智慧環(huán)保管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

車文華，王 強(qiáng)，崔 劍，楊彩燕

（馬鋼股份公司能源環(huán)保部，安徽馬鞍山 243000）

前言

智慧環(huán)保管理系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測管理、環(huán)保視頻、排污申報(bào)、異常申報(bào)、環(huán)境考評等功能條件下,從網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備和管理流程等多方面提升信息化系統(tǒng)，以新形勢下的業(yè)務(wù)管理角度為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)。

1 智慧環(huán)保管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)最終目標(biāo)是建設(shè)一個全企業(yè)級的環(huán)境信息化數(shù)據(jù)中心和綜合管理平臺，得以實(shí)現(xiàn)以下功能應(yīng)用：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、環(huán)保過程管控、環(huán)境監(jiān)測管理、環(huán)境統(tǒng)計(jì)分析管理、綜合管理、移動應(yīng)用等主要功能模塊，見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)物理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。對分布全企業(yè)各處的環(huán)境監(jiān)測儀表數(shù)據(jù)，通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式通信，由架設(shè)在網(wǎng)絡(luò)云上的DMZ 區(qū)域通信服務(wù)器進(jìn)行集中采集。系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注環(huán)保設(shè)施的狀態(tài)，利用嵌入式工業(yè)采集設(shè)備，通過專網(wǎng)進(jìn)入高性能實(shí)時數(shù)據(jù)庫。所有以上數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，還需有專業(yè)防火墻進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全隔離，確保整個系統(tǒng)的信息安全。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

具體部署為：在環(huán)保管理系統(tǒng)建立獨(dú)立的環(huán)保網(wǎng)絡(luò)，通過防火墻將無線通信服務(wù)器、I/O 通信服務(wù)器、實(shí)時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理，最后通過應(yīng)用服務(wù)器將管理系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，供各管理人員使用，系統(tǒng)發(fā)布通過防火墻對環(huán)保網(wǎng)以及企業(yè)主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全隔離。

1.3 環(huán)保管控功能需求分析

隨著國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度不斷加大，節(jié)能減排升級改造范圍不斷擴(kuò)展，不僅僅要求污染物總量排放和達(dá)標(biāo)排放，實(shí)施排污監(jiān)測和監(jiān)控，更加注重事前預(yù)測、過程分析和風(fēng)險(xiǎn)管控，從環(huán)保管控發(fā)展趨勢分析，業(yè)務(wù)流程管理正逐步走向信息化、可視化、自動化、定量化和高效化。因此，未來制造企業(yè)不僅要注重生產(chǎn)流程優(yōu)化和污染物產(chǎn)生的過程控制，更要提前對生產(chǎn)環(huán)境中的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測、評價、管控，同時制定相應(yīng)的應(yīng)急方案和措施，快速應(yīng)對環(huán)境問題避免引發(fā)社會問題，避免影響企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)營。

根據(jù)上述需求分析，需要實(shí)現(xiàn)以下管理功能。

（1）過程監(jiān)控提升

通過對主要環(huán)保處理設(shè)施的運(yùn)行、工藝參數(shù)實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)從末端治理向過程管控轉(zhuǎn)變，尤其對重點(diǎn)工序中的環(huán)保處理設(shè)施進(jìn)行過程監(jiān)控。例如：當(dāng)鋼鐵行業(yè)中的燒結(jié)、煉焦、煉鐵、物料轉(zhuǎn)運(yùn)等產(chǎn)生單元發(fā)生二氧化硫、顆粒物等污染物超標(biāo)排放時，就可以通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)迅速判斷脫硫脫硝、除塵設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)、處理效率的優(yōu)劣，及時采取措施減少污染物的排放總量。

（2）整合數(shù)據(jù)流

以往的環(huán)保管理系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，存在數(shù)據(jù)鏈缺失問題。在新建系統(tǒng)中對各類數(shù)據(jù)流的接口進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，在基于企業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)總線的數(shù)據(jù)集成，遵循數(shù)出一源的原則，實(shí)現(xiàn)各個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，整個過程從采集數(shù)據(jù)、審核、結(jié)果、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表形成、信息發(fā)布等全程信息化，且數(shù)據(jù)可溯源。例如：對年度環(huán)境監(jiān)測計(jì)劃實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)下發(fā)、監(jiān)測數(shù)據(jù)收集、兌現(xiàn)率統(tǒng)計(jì)跟蹤等業(yè)務(wù)流程的不落地式管理，隨時掌握年度監(jiān)測計(jì)劃執(zhí)行情況的同時，也便于及時修正計(jì)劃偏差。

（3）建立基于總圖的可視化系統(tǒng)

本著“一張圖”的管理理念，借助GIS 地圖的準(zhǔn)確性可展示各類環(huán)保設(shè)施、監(jiān)測點(diǎn)位的物理位置，圖中同步各監(jiān)測點(diǎn)位的實(shí)時數(shù)據(jù)，直觀反映在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、空氣站數(shù)據(jù)、環(huán)保設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)（工藝流程）、監(jiān)控視頻等信息。其中，監(jiān)控視頻還可以對可視污染源形成自動圖像判別、自動識別、報(bào)警、圖像存儲等一系列功能，提升調(diào)度人員處理環(huán)保事件的快速響應(yīng)能力。

（4）面向移動端的信息公開服務(wù)

環(huán)保管控系統(tǒng)中融入應(yīng)用展示功能后，具有移動終端同步環(huán)保管控系統(tǒng)的重要信息功能。例如：通過短信及微信平臺，將企業(yè)污染源排放數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量狀況、視頻畫面等信息，精準(zhǔn)推送至相關(guān)責(zé)任單位和個人，有效縮短環(huán)境事件的處理時間。

（5）實(shí)現(xiàn)環(huán)保綜合業(yè)務(wù)線上管理

環(huán)保管控的日常業(yè)務(wù)管理存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)繁雜、流程不暢的問題，通過整合、優(yōu)化綜合業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)“一張表”、“一個庫”的原則，不僅提高工作效率，還能為環(huán)境績效分析、環(huán)保管控導(dǎo)向提供依據(jù)。

2 功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

將企業(yè)所有工序的環(huán)保治理設(shè)施、排污口的基本信息，以及各監(jiān)測點(diǎn)位、污染物因子的基本信息進(jìn)行統(tǒng)一管理。

2.2 環(huán)保過程管控

接入主要環(huán)保設(shè)施運(yùn)行工藝信號數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接入完成后，繪制環(huán)保設(shè)施組態(tài)畫面，展示在線監(jiān)測、工藝信號數(shù)據(jù)。

針對重要有組織、無組織排口，實(shí)現(xiàn)視頻自動判別分析功能。當(dāng)發(fā)生異常排放時，通過圖像分析模型進(jìn)行自動識別，同時輸出報(bào)警相關(guān)信息及圖像，推送給相應(yīng)管理人員。

對異常發(fā)生時的原因進(jìn)行分類，例如：原燃料、煤氣、生產(chǎn)運(yùn)行情況。對上述分類異常情況導(dǎo)致的排放異常進(jìn)行跟蹤記錄，最終形成管理統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.3 環(huán)境監(jiān)測管理

對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集，按照系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲管理。

對所有在線監(jiān)測數(shù)據(jù)可以方便直觀的展示污染物排放概況，提供數(shù)據(jù)列表、趨勢曲線管理功能。提供手工監(jiān)測數(shù)據(jù)項(xiàng)目以及監(jiān)測因子配置管理，提供數(shù)據(jù)監(jiān)測計(jì)劃編制、分解功能，同時對監(jiān)測完成情況形成評價閉環(huán)管理。

提供在線監(jiān)測超標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查詢等管理功能，將超標(biāo)數(shù)據(jù)集中梳理展示。

提供針對在線、手工監(jiān)測數(shù)據(jù)的同站點(diǎn)不同因子、不同站點(diǎn)相同因子、不同站點(diǎn)不同因子數(shù)據(jù)趨勢對比功能，同時提供同站點(diǎn)在線、手工監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢對比功能。

提供針對在線、手工監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測報(bào)表管理功能，提供報(bào)表下載導(dǎo)出功能。

2.4 環(huán)境統(tǒng)計(jì)分析

對企業(yè)污染物總量計(jì)劃進(jìn)行分解管理，對總量及公式提供配置功能，提供總量數(shù)據(jù)自動計(jì)算功能，計(jì)算結(jié)果提供分類、分權(quán)限查詢，導(dǎo)出功能;按照國家及地方要求，進(jìn)行環(huán)境稅數(shù)據(jù)計(jì)算功能，同時生成環(huán)境稅申報(bào)表;提供公司、廠部工序等總量數(shù)據(jù)、環(huán)境稅數(shù)據(jù)同比、環(huán)比，實(shí)績占比等功能，提供數(shù)據(jù)趨勢分析功能;系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析后的多種類型報(bào)表。

對部分生產(chǎn)工序，根據(jù)生產(chǎn)過程中的原燃料介質(zhì)信息，生產(chǎn)工藝參數(shù)等信息，結(jié)合對應(yīng)生產(chǎn)工序污染物排放總量與在線數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果，建立對應(yīng)關(guān)系，分析降低排污量的重要生產(chǎn)因素，為生產(chǎn)工藝優(yōu)化、綠色制造服務(wù)提供支撐。

2.5 綜合管理

對環(huán)保管理專業(yè)涉及的：工程建設(shè)跟蹤、建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評管理、竣工驗(yàn)收管理、投訴監(jiān)察整改、環(huán)境事件管理、環(huán)保設(shè)施停運(yùn)申報(bào)管理、環(huán)境因素識別管理、固廢危廢數(shù)據(jù)管理、放射源管理、綜合績效評價按照業(yè)務(wù)進(jìn)行流程線上管理，提高管理效率。

2.6 移動應(yīng)用

依托移動APP 技術(shù)，對公司范圍污染源在線監(jiān)測及異常數(shù)據(jù)，可以實(shí)時查詢并分級推送。公司環(huán)境治理和排放的情況，也可以通過企業(yè)環(huán)境空氣質(zhì)量AQI數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時查詢。

馬鋼股份公司自2020 年上半年起，通過全公司智慧制造的契機(jī)，開始著手根據(jù)以上設(shè)想建設(shè)新一代環(huán)保業(yè)務(wù)管理智慧化平臺。到2021年上半年，已經(jīng)初具規(guī)模。環(huán)保大屏、基礎(chǔ)信息、環(huán)境監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)分析、綜合管理、環(huán)保運(yùn)行管理、移動應(yīng)用7 個功能模塊已上線運(yùn)行5 個，系統(tǒng)接入環(huán)保設(shè)施62 套、視頻監(jiān)控30 套、在線監(jiān)測點(diǎn)位104 個、空氣質(zhì)量監(jiān)測2套。目前，通過對系統(tǒng)的不斷完善，在線污染源數(shù)據(jù)的采集，重點(diǎn)環(huán)保設(shè)施的監(jiān)控，視頻識別技術(shù)等主要功能的平穩(wěn)運(yùn)行，完善了全公司范圍的環(huán)保過程管控體系，給出生產(chǎn)節(jié)奏調(diào)整方向及生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)化方向。公司各生產(chǎn)單位也通過該系統(tǒng)，協(xié)調(diào)能環(huán)部實(shí)現(xiàn)了排放異常實(shí)時管控，預(yù)防并杜絕了環(huán)境事件的發(fā)生。例如：2020 年在線監(jiān)測達(dá)標(biāo)率98.48%，2021 年上半年99.98%，提升了1.5%；2021 年上半年因環(huán)保處理設(shè)施故障引起的無組織放散次數(shù)由去年的42 次減少為18 次。有效地提升了公司的信用等級，避免了政府部門的環(huán)保處罰。

環(huán)保管控系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展方向，一定是依托大數(shù)據(jù)分析及過程控制算法，進(jìn)一步為企業(yè)提供各項(xiàng)排放指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析。通過這些數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，指引企業(yè)逐年的環(huán)保投入和建設(shè)方向，有了針對性的方向，才能提高投資效率。

3 結(jié)論

隨著環(huán)保管理系統(tǒng)的建立及今后不斷改進(jìn)，企業(yè)的環(huán)保管理必然向信息化、智能化發(fā)展：

（1）突破信息孤島，建立統(tǒng)一環(huán)境數(shù)據(jù)中心

使用傳感、傳輸、聯(lián)動控制等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、設(shè)備，突破多源、高頻、復(fù)雜數(shù)據(jù)流集成技術(shù)，通過全面整合企業(yè)的環(huán)境業(yè)務(wù)和空間數(shù)據(jù)，建立起集感知、監(jiān)測、管理于一體的數(shù)據(jù)中心和海量空間數(shù)據(jù)庫。

（2）集成各類應(yīng)用，搭建環(huán)境綜合管理平臺

通過建立污染源在線監(jiān)控、總量減排設(shè)施運(yùn)行在線監(jiān)控、廠區(qū)環(huán)境視頻監(jiān)控等信息化監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)環(huán)境的全方位監(jiān)控。將環(huán)境管理的相關(guān)專業(yè)與實(shí)時在線信息相結(jié)合，在統(tǒng)一的環(huán)境綜合管理平臺內(nèi)實(shí)現(xiàn)多功能應(yīng)用。通過實(shí)施數(shù)字化環(huán)保管理的技術(shù)支持措施，為公司實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高環(huán)境管理水平提供技術(shù)支撐。

（3）建立環(huán)境成本、分析評價模型，指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營

通過對環(huán)境運(yùn)行成本的計(jì)算分析和綜合指標(biāo)評價，對企業(yè)的原燃料采購、生產(chǎn)操作過程等方面提供專家指導(dǎo)性建議，為企業(yè)綠色制造的經(jīng)營戰(zhàn)略提供支撐，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的融合統(tǒng)一。