基于雙冗余數據采集的污水處理廠綜合管控平臺的設計與實現

武春艷

（航天海鷹安全技術工程有限公司，北京 100074）

0 引 言

近年來，隨著國民經濟的快速發展，污水排放量日益提升。為了確保污水處理的可靠性，國家不斷推進污水廠的提標改造工作。國內多地政府紛紛出臺了污水處理廠運行監督管理辦法，對污水處理廠的出水水質和日常運行管理水平方面的要求有所提高。當前污水處理業務呈現出水量不斷增加、水質復雜多變的趨勢，而污水處理廠在工藝水平和管控水平方面等表現出明顯不足，普遍存在自動化程度偏低、故障頻率高、運行成本高等問題。因此，基于實際污水處理廠運行工藝設計并實現一套污水處理廠綜合管控平臺對于日常運行監控，異常狀態預測處理等都具有非常重要的意義[1-2]。

1 污水處理廠輔助決策系統設計

污水處理廠綜合管控平臺的總體架構如圖1 所示。該平臺主要由污水處理廠工藝自動控制系統、模型仿真系統和專家知識庫輔助決策系統等組成[3]。

圖1 系統架構

污水處理廠工藝自動控制系統重點面向傳感設備、控制設備實現數據采集、上傳以及控制命令的下發，并且為運行人員提供動態直觀的污水處理工藝展示。

模型仿真系統基于污水處理廠工藝自動控制系統提供的數據、實驗室檢測數據和離線數據等構建生產工藝模型，在線動態進行出水水質的模擬預測，當出現出水水質高于標準水質的風險因素時及時預警，用戶可以調取專家知識庫中的策略信息以實現輔助決策[4-5]。

專家知識庫輔助決策系統具有兩大功能：一是提供常見異常信息、故障信息的知識庫模糊檢索功能；二是運用決策樹等智能算法，實現風險故障信息的積累、智能診斷、故障檢索以及提供運維優化策略等功能。用戶可以通過在線交互獲取當前問題的智能分析策略，策略經過多次仿真驗證后，可以輔助用戶實現工藝過程的參數調節[6]。

2 數據采集流程設計

數據采集存儲流程如圖2 所示。傳感設備、工藝設備數據通過PLC 進行集中采集，以Modbus-TCP 等標準協議向應用層上傳數據。應用層部署IOServer 專用數據采集平臺實現數據的主動采集，并存儲到實時數據庫中。實時數據庫以每秒10 000 條的存儲效率，實現實時數據的存儲，主要滿足平臺實時數據的展示需求。這些數據經過篩選再存入MySQL 歷史數據庫中，進行長時效的數據存儲，滿足平臺進行歷史數據查詢調閱的功能展示需求[7]。

圖2 數據采集存儲流向圖

由于數據分析、模型預測等工作都是建立在大量連續的在線監測數據基礎之上，如果數據在采集過程中出現異常或丟失，將對系統的準確性造成嚴重影響。為確保數據的完整和連續性，系統采用一主一備的IOServer 雙冗余設計，當主IOServer 出現采集異常時，可以在1 s 內完成熱備用切換。確保連續的數據采集傳輸，提高系統的可靠性。IOServer 雙冗余設計如圖3 所示。

圖3 IOServer 雙冗余設計

3 模型仿真系統設計

工藝模型預測模塊主要應用國際水協會（IWA）提出的活性污泥系統ASM 動力學模型，對揚州某污水處理廠的主要工藝進行工藝建模，通過工藝模型模擬實際進水條件與工藝參數下的出水水質[8]。

建立基于ASM 的目標水廠工藝模型，依據該污水處理廠三期初步設計及實際運行情況，建立了AAAOAO 工藝概化模型，如圖4 所示。

圖4 AAAOAO 工藝概化模型

系統每分鐘讀取一次在線數據，調用模型進行仿真計算。圖5 所示為系統頁面效果展示，系統基于三維工藝圖，動態顯示每個工藝段預測結果和工藝停留時間。當出水水質預測值出現異常時，運行人員可以提前進行參數調整，避免水質超標[9]。

圖5 工藝模型預測系統頁面

4 專家知識庫輔助決策系統設計

專家知識庫輔助決策系統分為專家知識庫和專家決策系統兩部分。專家知識庫系統按照運行管理、百科知識、水質超標診斷、安全與職業健康等維度收錄整理了一千五百余條常見知識詞條。運行人員可通過模糊檢索方式實現對常見問題的查詢和借鑒。系統界面設計如圖6 所示。

圖6 專家知識庫頁面

專家知識庫輔助決策系統采用Web 界面為用戶提供服務，其由決策庫、決策引擎、API 服務、數據緩存和用戶界面組成。其中，決策庫采用SQLite 數據庫存儲，包含決策樹所需要的規則、內容、數據配置等，其中決策規則是為用戶定制的決策樹規則，根據目標污水廠的工藝情況設定具體的參數和相關的工藝問題內容、對策等。SS 超標決策樹結構如圖7 所示。

圖7 SS 超標決策樹結構

決策引擎在運行過程中不斷從決策庫中獲取當前決策狀態所需要的規則，使用該規則對用戶輸入數據和數據緩存進行計算，根據計算結果選擇決策樹路徑，最終得到決策結果[10]。

API 服務提供對數據緩存、規則庫和決策引擎的訪問接口，以便維護決策庫，更新緩存數據以及調用決策引擎計算規則等，同時用戶界面也使用API 服務和決策引擎通信，提供便利的人機接口。專家知識庫輔助決策系統界面如圖8所示。

圖8 專家知識庫輔助決策系統界面

5 平臺功能

污水處理廠綜合管控平臺基于數據采集、模型預測和智能算法，面向目標污水處理廠構建了具有三維展示、在線監測、視頻調用、報警處置、數據查詢、綜合分析、模型預測、專家輔助決策、設備管理、巡檢管理等平臺一體化功能，滿足污水廠日常運行管控的使用需求。污水處理廠綜合管控平臺界面如圖9 所示。

圖9 污水處理廠綜合管控平臺界面

6 結 語

本文將IOServer 雙冗余設計應用于綜合管控平臺的數據采集方面，提高數據采集的可靠性和連續性。數據存儲采用實時數據庫和歷史數據庫相結合的方式，實現數據的高效存儲和長效存儲。將在線監控技術、模型預測技術和專家輔助決策技術相結合，面向污水處理廠日常運行管控設計并實現了綜合管控平臺。后續，經過平臺數據積累，為模型校正、大數據分析、專家知識庫優化提供技術支撐。