng)內(nèi)容。填寫數(shù)據(jù)記錄，包括保養(yǎng)記錄、保養(yǎng)完成率以及異常情況記錄。

（1）保養(yǎng)計劃

保養(yǎng)計劃如圖12 所示。

圖12 保養(yǎng)計劃

（2）保養(yǎng)任務(wù)內(nèi)容

保養(yǎng)任務(wù)內(nèi)容如圖13 所示。

圖13 保養(yǎng)內(nèi)容

2.3.3 設(shè)備維修管理

制定設(shè)備維修計劃，包括制定設(shè)備維修的年度計劃，月度計劃。計劃內(nèi)容包括維修編號、設(shè)備編號、設(shè)備名稱、設(shè)備型號、設(shè)備所屬部門、維修周期、維修計劃時間、負責人、維修內(nèi)容。填寫數(shù)據(jù)記錄，包括維修記錄、維修完成率以及異常情況記錄。

如圖14 所示，設(shè)備維修模塊中的維修任務(wù)來源于巡檢模塊及維保模塊的各個巡檢項，當巡檢人員在對具體設(shè)備進行巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的某項有問題時，通過故障描述、故障圖片、故障設(shè)備、設(shè)備位置等信息記錄報障信息并上傳到調(diào)度中心，并由調(diào)度人員來確定是否維修，什么時間、什么人對故障進行排除。

2.3.4 庫存管理

實現(xiàn)所有操作用戶通過系統(tǒng)對全廠的備件清冊及材料庫存臺帳進行查詢，備件供應(yīng)信息，包括備件的入庫與出庫信息。備件供應(yīng)信息包括出庫時間、入庫時間、備件編號、備件名稱、備件類型、備件型號、所屬部門、入庫量、出庫量、出庫備件領(lǐng)用部門、領(lǐng)用人用戶名、領(lǐng)用人密碼備件庫存額度，包括備件編號ID、名稱、類型、規(guī)格、型號、所屬部門名稱（不是部門ID）、最低庫存量、現(xiàn)有庫存量。備件采購與配送提醒，當庫存額度達到最低庫存量需要發(fā)出備件采購提醒；當現(xiàn)場施工工程中需要發(fā)出配送提醒。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 “斷點續(xù)傳”確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性

云實時庫采用廣播協(xié)議與各智能網(wǎng)關(guān)周期時鐘同步，智能網(wǎng)關(guān)與云實時庫通訊應(yīng)用“斷點續(xù)傳”機制確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性，即當現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)檢測與云實時庫斷網(wǎng)離線時，自動啟用數(shù)據(jù)本地緩存；當智能網(wǎng)關(guān)檢測與云實時庫恢復(fù)通訊后，自動啟用新鏈路將離線存儲數(shù)據(jù)文件單向推送至云實時庫，同時云實時庫自動將離線存儲數(shù)據(jù)插寫、補錄至歷史歸檔庫中。系統(tǒng)運行2年多以來，暫未發(fā)生因通訊中斷而發(fā)生的數(shù)據(jù)丟失情況。

3.2 數(shù)據(jù)加密傳輸確保數(shù)據(jù)安全性

現(xiàn)場智能網(wǎng)關(guān)與云實時庫通訊協(xié)議啟用自主加密／解密通訊機制，即智能網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)加密后傳輸，云實時庫接收數(shù)據(jù)后解密后解析應(yīng)用，且加密算法周期動態(tài)變換，總體信息安全可靠。

3.3 設(shè)備操控客戶端授權(quán)管理

由于系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用B／S 設(shè)計方案，因此客戶端僅需要通過PC 瀏覽器或移動App 登入便可訪問系統(tǒng)。出于系統(tǒng)對設(shè)備遠程操控權(quán)限嚴謹、安全角度考慮，系統(tǒng)需對具備“操控權(quán)限”設(shè)備作合法授權(quán)管理。授權(quán)管理合理，確保了系統(tǒng)的安全運行。

3.4 運維任務(wù)自動管理

日常的各種運維任務(wù)需要人工介入分發(fā)任務(wù)及執(zhí)行任務(wù)。本方案采用運維系統(tǒng)及知識庫，自動制定各種任務(wù)計劃，周期、定時生成任務(wù)，并根據(jù)排班系統(tǒng)，直接分發(fā)任務(wù)給具體工種運維人員。同時采用視頻巡檢替代人員巡檢。利用數(shù)據(jù)分析對生產(chǎn)設(shè)備進行狀態(tài)評估，改變傳統(tǒng)的運維模式，從傳統(tǒng)的計劃檢修升級到狀態(tài)修，極大的降低了運維強度、難度、成本并有效延長設(shè)備壽命、提升系統(tǒng)的可靠性。圖15 所示為庫存物料管理。

圖15 庫存物料管理

3.5 無紙化運營

污水廠的運營情況，需要通過人員錄入數(shù)據(jù)到紙質(zhì)文檔中，提供給負責人、決策者，讓其了解整個污水廠的運營情況，這會導(dǎo)致信息錯誤、信息不全的問題。本方案利用報表系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、手機App，相關(guān)負責人可通過手機，實時知悉整個污水廠的運營情況，包括設(shè)備的運行情況、任務(wù)、水質(zhì)等情況。

3.6 無人值守運營

本系統(tǒng)采用了預(yù)案場景全自動化運行、工藝實時監(jiān)控、預(yù)案場景順控、視頻監(jiān)視與聯(lián)動、智能運維巡檢、排班系統(tǒng)、人員考勤、績效管理、應(yīng)急指揮及輔助決策等功能模塊，貫穿“人機料法環(huán)”，通過潮安區(qū)智慧運營管控平臺，污水處理廠及泵站運行由原來的12 h輪班監(jiān)控運行制轉(zhuǎn)變?yōu)?4 h無人值守不間斷運行，同時，整體需求人員減少了約10人，鎮(zhèn)級污水處理量同比增加約45%。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了成熟的智能網(wǎng)關(guān)、VPN 專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫RdbPlus，數(shù)據(jù)傳輸可靠，為實現(xiàn)無人值守提供了良好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)；設(shè)計了集中管控系統(tǒng)，對區(qū)域內(nèi)的各廠、各站、各村點集中監(jiān)管／管控、統(tǒng)一指揮調(diào)度，通過集控平臺對各個設(shè)施點直接遠程控制，對各個生產(chǎn)、安全環(huán)節(jié)直接視頻巡視，減少或取消單廠中控運行、安防值班人員，強化項目點的巡檢、維護和異常情況處理；通過平臺應(yīng)用，設(shè)計了流程管控，巡檢、維護、維修實行工單制，工作流程規(guī)范高效，時效＋量化管理，系統(tǒng)自動考核評價，激勵員工高效工作，進一步優(yōu)化系統(tǒng)功能和人員配置；通過應(yīng)用平臺，設(shè)計了移動管控，所有崗位隨時隨地24 h通過手機移動終端監(jiān)控水廠運行、接受派單，隨時查詢數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，做出決策并信息交互。通過應(yīng)用平臺，在潮安PPP項目初步實現(xiàn)了無人值守的污水廠管控系統(tǒng)，減少人力成本，同時也加強了對污水廠的巡檢、維護、維修管控，取得了預(yù)期成果。