基于物聯網的智慧水務系統在污水處理中的應用研究

劉放平 李烈岳

（株洲中車機電科技有限公司，湖南 株洲412000）

近年來，隨著物聯網、移動互聯網、云計算等新一代信息技術的迅速發展，給水務行業的發展帶來了巨大的變革，水務行業與新興技術正加速融合。發展智慧水務，構建安全實用、智慧高效的水務系統成為必然趨勢[1]。物聯網是實現設備和設施互聯互通、應用集成的一個新技術。將物聯網技術應用到智慧水務系統，為水務的智能化運營管理提供強大的技術支持，是建設智慧水務系統的關鍵技術。本文對智慧水務建設的必要性進行了研究，分析了智慧水務發展現狀和存在問題，提出了基于物聯網的智慧水務系統的構建方案，闡述了智慧水務在污水處理中的應用效果。

1 智慧水務建設的必要性

1.1 生態文明建設的迫切需求。生態文明建設是社會主義現代化建設“五位一體”總體布局中重要組成部分，是關乎中華民族永續發展的根本大計。然而，生態建設正面臨水資源短缺和水環境污染等突出問題。通過智慧水務建設，實現水務部門與其他相關部門的資源整合和業務協同，規范水資源監督監管，有助于提高水資源利用率，遏制水污染增長趨勢，解決生態文明建設所面臨的困境。因此，智慧水務建設已成為生態文明建設的迫切需求。

1.2 智慧城市建設的必然要求。智慧城市是城市現代化建設和發展的趨勢，是信息技術與城市基礎設施、城市管理、居民生活、企業運行等方方面面的融合，智慧城市的時代已經到來。智慧水務是實現城市管理智能化密不可分的一部分，是至關重要的民生工程，是解決城市水務規劃、建設、管理、服務的智慧化的有效途徑，是實現水務精細化管理、城市可持續發展的需要。因此，智慧水務是智慧城市建設的必然要求。

2 智慧水務的發展現狀及問題分析

2.1 現狀分析。我國水務行業雖起步較晚，但經過近年來的快速發展，已經取得了很大進步，得益于國家在宏觀政策上支持和推動智慧水務的發展。早在2014 年，國務院印發的《國家新型城鎮化規劃（2014-2020 年）》，提出要發展智能水務，構建覆蓋供水全過程、保障供水質量安全的智能供排水和污水處理系統，實現水務生產運行和管理運營的智慧化。總體而言，我國智慧水務建設和發展仍不完善、不平衡，處于初步階段，各城市和地區根據自身水資源的特點和需求出發建設智慧水務，缺少統一的規劃[2]。

圖1 智慧水務總體架構

圖2 數據采集對象

2.2 存在問題。雖然智慧水務建設方面已初具規模，但相對于水務精細化管理、智能化應用的需要，目前還存在以下不足: 2.2.1信息互聯互通程度低，難以實現信息共享。在已建立的各類專業業務的應用系統中，由于各部門分管的環節不同，即使在一個網絡環境中，也難以實現信息互通和資源共享，形成數據割據和信息孤島[3]，限制和阻礙了水務更高層次的智慧應用。2.2.2 缺少全局性頂層設計，難以滿足未來發展需要。智慧水務涉及多方面、多層次、多要素資源的整合、集成、開發和利用，不僅建設周期長，而且投入大，科學合理的頂層設計尤為重要。因此，從全局出發的頂層設計才能滿足智慧水務面向未來可持續發展的需要，滿足不同業務之間的共享復用，支撐新技術應用的擴展和業務變化的需求。2.2.3 重系統建設、輕運營管理。傳統水務行業的關注重點在建設內容、建設規模及建設方案等方面，缺少運營管理上的分析和規劃，導致建成后因多種原因不能維持長期良好的運營。

3 基于物聯網的智慧水務系統設計方案

3.1 智慧水務系統總體架構。智慧水務從技術實現和提供服務的角度，其總體架構可劃分為六個層次，分別是：數據采集層、傳輸層、硬件設備層、數據資源層、業務應用層面和應用交互層。具體如圖1 所示。3.1.1 數據采集層：從自控系統或在線儀表上采集數據，通過數據傳輸設備傳輸到數據中心。3.1.2 傳輸層：通過有線或無線網絡進行數據采集的傳輸。3.1.3 硬件設備層：硬件基礎設施為系統提供基礎的硬件支撐環境，包括支撐各類應用運行和數據存儲的服務器、機房環境等。3.1.4 數據存儲層：數據存儲層是系統信息匯集和數據存儲與管理的基礎，提供數據訪問、數據存儲、數據備份、數據挖掘等各項數據管理服務。3.1.5 業務應用層：業務應用層是系統應用的核心，系統對各廠站遠程監控、設備管理等提供監控、分析、展示。3.1.6 交互層：交互層是直接與用戶交互的層面，提供分級應用交互。

3.2 數據采集。數據采集內容包括對在線儀器儀表數據、化驗室數據、水電藥耗用數據、設備運行數據、水量水質數據等與生產直接或間接相關的過程數據的采集。數據采集對象如圖2 所示。

3.3 生產運行監控與調度。建立以污水處理工藝運行為中心的全廠生產過程控制體系，實現污水處理工藝運行穩定、出水水質達標。通過物聯網將污水廠及下屬泵站的各類在線儀表、設備所反映的生產運行數據采集傳輸至數據中心。利用HT For Web 3D技術搭建全流程污水處理工藝可視化數據模型，借助專家系統對數據進行分析和挖掘，實現工藝運行監控和分析預警，為管理人員提供工藝運行調度的優化方案、工藝異常處理方案、設備性能分析、全廠運行成本分析等，進而提高污水廠生產運行的管理水平。

3.4 運營管理。智慧水務運用信息化手段為企業提供綜合運營管理解決方案，包括生產運行調度、遠程監控以及與營運業務相關的設備資產管理、考核管理等，實現企業生產運營管理信息化水平的全面提升。運營管理以滿足企業管理業務需求為原則，實現對下屬污水廠生產運行的集約化管理，通過對各污水廠的生產運營數據的分析，形成輔助公司運營決策的分析報告，提高企業的競爭力和企業整體運營能力。

4 智慧水務在污水處理中的應用效果

智慧水務在污水處理中的應用效果體現在于從根本上解決水務行業運營管理上的難題，為企業提供廠站的智能化遠程集中監管平臺、便捷化的運行調度和工藝運行指導以及精準化輔助企業經營決策。

4.1 智能化遠程集中監管。系統采用云端部署方式，通過物聯網、GIS 等技術建立下屬各污水處理廠和泵站的生產運行情況的智能化實時監控和預警機制，當出現關鍵數據或指標異常時，可通過語音播報、預警指示燈、手機短信、系統消息等多種方式將消息實時通知到相關人員。通過手機APP 可查看生產運行的關鍵指標數據以及設備運行數據等。

4.2 便捷化運行調度和工藝運行指導。借助監控大屏可遠程查看現場實時的工作畫面、設備及構筑物的運行數據、關鍵工藝數據等，以便及時解決污水廠在工藝運行過程中的問題，提高人才資源的利用率，保障工藝運行的穩定。

4.3 精準化輔助經營決策。 系統自動采集和分析統計經營決策的關鍵數據，保證了數據的實時性、準確性，并以多樣化的圖表、報告等方式直觀地呈現所有經營決策數據，以便決策者制定精準的戰略目標和經營方針。

5 結論與建議

智慧水務需要將信息技術與水務公司的自身業務需求相融合，有針對性的進行智慧水務系統的設計。通過建設智慧水務，為企業帶來運營管理水平的提升、服務能力的提升，同時也為企業創造經濟效益，促進企業發展。在廣泛應用的過程中，推進應用集成和數據貫通的一體化信息集成平臺建設，有效解決信息孤島問題，實現信息暢通和信息共享。充分運用大數據分析技術，構建水務大數據挖掘模型，深度挖掘數據價值，為企業的經營管理提供決策分析，這也是智慧水務向更高層次的智慧化應用的發展目標。