城市污水處理信息管理系統的設計與研究

王小藝 蔣耘瑋 魏 偉 許繼平 楊 斌 劉 萌

(1.北京工商大學計算機與信息工程學院，北京 100048；2.北京金控自動化技術有限公司，北京 100048)

目前我國大多數污水處理廠缺乏先進的管理方式，不能充分利用生產設備,自動化、智能化水平相對落后，導致污水處理廠出現高成本、低效益及出水水質差等局面。國內許多研究機構的研究成果表明，很多污水處理廠處理效率不高甚至不達標，兵器單位處理成本較高，其根本原因并不在于原有工藝本身，而在于沒有對整體系統進行一體化、智能化的管理，沒有發揮原有工藝的處理能力。

不少研究人員對污水處理軟件系統進行了設計與開發。陳茂東等基于ACCESS數據庫環境，利用VBA語言開發了C/S模式的城鎮污水處理廠監管的信息管理系統[1]；曹麗婷等基于PLC和工業組態軟件設計實現了污水處理遠程監測系統，通過Profibus總線完成實時數據采集和自動控制功能[2]；劉加森和張洪明設計了B/S模式的污水廠管理系統，實現了人事及工資信息管理等功能[3]。但上述系統有兩個缺點：其一，運行維護量大，難以移植，并且都需要在PC機上安裝相應的客戶端軟件才能進行管理操作[4]；其二，功能類型較單一，多以簡單數據信息管理或開關量控制為主，沒有嵌入智能算法對污水處理過程進行智能化管理。

針對上述問題，筆者開發了一種基于B/S模式的污水處理信息管理系統。該系統以B/S模式為基礎，結合數據庫、ExtJS和Java面向對象編程技術設計實現，界面友好，易于維護升級。在此基礎上，嵌入故障診斷專家系統模塊，為污水處理過程提供智能化控制方法。

1 系統架構及應用技術①

1.1 系統架構設計

系統架構設計是整個信息管理系統的基礎性工作，其性能特點直接影響解決方案的可靠性、安全性及開放性等。針對城市污水處理工藝一體化管理的要求，筆者設計了如圖1所示的城市污水處理信息管理系統架構。

圖1 城市污水處理信息管理系統架構

城市污水處理信息管理系統建立在組態監控系統和數據采集軟件基礎之上，分為表示層、中間層和數據服務層。

組態監控系統可以和污水處理廠所有的控制設備通信，并從中采集實時數據。數據采集軟件負責將數據傳送至數據庫。

表示層使用ExtJS技術設計實現，包括系統布局及各功能模塊的顯示等，用戶可通過瀏覽器訪問系統前端界面進行相應操作。

中間層為服務器端數據處理程序，包括業務邏輯程序和數據庫連接程序。業務邏輯程序：系統的一切業務邏輯和相關規則都可以在其中得到體現，是中間層的主要部分，該部分主要負責業務規則的解釋跟執行，并接收客戶端用戶的指令請求，響應客戶端請求；數據庫連接程序即JBDC驅動，負責Java程序與數據庫連接交互，數據訪問規則的確定。

數據服務層是數據庫管理系統，完成數據的存儲管理、安全性管理及完整性約束管理等工作。在本系統中，數據庫使用MySQL數據庫。

1.2 系統關鍵技術

城市污水處理信息管理系統采用的主要技術有ExtJS技術、Servlet技術和MySQL數據庫技術。ExtJS框架具有強大的Web界面設計與顯示功能，讓開發者可以快速構建美觀、友好的前端界面；Servlet實現客戶端與服務端的信息傳遞，響應客戶端請求，是系統重要的組成部分；MySQL數據庫負責污水處理信息管理系統所有參數的管理。城市污水處理信息管理系統的具體實現方式如圖2所示。

圖2 城市污水處理信息管理系統的實現方式

在城市污水處理信息管理系統設計前期，綜合分析了系統要實現的功能特性，并以數據查找高效性為原則，整理出各功能模塊與所操作的數據之間的關系表，最終根據關系表設計功能由大到小的層次式數據庫模型。在系統的后臺代碼中，利用JDBC技術搭建了與MySQL數據庫之間的連接池，實現了對數據庫的實時連接及即時關閉等功能。

2 系統模塊功能

城市污水處理信息管理系統分為生產監視、運行管理、設備管理、數據分析和故障診斷專家系統五大功能模塊。各模塊之間相互聯系，互為補充，構成信息管理系統的整體結構，完成污水處理整個工藝的運營監控、設備的維護與保養、故障的全面診斷、能耗與成本的綜合分析，圖3為系統主界面。

生產監視模塊。針對污水處理過程的復雜性，需要對各個工藝階段進行全面監視，因此將生產監視中心模塊按照各個工藝階段設計為進水泵房、格柵間、沉淀池、反應池、消毒間以及污泥回流泵房等模塊進行監視。仿照組態軟件形式設計監控界面，將各階段中所包含的設備按工藝流程添加到界面中，將數據庫中采集到的實時數據，如進水量、液位值及運行狀態等顯示到各工藝階段對應的設備中，從而實現對現場運行狀態的實時監控。

圖3 城市污水處理信息管理系統主界面

運行管理模塊。運行管理模塊的作用是從管理角度出發，統籌兼顧和協調各部門的工作內容，以節省人力、物力資源，發揮最大的管理效益和經濟效益。該模塊主要實現的內容包括運行值班和化驗記錄兩個功能：運行值班主要針對值班人員而設計，包括值班日志的填寫、巡檢記錄的填寫和當值人員的交接記錄；化驗管理主要是針對工藝需求進行的實驗室化驗的記錄和所用試劑、用品的合理化管理。

設備管理模塊。設備的儲備對工藝的應急需求是十分重要的，各工藝階段所需的設備或儀表都需要在倉庫儲備一定數量，保證在用設備出現故障時能及時更換，防止工藝中斷。因此設備管理中心的設計主要是通過添加備件信息、刪除備件信息和修改備件信息3方面展開的。以圖表的方式顯示現有備件的相關信息，包括備件名稱、主要參數、廠家、庫存量和備注，直觀反映當前庫存備件的情況，方便設備統計管理。

數據分析模塊。數據分析能直觀地反映出管理效益和工藝的運行效益，當數據出現異?；蛘叻且幝尚詳祿r，用戶可追蹤溯源查出問題原因，從而對工藝作出相應調整。數據分析在故障診斷和整體運行分析中起到了關鍵性作用。信息管理系統針對工藝將數據分析中心劃分為能耗分析、工藝分析、成本與利潤分析。

故障診斷專家系統。故障診斷專家系統包括知識庫、推理機和人機交互界面3部分[5]，故障診斷專家系統的架構如圖4所示。

圖4 故障診斷專家系統的架構

知識庫是將知識轉換為計算機語言存儲于計算機中。對于基于故障樹的專家系統，知識庫要將故障樹對應的故障信息表示出來，作為專家系統的知識[6]。故障樹所表現出來的事件故障因果關系使用Java語言編寫實現，可以表示成一組規則集合。

推理機是根據當前數據庫中設定的一系列污水處理過程參數標準，與知識庫中的規則進行匹配，并通過規則的執行來修改數據庫中相對應的內容，然后通過不斷地推理得出診斷結論。

針對污水處理工藝過程故障診斷的特點，采用專家系統對污水處理工藝流程中的異常現象進行故障診斷,主要步驟為：

a. 系統對知識庫進行初始信息處理，制定故障診斷規則；

b. 從數據庫中讀取水質指標參數，并與知識庫中的規則進行匹配，確定故障原因；

c. 根據故障信息與輔助信息，按照推理機指定的推理策略給出故障解決方案[7,8]。

用戶通過人機交互界面輸入系統所需要的數據內容以獲得系統診斷推理結果解釋，設計的污水處理故障診斷專家系統界面如圖5所示。

圖5 污水處理故障診斷專家系統界面

3 結束語

設計并實現了由生產監視、運行管理、設備管理、數據分析和故障診斷專家系統5個功能模塊組成的城市污水處理信息管理系統，實現了對污水處理各工藝階段的實時監控以及全廠各數據指標的分析，提高了水廠整體運營管理效率，為實現城市污水處理廠的產業升級提供了有效的技術支持。污水處理過程故障診斷專家系統的嵌入，對解決我國現階段污水處理廠運行管理人員缺乏，改善污水處理系統的運行穩定性都有積極的現實意義，有助于提高我國污水處理行業的管理水平和信息化水平。