武春艷

（航天海鷹安全技術(shù)工程有限公司，北京 100074）

0 引 言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，污水排放量日益提升。為了確保污水處理的可靠性，國家不斷推進(jìn)污水廠的提標(biāo)改造工作。國內(nèi)多地政府紛紛出臺(tái)了污水處理廠運(yùn)行監(jiān)督管理辦法，對(duì)污水處理廠的出水水質(zhì)和日常運(yùn)行管理水平方面的要求有所提高。當(dāng)前污水處理業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出水量不斷增加、水質(zhì)復(fù)雜多變的趨勢(shì)，而污水處理廠在工藝水平和管控水平方面等表現(xiàn)出明顯不足，普遍存在自動(dòng)化程度偏低、故障頻率高、運(yùn)行成本高等問題。因此，基于實(shí)際污水處理廠運(yùn)行工藝設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套污水處理廠綜合管控平臺(tái)對(duì)于日常運(yùn)行監(jiān)控，異常狀態(tài)預(yù)測處理等都具有非常重要的意義[1-2]。

1 污水處理廠輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

污水處理廠綜合管控平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1 所示。該平臺(tái)主要由污水處理廠工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)、模型仿真系統(tǒng)和專家知識(shí)庫輔助決策系統(tǒng)等組成[3]。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

污水處理廠工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)重點(diǎn)面向傳感設(shè)備、控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、上傳以及控制命令的下發(fā)，并且為運(yùn)行人員提供動(dòng)態(tài)直觀的污水處理工藝展示。

模型仿真系統(tǒng)基于污水處理廠工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)等構(gòu)建生產(chǎn)工藝模型，在線動(dòng)態(tài)進(jìn)行出水水質(zhì)的模擬預(yù)測，當(dāng)出現(xiàn)出水水質(zhì)高于標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)因素時(shí)及時(shí)預(yù)警，用戶可以調(diào)取專家知識(shí)庫中的策略信息以實(shí)現(xiàn)輔助決策[4-5]。

專家知識(shí)庫輔助決策系統(tǒng)具有兩大功能：一是提供常見異常信息、故障信息的知識(shí)庫模糊檢索功能；二是運(yùn)用決策樹等智能算法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)故障信息的積累、智能診斷、故障檢索以及提供運(yùn)維優(yōu)化策略等功能。用戶可以通過在線交互獲取當(dāng)前問題的智能分析策略，策略經(jīng)過多次仿真驗(yàn)證后，可以輔助用戶實(shí)現(xiàn)工藝過程的參數(shù)調(diào)節(jié)[6]。

2 數(shù)據(jù)采集流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)流程如圖2 所示。傳感設(shè)備、工藝設(shè)備數(shù)據(jù)通過PLC 進(jìn)行集中采集，以Modbus-TCP 等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議向應(yīng)用層上傳數(shù)據(jù)。應(yīng)用層部署IOServer 專用數(shù)據(jù)采集平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的主動(dòng)采集，并存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫以每秒10 000 條的存儲(chǔ)效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，主要滿足平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的展示需求。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選再存入MySQL 歷史數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行長時(shí)效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，滿足平臺(tái)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢調(diào)閱的功能展示需求[7]。

圖2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)流向圖

由于數(shù)據(jù)分析、模型預(yù)測等工作都是建立在大量連續(xù)的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，如果數(shù)據(jù)在采集過程中出現(xiàn)異?；騺G失，將對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性造成嚴(yán)重影響。為確保數(shù)據(jù)的完整和連續(xù)性，系統(tǒng)采用一主一備的IOServer 雙冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)主IOServer 出現(xiàn)采集異常時(shí)，可以在1 s 內(nèi)完成熱備用切換。確保連續(xù)的數(shù)據(jù)采集傳輸，提高系統(tǒng)的可靠性。IOServer 雙冗余設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 IOServer 雙冗余設(shè)計(jì)

3 模型仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工藝模型預(yù)測模塊主要應(yīng)用國際水協(xié)會(huì)（IWA）提出的活性污泥系統(tǒng)ASM 動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)揚(yáng)州某污水處理廠的主要工藝進(jìn)行工藝建模，通過工藝模型模擬實(shí)際進(jìn)水條件與工藝參數(shù)下的出水水質(zhì)[8]。

建立基于ASM 的目標(biāo)水廠工藝模型，依據(jù)該污水處理廠三期初步設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行情況，建立了AAAOAO 工藝概化模型，如圖4 所示。

圖4 AAAOAO 工藝概化模型

系統(tǒng)每分鐘讀取一次在線數(shù)據(jù)，調(diào)用模型進(jìn)行仿真計(jì)算。圖5 所示為系統(tǒng)頁面效果展示，系統(tǒng)基于三維工藝圖，動(dòng)態(tài)顯示每個(gè)工藝段預(yù)測結(jié)果和工藝停留時(shí)間。當(dāng)出水水質(zhì)預(yù)測值出現(xiàn)異常時(shí)，運(yùn)行人員可以提前進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，避免水質(zhì)超標(biāo)[9]。

圖5 工藝模型預(yù)測系統(tǒng)頁面

4 專家知識(shí)庫輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

專家知識(shí)庫輔助決策系統(tǒng)分為專家知識(shí)庫和專家決策系統(tǒng)兩部分。專家知識(shí)庫系統(tǒng)按照運(yùn)行管理、百科知識(shí)、水質(zhì)超標(biāo)診斷、安全與職業(yè)健康等維度收錄整理了一千五百余條常見知識(shí)詞條。運(yùn)行人員可通過模糊檢索方式實(shí)現(xiàn)對(duì)常見問題的查詢和借鑒。系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 專家知識(shí)庫頁面

專家知識(shí)庫輔助決策系統(tǒng)采用Web 界面為用戶提供服務(wù)，其由決策庫、決策引擎、API 服務(wù)、數(shù)據(jù)緩存和用戶界面組成。其中，決策庫采用SQLite 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，包含決策樹所需要的規(guī)則、內(nèi)容、數(shù)據(jù)配置等，其中決策規(guī)則是為用戶定制的決策樹規(guī)則，根據(jù)目標(biāo)污水廠的工藝情況設(shè)定具體的參數(shù)和相關(guān)的工藝問題內(nèi)容、對(duì)策等。SS 超標(biāo)決策樹結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 SS 超標(biāo)決策樹結(jié)構(gòu)

決策引擎在運(yùn)行過程中不斷從決策庫中獲取當(dāng)前決策狀態(tài)所需要的規(guī)則，使用該規(guī)則對(duì)用戶輸入數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)緩存進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇決策樹路徑，最終得到?jīng)Q策結(jié)果[10]。

API 服務(wù)提供對(duì)數(shù)據(jù)緩存、規(guī)則庫和決策引擎的訪問接口，以便維護(hù)決策庫，更新緩存數(shù)據(jù)以及調(diào)用決策引擎計(jì)算規(guī)則等，同時(shí)用戶界面也使用API 服務(wù)和決策引擎通信，提供便利的人機(jī)接口。專家知識(shí)庫輔助決策系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 專家知識(shí)庫輔助決策系統(tǒng)界面

5 平臺(tái)功能

污水處理廠綜合管控平臺(tái)基于數(shù)據(jù)采集、模型預(yù)測和智能算法，面向目標(biāo)污水處理廠構(gòu)建了具有三維展示、在線監(jiān)測、視頻調(diào)用、報(bào)警處置、數(shù)據(jù)查詢、綜合分析、模型預(yù)測、專家輔助決策、設(shè)備管理、巡檢管理等平臺(tái)一體化功能，滿足污水廠日常運(yùn)行管控的使用需求。污水處理廠綜合管控平臺(tái)界面如圖9 所示。

圖9 污水處理廠綜合管控平臺(tái)界面

6 結(jié) 語

本文將IOServer 雙冗余設(shè)計(jì)應(yīng)用于綜合管控平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集方面，提高數(shù)據(jù)采集的可靠性和連續(xù)性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和長效存儲(chǔ)。將在線監(jiān)控技術(shù)、模型預(yù)測技術(shù)和專家輔助決策技術(shù)相結(jié)合，面向污水處理廠日常運(yùn)行管控設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了綜合管控平臺(tái)。后續(xù)，經(jīng)過平臺(tái)數(shù)據(jù)積累，為模型校正、大數(shù)據(jù)分析、專家知識(shí)庫優(yōu)化提供技術(shù)支撐。