城鎮污水處理廠能耗信息系統研究與實現

張穎 孔祥文 蘇杰 張維

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司 天津市 300074）

1 引言

20 世紀90年代以來，隨著國家和地方政府對節能減排和人居環境質量改善目標的重視和落實，我國城鎮污水處理事業得以快速發展，污水處理設施在地級以上城市已全面普及。近年來，隨著對城鎮污水處理廠出水水質要求的不斷提高，污水處理的高能耗、高藥耗已在行業內引起廣泛關注。

目前，國內外很多科研機構、高校對不同城市的典型污水處理廠的電耗、藥耗情況進行了分析評價[參考文獻]，以期為污水處理廠的節能降耗提供參考。但是，對于全國范圍內城鎮污水處理廠的能耗、物耗的總體水平鮮有深入研究和分析，與國外發達國家污水處理廠能源消耗情況的對比更是少之又少，因此，為了挖掘我國城鎮污水處理廠節能降耗潛力，提高污水處理廠運行效能，為我國污水處理廠設計和運行優化提供參考，建立一個城鎮污水處理廠能耗信息系統就變得尤為重要，用信息化手段將全國范圍內污水處理廠的相關數據匯集起來并加以處理分析，使行業人員能快速準確的從多維度獲取統計分析結果。

2 系統構建設計

2.1 系統整體架構

城鎮污水處理廠能耗信息系統的總體架構如圖1 所示，共分為數據采集、數據處理、數據分析及可視化展示四個模塊，其中數據采集和數據處理關系著整個系統是否能提供可靠數據進行統計分析并對整個行業是否有參考價值，故本文重點介紹這部分內容。

2.2 數據庫搭建

結合我國近4000 座運行的典型城鎮污水處理廠近五年不同季節的電耗和各類化學藥劑的投加情況，建立了“典型城鎮污水處理廠能耗物耗數據庫”。數據庫包含所屬流域、處理規模、排放標準、工藝類型等污水處理廠的基本信息、總能耗與處理單元能耗的能耗數據信息，以及涉及外加碳源、除磷藥劑、脫水藥劑等常用藥劑的投加量數據信息，可對不同規模、不同排放標準、不同工藝類型的污水處理廠的能源消耗情況進行統計分析，并可對標一些發達國家的能耗水平。

2.3 粗大誤差數據處理

粗大誤差是指在測量過程中，偶爾產生的某些不應有的由異常因素造成的測量數值超出正常測量誤差范圍的小概率誤差[1]。在實際污水處理廠能耗數據采集過程中，由于手機設備硬件條件及周邊環境的影響，往往會產生部分具有粗大誤差的數據，這種數據將導致后續數據統計分析結果產生偏差，大大降低數據的價值和有效性。因此，需要尋找一種有效的處理異常數據的方法來提升數據質量和價值。

目前在數據處理過程中，通常采用拉伊達準則、格拉布斯準則、肖維勒準則、狄克遜準則等進行異常數據的識別，本研究對以上幾種方法進行了簡單的對比分析。

2.3.1 拉伊達準則

拉伊達準則[2]是以三倍測量列的標準bai 偏差為極限取舍標準，其給定的置信概率為99.73%，該 準則適用于測量次數n＞10 或預先經大量重復測量已統計出其標準誤差σ 的情況。Xi 為服從正態分布的等精度測量值，可先求得它們的算術平均值 X、殘差vi 和標準偏差σ。若|Xi- X|＞3σ，則可疑值Xi 含有粗大誤差，應舍棄；若|Xi- X|≤3σ，則可疑值Xi 為正常值，應保留。 把可疑值舍棄后再重新算出除去這個值的其他測量值的平均值和標準偏差，然后繼續使用判別依據判斷，依此類推。

2.3.2 格拉布斯準則

圖1：系統架構圖

圖2：系統登錄頁

格拉布斯準則[3]適用于測量次數較少的情況(n＜100),通常取置信概率為95%,對樣本中僅混入一個異常值的情況判別效率最高。其判別方法如下：先將呈正態分布的等精度多次測量的樣本按從小到大排列，統計臨界系數G(a,n)的值為G0，然后分別計算出G1、Gn:G1=(X-X1)/σ,Gn=(Xn-X)/σ,(1) 若G1 ≥Gn 且G1＞G0，則X1 應予以剔除；若Gn ≥G1 且Gn＞G0，則Xn 應予以剔除；若G1＜G0且Gn＜G0，則不存在“壞值”。 然后用剩下的測量值重新計算平均值和標準偏差，還有G1、Gn 和G0，重復上述步驟繼續進行判斷，依此類推。

2.3.3 肖維勒準則

肖維勒準則[4]是建立在頻率p=m/n 趨近于概率P{|Xi- X|＞Zcσ}的前提下的（其中m 是絕對值大于Ecσ 的誤差出現次數,P 是置信概率）。設等精度且呈正態分布的測量值為Xi,若其殘差vi ≥Zcσ則Xi 可視為含有粗大誤差,此時把讀數Xi 應舍棄。把可疑值舍棄后再重新計算和繼續使用判別依據判斷,依此類推。

2.3.4 狄克遜準則

狄克遜準則[5]是一種用極差比雙側檢驗來判別粗大誤差的準則。它從測量數據的最值入手，一般取顯著性水平a 為0.01，此準則的特點是把測量數據劃分為四個組，每個組都有相應的極端異常值統計量R1、R2 的計算方法，再根據測量次數n 和所對應的統計臨界系數D(a,n)按照以下方法來判別：若R1＞R2,R1＞D(a,n)，則判別X1 為異常值，應舍棄；若R2＞R1,R2＞D(a,n),則應舍棄Xn。

通過上述分析可知，以上準則在進行數據處理時效果均與樣本容量有密切關聯，當樣本容量過大時，格拉布斯準則、肖維勒準則、狄克遜準則對異常數據檢測的準確性將大為降低，而全國城鎮污水廠的能耗數據是大樣本數據，所以本研究采用拉伊達準則對采集的數據進行數據處理，剔除具有粗大誤差的數據，保障后續統計分析的準確性。

3 系統開發實現

3.1 開發工具及環境

城鎮污水處理廠能耗信息系統是基于B/S 架構的JAVA Web 應用程序，部署于tomcat 服務器，并集成于MyEclipse 進行程序創建和開發。

該系統前端采用了HTML、CSS、JavaScript、AJAX、Flash 等技術進行界面創建及美化，同時為了更加靈活生動的從多維度展示統計分析的成果，系統采用了百度開源的ECharts 工具制作了大量圖表進行可視化展示。后端采用了J2EE 技術，它是為了克服傳統Client/Server 模式的弊病，迎合Browser/Server 架構的潮流，為應用Java 技術開發服務器端應用提供一個平臺獨立的、可移植的、多用戶的、安全的和基于標準的企業級平臺，從而簡化企業應用的開發、管理和部署。

此外，該系統在數據庫端采用SQL Server 2008 來存儲大量的城鎮污水處理廠能耗數據，并廣泛采用各種數據庫技術進行數據處理和數據統計分析，為最終的數據可視化展示提供依據。

3.2 系統功能介紹

該系統如圖2 所示，主要包含四個模塊，信息錄入、統計分析、條件查詢和比較參考，其主要功能為：

（1）系統采用了SQL Server 數據庫進行污水處理廠能耗信息數據的存取，數據可通過頁面錄入的方式進行單條存儲，或通過Excel 導入的方式進行大批量數據的存儲，如圖3 所示。

（2）運用大數據技術對數據庫中的海量數據進行計算與分析，將統計結果以圖表的形式以不同角度和內容展現，如圖4 所示。

（3）可自定義查詢條件，如圖5 所示，通過組合查詢的方式篩選出所需的數據進行統計分析，并以圖表形式展現。

3.3 系統特點

（1）與行業技術緊密結合，污水處理廠能耗信息系統是部門自主研發，系統中的數據來源于全國各地上千個污水處理廠的實際數據，通過研究行業主管部門的監管需要以及調研各項業務指標的相互關系，篩選出滿足城鎮污水處理有研究價值的主要指標，運用信息技術構建了系統中的幾個重要模型，如污水廠基本信息、月水質水量泥量、月藥耗量、月物耗量等，從而架起了行業信息與互聯網系統之間的橋梁，為系統的建立奠定了基礎。

（2）在數據錄入方面，大部分系統都會采用頁面錄入的方式，頁面錄入的方式簡單直觀，但適用于數據量不大的情況，該系統保留了單條數據頁面錄入的方法，同時也提供了批量數據后臺導入的方法以滿足數據量龐大時錄入系統的情況，為了避免異構數據導入失敗，系統為用戶提供了Excel 模板，利用模板可以在數秒內導入大批量數據，增加了系統的實用性，為用戶提供了便利。為了避免導入系統的數據中含有干擾數據從而影響計算結果的準確性，結合該系統模型的實際情況自主設計了一種排除干擾數據的過濾算法，使得在系統導入數據后自動對數據進行檢測且不對前端運行產生影響，方便準確。

圖3：信息錄入模塊

圖4：圖表展示樣例

圖5：多條件查詢界面

（3）不同于冗長的報表式數據展示，系統中對各指標的計算結果全部采用圖表這種可視化數據形式展現，但不同于一般系統中的靜態圖表，該系統采用支持動畫的動態圖表，圖表生成后可進行柱狀圖、曲線圖的切換，可變換需要顯示的屬性，也可調整橫坐標的顯示區間等。對于復雜的污水廠能耗數據，這種展示方式能讓數據更生動、圖表更閃耀、交互更友好、使用更便捷。

（4）為了避免系統因過快上漲的數據量而導致運行效率降低甚至崩潰的情況，以城鎮污水處理廠能耗信息特點為基礎，以互聯網時代下大數據技術為背景，以數據庫優化技術為手段，結合該系統特點構建了一套系統優化方案，從最大限度上減少因數據量增加以及算法計算的復雜性而影響系統運行速度，從而提高系統的可用性。

（5）由于污水處理廠能耗數據的基本信息指標較多，為了使用戶能個性化定制查詢條件從而較準確的定位自己所需的數據，系統采用了購物網站類似的多條件組合查詢功能，從而避免了單一查詢每次只能選擇一個查詢條件的情況，使系統可操作性更強，用戶使用更加方便。

4 結束語

城鎮污水處理廠能耗信息系統的項目建設是堅持信息技術與管理制度相結合、堅持信息技術與行業技術進步相結合、堅持信息技術與國家重大決策相結合的一項重要成果。城鎮污水處理廠能耗信息系統將污水廠真實的能耗數據以信息化的表達方式構建模型，使數據從傳統管理方式向信息化管理方式轉變；利用計算機程序從龐大的數據中以算法為依據計算出所需的結果，并以圖表方式直觀展

現給用戶，避免人為計算產生的差錯以及降低數據的時效性；大數據、數據庫優化等信息化技術的應用優化了數據庫系統結構，避免了干擾數據對計算結果準確性產生影響，同時也加快了系統的運行速度，提高了系統的可用性。城鎮污水處理廠能耗信息系統在我院運行良好，同時也需要不斷的完善，隨著城鎮污水問題層出不窮，系統也應與時俱進，模型架構需不斷充實、系統功能需不斷擴展、運行速度也有待提高，尤其是如何與數據挖掘技術相結合提取出更多對節能減排有價值的信息是以后工作中應更加努力的方向。相信隨著系統功能不斷完善，數據及時性、準確性、全面性不斷提高，該系統會成為城鎮污水處理管理工作強有力的技術支撐。