基于私有云平臺的地下污水處理廠智慧綜合管控系統方案分析

趙瑜伯，王秀梅，張慶慶，王弘揚，郭亮亮

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著我國經濟飛速發展、工業生產能力激增，城市廢水排放量呈快速逐年上升態勢，污水處理已經成為環境治理的重中之重。國家在“十二五”規劃中對城鎮污水處理提出了更高要求，強調污水處理自動化、信息互聯化及智能工業化技術的發展，在“十四五”規劃中，又進一步強調了污水處理廠的智慧化轉型。

中國的污水處理行業經過40余年的建設與發展，現在擁有全球規模最大的市政廢水基礎設施，截至2020年我國污水年處理量增至556億立方米，污水處理率提高至97.86%。近年來的污水處理廠更多地采用地下箱體模式，對人員設備安全、自動化水平提升、系統優化運行提出了更高的要求。同時，污水廠管控也從單廠管控向集團化管控轉變。針對這些變化，本文將著眼于信息融合和智慧化管控，全面闡述地下污水處理廠智慧綜合管控系統的構建與配置。

1 從“自動化”邁向“智慧化”

二十世紀九十年代是中國污水處理廠大規模建設階段，當時的污水處理廠建設追求的是“自動化”，將更多的工作重心和技術關注點放在了工藝設備自動化控制方面，著眼于工藝優化提升出水水質、提高生產效率。隨著工業4.0在中國的落地和推廣，中國制造業從電氣化、信息化向著智能化、智慧化轉型，污水處理行業也隨之從單一污水廠的自動化監控向以水務集團或整個地區為單位的智慧化水廠集群式管控的智慧水務模式進發。

傳統的污水處理廠通常在中央控制室設置數據服務器和監控計算機，它們通過廠區工業以太網實現與多個現地控制單元PLC的數據通訊，并通過SCADA監控組態軟件將現場設備的運行狀態和工藝參數實時顯示在監控畫面中，操作員可通過畫面中的功能按鍵或輸入域將生產控制指令下達到具體的現場工藝設備，還可根據采集到的實時數據生成工藝參數趨勢圖、生產報表、故障報警等信息。這套自控系統基于工業網絡，與廠內的辦公系統、安防系統、資源和運營管理系統等其它功能子系統保持著相對獨立、各自運行的狀態。一些需要跨系統交互的數據，通常要經過各部門相關技術人員的手工轉換，變為通用的紙質或電子文檔傳遞，協同性差、效率低。單個污水廠的生產數據處于“孤島”狀態，不支持遠程訪問，無法與集團或地區的水務集控監管平臺實現數據共享，無法進行遠程監控、數據整合分析、輔助整體決策等全區域層面的管控功能。

智慧水廠就是要吸納大數據、物聯網、互聯網、云計算等新技術，從集團化甚至全地區的角度去考慮污水處理廠的系統建設，將工藝設備監控、資源管理、人員管理、生產運營、安全防護等多個子系統均構建于一個統一的私有云平臺上，通過對多源數據的整合、處理及分析實現系統信息融合，使污水廠內部各類信息可高度共享、高效交互、可綜合分析與管理，并為本區域智慧水務集中監管平臺提供云端大數據儲備。

2 系統總體架構

地下污水處理廠智慧綜合管控系統從信息架構角度自下而上橫向分為四層：感知控制層、網絡通訊層、平臺層、智慧應用層，從系統功能上縱向分為自動化監控、智能綜合監控系統（含視頻監控和入侵報警系統、廣播系統、智能語音系統、無線對講系統、智能巡更系統等）、智慧化運營管理系統（含無線信號覆蓋、人員定位、移動應用和信息管理系統）。如圖1所示：

圖1 地下污水處理廠智慧管控系統架構

感知層作為整個系統架構中的設備基礎層，包括現場PLC控制站、監測儀表、受控成套設備、視頻安防系統及其它功能子系統的前端設備等，主要功能是執行生產指令、完成生產任務、采集數據、獲取信息。

網絡通訊層以工業以太網和辦公以太網相融合的方式將現場感知設備與數據管理平臺設備連接起來，輔之以無線通訊網絡，形成一個覆蓋全廠的“神經網絡”，為全廠的信息交互提供傳輸通道。

平臺層是數據處理、存檔、管理、分析的功能層，也是整個智慧綜合管控系統的核心層。該層的設備配置方案可根據水廠數據規模和需求選擇：1）多服務器+客戶機配置模式、2）容錯服務器+客戶機模式、3）私有云平臺虛擬機模式。容錯服務器模式的重點在于通過硬件全冗余實現系統容錯，而私有云平臺更關注多系統信息融合。私有云平臺也可通過部署虛擬機容錯，但這屬于軟容錯。

智慧應用層是在平臺層完成整個污水廠數據結構搭建的基礎上建立起來的、向用戶提供應用服務的功能層。應用層主要分為三個功能模塊：1）基于PLC和監控計算機設備的生產自動化監控；2）基于視頻監控和入侵報警、廣播、無線對講、門禁和智能語音、電子巡更等多源化感知設備的智能綜合監控平臺；3）基于高精度人員定位、移動APP應用、多系統信息集成的智慧運營管理平臺。

上述系統架構將自動化、信息化、智能化融合在一起，形成一個智慧綜合管控體系，實現污水處理廠少人或無人值守、智慧化管理運營的目標。

3 系統網絡建設

在整個污水處理廠智慧綜合管控系統架構過程中，我們始終遵循的中心思想是一切要為信息“共享”與“協同”服務，這是因為要實現污水廠智慧化運營的目標，系統信息融合是一個核心任務。系統信息融合是建立在網絡聯通的基礎上的，系統網絡是系統信息融合的數據通路，是整個系統的“骨骼”。智慧綜合管控系統網絡拓撲結構如圖2所示：

圖2 地下污水處理廠智慧化管控系統網絡結構圖

系統網絡分為三層：

第一層：信息層，是指中央監控管理設備與系統核心交換機之間的星型網絡。本圖中配置的軟硬件一體化私有云平臺虛擬出了多臺不同功能的服務器和監控客戶端，并由瘦客戶機作為這些虛擬機的人機交互終端，通過系統核心交換機彼此聯通構成了網絡信息層。該層為1000M快速以太網，傳輸介質采用屏蔽雙絞線。

第二層：控制層為環形拓撲，中控室監控計算機和各現場控制站PLC通過工業以太網連接。考慮到控制層網絡斷網將直接導致水廠生產中斷以及地下水廠網絡維護和故障排查相對不便，在控制層采用冗余雙環結構來提升網絡聯通的可靠性。視頻監控系統的單環光纖以太網也屬于控制層網絡，它將分布在廠區室內外的視頻攝像機通過本地環網交換機彼此聯通。控制層單/雙環網通訊速率為1000M、通訊介質為單模光纖。

第三層：設備層，由現場執行機構及智能儀表組成，根據具體設備的接口情況可選擇采用工業以太網、現場總線、串口等通信方式與本地控制單元進行通信。

這種分布式網絡結構使生產過程中的信息能夠實時集中到區域主控制器，當其他區域發生故障時不影響本區域設備的現地運行，使得控制危險分散，提高系統可靠性。同時，各區域信息經本地主控制站的整合傳送至上位監控設備，可實現信息集中管理以便遠程對整個水廠進行整體操作、管理和優化。

除有線網絡的搭建之外，在污水廠地下箱體區域還應布置移動信號和WIFI信號的全區域覆蓋。另外，地下箱體空間封閉、管廊交錯，導致人員迷失和毒害氣體聚積危險系數增加，因此應配置高精度人員定位系統。相較于藍牙、WiFi、RFID等定位方案，基于UWB無線高精定位技術的人員定位系統具有高精度（可達±10cm）、基站覆蓋半徑大（大于100米）、實時性好、低輻射、保密性強等特點，非常適用于地下污水處理廠這一特殊環境。

4 私有云平臺的建立

私有云平臺是整個平臺層的核心，它為污水處理廠智慧綜合管控系統提供一個處于防火墻之后的專有云環境，通過內部操作建立數據中心，能夠更好地控制計算資源，方便地自定義資源，滿足污水廠特定的需求。私有云平臺是一個軟硬件一體化的系統，它允許多個用戶桌面以虛擬機的形式獨立運行，同時共享CPU、內存、網絡連接和存儲器等底層物理硬件資源。這種架構將用戶彼此隔離開來，使每位用戶都擁有自己的操作系統，確保每個用戶的功能個性化，于此同時，可以對桌面實現應用的管控和高效集中運維。

從圖3可見，私有云平臺的硬件環境由超融合模式的多臺服務器和瘦客戶機搭建，圖中配置了4臺服務器分別執行生產監控、網絡管理、信息管理和綜合監控管理的功能，服務器和虛擬客戶機配置了對應的瘦機作為訪問終端。私有云平臺上可運行VMware或其它平臺軟件來完成虛擬機定義及管理。

圖3 地下污水處理廠智慧管控系統私有云架構示意圖

污水處理廠私有云平臺采用ServerSAN這種主流存儲虛擬化方案，用大硬盤服務器代替磁盤陣列等專用存儲設備，將服務器硬盤存儲空間作為共享存儲資源池向云平臺各虛擬客戶機提供類似Server/Client模式的存儲服務。

私有云平臺系統軟件可實現服務器管理、用戶管理、虛擬桌面部署、虛擬服務器部署、實時運行管理等功能。

一體化云平臺的虛擬桌面模板可以支持同時封裝操作系統和應用程序的運行狀態，并且運營人員可以隨時隨地根據已保存好的模板，將此模板進行批量發布，并且可以確保所有桌面具備相同的桌面與應用程序運行狀態。

平臺軟件還提供簡單一體化的管理門戶將所有管理功能集成在一個統一的控制臺中進行，每臺私有云平臺服務器都在管理員門戶中可見，系統管理員可以查看其使用統計、存儲空間消耗、后臺進程、當前運行的虛擬桌面及其它更多的系統管理信息。系統管理員可以基于虛機模板創建新的虛機(VirtualMachines)，能夠調整其內存使用、附加磁盤和共享文件夾、觀察使用統計以及其他更多的虛機管理信息。超級用戶可以重新分配已有的虛機給新的使用者，甚至觀察虛機內部發生的情況。

私有云平臺集成了私有云網盤功能，通過該功能，水廠各部門間可快速進行文件交換、文件分享、多用戶文件協作等功能，提高辦公效率，實現多系統協同。

5 自動化監控系統

地下污水處理廠全部位于地下封閉式箱體內，特殊的環境條件要求其自動化監控系統必須具備高技術可靠性、高運行穩定性、設備易維護性、系統易操作性及完善的人員安全保障。因此，地下污水處理廠自動化監控系統在硬件配置上需要強調以下特征：1）PLC主站采用冗余CPU配置；2）所有PLC模塊選用帶有防腐涂層的產品；3）網絡介質和網絡交換機均做冗余配置；4）主干雙環網和現地單環網構成以太網“一網到底”的控制網絡（參見圖2）；5）配置智能巡檢機器人，對封閉式生物反應池進行環境參數和曝氣狀態的視頻采集，并可與自控系統聯動。

地下污水處理廠自動化監控系統的軟件配置特征為：1）采用Server/Client模式的上位監控組態軟件配置，生產數據集中存儲于服務器的組態軟件實時數據庫，各操作員站監控畫面的數據來源于服務器I/O Server而非本地；2）上位監控組態軟件配置WEB發布功能，具有訪問權限的辦公室計算機或移動終端可以通過網頁瀏覽實時的生產狀況；3）數據服務器中配置工業實時/歷史Historian數據庫，將上位組態軟件中采集到的實時數據存儲為歷史數據以備生產管理長期數據回溯、檢索查詢、報表統計；4）系統應用軟件編程要考慮兩個方面：一部分是本系統所需的生產信息監控功能實現，另一部分是與上層信息系統進行數據交互所需的數據接口定義與規范，要根據上層數據庫的需求提供WEB SERVICE、XML、OPC、ODBC等多種接口方式。

6 智能綜合監控平臺

地下污水處理廠智能綜合監控平臺是自動化監控系統的重要補充。它拓展了自動化監控系統觀察、控制手段的廣度，通過視頻探知、安全探知（火災探測、入侵探測、門禁）等新的觀察手段，增加自動化系統的安全性、可靠性，并通過視頻畫面、聲音光亮（語音、聲光報警器）等，展示探知的結果。

地下污水處理廠智能綜合監控平臺包括視頻監控和入侵報警系統、門禁系統、廣播系統、智能語音系統、無線對講系統、電子巡更系統。這些子系統將信息匯總到智能綜合監控平臺，在該共用平臺下進行自動聯動、集中控制和統一管理。平臺通過對各子系統的信息進行綜合分析來實現針對不同場景的多系統協同響應。

地下污水處理廠智能綜合監控平臺具有如下特征：

1）各功能子系統的高度融合：子系統被視為平臺功能模塊，通過平臺統一管理實現協調運行，達成各系統信息融合，最終改變子系統“信息孤島”的狀態。平臺對各子系統基礎數據進行統一管理、集中存儲，通過KEY值關聯實現一處錄入多處使用。

2）智能化的運行管理：平臺對操作員提供一站式運行管理服務，操作員可實時獲知系統運行狀態，根據提示信息高效定位并解決問題，保障整個平臺的正常運行。

3）智能化的擴展：平臺基于模塊化設計，新的子系統可插接式接入，實現復雜項目的便捷搭建，避免以往各子系統分別設置自己的服務器或主控計算機、各自運行子系統管理軟件的冗雜情況，使一線人員的監控工作變得簡捷明了。

4）智能化的應用：安防產品“智能化”的概念提出多年，傳統的圖像識別和圖像處理算法仍然存在著識別準確率低、環境適應性差、識別種類少等問題，嚴重限制了智能應用的普及。污水處理廠智能綜合監控平臺以各類功能與應用整合和集成為核心，實現單純的圖像監控向基于深度學習算法的車牌識別、人臉識別、音頻識別等智能應用領域的廣泛拓展與延伸。

5）開放的對接模式：本平臺基于軟件集成框架和統一規范，通過Web Service及http接口提供基礎服務，實現應用接口的開放，支持第三方應用快速集成，接口遵循RESTful規范。平臺通過動態新增設備接入驅動，實現對第三方設備的接入，為多品牌、多品種的監控設備集成提供了非常順暢的資源交互環境。

7 智慧運營管理平臺

污水處理廠智慧運營管理平臺是建立在網絡建設和數據采集基礎上的業務管理系統，它通過對廠內各個功能子系統集成到私有云平臺的大量多源化數據進行及時分析處理，做出相應的輔助決策建議，使整個生產、管理和服務流程達到“智慧”狀態。

生產控制前端感知設備是運營平臺信息數據來源的主要入口，數據感知包含污水處理廠內各種在線儀表、設備、傳感器、攝像頭、RFID、設備二維碼銘牌等數據，通過PLC硬件和工控軟件可進行設備的集中監控和數據采集。數據采集基于MIC（移動+互聯+云計算）技術架構設計，利用智能通訊網關將廠站內設備數據、生產運行數據按照工業物聯網接入標準進行接入。采集后數據統一存放在私有云數據中心，可通過客戶端的訪問提供各種數據應用及服務支持。

平臺運營管理功能可根據不同權限的用戶、按不同場景劃分提供多種應用及服務，包括生產運行監控、數據趨勢分析、統計報表生成、設備資產管理、巡檢、維修養護、辦公流程審批等功能。同時也可集成視頻監控、電子門禁、人員定位等系統進行資源整合，提升整廠安防能力。

平臺可通過大量積累生產運行、業務數據深入挖掘各類數據間的關系，合理利用數據，發掘數據潛在的價值。決策支持層可為管理層運營提供科學的輔助決策支持，從而實現污水處理廠的智慧化運營。

平臺框架結構如圖4所示：

圖4 智慧運營管理平臺框架結構圖

系統框架自上而下主要分成三個層級：1）數據存儲與服務層：數據庫的運行管理與數據的有效存儲；應用程序的發布，包括計算機端的管理程序的運行與發布、WEB程序運行與發布、移動端的APP程序發布、微信小程序的運行與發布；數據的實時采集與實時數據的存儲以及系統容錯的管理；2）系統應用服務層：業務功能的管理，包括設備檔案、設備點巡檢、設備維保管理、報警事件管理、消息發布、報表管理與查詢統計輸出等；基礎功能的運行，系統基礎數據的管理，以及系統運行所必需的其他基礎數據等，例如人員信息、設備編碼、場地信息、工藝過程；系統安全與配置管理，系統日志、人員權限，系統菜單配置等；外圍系統接口與擴充管理，用于系統內部各個子系統之間的數據接口與數據交互管理，包括門禁、語音、廣播、人員定位、視頻接入、狀態信息接入等；3）用戶操作層：服務于現場操作人員層面，通過使用智能手機的APP或微信小程序、PAD設備以及普通計算機的瀏覽器，實現對于現場數據的人工采集，數據展示與人機交互等功能。

8 結語

本文系統性地闡述了基于私有云平臺的地下污水處理廠智慧綜合管控系統的構建方案，對系統的各重要組成部分給出了具體的功能描述和設備配置。文中所給出的方案已經在北京、上海、河北、昆明等地的多個地下污水處理廠中得到了實際應用，經實踐證實是完善的可行的，對污水處理廠的智慧化生產運營實現具有指導意義。