全過程閉環監管智慧環保系統設計研究

＊吳偉勇 郭聰 包建國* 鞠奔 楊清清

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 浙江 311122 2.浙江省華東生態環境工程研究院 浙江 311122）

1.背景

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》要求加快數字化發展，建設數字中國；《關于優化生態環境保護執法方式提高執法效能的指導意見》（環執法〔2021〕1號）推行非現場監管方式，大力拓展非現場監管的手段及應用，以自動監控為非現場監管的主要手段，推行視頻監控和環保設施用水、用電監控等物聯網監管手段，科學建立大數據采集分析、違法風險監測預警等工作程序，強化污染源自動監測數據用于行政處罰。因此，需加強涉水企業水量水質監測、工況監控，加強涉VOCs企業工況監測，實施“互聯網+監管”非現場環保執法新模式[1-6]。當前國內鮮有全過程閉環監管智慧環保系統設計研究報道，系統設計實踐經驗少。為全面落實國家、地方相關法律法規和政策要求，提升生態環境監管部門在環境治理方面的迫切需求，本文對水污染源、大氣污染源全過程閉環管理，異常響應管理模塊進行智慧環保系統設計研究。實現生態環境監管部門精準監管、預警、溯源和執法，全面提升環境管理水平和“數治”能力。

與市場上已有的智慧環保系統相比，本系統具有的優勢有：（1）實現業務流程閉環管理。通過建立多要素業務流程閉環，打破數據孤立，提高監管的系統性。（2）實現“末端+過程”監測。通過對水、氣污染源進行工況監測，由傳統的末端監管轉向“末端+過程”綜合監管，為精準執法提供科學支持。（3）實現構建三級響應機制。通過依托應用系統，構建“執法人員+運維團隊+企業”三級響應管理機制，實現管理與執法的有效統一。引入第三方運維團隊會增加運維成本，但解決了生態環境監管部門執法人員嚴重匱乏難題。（4）通過采用大數據分析技術開展關聯性分析，充分挖掘數據價值，及時發現企業環保問題。本智慧環保系統設計已在華南某區級生態環境部門開展試點建設。

2.水污染源全過程閉環監管設計

水污染源全過程閉環監管包括對“水環境重點排污企業”和“小廢水企業”的設計研究。業務流程設計包括數據采集、數據預警分析以及落實督辦三個環節[7-8]。“水環境重點排污企業”業務流程設計見圖1，“小廢水”企業業務流程設計見圖2。

圖1 “水環境重點排污企業”閉環管理業務流程設計圖

圖2 “小廢水”企業閉環管理業務流程設計圖

(1)數據采集設計

“水環境重點排污企業”工況在線監測數據主要包含產生廢水關鍵生產設備和治理廢水關鍵設備的用電工況數據（電流、電壓、功率、功率因數、電量等）、企業用水量、生產過程廢水產生量、生產車間或廢水處理點的視頻監控，通過對企業的生產狀態、工業廢水的產生、排放、處理等環節進行監控，從用電、水量情況建立涉水生產工序及廢水處理設施的邏輯關系，及時發現企業是否存在非法排污、弄虛作假等行為。

“小廢水”企業工況監控在線監測數據采集按照國家標準規范和計量認證要求實施，對影響小廢水排放的生產設施運行用電工況數據、企業工業生產用水數據、廢水排放在線監測數據和污染物治理設施工況數據（廢水收集數據、廢水拉運數據）進行全流程24h不間斷地監測，并通過通信網關轉發送到生態環境管理信息化平臺，作為后續分析預警的依據。

①企業工況數據

現場勘查“水環境重點排污企業”和“小廢水”企業的生產工藝，根據其排污生產設施生產運行情況，確定企業耗電設施的總體架構圖。在排污生產設備關鍵節點和“水環境重點排污企業”治理廢水設備關鍵節點安裝用電采集單元，不間斷采集用電工況數據，并實時傳輸至服務端，實現對企業生產設施工況的連續遠程監控。

②企業用水數據

通過對“水環境重點排污企業”和“小廢水”企業耗水情況實地工勘，繪制企業用水、排水總體架構圖，識別耗水單位生產用水及生活用水類型，在企業工業生產的進水總閘口安裝物聯網智能水表。

③企業排水數據

在“水環境重點排污企業”和“小廢水”企業排放總閘口安裝物聯網智能水表或超聲波流量計，不間斷采集企業工業生產廢水排放情況。實地工勘過程中針對部分企業有多個排污閘口的情況，嚴格按照每個排污口安裝一臺物聯網設備進行監控。

④廢水收集數據

現場勘查“小廢水”企業廢水收集裝置數量、材質、容量等，在各廢水收集裝置上安裝液位計。

⑤視頻采集數據

在“小廢水”企業廢水排放總排口、廢水收集裝置、廢水拉運進出口等關鍵節點安裝高清球型網絡攝像機，動態監測采集工業生產廢水排放視頻數據。

⑥企業拉運數據

“小廢水”企業拉運數據采集，主要是通過核查各企業拉運合同，詳細了解企業廢水拉運具體數量、時間、人員、去向，并按照掃描廢水收集裝置的二維碼，上報廢水拉運詳細情況。現場核查過程中發現異常情況，可及時進行核查，核查方式主要是通過現場監測視頻錄像來驗證。

(2)數據預警分析設計

根據企業的生產工藝設定預警規則，對接收到企業的產污治污工況數據、企業用水量和廢水排放或存儲信息進行分析，對異常數據進行預警。當所設置的報警狀態生成規則滿足條件時，系統會自動生成相應的預警報警信息。同時會按照預先設定的預警報警方式及時通知給相關人員。報警方式主要包括App推送消息、短信、郵件、系統消息提醒，主要從以下幾個方面進行預警分析：

①水量水質預警分析

對于每個排污單位，都有相應的用水系數，生產進水量、用水系數和處理設施出水量之間可以形成函數關系，當系統監控到企業的治理設施排水量與系統所采集的數據推導出來的量超過該閾值時即發出預警，不同行業類型排污單位的閾值結合排數特點進行設定。

②治理設施啟閉預警

對于“水環境重點排污企業”排放的廢水，必須經過水處理設施的處理。系統通過接入企業生產過程工況數據，生產廢水輸送到處理設施的水泵運行數據，以及處理設施的運行工況數據，綜合比對，當出現處理設施運行與企業廢水產生不同步的情況，即判別企業存在風險，系統發出預警。

③偷排漏排預警

對于“小廢水”企業，偷排漏排產生的主要原因是污染物排放事后監管模式，缺乏污染物排放過程有效監管。通過對“小廢水”企業現場工勘，詳細了解其生產工藝，設定各生產線耗水、廢水排放和收集數據的關聯，并設定一點的域值實時對前端采集的用水數據進行分析。一旦耗水、排水數據存在超出設定的域值范圍，則判斷為企業存在偷排漏排行為。

④拉運數據異常預警

“小廢水”企業通常存在拉運行為，通過核查“小廢水”企業的拉運合同，詳細了解企業廢水拉運具體數量、時間、人員、去向，建立拉運數據與廢水排放和儲存數據的關聯。當企業廢水排放儲存數據、上報拉運數據、企業簽訂的拉運合同數據存在偏差時，可通過現場監測視頻錄像進行核查，研判企業廢水拉運是否存在問題。

⑤停產限產異常預警

依據區域污染物總體防控的需求，對“小廢水”企業實施停產限產，嚴格執行管理部門限產停產任務，開展排污企業限產停產監控和排查。依托工業生產設備用電工況采集器、智能物聯表、視頻采集單元等智能終端產品，對轄區內涉“小廢水”企業的產污、治污、排污全流程實行24h監控，當監測到排污企業限產、停產用電工況、廢水排放、廢水桶收集工況數據與限制條件約束不符合則判定企業屬于正常生產未響應和執行停產限產任務。

⑥異常數值分析

對于“水環境重點排污企業”和“小廢水”企業，通過現場勘查其生產工藝情況、所屬行業、生產產品類型等基礎條件，構建各企業生產線上生產工況用電、工業生產用水、廢水排放和污染物治理設施工況數據關聯，如發現其中某項監測數據存在異常（停產設備總電流當前值＞0，并且持續時間＞限定時間），及時進行報警，按照事先設置好的程序或者方案，判斷異常數值產生的原因，及時告警通知企業或者運維單位進行排查、維修及設備更換。

(3)督辦落實

將預警的異常信息進行數據智能研判，并推送給相關單位進行核實處理，將結果反饋到平臺上，形成閉環。

①數據研判。通過生態環境管理信息化平臺對企業用電工況、用水、排放、儲存、拉運等數據建立的智能關聯分析，研判企業正常工業生產工況數據與用水量、廢水拉運量等數據合理數值，在此基礎上比對預警異常信息進行情景模擬，如工業生產監測排水量與關聯分析排水量不相符合則研判企業存在偷排漏排現象。“小廢水”企業用水量、廢水量分析見圖3。

圖3 “小廢水”企業用水量、廢水量分析圖

②預警通知。通過智能研判初步確定企業存在疑似違法排污行為的地點、時間、數據等，系統預警通知模塊及時給預先設定好的監控人員或管理單位發送相關通知信息，指導督促監管單位或者執法人員及時排查企業偷排漏排形成的隱患。

③事件處理。依據預警通知，監管人員結合本地、本單位實際、企業排污違法事件處置流程，及時發布預警信息并報告上級領導，指導環境執法檢查隊伍進行現場監督執法和應急處置工作。

④核實反饋。根據現場核實以及監督執法情況，反饋企業是否存在排污違法行為，保存相關流程記錄。

3.大氣污染源全過程閉環監管設計

大氣污染源全過程閉環監管主要是對重點涉VOCs企業的設計研究。業務流程包括數據采集、數據預警分析以及落實督辦三個環節[9-10]，如圖4。

圖4 VOCs企業閉環管理業務流程設計圖

(1)數據采集設計

VOCs企業工況監控在線監測數據采集按照國家標準規范和計量認證要求實施，對VOCs排放的生產設施和污染物治理設施運行用電工況數據進行全流程24h不間斷的監測，并通過通信網關轉發送到生態環境管理信息化平臺，作為后續分析預警的依據。

①VOCs企業生產工況數據。現場勘查VOCs企業排污源頭生產工藝，了解企業全生命周期內VOCs排放生產設施生產運行情況，繪制企業耗電設施的總體架構圖。在VOCs排污生產設備關鍵節點安裝工況用電采集單元。

②VOCs企業治理設備工況數據。現場勘查VOCs治理設施數量、處理工藝、運行參數等，在VOCs治理設施關鍵節點安裝工況用電采集單元。

(2)數據預警分析

根據企業的生產工藝設定預警規則，對接收到的企業產污治污工況數據進行分析，對異常數據進行預警和通知管理。當所設置的報警狀態生成規則滿足條件時，系統會自動生成相應的預警報警信息。同時會按照預先設定的預警報警方式及時通知給相關人員。主要從以下幾個方面進行預警分析。

①VOCs企業生產時間統計分析。建立VOCs企業生產工況設備、治污設備、VOCs污染物排放的關聯，統計分析近7天和近30天VOCs工況監控企業的工業生產時間長度及行業類別，核算排污企業VOCs污染物排放。

②VOCs企業治理設備運行情況分析。建立VOCs企業污染治理工況與污染物削減的關聯，統計分析近7天和近30天VOCs排放工況監控企業污染治理設備正常運行時間長度。可查詢VOCs企業污染物治理信息、活性炭更換記錄以及VOCs污染消減數值，掌握治污設備運行狀況。

③VOCs企業停產限產分析。依據區域污染物總體防控的需求，對VOCs污染物排放企業實施停產限產，嚴格執行管理部門限產停產任務，開展排污企業限產停產監控和排查。依托工業生產與治污設備用電工況采集器，對轄區內涉VOCs企業的產污、治污、排污全流程實行24h監控，當監測到企業限產、停產企業用電工況與限制條件約束不符合則判定企業屬于正常生產未響應和執行停產限產任務。

④VOCs企業監控異常數值分析。通過現場勘查VOCs企業，了解企業生產使用工藝、所屬行業、生產產品類型等基礎信息，構建各企業生產線上生產設施工況用電、治污設施工況用電、污染物排放的關聯，如發現生產設施正常運行（工況用電電流數值＞0），而治污設施工況用電電流值為零時，及時進行報警并按照事先設置好的程序或者方案，判斷異常數值產生的原因，通知企業或者運維單位進行排查、維修及設備更換。同時，統計和分析近7天和近30天工況監控異常企業的行業類別及數量，按照異常數量從高到低進行排序，可查詢VOCs企業異常運行時長、狀況及所屬行業類別。

(3)督辦落實

將預警的異常信息進行數據智能研判，及時推送給相關單位進行核實處理，并將結果反饋到平臺上，形成閉環。

數據研判：通過生態環境管理信息化平臺對VOCs企業生產設施用電工況、治污設施用電工況等數據建立的智能分析模型，自動研判VOCs放企業正常生產其生產設施與治污設施工況數據合理數值，在此基礎上比對預警異常信息，對異常信息進行情景模擬，研判企業是否存在偷排漏排現象。VOCs企業生產、處理工藝流程仿真監控見圖5，VOCs企業工況監控用電量分析見圖6。

圖5 VOCs企業生產、處理工藝流程仿真監控示例圖

圖6 VOCs企業工況監控用電量分析示例圖

“預警通知”“事件處理”“核實反饋”系統設計同水污染全過程閉環監管流程。

4.異常響應管理設計

異常響應管理設計為“發現+預警+溯源+執法”的閉環體系，業務流程為“智能預警→三級響應→事件閉環”，構建“執法人員+運維團隊+企業”三級響應運維管理機制。當水污染源、大氣污染源監測監控數據異常告警，則生成告警事件同時將告警信息推送至執法人員和運維團體。若判定為儀器故障，則需要對儀器故障進行排除，并掛接儀器檔案，完成此次告警事件的處理；若判定為非儀器故障，則生成違法事件，按照相關法律法規進行處理，最終在系統內生成報告，上傳至相應企業的檔案，完成此次告警事件的處理。保障各應用系統之間的緊密聯系穩定運行。

5.結論

（1）本文基于全過程閉環管理的智慧環保系統設計研究，構建了企業水、氣污染源一體的“發現+預警+溯源+執法”監管網絡，實時監控企業水、氣污染源產污排污情況、全面提升轄區生態環境管理信息化水平，強化源頭精細化、科技化、系統化管控。

（2）通過生態環境管理信息化平臺對涉水企業用電工況、用水、排水、儲存、小廢水拉運等數據建立智能分析模型，自動研判工況數據、用水量、廢水拉運量等數據合理數值；對VOCs企業用電工況數據建立智能分析模型，自動研判生產設施與治污設施工況數據合理數值；并在此基礎上，比對預警異常信息進行情景模擬，研判企業是否存在偷排漏排現象，有效彌補了傳統監管力量的不足，實現重點污染源自動化監測全覆蓋。

（3）提升了非現場執法能力，為轄區生態環境保護和生態文明建設工作實行統一的管控、決策、指揮和調度，從而實現公正執法、文明執法、規范執法，保障執法人員及群眾合法權益，促進執法水平、監督執法行為提供重要保障，做到污染源監測與監管協同聯動。