基于双冗余数据采集的污水处理厂综合管控平台的设计与实现

武春艳

（航天海鹰安全技术工程有限公司，北京 100074）

0 引 言

近年来，随着国民经济的快速发展，污水排放量日益提升。为了确保污水处理的可靠性，国家不断推进污水厂的提标改造工作。国内多地政府纷纷出台了污水处理厂运行监督管理办法，对污水处理厂的出水水质和日常运行管理水平方面的要求有所提高。当前污水处理业务呈现出水量不断增加、水质复杂多变的趋势，而污水处理厂在工艺水平和管控水平方面等表现出明显不足，普遍存在自动化程度偏低、故障频率高、运行成本高等问题。因此，基于实际污水处理厂运行工艺设计并实现一套污水处理厂综合管控平台对于日常运行监控，异常状态预测处理等都具有非常重要的意义[1-2]。

1 污水处理厂辅助决策系统设计

污水处理厂综合管控平台的总体架构如图1 所示。该平台主要由污水处理厂工艺自动控制系统、模型仿真系统和专家知识库辅助决策系统等组成[3]。

图1 系统架构

污水处理厂工艺自动控制系统重点面向传感设备、控制设备实现数据采集、上传以及控制命令的下发，并且为运行人员提供动态直观的污水处理工艺展示。

模型仿真系统基于污水处理厂工艺自动控制系统提供的数据、实验室检测数据和离线数据等构建生产工艺模型，在线动态进行出水水质的模拟预测，当出现出水水质高于标准水质的风险因素时及时预警，用户可以调取专家知识库中的策略信息以实现辅助决策[4-5]。

专家知识库辅助决策系统具有两大功能：一是提供常见异常信息、故障信息的知识库模糊检索功能；二是运用决策树等智能算法，实现风险故障信息的积累、智能诊断、故障检索以及提供运维优化策略等功能。用户可以通过在线交互获取当前问题的智能分析策略，策略经过多次仿真验证后，可以辅助用户实现工艺过程的参数调节[6]。

2 数据采集流程设计

数据采集存储流程如图2 所示。传感设备、工艺设备数据通过PLC 进行集中采集，以Modbus-TCP 等标准协议向应用层上传数据。应用层部署IOServer 专用数据采集平台实现数据的主动采集，并存储到实时数据库中。实时数据库以每秒10 000 条的存储效率，实现实时数据的存储，主要满足平台实时数据的展示需求。这些数据经过筛选再存入MySQL 历史数据库中，进行长时效的数据存储，满足平台进行历史数据查询调阅的功能展示需求[7]。

图2 数据采集存储流向图

由于数据分析、模型预测等工作都是建立在大量连续的在线监测数据基础之上，如果数据在采集过程中出现异常或丢失，将对系统的准确性造成严重影响。为确保数据的完整和连续性，系统采用一主一备的IOServer 双冗余设计，当主IOServer 出现采集异常时，可以在1 s 内完成热备用切换。确保连续的数据采集传输，提高系统的可靠性。IOServer 双冗余设计如图3 所示。

图3 IOServer 双冗余设计

3 模型仿真系统设计

工艺模型预测模块主要应用国际水协会（IWA）提出的活性污泥系统ASM 动力学模型，对扬州某污水处理厂的主要工艺进行工艺建模，通过工艺模型模拟实际进水条件与工艺参数下的出水水质[8]。

建立基于ASM 的目标水厂工艺模型，依据该污水处理厂三期初步设计及实际运行情况，建立了AAAOAO 工艺概化模型，如图4 所示。

图4 AAAOAO 工艺概化模型

系统每分钟读取一次在线数据，调用模型进行仿真计算。图5 所示为系统页面效果展示，系统基于三维工艺图，动态显示每个工艺段预测结果和工艺停留时间。当出水水质预测值出现异常时，运行人员可以提前进行参数调整，避免水质超标[9]。

图5 工艺模型预测系统页面

4 专家知识库辅助决策系统设计

专家知识库辅助决策系统分为专家知识库和专家决策系统两部分。专家知识库系统按照运行管理、百科知识、水质超标诊断、安全与职业健康等维度收录整理了一千五百余条常见知识词条。运行人员可通过模糊检索方式实现对常见问题的查询和借鉴。系统界面设计如图6 所示。

图6 专家知识库页面

专家知识库辅助决策系统采用Web 界面为用户提供服务，其由决策库、决策引擎、API 服务、数据缓存和用户界面组成。其中，决策库采用SQLite 数据库存储，包含决策树所需要的规则、内容、数据配置等，其中决策规则是为用户定制的决策树规则，根据目标污水厂的工艺情况设定具体的参数和相关的工艺问题内容、对策等。SS 超标决策树结构如图7 所示。

图7 SS 超标决策树结构

决策引擎在运行过程中不断从决策库中获取当前决策状态所需要的规则，使用该规则对用户输入数据和数据缓存进行计算，根据计算结果选择决策树路径，最终得到决策结果[10]。

API 服务提供对数据缓存、规则库和决策引擎的访问接口，以便维护决策库，更新缓存数据以及调用决策引擎计算规则等，同时用户界面也使用API 服务和决策引擎通信，提供便利的人机接口。专家知识库辅助决策系统界面如图8所示。

图8 专家知识库辅助决策系统界面

5 平台功能

污水处理厂综合管控平台基于数据采集、模型预测和智能算法，面向目标污水处理厂构建了具有三维展示、在线监测、视频调用、报警处置、数据查询、综合分析、模型预测、专家辅助决策、设备管理、巡检管理等平台一体化功能，满足污水厂日常运行管控的使用需求。污水处理厂综合管控平台界面如图9 所示。

图9 污水处理厂综合管控平台界面

6 结 语

本文将IOServer 双冗余设计应用于综合管控平台的数据采集方面，提高数据采集的可靠性和连续性。数据存储采用实时数据库和历史数据库相结合的方式，实现数据的高效存储和长效存储。将在线监控技术、模型预测技术和专家辅助决策技术相结合，面向污水处理厂日常运行管控设计并实现了综合管控平台。后续，经过平台数据积累，为模型校正、大数据分析、专家知识库优化提供技术支撑。