農(nóng)村生活污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及流量預(yù)測(cè)研究

王光輝

摘 要：在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功實(shí)施，在控制污染物總量和環(huán)境管理方面發(fā)揮了明顯的作用。但是由于系統(tǒng)成本高，維護(hù)不便，容易導(dǎo)致采樣頻率低、誤差大，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分散，缺乏實(shí)時(shí)性能，人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行及時(shí)反映。水污染物的變化和趨勢(shì)對(duì)有關(guān)部門(mén)的水環(huán)境管理和決策沒(méi)有重大意義。因此，為了快速準(zhǔn)確地獲得水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在許多領(lǐng)域促進(jìn)推廣，建立一套低成本、易于維護(hù)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常重要的。

關(guān)鍵詞：生活污水；監(jiān)控系統(tǒng)；流量預(yù)測(cè)

引言

針對(duì)農(nóng)村污水處理設(shè)施的廣泛分布，很難進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)監(jiān)控污水處理設(shè)施的運(yùn)行，以便協(xié)助相關(guān)人員進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)和監(jiān)督。本文的污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩部分，即現(xiàn)場(chǎng)端和服務(wù)器端?，F(xiàn)場(chǎng)端解決的主要問(wèn)題是收集和傳輸每個(gè)污水處理監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。云監(jiān)測(cè)中心的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)于后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便用戶隨時(shí)查詢。

一、污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求分析

該系統(tǒng)需要充分考慮監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的分布式特征，利用無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)分散節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行監(jiān)控和管理，大大提高了污水處理設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)和信息水平。與此同時(shí)，考慮到農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)水平和工作人員的專業(yè)水平，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該具有低成本、簡(jiǎn)單操作、方便維護(hù)的特點(diǎn)。

因此，綜合以上分析，污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該包含以下五方面的具體功能：

（1）實(shí)時(shí)采集：可采集污水處理現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)，確保實(shí)際時(shí)間和精度。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)：用戶可以在遠(yuǎn)程視圖處理后查看污水水質(zhì)、水量數(shù)據(jù)變化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

（3）參數(shù)設(shè)定：用戶可以設(shè)置遠(yuǎn)程采集時(shí)，用戶可以設(shè)置遠(yuǎn)程采集參數(shù)。同時(shí)，用戶可根據(jù)水量的變化設(shè)置逆變器的參數(shù)，以控制風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（4）數(shù)據(jù)管理：為了保存污水處理數(shù)據(jù)，用戶可以隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)。

（5）報(bào)警功能：用戶可自行設(shè)定各參數(shù)的報(bào)警范圍，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，可以及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息提醒用戶。

二、污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

由于我國(guó)農(nóng)村污水處理設(shè)施分布廣、地形復(fù)雜，許多無(wú)人值域設(shè)備和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)不適合建立有線通信網(wǎng)絡(luò)。如果我們使用光纖或無(wú)線電來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，我們不僅會(huì)在設(shè)備上投入很多，而且在操作和維護(hù)方面也會(huì)遇到困難，這將無(wú)法滿足系統(tǒng)的需要。因此，選擇合適的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)系統(tǒng)的研究具有重要的意義。

（1）底層執(zhí)行端

底部執(zhí)行端主要包括監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備、信號(hào)采集模塊和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊。它是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的底層，是遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)。一方面，控制器接收由服務(wù)器發(fā)送的控制命令，修改采集參數(shù)和風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另一方面，它收集現(xiàn)場(chǎng)儀器的操作參數(shù)，通過(guò)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)數(shù)據(jù)收集器和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊嵌入了一個(gè)獨(dú)特的SIM卡。為了區(qū)分監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器使用每個(gè)節(jié)點(diǎn)的SIM卡號(hào)碼作為ID號(hào)，并由控制器將其發(fā)送到服務(wù)器。

（2）云監(jiān)控中心

云監(jiān)測(cè)中心是整個(gè)系統(tǒng)的高層部分。該監(jiān)測(cè)中心的設(shè)計(jì)主要是用來(lái)顯示現(xiàn)場(chǎng)儀表的污水處理信息，并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。云監(jiān)測(cè)中心主要由數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器組成，數(shù)據(jù)信息通過(guò)GPRS技術(shù)連接到廣域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。服務(wù)器從底部接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。用戶可以通過(guò)web頁(yè)面監(jiān)控在線污水處理的運(yùn)行狀態(tài)。也就是說(shuō)，瀏覽器通過(guò)HTTP協(xié)議訪問(wèn)服務(wù)器，服務(wù)器讀取后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息，通過(guò)web頁(yè)面顯示實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。

三、污水處理量的流量預(yù)測(cè)研究

農(nóng)村地區(qū)的用水量和需水量主要反映在農(nóng)村污水處理的數(shù)量上，因此對(duì)污水處理的數(shù)量進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)是十分重要的。根據(jù)系統(tǒng)收集的歷史污水處理數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)的污水流量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，一方面可以為變頻器的遠(yuǎn)程控制頻率提供參考。另一方面，用戶可以提前預(yù)測(cè)農(nóng)村地區(qū)的用水量和可能出現(xiàn)的異常情況。同時(shí)，將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)作為衡量污水處理效果的依據(jù)。相關(guān)人員為進(jìn)一步分析，提供了農(nóng)村地區(qū)水資源規(guī)劃管理和污水處理的理論依據(jù)。

利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型。原因是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的信息合成能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有很強(qiáng)的非線性映射能力。其預(yù)測(cè)模型具有訓(xùn)練速度快、逼近精度高、對(duì)采樣數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度要求較低的優(yōu)點(diǎn)。張宏偉等將將BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于污水排放系統(tǒng)，并取得了較好的預(yù)測(cè)效果。多人研究表明可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)城市的城市和日常排水時(shí)間。根據(jù)上述原因，本節(jié)將著重介紹BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。采用該模型預(yù)測(cè)農(nóng)村污水處理的數(shù)量，并且分析其預(yù)測(cè)效果和準(zhǔn)確性。

在建立預(yù)測(cè)模型后，有必要對(duì)模型的質(zhì)量和預(yù)測(cè)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。在預(yù)測(cè)實(shí)踐中，常用均方誤差（MSE）和平均相對(duì)誤差（MAPE）作為預(yù)測(cè)模型的精度標(biāo)準(zhǔn)，定義如下：

均方誤差與大預(yù)測(cè)誤差有關(guān)。預(yù)測(cè)誤差經(jīng)過(guò)平方計(jì)算，預(yù)測(cè)誤差更為突出。它反映了預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的離散程度；平均相對(duì)誤差與總體預(yù)測(cè)誤差有關(guān)，可以覆蓋一些低質(zhì)量的數(shù)據(jù)；MSE和MAPE值越小，預(yù)測(cè)精度越高，在大多數(shù)情況下，一個(gè)參數(shù)值的大小不能判斷預(yù)測(cè)模型。利用兩者對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)是必要的，并根據(jù)實(shí)際預(yù)測(cè)的精度要求確定模型是否值得應(yīng)用和外推。

四.結(jié)論

在本課題前期，通過(guò)調(diào)查、調(diào)查和相關(guān)信息，簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)了農(nóng)村污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使污水處理監(jiān)測(cè)和管理更加方便，大大減少了污水處理設(shè)施的運(yùn)行和監(jiān)督以及人力成本和交通成本。本課題完成的主要任務(wù)如下：

（1）分析了污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)必備的具體功能，并根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案。

（2）為了協(xié)助用戶控制變頻器的頻率，提前預(yù)測(cè)農(nóng)村用水量的大小，為水資源的規(guī)劃和管理提供依據(jù)。本課題還研究了系統(tǒng)收集的污水處理量的預(yù)測(cè)算法，主要介紹了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的工作原理，并將模型應(yīng)用于實(shí)際的模型。在實(shí)際預(yù)測(cè)中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)可以大致反映出數(shù)據(jù)的漲落趨勢(shì)。

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