污水处理厂智慧化运营管理平台设计及研究

王 萍，杨 帆

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

1 污水处理厂智慧化建设的必要性

本文基于厦门市8 座传统污水处理厂的运营现状，分析构建污水处理厂智慧运营管理平台的必要性。

福建省住房和城乡建设厅在完成对于福建省城镇污水厂的评估考核后，下发了《关于督促加快2019 年污水处理厂运行评估问题整改的通知书》（闽建督字〔2020〕18 号），并通报了2019 年度福建省污水处理厂的运行评估考核结果，其中提及厦门市8 座现状传统污水处理厂存在自控系统较为老旧落后，功能房配置和自控程度等方面水平较低，污水处理厂的自控软件及硬件配置整体水平相对落后的问题，应进行整改。

根据中央环保督察和福建省住房和城乡建设厅提出的整改意见，在进行新（扩）建污水处理厂自控系统建设时，应对标国内先进做法，进行智慧化提升。

要实现污水处理厂的高效运行，需要采取常规自动化控制和智能控制并举的方案。常规自动化控制是指控制设备的开/ 停、液位、流量等以常规逻辑控制为主的环节，在水厂过程控制中占60%～80%的比例，以小闭环为主，逻辑运算量通过PLC 控制回路实现，相对简单和固定。智能控制是指为实现运维管理水平提升、出水水质稳定、节能减耗等目标而建立的数学和机理模型及寻优算法，以便实现高效能的辅助决策和精细化运行管理，以大闭环控制为主，需要模型作为后台运算的支撑。

污水处理厂常规自动化控制和智能控制流程见图1。

由图1 可知：采取常规自动化控制的传统污水处理厂致力于现场的感知、执行和反馈，而采取智能控制的智慧化污水处理厂致力于污水处理全局的协调、调度、决策、下达指令以及自学习[1]。

图1 污水处理厂常规自动化控制和智能控制流程

传统污水处理厂与智慧化污水处理厂在管理模式、水质安全、行业监管和运营成本上的对比见表1。

由表1 可知，若是能将传统污水处理厂改造为智慧化污水处理厂，即可建立起集中所有污水处理厂静态和动态信息以及分析统计结果，可即时查询并展现的污水处理厂“一张图”；建立起集中污水处理厂所有地理信息、实时信息、设施信息、业务信息等的污水处理厂数据库；建立起包含污水处理厂各方面的水质模型；实现少人运维以及设备管理、巡检管理、数据统计和报表分析、物资管理等的智慧化；实现对污水污泥处理过程的严格监管；实现对污水处理关键参数和状态的全面、统一实时监测；实现根据上级各类综合调度指令，对污水处理厂关键设施设备进行远程启闭等调度操作；可解决污水处理厂运维及管理中的“痛点”；可提供决策支持、提高管理水平、挖掘设施潜力，保证污水处理系统的良好运行。

表1 传统污水处理厂与智慧化污水处理厂的对比

2 污水处理厂自控及智慧化方案

为提高企业的生产经营管理水平，提高企业的核心竞争力和经济效益，设计开发了污水处理厂生产运行信息化管理系统，即污水处理厂智慧运营管理平台。该平台通过污水处理厂运行管理的数字化、自动化、网络化来确立信息共享机制，建立信息化建设的领导、实施、管理体系；同时根据水厂业务需求，实现集中化管理、远程监控、报表管理、设备管理、报警管理、手机APP 应用功能。

为了满足运营数据采集需要，自控采集点需要支持自动采集和手工录入2 种形式；数据采集软件应具有支持分布式采集的功能，以满足大量数据点采集的性能要求。

系统需提供手机APP 来支持日常工单流转及运行指标监控，APP 需采用统一的开发平台并且同时支持Android 和IOS 系统。

污水处理厂智慧运营管理平台主要包括污水公司分调中心、厂级运行管理平台及过程控制级。过程控制级与传统污水处理厂无异，主要包括自动控制及仪表监测系统、视频监控系统、通讯系统及网络信息安全系统，本文不再赘述。

2.1 污水公司分调中心

2.1.1 可视化综合监管“一张图”

建立污水公司下属所有污水处理厂一体化监管“一张图”，在地图上展示集团下各污水处理厂的分布情况及运行情况总览，并可通过数据钻取功能查看每个污水处理厂的详细监管信息。

监管“一张图”可以查看包括但不限于的如下信息：

（1）污水分调中心及各污水处理厂的处理量、服务人口、集团公告以及重大事项、突发事件处理和跟踪信息。

（2）污水公司及各污水处理厂药耗、电耗、碳源消耗等汇总信息。

（3）污水公司及各污水处理厂的水质达标率等关键绩效指标(KPI)。

（4）污水公司及各污水处理厂工单任务处理效率及完成率等工作效率指标。

（5）通过数据挖掘，还可查看每个厂的工艺健康状况、设备健康状况、人员或班组的工作效率等关键信息，如人员分类汇总信息、水质水量信息、能耗药耗信息、维修巡检养护情况、设备异常情况、备件使用及库存情况、突发事件处理情况等。

通过“一张图”及数据挖掘，总览集团所有污水处理厂的生产运营情况，全面掌握生产经营状况。

2.1.2 集团化报表管理

提供污水公司级运营报表、水质汇总报表、公司级设备资产使用情况报表等集团常用分析汇总报表。

2.1.3 集团监管AP P

（1）生产运营。污水公司管理者可通过手机APP，时刻关注并精准管控集团内各水厂的各项运营指标，通过多维度分析数据，分析集团内各水厂运营的问题，为集团管理者对下属水厂的生产运营提供良好的决策支持，优化生产运营指标，改进生产运营计划。生产运营指标包括：集团水处理总量、整体水质达标率、总体能耗数据（电耗、药耗、碳源消耗等）、各水厂出水指标等。

（2）设备资产。集团管理人员可通过手机APP，关注集团的设备资产信息，监控集团设备整体健康状态，并通过APP 可视化分析图表，了解集团所有工厂的设备运维效率、设备故障类型分布，以及关键设备能耗分布等数据。通过可视化分析图表，可帮助设备资产管理者找出数据问题关键点，改进集团内整体设备管控流程和计划。

（3）应急事件。集团内应急事件触发后，系统会根据应急事件的处理预案，将事件通过手机APP 推送给相关人员，相关工作人员可通过移动APP 查看事件具体详情和预案具体内容，严格按照应急预案的工作流程处理应急事件。并可通过手机APP 记录事件处理的过程信息。APP 支持“文字”、“语音”、“图片”和“视频”的信息反馈方式。

逻辑学上的概念，包括三个方面：内涵，外延，内涵与外延的关系。内涵指的是给对象的定义，指包括哪些现象、因素或问题。外延指的是边界，即这些现象、因素或问题的数量和规模，到达什么样的一个度？内涵与外延的关系，讲的是条件与限制。内涵、外延、关系，三者互为包含，互不分割。

2.2 厂级运行管理平台

2.2.1 厂级三维数字化建模

（1）全厂、工艺段三维数字模型搭建。搭建整个污水处理厂的三维数字化模型，采用高空相机、平面巡视相机等视角建模，可形象展示具体厂站的三维立体空间结构、工艺段、运行实景的模拟情况，达到实景体验、有效监管的目标。

（2）三维数字模型应用。基于全厂以及各工艺段三维数字化模型，实景体现生产实时数据、报警数据、关键指标数据，并通过模型从各个角度有效监控各关键指标，及时处理各种故障和预警情况，再以多媒体方式反馈处理结果。

2.2.2 运营管理可视化平台

（1）运营分析中心。该中心包括以下3 类指标：

a. 生产运行类指标。对全厂运营情况进行汇总计算和统计分析，通过图表等形式给管理者提供直观的运营数据展示，如进出水流量、出水水质及达标率等水质信息。

b. 能耗药耗类指标。系统可实时监测当前能耗数据，同时通过存储的历史数据，记录和计算出一段时间内的主要设备能耗量，并计算出最终的能耗成本。实现对污水处理厂部分能耗较大的工艺端的电耗统计，按照工艺段、设备等情况进行实时监测和历史综合监测，可实现小时、天、月、年等分类统计，并辅助以电耗单价情况计算的能耗成本，给管理人员提供节能降耗的操作依据；通过实时数据采集方式或者人工录入方式进行药耗量统计，并结合投药量和药品单价计算出药耗成本。

（2）设备运行分析中心。该中心通过以可视化图表形式展示的资产及设备运行状况的汇总分析结果，可以使管理人员掌控厂内设备生产效率、设备利用率、设备故障率及故障类型，了解设备生命周期内的运行情况，及时发现低效或高故障率的设备。为维修、更换等行动和预算提供数据支撑，降低生产风险。

（3）报警异常分析中心。该中心通过监控全厂报警和巡检的异常信息，显示报警和异常的处理进度。相关工作人员可通过监控中心，上升报警级别，催促处理进度以及指挥应急事件处理等。系统对报警和异常的处理效率、报警程度分布、发生区域分布的监控，通过多种可视化图形和日历看板等展现方式，可帮助管理者实时掌控厂内运行风险；在改进运营指标、计划等工作中，为管理者提供强有力的决策支持。

（4）工艺运行分析中心。该中心通过将实时采集的生产运行监测点和工艺控制设定参数等多个指标数据进行趋势和关联变化关系的对比分析，帮助工艺运行人员及时发现运行异常，及时调整工艺参数或发现并解决潜在问题。

2.2.3 运维管理系统

（1）设备台账管理。建立污水厂设备的全过程管理，包括台账、使用、维修、维保、报废等一系列过程。通过设备生命周期管理，使得设备管理规范化，以提升设备使用效率，减缓损耗，达到成本控制的目的。

（2）备品备件管理。提供备品备件的资产管理，方便用户对已有的备品备件库存进行线上的封存管理，实时掌握备品备件的库存状况，并详细了解现有库存的出入状况，追踪到人，使得企业对自身的资产状况一目了然。

（3）工单管理。系统会根据所设置的维护保养项目以及维护保养计划，自动生成维保工单，并在指定日期下发工单给相关的工作人员。将设备的维保工单进行报表统计，记录任务工单的处理进度、任务明细以及处理流程数据，并实时反馈工单执行结果。

2.2.4 移动AP P 应用

（1）显示任务/ 关注/ 消息。自定义设置显示内容、待办任务快捷查看、KPI 数据查看；自定义设置显示内容，支持对关注内容添加关注，支持查看任务消息、报警消息、系统消息。

（2）进行生产运行实时监测。包括实时监测工艺画面、关键指标、趋势曲线；实时推送预警报警信息，实时进行历史信息管理，报警信息分析等。

（3）巡检管理。包括巡检计划制定、任务发布、巡检结果反馈、巡检KPI 分析。

（4）维修养护管理。包括设备维修养护计划制定、维修养护任务发布、结果反馈、维修养护KPI 分析。

（5）水质化验管理的移动端应用。

（6）基于AR 的远程专家系统。该系统可实现专家和现场工作人员的实时会话（至少支持6 人同时在线），现场端可共享第一视角视频，支持冻结画面实时标注，可实时推送图纸及操作指导，支持作业过程视频记录。专家端兼容PC、手机、平板，现场端集成在本移动APP 应用中。

2.3 智慧化运营管理平台架构及具体内容

智慧化运营管理平台架构及具体内容见图2。

图2 智慧化污水处理厂建设架构

图2中污水公司分调中心与厂级运行管理平台采用超融合架构，每个污水处理厂不用单独部署应用，从而提高了运行效率。污水公司分调中心帮助管理者准确下发运营指标，为优化运营计划提供数据支持，并为实现厂站网络一体化调度打下基础。厂级运行管理平台通过污水处理厂数字化感知和生物建模技术，对污水生产进行系统化、定量化分析和评估，在设备运维管理、数据分析指导、工艺运行优化和生产决策支持等方面提升污水处理厂运维管理水平。

3 结 语

本文所设计的污水处理厂智慧运营管理平台与自动化控制紧密结合，包含污水公司分调中心、厂级运行管理平台及过程控制级。污水处理厂智慧运营管理平台通过实时采集自动化控制及仪表传感器等数据，将数据与生产数字模型统一联系起来，建立起企业生产运行数据与上层管理决策数据的快速、准确、高效的共享与交换；实现了实时采集和存储生产运行数据，直观展示污水处理生产运行情况，智能分析指导生产运行调度，及时准确生成统计分析报表，科学规范管理设备资产，快速高效进行成本分析，简洁快速进行计划管理，从而达到了细致入微的企业体系管理，全面提升生产管理效率和运营水平的信息化管理目标。