淺談地下式污水處理廠綜合信息自動化系統(tǒng)設(shè)計

張善偉

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和物質(zhì)生活水平的提高，城市土地資源越發(fā)短缺，人們越來越注重城市環(huán)境的建設(shè)。地下式污水處理廠以其高度集約一體化布局、占地面積小、環(huán)境友好等優(yōu)勢，逐步得到了人們的認(rèn)可及廣泛的應(yīng)用[1-2]。本文主要對地下式污水處理廠綜合信息自動化系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行分析探討。

1 地下式污水處理廠典型形式

地下式污水處理廠是指污水廠內(nèi)所有建構(gòu)筑物合建為一幢一體化處理構(gòu)筑物，該一體化處理構(gòu)筑物整體或部分布置于地面以下。其上部空間一般用于綠化、公園等公益事業(yè)，部分用于商業(yè)開發(fā)。

到目前為止，地下式污水處理廠具有2種典型形式[3-4]：

（1）半地下式形式：當(dāng)一體化處理構(gòu)筑物上部通過建筑加罩，建筑頂部覆土并種植綠化時，稱為半地下式污水處理廠，如圖1所示。

圖1 半地下式污水處理廠布置形式

（2）全地下式形式：當(dāng)一體化構(gòu)筑物整體位于地下，上部種植綠化，生產(chǎn)活動均位于密封的地下時，稱為全地下式污水處理廠，如圖2所示。

圖2 全地下式污水處理廠布置形式

2 地下式污水處理廠面臨的運(yùn)維難題

由于地下式污水處理廠的構(gòu)建筑物位于地下，且上部空間作為公共場所使用等原因，相比于常規(guī)地上式污水處理廠，其在運(yùn)維階段面臨以下難題：

（1）地下式廠房形式，對廠房內(nèi)部環(huán)境要求高。地下式污水處理廠的一體化構(gòu)筑物廠房是一個封閉空間。相比于常規(guī)污水處理廠，其通風(fēng)、散熱條件較為不利，容易發(fā)生環(huán)境濕度大、溫度高、氧濃度低甚至有毒有害氣體聚集的情況。因此，對一體化構(gòu)筑物廠房內(nèi)部環(huán)境要求較高，需保證廠房內(nèi)的環(huán)境安全、適宜，即為運(yùn)維人員提供一個安全的工作環(huán)境、為各類設(shè)備提供一個適宜的運(yùn)行環(huán)境。

（2）廠房上部空間與公共場所相結(jié)合，對公共安全要求高。地下式污水處理廠一體化構(gòu)筑物廠房上部空間一般用于綠化、公園等公益事業(yè)，部分用于商業(yè)用途，人員情況復(fù)雜。因此，地下式污水處理廠對公共安全的要求較高，需避免污水廠內(nèi)可能發(fā)生的非法入侵、人員迷路、失蹤等危害污水廠正常運(yùn)行的各類公共突發(fā)事件。

（3）高耗能環(huán)節(jié)較多，節(jié)能降耗勢在必行。地下式污水處理廠的一體化構(gòu)筑物廠房是一個封閉空間，其通風(fēng)散熱、照明條件較為不利，與常規(guī)污水處理廠相比，對機(jī)械通風(fēng)及照明的要求加倍提高，通風(fēng)能耗及照明能耗也隨之急劇上升，因此對地下式污水處理廠進(jìn)行全方位的節(jié)能降耗勢在必行。

（4）運(yùn)維環(huán)境較惡劣，對運(yùn)維管理手段要求高。地下式污水處理廠的運(yùn)維人員需要在地下空間進(jìn)行巡視及維護(hù)，與常規(guī)污水處理廠相比，一體化構(gòu)筑物廠房內(nèi)部環(huán)境較惡劣且構(gòu)造復(fù)雜，易發(fā)生缺氧、中毒、迷路、跌落等風(fēng)險。因此，地下式污水處理廠對運(yùn)維管理手段提出了較高的要求，宜采用能降低運(yùn)維強(qiáng)度，提高運(yùn)維效率、保障運(yùn)維安全的運(yùn)維管理工具。

3 地下式污水處理廠綜合信息自動化系統(tǒng)設(shè)計

由于地下式污水處理廠的特殊性，傳統(tǒng)常規(guī)污水處理廠的儀表及自動控制系統(tǒng)已不能完全滿足地下式污水處理廠在運(yùn)維階段的需求。需結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、安防、視頻、高精度室內(nèi)定位技術(shù)等一系列先進(jìn)的信息技術(shù)為地下式污水處理廠設(shè)計一套“綜合信息自動化系統(tǒng)”。

在設(shè)計該綜合信息自動化系統(tǒng)時，除需滿足常規(guī)污水處理廠儀表及自動控制系統(tǒng)理論體系外，還需遵循以下原則。

3.1 設(shè)置智能化的環(huán)境控制手段，確保廠房內(nèi)部環(huán)境安全、適宜

3.1.1 廠房環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)各工藝段的特點，在地下廠房各工藝段區(qū)域設(shè)置適量的CH4氣體測定報警儀、H2S氣體測定報警儀、O2氣體測定報警儀及溫濕度測定儀等；當(dāng)有毒有害氣體超標(biāo)時或O2濃度過低時，可聯(lián)動聲光報警器報警，并聯(lián)動通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)換氣，實現(xiàn)基于氣體分析測定儀的通風(fēng)閉環(huán)控制。

3.1.2 智能照明系統(tǒng)

根據(jù)地下式污水處理廠布置的特點，在地下廠房設(shè)置智能照明控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)單點、多點、區(qū)域、群組控制、場景設(shè)置、定時開關(guān)、亮度手自動調(diào)節(jié)、紅外線探測、集中監(jiān)控等不同模式下的照明控制效果。智能照明系統(tǒng)各照明控制回路的設(shè)置還需充分考慮巡檢、檢修、逃生、參觀等的需要。

3.1.3 智能通風(fēng)系統(tǒng)

智能通風(fēng)系統(tǒng)宜運(yùn)用分區(qū)通風(fēng)策略和基于氣體分析監(jiān)測儀表的閉環(huán)控制方法，實現(xiàn)智能通風(fēng)。

智能通風(fēng)系統(tǒng)由智能通風(fēng)服務(wù)器、智能通風(fēng)軟件、相關(guān)氣體分析檢測儀表等組成，其核心功能包括“分區(qū)式通風(fēng)控制策略”和“基于氣體分析測定儀表的通風(fēng)閉環(huán)控制”兩部分。

“分區(qū)式通風(fēng)控制策略”具體指：根據(jù)工藝設(shè)備的布置情況，將生產(chǎn)廠房合理分成若干個通風(fēng)分區(qū)，智能通風(fēng)軟件可對每個通風(fēng)分區(qū)進(jìn)行單獨的排風(fēng)或進(jìn)風(fēng)，從而實現(xiàn)對局部空氣環(huán)境的調(diào)整。

“基于氣體分析測定儀表的通風(fēng)設(shè)備閉環(huán)控制”具體指：利用每個通風(fēng)分區(qū)的氣體分析檢測儀表（H2S、CH4、O2等），智能通風(fēng)軟件將這些儀表檢測到的區(qū)域空氣品質(zhì)參數(shù)與設(shè)定的空氣品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行比較，并判定差值及差值變化率，然后通過模糊控制等控制算法計算出此時需要開啟的通風(fēng)設(shè)備數(shù)量，進(jìn)而控制相應(yīng)設(shè)備啟動或關(guān)閉。

3.2 設(shè)置完善的公共安全管理手段，確保公共安全

地下式污水處理廠綜合信息自動化系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)特別注重對地下廠房公共安全的保障。宜設(shè)置完善的公共安全管理手段，包括入侵報警系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)等，以應(yīng)對污水廠內(nèi)可能發(fā)生的非法入侵、人員迷路、失蹤以及其他重大安全事故等危害污水廠正常運(yùn)行的各類公共突發(fā)事件。

為了統(tǒng)一管理上述各種公共安全管理類分系統(tǒng)，使之有序運(yùn)行，必須設(shè)置一套綜合安保管理平臺系統(tǒng)。

綜合安保管理系統(tǒng)平臺可將公共安全管理大系統(tǒng)中的各類分系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和操控，搭建一個信息充分、合理、靈活共享的統(tǒng)一平臺，可拓展各子系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，增強(qiáng)安防防控能力，提高安全管理水平；也為客戶提供了一個集中管理的綜合安防用戶界面。綜合安保管理系統(tǒng)平臺是建設(shè)高度現(xiàn)代化、智能化和數(shù)字化安防系統(tǒng)的要求，能實現(xiàn)對各子系統(tǒng)集中的聯(lián)動、控制和管理，以及功能集成、數(shù)據(jù)集成、通信集成、安全集成以及管理集成等，有利于公共安全管理大系統(tǒng)的系統(tǒng)資源整合。

3.3 設(shè)置數(shù)字化能耗管理手段，結(jié)合先進(jìn)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能降耗

地下式污水處理廠綜合信息自動化系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)特別注重采用節(jié)能降耗手段。宜設(shè)置數(shù)字化的能耗管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對污水處理廠智能化的能效分析和管理；結(jié)合智能曝氣控制系統(tǒng)、智能通風(fēng)控制系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)等先進(jìn)手段，從根本上節(jié)約高耗能環(huán)節(jié)的能耗。通過多方面手段，降低污水處理廠后期運(yùn)營成本，打造環(huán)境友好型污水處理廠。

能耗管理系統(tǒng)應(yīng)可采集廠區(qū)各個環(huán)節(jié)的能耗數(shù)據(jù)，并將其以大數(shù)據(jù)平臺的方式進(jìn)行顯示、分析、診斷、維護(hù)、控制及優(yōu)化管理，形成廠區(qū)閉環(huán)管理與控制體系，從而通過資源整合，形成實時性、全局性和系統(tǒng)性的能效綜合智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對污水廠智能化的電能、天然氣、蒸汽等能源介質(zhì)的能效分析、優(yōu)化調(diào)度和管理，達(dá)到安全、優(yōu)良供能、降低能耗，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本的目的。

3.4 宜設(shè)置高效的運(yùn)維管理手段，實現(xiàn)少人化運(yùn)維管理

地下式污水處理廠綜合信息自動化系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)特別注重采用多種高效的運(yùn)維管理手段。從豐富的自動化控制手段，全方位的視頻監(jiān)視設(shè)置，完善的機(jī)電設(shè)備健康監(jiān)測評估工具，移動巡檢、人員定位及導(dǎo)航、虛擬電子圍欄等先進(jìn)的移動互聯(lián)、物聯(lián)應(yīng)用，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳a(chǎn)運(yùn)行指數(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)及故障預(yù)警分析等方面，實現(xiàn)少人化運(yùn)維管理模式。在高效的人機(jī)交互模式下減少對污水處理廠內(nèi)人力資源的要求，實現(xiàn)少人化管理，既能節(jié)省人力資源成本支出，亦能減少人員因頻繁去生產(chǎn)現(xiàn)場而發(fā)生危險的幾率。

較為常用的運(yùn)維管理手段有：

（1）全方位的視頻監(jiān)視系統(tǒng)。結(jié)合廠區(qū)特點，在一體化箱體以及室外制高點等大型空間區(qū)域設(shè)置360°全景智能球機(jī)進(jìn)行大面積全覆蓋整體視頻監(jiān)控，并可在突發(fā)情況時隨時變焦進(jìn)行細(xì)節(jié)跟蹤；在廠區(qū)出入口、一體化箱體安全出入口等小型空間區(qū)域設(shè)置槍式攝像機(jī)進(jìn)行視頻監(jiān)控。另外，在含較多設(shè)備的重點生產(chǎn)區(qū)域設(shè)置球型攝像機(jī)，對各設(shè)備進(jìn)行變焦細(xì)節(jié)監(jiān)視；在含較少設(shè)備的重點生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行固定式細(xì)節(jié)監(jiān)視。

總之，遍布污水處理廠的視頻攝像機(jī)實現(xiàn)了對整個廠區(qū)全方位無死角的視頻監(jiān)視，可完全滿足從安防到生產(chǎn)的所有視頻監(jiān)視需求。安保人員和生產(chǎn)操作人員在控制室內(nèi)就如親臨生產(chǎn)現(xiàn)場，免去了頻繁的現(xiàn)場巡視工作。

（2）移動巡檢系統(tǒng)。移動巡檢系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)和智能移動設(shè)備，可實現(xiàn)污水處理廠的智能化移動巡檢。巡檢人員可以通過無線網(wǎng)絡(luò)將智能設(shè)備接入廠區(qū)中央控制室內(nèi)的移動巡檢系統(tǒng)服務(wù)器，實現(xiàn)設(shè)備定位、巡檢數(shù)據(jù)錄入、媒體信息采集、關(guān)聯(lián)信息查看、業(yè)務(wù)通知、數(shù)據(jù)上傳等功能。

（3）高精度人員定位系統(tǒng)及其應(yīng)用。高精度人員定位系統(tǒng)可以及時、準(zhǔn)確地將污水處理廠一體化廠房箱體內(nèi)各個區(qū)域人員位置及數(shù)目等情況動態(tài)反映到地面計算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時掌握廠房內(nèi)運(yùn)行人員的總數(shù)及分布狀況；在此基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)廠房內(nèi)的巡檢導(dǎo)航及路徑規(guī)劃、虛擬電子圍欄、一鍵呼救及逃生引導(dǎo)、人來燈亮人去燈滅等智能化應(yīng)用。

4 結(jié)語

根據(jù)地下式污水處理廠在運(yùn)維階段的特殊性，提出需結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、安防、視頻、高精度室內(nèi)定位技術(shù)等先進(jìn)的信息技術(shù)，為地下式污水處理廠設(shè)計一套“綜合信息自動化系統(tǒng)”。

綜合信息自動化系統(tǒng)宜設(shè)置智能化的環(huán)境控制手段，確保廠房內(nèi)部環(huán)境安全、適宜；設(shè)置完善的公共安全管理手段，確保廠房公共安全；設(shè)置數(shù)字化的能耗管理手段，并結(jié)合多種先進(jìn)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能降耗；設(shè)置高效的運(yùn)維管理手段，實現(xiàn)少人化的運(yùn)維管理。