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青島市黃島區(qū)農(nóng)村污水治理工程共建設(shè)218座污水處理模塊，考慮各位置污水水質(zhì)特點分別采用AO處理工藝、AAO處理工藝、生物接觸氧化工藝、AAO+MBBR處理工藝，92座泵站通過鋪設(shè)管道將污水送往城鎮(zhèn)污水處理廠，195座污水收集池定期通過貨車將污水運輸?shù)礁浇鬯幚砟K或污水管網(wǎng)。

站點周期巡檢、設(shè)備周期保養(yǎng)等日常運營工作由管理員列計劃表，按照計劃表排班執(zhí)行，并提供紙質(zhì)巡檢表、保養(yǎng)表等材料供現(xiàn)場員工填寫，員工巡檢保養(yǎng)完成之后，把相關(guān)材料、照片等信息提交給管理員，由管理員逐個記錄歸檔。流程依賴管理員手動調(diào)度與統(tǒng)計，業(yè)務信息不互通，人工處理速度慢，導致綜合管理效果差，運營維護成本較高。

巡檢員如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，將故障信息上報給安全生產(chǎn)管理員，由管理員打電話調(diào)度維修人員去現(xiàn)場維修，同時跟蹤維修進展并手動記錄。由于站點數(shù)量眾多且分散，所在位置偏遠簡陋，設(shè)備故障或流量異常等情況不能得到及時發(fā)現(xiàn)與處理，維修人員響應速度滯后，導致溢水、污泥膨脹、二次污染、設(shè)備報廢等問題。

收集池的污水拉運工作由外包車隊承接，通過拉運次數(shù)和拉運重量核算工作量，工作量由司機自行填報。由于收集池無人值守，且缺少記錄罐裝車載重、定位等信息的能力，工作量統(tǒng)計存在虛報情況。另外，污水拉運任務的調(diào)度依賴于人工經(jīng)驗和估計，缺乏科學和智能化的方法，導致任務分配不均衡且效率低下。

智慧水務在污水治理中的應用近年來得到廣泛關(guān)注，結(jié)合本區(qū)農(nóng)村污水治理工程的特點，搭建智能化管理平臺，旨在解決線下運營中的痛點，降低運營成本。平臺建設(shè)主要考慮以下3個方向：①將重復性工作交給系統(tǒng)處理，任務調(diào)度和考勤統(tǒng)計自動化，減少管理員的重復性工作量；②提升異常響應能力，實時監(jiān)測站點運行情況，根據(jù)異常報警規(guī)則，自動進行派工處理；③規(guī)范現(xiàn)場工作人員工作，通過無紙化工單流轉(zhuǎn)、系統(tǒng)自動記錄定位、載重等信息，保證工作質(zhì)量和有效性。

平臺核心是對各物理站點監(jiān)測點位實時數(shù)據(jù)的采集與利用，基于系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流向，從數(shù)據(jù)源頭自下而上搭建智能化污水處理管理平臺。數(shù)據(jù)采集層中，各站點已配備自動化控制系統(tǒng)，能夠監(jiān)測各類生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)，包括流量計、液位計等儀表數(shù)據(jù)，遠傳電表讀數(shù)以及設(shè)備運行狀態(tài)信息。站點部署工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)與PLC或上位監(jiān)控SCADA對接，服務器部署數(shù)據(jù)采集軟件接收網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)并存儲到工業(yè)數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)服務層作為數(shù)據(jù)存儲和管理的核心，對所有數(shù)據(jù)進行匯集管理，為平臺內(nèi)各子系統(tǒng)提供各種數(shù)據(jù)應用服務。采用工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫對站點運行過程產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行存儲，支持動態(tài)壓縮算法以節(jié)省存儲空間，并提供高效查詢接口。采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫Mysql對業(yè)務流程中的邏輯關(guān)系數(shù)據(jù)進行存儲和管理。

功能應用層根據(jù)系統(tǒng)權(quán)限配置向不同角色用戶提供所需服務，通過對采集數(shù)據(jù)的初步加工，實現(xiàn)站點運行工藝的實時監(jiān)控和超限告警；通過對歷史數(shù)據(jù)的匯總計算實現(xiàn)各類圖表報表，方便管理人員統(tǒng)計分析；對日常工作流程實現(xiàn)信息化管理調(diào)度，提升運營管理水平。

采用基于B/S架構(gòu)的低代碼組態(tài)式開發(fā)模式進行智慧平臺的開發(fā)工作，涵蓋自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集聯(lián)通調(diào)試，數(shù)據(jù)源采集工程部署，平臺功能原型落地，實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值共享與管控一體化，主要包括實時監(jiān)測預警、任務協(xié)同管理、數(shù)據(jù)分析等功能。

3.1 實時監(jiān)測預警

實時監(jiān)測預警模塊通過展示各站點工藝流程圖、各監(jiān)測點位實時與歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對污水模塊、泵站、收集池的集中管理。系統(tǒng)支持設(shè)置范圍告警和變動告警觸發(fā)條件，觸發(fā)告警后發(fā)出告警通知，并實時更新告警狀態(tài)，詳細記錄告警的觸發(fā)時間、狀態(tài)、原因等信息，告警持續(xù)一段時間后自動進行報警派工處理。

圖1是某AO工藝污水處理模塊頁面，工藝流程圖中展示各水泵運行狀態(tài)、調(diào)節(jié)池浮球液位、好氧池溶解氧、瞬時流量等實時數(shù)據(jù)，其中瞬時流量超出參考值一定范圍，且存在運行狀態(tài)的調(diào)節(jié)池提升泵，給出了紅色警示。此外，單擊各數(shù)據(jù)可以在彈窗中查看對應歷史趨勢，單擊一體化設(shè)備可以進入對應的3D運行圖，詳細查看子模塊的運行情況。

圖1 某污水處理模塊運行監(jiān)控

3.2 任務協(xié)同管理

任務協(xié)同管理模塊針對日常運營工作中包括站點巡檢、設(shè)備維修保養(yǎng)、污水拉運等流程實現(xiàn)線上智能化閉環(huán)管理調(diào)度，以提升運營管理水平。

3.2.1 站點巡檢與設(shè)備維保流程

定期巡檢可以及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的故障、損壞或異常情況，保障站點的穩(wěn)定運行。站點巡檢流程如圖2a所示，管理員首先配置巡檢方案，設(shè)置巡檢周期并關(guān)聯(lián)適配該方案的站點，到期后系統(tǒng)自動生成巡檢任務存放到任務池中。巡檢人員在手機App主動獲取巡檢任務時，后臺通過定位、任務所在站點以及對應站點異常報警數(shù)量和級別等因素進行權(quán)重計算，分配最優(yōu)的站點巡檢任務。巡檢人員到達站點完成工作后在手機App端提交任務，生成一條巡檢記錄并關(guān)聯(lián)對應的周期巡檢任務和報警任務，同時系統(tǒng)開啟下一個巡檢周期計時。

圖2 站點巡檢與設(shè)備保養(yǎng)流程

定期保養(yǎng)設(shè)備可以減少設(shè)備的磨損和老化程度，延長設(shè)備的使用壽命，不同設(shè)備類型或同一設(shè)備不同部位的保養(yǎng)周期和保養(yǎng)方式均存在差異，手動進行保養(yǎng)派工容易出現(xiàn)遺漏情況，平臺通過規(guī)范和標準化設(shè)備保養(yǎng)流程，將派工流程自動化處理，流程如圖2b所示。管理員首先配置周期保養(yǎng)方案并關(guān)聯(lián)對應設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)保養(yǎng)周期自動派工，保養(yǎng)人員在手機App收到保養(yǎng)任務并處理提交后，系統(tǒng)開始下一個保養(yǎng)周期計時。此外，巡檢人員巡檢時如果發(fā)現(xiàn)老化設(shè)備，可上報設(shè)備需保養(yǎng)信息，管理員可手動進行派工操作。

設(shè)備維修流程如圖2c所示，支持設(shè)置故障級別和對應的故障類型以方便了解故障嚴重程度，巡檢人員巡檢時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或管理員在工藝實時監(jiān)測頁面發(fā)現(xiàn)設(shè)備運轉(zhuǎn)異常時，選擇相應故障類型上報，管理員查看上報信息后將維修任務指派給維修人員，維修人員收到短信提醒，在手機App查看任務詳情并進行處理，如果遇到特殊情況無法處理，可以進行拒單或轉(zhuǎn)辦，通知管理員進行重新派工，以確保設(shè)備故障問題得到及時修復。

3.2.2 污水拉運流程

污水拉運流程從收集池中裝載污水，并運送到對應污水處理模塊或污水管網(wǎng)。為保證拉運載重的真實性并提升拉運調(diào)度效率，系統(tǒng)實時監(jiān)測收集池中的液位計數(shù)值，液位超標時自動推送任務給負責該收集池的司機。此外，通過在貨車上安裝車載重量檢測儀（集成GPS模塊），實時監(jiān)測車輛的載重信息與位置信息。司機在手機App端接收任務后，系統(tǒng)開始監(jiān)測對應車輛的實時載重、速度和定位信息。一次拉運任務中，考慮車輛的三種狀態(tài)：裝水完成、運輸中和卸水完成。如果車輛開始行駛且有載重，并且定位在對應收集池附近，則判為裝水完成，并記錄裝水載重；如果車輛開始行駛但無載重，并且定位在對應污水處理模塊或污水官網(wǎng)附近，則判斷為卸水完成，并記錄卸水載重等信息，標記本次拉運任務為完成狀態(tài)。為了避免道路顛簸等原因?qū)е碌妮d重監(jiān)測誤差，并考慮車輛通常的拉運重量標準，如果測量載重小于1 t，則判定為空車狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

對系統(tǒng)中產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，建設(shè)可視化分析系統(tǒng)和報表系統(tǒng)，幫助管理人員直觀了解運營情況并高效統(tǒng)計工作量。

可視化分析系統(tǒng)收集生產(chǎn)類、經(jīng)營服務類歷史數(shù)據(jù)，進行清洗、轉(zhuǎn)換和整合，通過豐富的可視化圖表組件和過濾條件直觀展現(xiàn)數(shù)據(jù)的趨勢、分布、關(guān)聯(lián)等信息，并提供時間、地點、設(shè)備等多重維度的對比分析，以發(fā)掘更多信息價值，為管理員提供決策支持。

建設(shè)報表系統(tǒng)根據(jù)需求提供生產(chǎn)類、經(jīng)營服務類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計報表，系統(tǒng)支持按日、月、季度、年等時間范圍，站點類型、片區(qū)、設(shè)備類型等維度生成所需的各類報表，并提供導出功能對所需報表導出到Excel表格并打包下載。

根據(jù)平臺建設(shè)的應用目的以及平臺用戶使用中的體驗需求，建立了性能評價體系作為該平臺的迭代優(yōu)化標準，該體系包括信息化水平指標和智慧服務水平指標，具體如表1所示。該評價體系對平臺的底層基礎(chǔ)能力和運營管理能力提出了明確的標準，可以有效地對平臺性能進行定量分析，為平臺建設(shè)過程中的技術(shù)選型與算法優(yōu)化提供明確方向。

表1 污水處理運營管理平臺性能評價體系

平臺建成后經(jīng)集團管理員與站點運維人員1年時間的投入使用，并根據(jù)平臺性能體系和用戶使用反饋進行迭代優(yōu)化，實現(xiàn)了對本區(qū)農(nóng)村污水模塊、泵站和集水池的高效集中管理。站點運行情況由巡檢人員現(xiàn)場查看轉(zhuǎn)為線上實時運行監(jiān)控預警，管理員可以快速查看每個站點的實時運行情況及報警信息。站點巡檢記錄、設(shè)備維修保養(yǎng)記錄從線下紙質(zhì)填報轉(zhuǎn)為線上無紙化操作，收集池污水拉運工作量核算從司機手動填報轉(zhuǎn)為系統(tǒng)自動記錄，運維人員工作考勤與站點運行統(tǒng)計從原來管理員手動記錄轉(zhuǎn)為平臺一鍵生成報表與導出。

4.1 系統(tǒng)在監(jiān)測告警中的應用

根據(jù)站點運行中頻繁出現(xiàn)的異常情況，配置了如表2所示異常分類及對應緊急程度，并針對各異常分類配置相應的報警規(guī)則，其中通訊異常的報警規(guī)則，包括監(jiān)測點位、觸發(fā)條件、報警延時、應用站點等信息?；谂渲玫膱缶?guī)則，觸發(fā)報警后在工藝監(jiān)測模塊進行實時推送，并支持歷史報警信息查詢，圖3為歷史報警信息查詢頁面，可以查詢各站點一段時間內(nèi)的詳細報警記錄，并可檢索未恢復的報警記錄并進行確認或派工處理?；跉v史報警記錄，對各類型異常進行統(tǒng)計分析，包括各異常類型報警數(shù)量的分布情況、報警處理狀態(tài)統(tǒng)計、異常類型各站點的數(shù)量排名等，可統(tǒng)計出各污水模塊一周內(nèi)出現(xiàn)流量異常報警次數(shù)的排名，方便管理員了解各類異常報警在站點中的分布情況。

表2 報警異常分類

 圖3 某片區(qū)一周內(nèi)的報警信息報表

4.2 系統(tǒng)在任務協(xié)同管理中的應用

將巡檢人員、維修人員、污水拉運司機信息錄入系統(tǒng)，分部門和角色對其進行派工調(diào)度。其中巡檢人員負責污水模塊和泵站的巡檢與異常報警處理，并根據(jù)站點類型和地理位置為每人配置負責的站點列表；維修人員負責設(shè)備維修與日常周期保養(yǎng)工作；按片區(qū)為污水拉運司機劃分負責的收集池列表。

平臺投入使用后，2023年1-6月的任務工單總覽如圖4所示，其中維修流程94個，巡檢流程4 581個，保養(yǎng)流程191個，派工流程（一般為異常報警派工類型）1 124個。完成率的統(tǒng)計方式為自工單下發(fā)時間開始24 h內(nèi)完成工單數(shù)量的占比。其中周期站點巡檢和設(shè)備保養(yǎng)工作的完成率達100%，證明了平臺周期任務自動調(diào)度流程的有效性。對異常情況的處理包括設(shè)備維修、異常報警處理一天內(nèi)解決的比例達92%，與使用平臺之前相比處理效率具有較高水平。

圖4 2023年1-6月任務工單總覽

點擊各流程類型可以查看詳細的工單記錄，異常記錄字體高亮顯示，并可查看上傳的現(xiàn)場照片以及巡檢項目詳情等詳細信息。通過對工單記錄進行匯總實現(xiàn)員工工作量的考核，通過巡檢人員的考勤報表，統(tǒng)計了每位人員負責的工單數(shù)量，工藝故障類型和設(shè)備故障類型的關(guān)聯(lián)工單數(shù)量以及對應的處理完成率，方便管理員了解各員工的工作情況，為制定預算、評估績效等提供依據(jù)。

污水拉運系統(tǒng)中，通過對每輛罐裝車安裝車載稱重設(shè)備(集成GPS模塊)，實時監(jiān)測車輛的載重和車速信息。圖5為某車輛一天中的載重與車速監(jiān)測曲線以及對應的拉運任務詳情記錄，通過對載重和車速監(jiān)測曲線相關(guān)性的觀察，可以了解司機的工作情況，每輪載重與車速的提升與下降周期可以判斷為一次污水拉運任務，只有車速沒有載重則為空車行駛。拉運任務記錄詳情信息包括抽水時間、卸水時間、拉運重量以及單程運距等信息，每條記錄中的抽水時間和卸水時間均可與監(jiān)測曲線對應，證明了系統(tǒng)拉運統(tǒng)計的正確性，與使用系統(tǒng)之前司機自行填報相比，工作量的核算更具科學性。

 圖5 某車輛一天內(nèi)載重、車速監(jiān)測與拉運任務記錄

4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析效果

圖6展示了2023年1-4月期間的設(shè)備故障情況，以故障類型為維度，提供了各故障類型的占比、發(fā)生次數(shù)最多的站點以及相應的維修工單記錄報表。這些數(shù)據(jù)可以幫助管理員更好地了解設(shè)備故障發(fā)生情況，以便調(diào)整設(shè)備維修保養(yǎng)方案，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

圖6 設(shè)備故障類型統(tǒng)計分析

污水處理工藝中，耗電量和處理水量是重要的運行指標，對各站點電能與流量歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計運算，實現(xiàn)模塊、片區(qū)、工藝維度的處理水量統(tǒng)計、電耗統(tǒng)計和噸水電耗統(tǒng)計。提供對比分析、極值分析等數(shù)值分析方法，合理評估處理工藝效率。圖7為累計電耗分析頁面，可以查看各站點或片區(qū)的日累計電耗和月累計電耗統(tǒng)計，包括電耗曲線、電耗量以及電耗同比數(shù)值。

圖7 某片區(qū)污水處理模塊耗電量統(tǒng)計分析

本文總結(jié)了搭建農(nóng)村污水處理智能化管理平臺的經(jīng)驗，經(jīng)在黃島區(qū)農(nóng)村污水治理工程中的投入使用，驗證了該平臺的可行性和實用性，平臺能夠高效地對分散的污水模塊、泵站和收集池進行集中管理，在站點眾多且分散的農(nóng)村地區(qū)污水處理工程中具有顯著優(yōu)勢：①對各站點運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，方便管理員了解各站點運行情況，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并進行預警派工，使得異常情況得以及時高效處理，有效避免潛在的安全問題和運行故障的發(fā)生；②通過對日常運營中的站點巡檢、設(shè)備維修保養(yǎng)、污水拉運工作的智慧調(diào)度和管理，包括結(jié)合實際需求的定制化工作流程，周期任務的自動下發(fā)，巡檢任務的擇優(yōu)調(diào)度，污水拉運工作量的自動統(tǒng)計，員工工作量得以科學準確考核，任務分配更加合理，提高員工工作效率和執(zhí)行質(zhì)量的同時，減少了管理人員的重復性工作量，有效降低了運營成本；③通過對海量歷史生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)的挖掘和分析，提供了站點、工藝、時間周期、數(shù)據(jù)類型等維度的可視化圖表，為異常情況發(fā)現(xiàn)和決策優(yōu)化提供了更好的支持。由于巡檢維修人員和污水拉運司機多為教育水平較低的農(nóng)村中年人群，且人員流動性較高，平臺手機App具有一定的學習成本，未來需要對App做適老化設(shè)計、建全幫助反饋體系，并考慮進一步優(yōu)化流程以減小任務工單處理的操作的復雜度。通過總結(jié)本區(qū)農(nóng)村污水治理中的具體痛點并挖掘核心訴求，搭建智能化管理平臺，應用中取得了良好的效果，對同類農(nóng)村污水治理平臺的建設(shè)具有借鑒意義。