天津市某區(qū)工況用電在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)踐

付明路

（邯鄲市天海人力資源有限公司（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所），河北 邯鄲 056107）

企業(yè)生產(chǎn)設(shè)施打開了，因?yàn)槟承┰蚺c之配套的環(huán)保設(shè)備卻沒有打開，這一直是環(huán)保監(jiān)管部門棘手的問題。在很長一段時間內(nèi)，環(huán)保監(jiān)管部門都是通過“人海戰(zhàn)術(shù)”巡邏執(zhí)法，某區(qū)生態(tài)環(huán)境局一共有100 余名監(jiān)督執(zhí)法人員，可涉及VOC 的企業(yè)就有近千家，并且企業(yè)分散在某區(qū)478 km2的土地上，執(zhí)法監(jiān)管能力嚴(yán)重不足，雖然執(zhí)法力度不斷加大，但收效甚微[1]。針對這一問題，某區(qū)環(huán)保局公開招標(biāo)了涉氣企業(yè)工況用電的項(xiàng)目，某單位中標(biāo)并負(fù)責(zé)建設(shè)，通過一年多的建設(shè)和應(yīng)用，幫助某區(qū)生態(tài)環(huán)境局開展了靶向執(zhí)法。

1 工況用電在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹

某區(qū)分表計(jì)電工況用電在線監(jiān)測系統(tǒng)，簡稱工況用電系統(tǒng)，由兩部分組成，分為前端硬件系統(tǒng)和后臺軟件系統(tǒng)[2]，如圖1 所示。

圖1 工況用電系統(tǒng)組成

1.1 前端硬件系統(tǒng)

前端硬件系統(tǒng)包括用電參數(shù)監(jiān)測設(shè)備和多參數(shù)采集終端。其中，用電參數(shù)監(jiān)測設(shè)備的建設(shè)目標(biāo)是對企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、治污設(shè)備和環(huán)保設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控；對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析，產(chǎn)生圖報(bào)表，直觀顯示，方便管理；實(shí)現(xiàn)重污染天氣時錯峰、錯時生產(chǎn)的自動監(jiān)管；違規(guī)生產(chǎn)、未正常開啟環(huán)保設(shè)備系統(tǒng)自動報(bào)警。

多參數(shù)采集終端是采集、存儲和發(fā)送用電參數(shù)的監(jiān)測裝置，并按照HJ 212-2017《污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》和《天津市排污單位生產(chǎn)設(shè)施及污染防治設(shè)施工況用電監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)指南》的具體要求，該設(shè)備利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)卡通過4G 無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測平臺。

1.2 后臺軟件系統(tǒng)

后臺大數(shù)據(jù)平臺對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以實(shí)時得出預(yù)測、分析結(jié)果并進(jìn)行實(shí)時的反饋，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值并加以利用。通過構(gòu)建各種模型算法，應(yīng)用分析工具，對收集監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割、集群、深入挖掘分析，應(yīng)付大數(shù)據(jù)的大體量，提高處理速度。數(shù)據(jù)分析模塊主要包括業(yè)務(wù)應(yīng)用、報(bào)表查詢、決策支持、預(yù)警預(yù)測、知識發(fā)現(xiàn)、主題分析、指標(biāo)監(jiān)測和挖掘預(yù)測等。

針對采集數(shù)據(jù)體量大、知識密度低的特點(diǎn)，需通過多變量時間序列分析和增量式聚類方法對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行知識提取。多變量時間序列分析可以準(zhǔn)確地定位污染事件和用戶行為出現(xiàn)的位置，主要通過ARCH 模型解決數(shù)據(jù)的非線性、異方差和非平穩(wěn)特性來定位。增量式聚類方法不僅能將具有相同特性的事件聚類為簇，通過相對較小的樣本刻畫海量數(shù)據(jù)知識，而且基于大數(shù)據(jù)不斷更新的特點(diǎn)對聚類結(jié)果不斷進(jìn)行修正和生成新的群。

通過上述方法為數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)階段提供更加優(yōu)質(zhì)且體量小的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，針對不同業(yè)務(wù)邏輯和用戶需求選用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、數(shù)據(jù)挖掘方法和機(jī)器學(xué)習(xí)方法有針對性地為用戶搭建數(shù)據(jù)分析模型，包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、分類、聚類、頻繁項(xiàng)集、動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、群智能算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等，為用戶的支持發(fā)現(xiàn)、主題分析、預(yù)警預(yù)測以及決策支持等業(yè)務(wù)應(yīng)用提供可靠的分析模型。達(dá)到精準(zhǔn)執(zhí)法、精細(xì)監(jiān)管、智能監(jiān)測和科學(xué)決策的目的。

2 工況用電系統(tǒng)建設(shè)的探索

2.1 監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)原則

監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)應(yīng)遵循全面性、準(zhǔn)確性的原則。

（1）全面性。工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)流程復(fù)雜，每套生產(chǎn)流程都單獨(dú)配有一個或多個電力站，每個電力站包含幾十個電力監(jiān)控設(shè)備，眾多的工業(yè)企業(yè)形成了規(guī)模龐大的監(jiān)測點(diǎn)位集群。同時，每套生產(chǎn)流程還配套了多套污染排放監(jiān)測設(shè)備，這造成了基礎(chǔ)的監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)模非常龐大，并且數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，人工的情況下難以進(jìn)行分類和處理。因此，工況用電監(jiān)測點(diǎn)位應(yīng)全面覆蓋工業(yè)企業(yè)所有涉及到污染物排放的生產(chǎn)設(shè)備，包括VOC、顆粒物、NOx、SO2等所有產(chǎn)生污染物的用電生產(chǎn)設(shè)備。

（2）準(zhǔn)確性。每套監(jiān)測設(shè)備采用長連接的方式與平臺進(jìn)行對接，時時刻刻向平臺發(fā)送實(shí)時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)具有時效性，是不停變化的，隨著時間的增長數(shù)據(jù)量逐漸增大，如果采集到的數(shù)據(jù)不經(jīng)過流轉(zhuǎn)，那么會造成數(shù)據(jù)過期作廢。用戶的體驗(yàn)在分秒級別，如果平臺不能對數(shù)據(jù)進(jìn)行及時處理，不能在極端的時間內(nèi)從海量的實(shí)時數(shù)據(jù)內(nèi)提取到有效信息，那么非常可能造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)的丟失，對平臺處理結(jié)果的及時性、準(zhǔn)確性造成影響。本平臺采用分布式處理技術(shù)和消息隊(duì)列技術(shù)，解決數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)問題。平臺基于云計(jì)算框架，采用分布式服務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用彈性計(jì)算分擔(dān)數(shù)據(jù)處理負(fù)載，保障平臺服務(wù)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。并且采用消息隊(duì)列MQ 技術(shù)，對數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)進(jìn)行“削峰填谷”，即使在數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的高峰期，也能保障數(shù)據(jù)處理的及時性和正確性。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)情況

某區(qū)工況用電共分為兩期進(jìn)行安裝，其中一期安裝140 家企業(yè)，二期安裝351 家企業(yè)。截至2022 年1月，某區(qū)工況用電監(jiān)測系統(tǒng)共安裝491 家企業(yè)，共計(jì)3 041 個點(diǎn)位，基本實(shí)現(xiàn)全區(qū)主要涉氣企業(yè)全覆蓋。

3 工況用電平臺實(shí)際應(yīng)用

3.1 可視化管控

平臺總體采用數(shù)據(jù)可視化工具進(jìn)行用戶交互設(shè)計(jì)。在平臺利用大數(shù)據(jù)分析功能執(zhí)行完成動態(tài)分析工作后，以可視化的形式，將分析結(jié)果和數(shù)據(jù)展示給用戶，其中可視化管控的效果如圖2 所示。

可視化管控的設(shè)計(jì)思想是借助圖形化的手段，清晰有效地傳達(dá)信息。如圖2 所示，可視化管控主要分為兩種形式，其一是將階段內(nèi)分析完成的數(shù)據(jù)展示給用戶，其二是將動態(tài)分析的數(shù)據(jù)展示給用戶。階段內(nèi)分析完成的包括總排放量趨勢分析、企業(yè)污染物與功耗分析、單位耗能排放基準(zhǔn)智能分析，動態(tài)分析包括違規(guī)報(bào)警、企業(yè)錯峰生產(chǎn)執(zhí)行。

圖2 可視化管控效果圖

2019 年8 月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)重污染天氣應(yīng)對夯實(shí)應(yīng)急減排措施的指導(dǎo)意見》，要求對減排企業(yè)實(shí)施清單化管理，開展績效分級差異管控，保障應(yīng)急減排措施可操作、可監(jiān)測、可核查[3]。利用可視化管控，政府的環(huán)保監(jiān)管人員可以快速地獲取企業(yè)污染排放情況、生產(chǎn)情況、違規(guī)情況，極大地減輕了監(jiān)管人員對企業(yè)的現(xiàn)場巡查、產(chǎn)量計(jì)算、排放計(jì)算等工作，節(jié)省了大量的人力和物力成本。同時企業(yè)用戶通過可視化管控，可以快速地獲取當(dāng)前企業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)、環(huán)保、能源情況，以信息化的手段對企業(yè)內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、環(huán)保數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)進(jìn)行掌控，并且起到輔助決策的作用。

3.2 單位耗能排放智能分析

某區(qū)分表計(jì)電在線監(jiān)測平臺接入的數(shù)據(jù)包括了生產(chǎn)設(shè)備電能數(shù)據(jù)、環(huán)保設(shè)備電能數(shù)據(jù)、污染物排放數(shù)據(jù)，這3 種類型的數(shù)據(jù)完整覆蓋了一個生產(chǎn)流程，生產(chǎn)設(shè)備電能數(shù)據(jù)和環(huán)保設(shè)備電能數(shù)據(jù)記錄了某一生產(chǎn)過程的全部電力能源消耗量，污染物排放數(shù)據(jù)記錄了某一生產(chǎn)過程的全部污染物排放量，3 種數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)。

3.3 企業(yè)橫向分析

企業(yè)橫向分析是利用平臺內(nèi)存儲的工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用電能耗、環(huán)保用電能耗、污染物排放數(shù)據(jù)，在月度、季度、年度3 個維度上，使用大數(shù)據(jù)分析和并行計(jì)算技術(shù)，對企業(yè)能源消耗和污染排放進(jìn)行橫向?qū)Ρ取M向分析指標(biāo)一般包括以下內(nèi)容。

3.3.1 生產(chǎn)能耗分析

生產(chǎn)能耗分析是將同一類型企業(yè)的生產(chǎn)總能耗進(jìn)行橫向比較，根據(jù)能耗總量計(jì)算行業(yè)內(nèi)的能耗均值。生產(chǎn)能耗分析可以使環(huán)保監(jiān)管人員快速地了解該區(qū)縣內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)能情況，方便政府制定限產(chǎn)、錯峰生產(chǎn)的相關(guān)政策，分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 生產(chǎn)能耗分析

3.3.2 企業(yè)報(bào)警排名

企業(yè)報(bào)警排名是將同一類型企業(yè)的報(bào)警次數(shù)進(jìn)行比較，根據(jù)報(bào)警次數(shù)對企業(yè)排序，可以使環(huán)保監(jiān)管人員快速地定位不及時打開環(huán)保設(shè)備的企業(yè)，并且能夠作為執(zhí)法依據(jù)，對政府執(zhí)法過程起到有力支撐。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 企業(yè)報(bào)警排名

4 工況用電平臺運(yùn)用成果

天津市某區(qū)工況用電在線監(jiān)管系統(tǒng)運(yùn)用一年多以來，取得了非常豐富的成果，具體成果如下。

4.1 解決了撒網(wǎng)式的檢查，做到精準(zhǔn)執(zhí)法

現(xiàn)在平臺正式啟用，平臺24 h 值守，發(fā)現(xiàn)報(bào)警在15 min 之內(nèi)通知企業(yè)屬地監(jiān)管，屬地在1 h 之內(nèi)將監(jiān)管結(jié)果進(jìn)行反饋，讓企業(yè)更加規(guī)范自己的環(huán)保行為，如果企業(yè)在一周內(nèi)報(bào)警次數(shù)過多，環(huán)保執(zhí)法部門會對其進(jìn)行約談，也對企業(yè)起到了極大的震懾力，讓企業(yè)不敢再偷排、亂排。運(yùn)行1 年以來，企業(yè)的報(bào)警次數(shù)明顯減少，環(huán)境監(jiān)管部門的執(zhí)法效率也大大增強(qiáng)。

4.2 空氣質(zhì)量明顯改善，PM2.5 等空氣指標(biāo)持續(xù)改善

從有關(guān)部門獲悉，某區(qū)2019 年P(guān)M2.5年均值為54，2020 年P(guān)M2.5年均值為49，2021 年P(guān)M2.5年均值為40，可以說科技治污、精準(zhǔn)治污的手段功不可沒。某區(qū)工況用電在線監(jiān)管系統(tǒng)啟用以來，已累計(jì)發(fā)現(xiàn)環(huán)境違法問題70 余次，初步統(tǒng)計(jì)及時發(fā)現(xiàn)問題并改正問題，通過企業(yè)的用電量和引用相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，至少減少約70 kg 的VOC 和94 kg 的顆粒物排放[4]，可以說，科技治污為某區(qū)打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)束語

由于平臺監(jiān)管效果明顯，目前該套系統(tǒng)的安裝企業(yè)已擴(kuò)展到500 家。系統(tǒng)對企業(yè)的用電監(jiān)控，可以精細(xì)到每個企業(yè)的每臺設(shè)備，多方面考慮對企業(yè)停限產(chǎn)情況和減排情況進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控和監(jiān)督。結(jié)合環(huán)保部門現(xiàn)有的各種平臺，包括氣象、多維度等多種計(jì)算，在黃、橙、紅色重污染天氣應(yīng)急管控情況下，保證企業(yè)效益的同時，更好地降低企業(yè)生產(chǎn)對大氣質(zhì)量造成的影響，積極應(yīng)對不利氣象條件，保障人民群眾身體健康，同時也為環(huán)保行業(yè)的同行帶來了新的治理思路。