关于智慧污水处理厂建设的探讨

［摘 要］随着人工智能技术的不断发展，其在水厂智慧化建设中的应用也越来越广泛。智慧水厂是当前水务行业的发展趋势，是通过新一代信息技术与水务技术的深度融合，旨在通过采用物联网、大数据、云计算等新技术，实现对水厂运行全过程的控制智能化、数据资源化、管理精确化、决策智慧化，保障水务设施安全运行，使水厂运营更高效、管理更科学和服务更优质。文章围绕传统的污水处理厂存在的问题，对智慧化改造方案提出建议。

［关键词］人工智能；物联网；大数据；云计算

［中图分类号］X703 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0009–03

1 传统污水处理厂存在的问题

（1）传统污水处理厂大多厂区较大，风机、泵站等较多且分散，工艺数据主要集中在中控室自控系统上位机和环保数据综合采集电脑上，关键环保数据以环保采集电脑为准。现场人员和生产主要负责人要想了解相关数据就必须到主控室电脑上查看，不便于实时掌控工艺数据，缺乏统一的生产管理系统。同时，水厂未设置有效的预警预测机制和及时的反馈调节机制，在面对原水水质突变的情况时滞后性强，水厂难以适应原水水质突变情况。

（2）水厂的进出水泵站大多依靠人工经验配泵，而实际水泵运行工况不在高效区间；电耗等用量监控和管理手段缺失，使配水单耗居高不下。特别是在加药等核心控制环节过分依赖人工经验，按照流量定比例投加药量，使得加药量偏高，既增加了药耗，又给出水水质带来风险。

（3）现场部分设备老旧、自动化程度低、数据采集方式落后，厂区视频监控系统不完善，监控点较少，无法做到关键部位的全方位监控。同时，没有门禁系统，无法有效管理人员的进出，存在安全隐患。

2 智慧化改造方案

为实现污水处理厂的智慧化升级改造，需进行智慧型生产管控系统的建立，利用先进的远程控制及自动化技术对已有的控制系统和设备进行升级改造，完善视频监控系统，新建门禁系统。

2.1 数据采集层

数据采集层基于局域网与物联网技术的融合，实现对水厂生产运行状态的实时监控与数据采集。通过部署各种传感器和执行器，可捕捉到水厂各关键环节的实时数据，包括但不限于流量、液位、压力、泵机状态和水质等参数。具体包括：①流量监测。通过在进水和出水管道上安装流量计，实时监测水厂的流量变化，确保水厂运行的稳定性和效率。②液位监测。在污水处理池的关键位置设置液位传感器，实时监测污水池的液位变化，为泵机的自动控制和预警提供数据支持。③压力监测。通过在管道系统中设置压力传感器，监测水流的压力变化，及时发现并处理潜在的堵塞或泄漏问题。④泵机状态监测。通过物联网技术，实现对泵机的运行状态进行实时监测，包括电流、电压、温度等关键参数，确保泵机的稳定运行和高效工作。⑤水质监测。通过水质监测仪器， 实时监测进出水的各项水质指标， 如COD、BOD、SS、pH 等，为水厂的工艺调整和优化提供数据支持。

2.2 自动化控制层

智慧污水处理厂的自动化控制层建设方案，主要目的是通过高科技手段提高污水处理的效率和稳定性，减少人力资源的投入，实现绿色环保和可持续发展。

（1）建立一个稳定可靠的云平台，用于数据的存储、处理和分析。将原有的PLC（可编程逻辑控制器）控制系统与云平台进行连接，通过云平台对PLC 进行远程控制和编程，实现控制系统的远程化和智能化。

（2）在各关键节点安装智能传感器和控制器，如泵站、沉淀池、曝气池等，实现对各单元的分散控制。同时，通过建立集散控制中心，对各分散控制单元进行集中管理和监控，确保整个污水处理过程的稳定运行。

（3）引入自动化设备，如自动化的搅拌器、风机等，减少人工操作。

此外，还可以结合先进的技术，例如，人工智能技术，利用机器学习和人工智能算法，对污水处理过程中的各种数据进行实时分析和预测，自动调整控制参数，实现无人自动化控制。同时，可利用大数据和人工智能技术，对数据采集层所采集到的数据进行分析和挖掘，找出污水处理过程中的问题和优化点。

2.3 数据层

在智慧污水处理厂中，数据层负责集中存储和管理水厂生产运行过程中产生的各种数据。这些数据不仅包括工业实时数据，还涵盖了工业历史数据、生产业务数据等，为水厂的智能化决策、优化运行和精细化管理提供了坚实的数据基础。

（1）工业实时数据主要来自水厂的各个生产环节和监控设备，如流量、液位、压力、泵机状态、水质等实时参数。这些数据具有时效性强、更新频率高的特点，对于水厂的即时监控和预警至关重要。通过实时数据的采集和分析，可及时发现生产过程中的异常情况，采取相应的处理措施，确保水厂的稳定运行。

（2）工业历史数据记录了水厂长时间的生产运行历史，包括各种参数的历史记录、设备运行状态的历史数据等。通过对历史数据的分析和挖掘，可了解水厂的生产运行规律，为优化生产工艺、提高处理效率提供有力的数据支持。同时，历史数据还可以用于设备的预防性维护，提前发现潜在问题，避免设备故障对生产造成影响。

（3）生产业务数据主要涉及水厂的生产管理、业务运营等方面，如生产计划、物料消耗、能耗统计等。通过对这些数据的分析，可了解水厂的生产效率和成本情况，为水厂的决策层提供有力的数据支撑。同时，生产业务数据还可以用于水厂的绩效考核和精细化管理，推动水厂向更高效、更节能、更环保的方向发展。

为了做好数据层建设，需要考虑以下因素：①选择高效、稳定的数据存储方案，确保数据的完整性、安全性及可靠性。同时，建立合理的数据管理机制，包括数据的备份、恢复、加密等，确保数据的安全性和可用性。②利用先进的数据分析技术和工具，对存储的数据进行深入分析和挖掘，提取有价值的信息和规律，为水厂的智能化决策和优化运行提供支持。③通过数据可视化技术，将复杂的数据以直观、易懂的方式呈现出来，帮助决策者更好地理解数据、发现问题和制订策略。

2.4 智慧水处理平台

智慧水处理平台由大数据平台、CPS 平台、人工智能平台、可视化展示平台组成，其通过大数据分析、挖掘技术、智能学习技术等，构建水厂中枢神经系统。

2.4.1 工业大数据平台

工业大数据平台通过采集整个水厂从计划、生产、管理、物料、仓储、采购、维修等各环节产生的各类数据，构建了一个庞大的数据库。这些数据涵盖了水厂的各个方面，从生产计划的制订到实际生产过程中的各种参数，从物料的管理到仓储的运作，从设备的维护到采购的决策等。通过对这些数据进行存储和分析，工业大数据平台能够为水厂的生产管理提供全面的视角和深入地分析。

在大数据平台的支持下，水厂可更加精准地了解生产过程中的各环节和设备的运行状态，及时发现潜在的问题和风险。同时，通过对历史数据的分析和挖掘，平台还能够为水厂的生产管理提供有价值的参考和建议，促进生产管理的创新。此外，工业大数据平台还能够为水厂的经营决策提供有力支持。通过对市场数据、销售数据、财务数据等各方面的数据进行综合分析和挖掘，平台可为水厂的经营者提供全面、准确的市场信息和经营数据，帮助其做出更加明智的决策。这不仅可提升水厂的经营水平，还能够提高水厂的市场竞争力和盈利能力。

2.4.2 CPS平台

CPS 平台通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了一个物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统。在这个系统中，各种传感器和设备实时采集水厂的运行数据，通过计算和通信技术，将这些数据快速传输至控制中心，以便及时作出决策。同时，控制中心也可以通过通信技术，对水厂的各种设备进行远程控制，实现实时调整和优化。

CPS 平台的核心目标是实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。具体来说，即根据水厂的运行需求，自动调整设备的运行状态，优化资源的使用效率。例如，在某个环节需要更多的水流时，CPS 平台可迅速调整其他环节的运行状态，保证水流的有效供应。此外，CPS 平台还可以根据水厂的历史运行数据，进行分析和预测，提前发现潜在的问题，并采取措施进行预防。例如，通过分析水质数据，可预测水质的变化趋势，提前进行处理，保证水质的稳定。

2.4.3 人工智能平台

在建立水厂的人工智能平台时，充分运用了机器学习库和深度学习框架，以此为基础建立了高级智能算法。这些算法不仅能够对水厂运行数据进行高效地分析和处理，还能通过学习不断地优化自身的决策能力。通过机器学习，人工智能平台能够从海量的数据中挖掘出有价值的信息，识别出隐藏在数据背后的规律和趋势，为水厂的运行管理提供科学依据。同时，深度学习框架的应用使得人工智能平台能够建立起复杂的知识图谱和神经网络结构。这使得机器具备了“自己思考”的能力，能够在面对复杂多变的运行环境时，快速作出科学、合理的决策。通过搭建水厂的知识图谱，平台能够全面地了解水厂的生产工艺、设备状态、水质情况等信息，为决策提供全面的数据支持。而神经网络结构的建立，则使得平台能够在处理复杂问题时更加灵活和高效，实现智慧决策的目标。

通过人工智能平台的建设，智慧水处理平台不仅实现了对水厂运行状态的全面感知和智能决策，还为水厂的长期发展提供了强大的技术支撑。平台能够不断学习和优化自身的决策能力，随着水厂运行数据的积累，平台的智慧水平也将不断提升。这使得水厂在面对各种挑战和机遇时，能够更加从容和高效地应对，实现持续、稳定地发展。

2.4.4 可视化平台

可视化平台将水厂内部的构筑物、机电设备、水处理设备、通风设备、门禁、照明、视频监控等设备信息整合到平台上。通过三维模型浏览，用户可直观地了解到水厂的工艺流程、设备布局和运行状态，从而实现水厂工艺的可视化展示。此外，可视化平台还创造了更多友好的人机界面，如图形化显示、数据报表等，使得水厂的运行状态一目了然。基于此，管理人员可更加方便地监控水厂的运行情况，及时发现和解决问题。同时，可视化平台与自控系统等进行紧密地配合，实现了对水厂运行的实时监控和智能控制。通过数据分析和技术处理，可视化平台可为水厂提供科学的决策支持，保障水厂的安全、高效及可靠生产。

2.5 远程云控制系统

远程云控制系统是在原有的自动化控制系统基础上增加了云控制、云采集功能，负责生产过程参数、设备运行状态的采集，并根据智慧水处理平台发出的指令控制现场设备的启停与调节，实现生产管控的无人值守。云网关在水厂的老自控系统升级改造中可发挥较大作用，对所有难以敷设网络的孤立的信息孤岛、偏远的泵站、监测站、仪表、移动的运行设备都能纳入管控系统中。同时云网关配置灵活，可实现多种组网方式，以满足系统不同的控制要求。

2.6 视频监控系统

视频监控系统中的安防监控主要覆盖集中在办公区域、生产区域、厂区道路及围墙周界等各个部分。办公区域采用标准楼宇监控，包括大厅、楼梯间、走廊、紧急出入口、配电室、重要的仓库等。生产区域监控摄像头应安装在关键的生产线上，以实时监控工艺流程是否正常。通过视频监控，可及时发现设备故障或异常情况，减少生产中断。厂区道路及围墙周界，例如，围墙周边应安装摄像头，用于监控是否有非法入侵或破坏行为。同时，道路上应安装摄像头，用于监控车辆和行人的行为。通过这些关键点的设计和实施，智慧污水处理厂的视频监控系统能提供全面的安全保障，同时也能提高运营效率和应对突发事件的能力。

2.7 智能门禁系统

智能门禁系统是一卡通系统下的一个应用子系统，指基于现代电子与信息技术，在建筑物内外的出入口安装智能卡电子自动识别系统，通过持有非接触式卡片来对人（或物）的进出实施放行、拒绝、记录等操作的智能化管理系统，其目的是有效控制人员（物品）的出入，并记录所有出入口的详细情况，实现对出入口的安全管理。此外，智能门禁系统与考勤系统对接，可为HR 人力资源管理提供基础数据。

3 结束语

传统污水处理厂通过智慧化改造，将能够进行更加精细化的运营管理，具备更安全的生产模式（进出厂水质检测），更高效的节能降耗，更精准的调度控制与水量预测。对改善周围水体环境，治理水污染，保护当地流域水质和生态平衡都能起到十分重要的作用。

参考文献

[1] 廖伟，李震，吴江. 污水处理厂智慧化发展趋势与探索[J].净水技术，2023，42（S2）：70-74.

[2] 徐国平. 污水处理厂智慧化路径探讨[J]. 工业安全与环保，2023，49（S1）：1-3，23.

[3] 张运山. 污水处理厂智慧运营平台构建研究[J]. 四川建材，2023，49（6）：30-32.

[4] 王丹. 污水处理厂智慧水务平台的设计及应用[J]. 中国仪器仪表，2023（4）：17-20.