城市污水处理信息管理系统的设计与研究

王小艺 蒋耘玮 魏 伟 许继平 杨 斌 刘 萌

(1.北京工商大学计算机与信息工程学院，北京 100048；2.北京金控自动化技术有限公司，北京 100048)

目前我国大多数污水处理厂缺乏先进的管理方式，不能充分利用生产设备,自动化、智能化水平相对落后，导致污水处理厂出现高成本、低效益及出水水质差等局面。国内许多研究机构的研究成果表明，很多污水处理厂处理效率不高甚至不达标，兵器单位处理成本较高，其根本原因并不在于原有工艺本身，而在于没有对整体系统进行一体化、智能化的管理，没有发挥原有工艺的处理能力。

不少研究人员对污水处理软件系统进行了设计与开发。陈茂东等基于ACCESS数据库环境，利用VBA语言开发了C/S模式的城镇污水处理厂监管的信息管理系统[1]；曹丽婷等基于PLC和工业组态软件设计实现了污水处理远程监测系统，通过Profibus总线完成实时数据采集和自动控制功能[2]；刘加森和张洪明设计了B/S模式的污水厂管理系统，实现了人事及工资信息管理等功能[3]。但上述系统有两个缺点：其一，运行维护量大，难以移植，并且都需要在PC机上安装相应的客户端软件才能进行管理操作[4]；其二，功能类型较单一，多以简单数据信息管理或开关量控制为主，没有嵌入智能算法对污水处理过程进行智能化管理。

针对上述问题，笔者开发了一种基于B/S模式的污水处理信息管理系统。该系统以B/S模式为基础，结合数据库、ExtJS和Java面向对象编程技术设计实现，界面友好，易于维护升级。在此基础上，嵌入故障诊断专家系统模块，为污水处理过程提供智能化控制方法。

1 系统架构及应用技术①

1.1 系统架构设计

系统架构设计是整个信息管理系统的基础性工作，其性能特点直接影响解决方案的可靠性、安全性及开放性等。针对城市污水处理工艺一体化管理的要求，笔者设计了如图1所示的城市污水处理信息管理系统架构。

图1 城市污水处理信息管理系统架构

城市污水处理信息管理系统建立在组态监控系统和数据采集软件基础之上，分为表示层、中间层和数据服务层。

组态监控系统可以和污水处理厂所有的控制设备通信，并从中采集实时数据。数据采集软件负责将数据传送至数据库。

表示层使用ExtJS技术设计实现，包括系统布局及各功能模块的显示等，用户可通过浏览器访问系统前端界面进行相应操作。

中间层为服务器端数据处理程序，包括业务逻辑程序和数据库连接程序。业务逻辑程序：系统的一切业务逻辑和相关规则都可以在其中得到体现，是中间层的主要部分，该部分主要负责业务规则的解释跟执行，并接收客户端用户的指令请求，响应客户端请求；数据库连接程序即JBDC驱动，负责Java程序与数据库连接交互，数据访问规则的确定。

数据服务层是数据库管理系统，完成数据的存储管理、安全性管理及完整性约束管理等工作。在本系统中，数据库使用MySQL数据库。

1.2 系统关键技术

城市污水处理信息管理系统采用的主要技术有ExtJS技术、Servlet技术和MySQL数据库技术。ExtJS框架具有强大的Web界面设计与显示功能，让开发者可以快速构建美观、友好的前端界面；Servlet实现客户端与服务端的信息传递，响应客户端请求，是系统重要的组成部分；MySQL数据库负责污水处理信息管理系统所有参数的管理。城市污水处理信息管理系统的具体实现方式如图2所示。

图2 城市污水处理信息管理系统的实现方式

在城市污水处理信息管理系统设计前期，综合分析了系统要实现的功能特性，并以数据查找高效性为原则，整理出各功能模块与所操作的数据之间的关系表，最终根据关系表设计功能由大到小的层次式数据库模型。在系统的后台代码中，利用JDBC技术搭建了与MySQL数据库之间的连接池，实现了对数据库的实时连接及即时关闭等功能。

2 系统模块功能

城市污水处理信息管理系统分为生产监视、运行管理、设备管理、数据分析和故障诊断专家系统五大功能模块。各模块之间相互联系，互为补充，构成信息管理系统的整体结构，完成污水处理整个工艺的运营监控、设备的维护与保养、故障的全面诊断、能耗与成本的综合分析，图3为系统主界面。

生产监视模块。针对污水处理过程的复杂性，需要对各个工艺阶段进行全面监视，因此将生产监视中心模块按照各个工艺阶段设计为进水泵房、格栅间、沉淀池、反应池、消毒间以及污泥回流泵房等模块进行监视。仿照组态软件形式设计监控界面，将各阶段中所包含的设备按工艺流程添加到界面中，将数据库中采集到的实时数据，如进水量、液位值及运行状态等显示到各工艺阶段对应的设备中，从而实现对现场运行状态的实时监控。

图3 城市污水处理信息管理系统主界面

运行管理模块。运行管理模块的作用是从管理角度出发，统筹兼顾和协调各部门的工作内容，以节省人力、物力资源，发挥最大的管理效益和经济效益。该模块主要实现的内容包括运行值班和化验记录两个功能：运行值班主要针对值班人员而设计，包括值班日志的填写、巡检记录的填写和当值人员的交接记录；化验管理主要是针对工艺需求进行的实验室化验的记录和所用试剂、用品的合理化管理。

设备管理模块。设备的储备对工艺的应急需求是十分重要的，各工艺阶段所需的设备或仪表都需要在仓库储备一定数量，保证在用设备出现故障时能及时更换，防止工艺中断。因此设备管理中心的设计主要是通过添加备件信息、删除备件信息和修改备件信息3方面展开的。以图表的方式显示现有备件的相关信息，包括备件名称、主要参数、厂家、库存量和备注，直观反映当前库存备件的情况，方便设备统计管理。

数据分析模块。数据分析能直观地反映出管理效益和工艺的运行效益，当数据出现异常或者非规律性数据时，用户可追踪溯源查出问题原因，从而对工艺作出相应调整。数据分析在故障诊断和整体运行分析中起到了关键性作用。信息管理系统针对工艺将数据分析中心划分为能耗分析、工艺分析、成本与利润分析。

故障诊断专家系统。故障诊断专家系统包括知识库、推理机和人机交互界面3部分[5]，故障诊断专家系统的架构如图4所示。

图4 故障诊断专家系统的架构

知识库是将知识转换为计算机语言存储于计算机中。对于基于故障树的专家系统，知识库要将故障树对应的故障信息表示出来，作为专家系统的知识[6]。故障树所表现出来的事件故障因果关系使用Java语言编写实现，可以表示成一组规则集合。

推理机是根据当前数据库中设定的一系列污水处理过程参数标准，与知识库中的规则进行匹配，并通过规则的执行来修改数据库中相对应的内容，然后通过不断地推理得出诊断结论。

针对污水处理工艺过程故障诊断的特点，采用专家系统对污水处理工艺流程中的异常现象进行故障诊断,主要步骤为：

a. 系统对知识库进行初始信息处理，制定故障诊断规则；

b. 从数据库中读取水质指标参数，并与知识库中的规则进行匹配，确定故障原因；

c. 根据故障信息与辅助信息，按照推理机指定的推理策略给出故障解决方案[7,8]。

用户通过人机交互界面输入系统所需要的数据内容以获得系统诊断推理结果解释，设计的污水处理故障诊断专家系统界面如图5所示。

图5 污水处理故障诊断专家系统界面

3 结束语

设计并实现了由生产监视、运行管理、设备管理、数据分析和故障诊断专家系统5个功能模块组成的城市污水处理信息管理系统，实现了对污水处理各工艺阶段的实时监控以及全厂各数据指标的分析，提高了水厂整体运营管理效率，为实现城市污水处理厂的产业升级提供了有效的技术支持。污水处理过程故障诊断专家系统的嵌入，对解决我国现阶段污水处理厂运行管理人员缺乏，改善污水处理系统的运行稳定性都有积极的现实意义，有助于提高我国污水处理行业的管理水平和信息化水平。