[摘 要]隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展,其在水廠智慧化建設(shè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。智慧水廠是當(dāng)前水務(wù)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),是通過(guò)新一代信息技術(shù)與水務(wù)技術(shù)的深度融合,旨在通過(guò)采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠運(yùn)行全過(guò)程的控制智能化、數(shù)據(jù)資源化、管理精確化、決策智慧化,保障水務(wù)設(shè)施安全運(yùn)行,使水廠運(yùn)營(yíng)更高效、管理更科學(xué)和服務(wù)更優(yōu)質(zhì)。文章圍繞傳統(tǒng)的污水處理廠存在的問(wèn)題,對(duì)智慧化改造方案提出建議。
[關(guān)鍵詞]人工智能;物聯(lián)網(wǎng);大數(shù)據(jù);云計(jì)算
[中圖分類號(hào)]X703 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487(2024)04–0009–03
1 傳統(tǒng)污水處理廠存在的問(wèn)題
(1)傳統(tǒng)污水處理廠大多廠區(qū)較大,風(fēng)機(jī)、泵站等較多且分散,工藝數(shù)據(jù)主要集中在中控室自控系統(tǒng)上位機(jī)和環(huán)保數(shù)據(jù)綜合采集電腦上,關(guān)鍵環(huán)保數(shù)據(jù)以環(huán)保采集電腦為準(zhǔn)?,F(xiàn)場(chǎng)人員和生產(chǎn)主要負(fù)責(zé)人要想了解相關(guān)數(shù)據(jù)就必須到主控室電腦上查看,不便于實(shí)時(shí)掌控工藝數(shù)據(jù),缺乏統(tǒng)一的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。同時(shí),水廠未設(shè)置有效的預(yù)警預(yù)測(cè)機(jī)制和及時(shí)的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制,在面對(duì)原水水質(zhì)突變的情況時(shí)滯后性強(qiáng),水廠難以適應(yīng)原水水質(zhì)突變情況。
(2)水廠的進(jìn)出水泵站大多依靠人工經(jīng)驗(yàn)配泵,而實(shí)際水泵運(yùn)行工況不在高效區(qū)間;電耗等用量監(jiān)控和管理手段缺失,使配水單耗居高不下。特別是在加藥等核心控制環(huán)節(jié)過(guò)分依賴人工經(jīng)驗(yàn),按照流量定比例投加藥量,使得加藥量偏高,既增加了藥耗,又給出水水質(zhì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。
(3)現(xiàn)場(chǎng)部分設(shè)備老舊、自動(dòng)化程度低、數(shù)據(jù)采集方式落后,廠區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)不完善,監(jiān)控點(diǎn)較少,無(wú)法做到關(guān)鍵部位的全方位監(jiān)控。同時(shí),沒有門禁系統(tǒng),無(wú)法有效管理人員的進(jìn)出,存在安全隱患。
2 智慧化改造方案
為實(shí)現(xiàn)污水處理廠的智慧化升級(jí)改造,需進(jìn)行智慧型生產(chǎn)管控系統(tǒng)的建立,利用先進(jìn)的遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)化技術(shù)對(duì)已有的控制系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造,完善視頻監(jiān)控系統(tǒng),新建門禁系統(tǒng)。
2.1 數(shù)據(jù)采集層
數(shù)據(jù)采集層基于局域網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合,實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。通過(guò)部署各種傳感器和執(zhí)行器,可捕捉到水廠各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),包括但不限于流量、液位、壓力、泵機(jī)狀態(tài)和水質(zhì)等參數(shù)。具體包括:①流量監(jiān)測(cè)。通過(guò)在進(jìn)水和出水管道上安裝流量計(jì),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水廠的流量變化,確保水廠運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率。②液位監(jiān)測(cè)。在污水處理池的關(guān)鍵位置設(shè)置液位傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污水池的液位變化,為泵機(jī)的自動(dòng)控制和預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。③壓力監(jiān)測(cè)。通過(guò)在管道系統(tǒng)中設(shè)置壓力傳感器,監(jiān)測(cè)水流的壓力變化,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的堵塞或泄漏問(wèn)題。④泵機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)泵機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),包括電流、電壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù),確保泵機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和高效工作。⑤水質(zhì)監(jiān)測(cè)。通過(guò)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器, 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出水的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo), 如COD、BOD、SS、pH 等,為水廠的工藝調(diào)整和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。
2.2 自動(dòng)化控制層
智慧污水處理廠的自動(dòng)化控制層建設(shè)方案,主要目的是通過(guò)高科技手段提高污水處理的效率和穩(wěn)定性,減少人力資源的投入,實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。
(1)建立一個(gè)穩(wěn)定可靠的云平臺(tái),用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和分析。將原有的PLC(可編程邏輯控制器)控制系統(tǒng)與云平臺(tái)進(jìn)行連接,通過(guò)云平臺(tái)對(duì)PLC 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和編程,實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程化和智能化。
(2)在各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝智能傳感器和控制器,如泵站、沉淀池、曝氣池等,實(shí)現(xiàn)對(duì)各單元的分散控制。同時(shí),通過(guò)建立集散控制中心,對(duì)各分散控制單元進(jìn)行集中管理和監(jiān)控,確保整個(gè)污水處理過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行。
(3)引入自動(dòng)化設(shè)備,如自動(dòng)化的攪拌器、風(fēng)機(jī)等,減少人工操作。
此外,還可以結(jié)合先進(jìn)的技術(shù),例如,人工智能技術(shù),利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法,對(duì)污水處理過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和預(yù)測(cè),自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)化控制。同時(shí),可利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù),對(duì)數(shù)據(jù)采集層所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘,找出污水處理過(guò)程中的問(wèn)題和優(yōu)化點(diǎn)。
2.3 數(shù)據(jù)層
在智慧污水處理廠中,數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)集中存儲(chǔ)和管理水廠生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅包括工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),還涵蓋了工業(yè)歷史數(shù)據(jù)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等,為水廠的智能化決策、優(yōu)化運(yùn)行和精細(xì)化管理提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
(1)工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要來(lái)自水廠的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和監(jiān)控設(shè)備,如流量、液位、壓力、泵機(jī)狀態(tài)、水質(zhì)等實(shí)時(shí)參數(shù)。這些數(shù)據(jù)具有時(shí)效性強(qiáng)、更新頻率高的特點(diǎn),對(duì)于水廠的即時(shí)監(jiān)控和預(yù)警至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和分析,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的異常情況,采取相應(yīng)的處理措施,確保水廠的穩(wěn)定運(yùn)行。
(2)工業(yè)歷史數(shù)據(jù)記錄了水廠長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行歷史,包括各種參數(shù)的歷史記錄、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)等。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析和挖掘,可了解水廠的生產(chǎn)運(yùn)行規(guī)律,為優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高處理效率提供有力的數(shù)據(jù)支持。同時(shí),歷史數(shù)據(jù)還可以用于設(shè)備的預(yù)防性維護(hù),提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題,避免設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)造成影響。
(3)生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要涉及水廠的生產(chǎn)管理、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)等方面,如生產(chǎn)計(jì)劃、物料消耗、能耗統(tǒng)計(jì)等。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析,可了解水廠的生產(chǎn)效率和成本情況,為水廠的決策層提供有力的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí),生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)還可以用于水廠的績(jī)效考核和精細(xì)化管理,推動(dòng)水廠向更高效、更節(jié)能、更環(huán)保的方向發(fā)展。
為了做好數(shù)據(jù)層建設(shè),需要考慮以下因素:①選擇高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案,確保數(shù)據(jù)的完整性、安全性及可靠性。同時(shí),建立合理的數(shù)據(jù)管理機(jī)制,包括數(shù)據(jù)的備份、恢復(fù)、加密等,確保數(shù)據(jù)的安全性和可用性。②利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)和工具,對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析和挖掘,提取有價(jià)值的信息和規(guī)律,為水廠的智能化決策和優(yōu)化運(yùn)行提供支持。③通過(guò)數(shù)據(jù)可視化技術(shù),將復(fù)雜的數(shù)據(jù)以直觀、易懂的方式呈現(xiàn)出來(lái),幫助決策者更好地理解數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和制訂策略。
2.4 智慧水處理平臺(tái)
智慧水處理平臺(tái)由大數(shù)據(jù)平臺(tái)、CPS 平臺(tái)、人工智能平臺(tái)、可視化展示平臺(tái)組成,其通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、挖掘技術(shù)、智能學(xué)習(xí)技術(shù)等,構(gòu)建水廠中樞神經(jīng)系統(tǒng)。
2.4.1 工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)
工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)通過(guò)采集整個(gè)水廠從計(jì)劃、生產(chǎn)、管理、物料、倉(cāng)儲(chǔ)、采購(gòu)、維修等各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù),構(gòu)建了一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù)據(jù)涵蓋了水廠的各個(gè)方面,從生產(chǎn)計(jì)劃的制訂到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的各種參數(shù),從物料的管理到倉(cāng)儲(chǔ)的運(yùn)作,從設(shè)備的維護(hù)到采購(gòu)的決策等。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析,工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠?yàn)樗畯S的生產(chǎn)管理提供全面的視角和深入地分析。
在大數(shù)據(jù)平臺(tái)的支持下,水廠可更加精準(zhǔn)地了解生產(chǎn)過(guò)程中的各環(huán)節(jié)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析和挖掘,平臺(tái)還能夠?yàn)樗畯S的生產(chǎn)管理提供有價(jià)值的參考和建議,促進(jìn)生產(chǎn)管理的創(chuàng)新。此外,工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)還能夠?yàn)樗畯S的經(jīng)營(yíng)決策提供有力支持。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)數(shù)據(jù)、銷售數(shù)據(jù)、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)等各方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和挖掘,平臺(tái)可為水廠的經(jīng)營(yíng)者提供全面、準(zhǔn)確的市場(chǎng)信息和經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù),幫助其做出更加明智的決策。這不僅可提升水廠的經(jīng)營(yíng)水平,還能夠提高水廠的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和盈利能力。
2.4.2 CPS平臺(tái)
CPS 平臺(tái)通過(guò)集成先進(jìn)的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù),構(gòu)建了一個(gè)物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中,各種傳感器和設(shè)備實(shí)時(shí)采集水廠的運(yùn)行數(shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算和通信技術(shù),將這些數(shù)據(jù)快速傳輸至控制中心,以便及時(shí)作出決策。同時(shí),控制中心也可以通過(guò)通信技術(shù),對(duì)水廠的各種設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整和優(yōu)化。
CPS 平臺(tái)的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化。具體來(lái)說(shuō),即根據(jù)水廠的運(yùn)行需求,自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),優(yōu)化資源的使用效率。例如,在某個(gè)環(huán)節(jié)需要更多的水流時(shí),CPS 平臺(tái)可迅速調(diào)整其他環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài),保證水流的有效供應(yīng)。此外,CPS 平臺(tái)還可以根據(jù)水廠的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),進(jìn)行分析和預(yù)測(cè),提前發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題,并采取措施進(jìn)行預(yù)防。例如,通過(guò)分析水質(zhì)數(shù)據(jù),可預(yù)測(cè)水質(zhì)的變化趨勢(shì),提前進(jìn)行處理,保證水質(zhì)的穩(wěn)定。
2.4.3 人工智能平臺(tái)
在建立水廠的人工智能平臺(tái)時(shí),充分運(yùn)用了機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)和深度學(xué)習(xí)框架,以此為基礎(chǔ)建立了高級(jí)智能算法。這些算法不僅能夠?qū)λ畯S運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行高效地分析和處理,還能通過(guò)學(xué)習(xí)不斷地優(yōu)化自身的決策能力。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí),人工智能平臺(tái)能夠從海量的數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的信息,識(shí)別出隱藏在數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢(shì),為水廠的運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí),深度學(xué)習(xí)框架的應(yīng)用使得人工智能平臺(tái)能夠建立起復(fù)雜的知識(shí)圖譜和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這使得機(jī)器具備了“自己思考”的能力,能夠在面對(duì)復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境時(shí),快速作出科學(xué)、合理的決策。通過(guò)搭建水廠的知識(shí)圖譜,平臺(tái)能夠全面地了解水廠的生產(chǎn)工藝、設(shè)備狀態(tài)、水質(zhì)情況等信息,為決策提供全面的數(shù)據(jù)支持。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立,則使得平臺(tái)能夠在處理復(fù)雜問(wèn)題時(shí)更加靈活和高效,實(shí)現(xiàn)智慧決策的目標(biāo)。
通過(guò)人工智能平臺(tái)的建設(shè),智慧水處理平臺(tái)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)水廠運(yùn)行狀態(tài)的全面感知和智能決策,還為水廠的長(zhǎng)期發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。平臺(tái)能夠不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化自身的決策能力,隨著水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累,平臺(tái)的智慧水平也將不斷提升。這使得水廠在面對(duì)各種挑戰(zhàn)和機(jī)遇時(shí),能夠更加從容和高效地應(yīng)對(duì),實(shí)現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)展。
2.4.4 可視化平臺(tái)
可視化平臺(tái)將水廠內(nèi)部的構(gòu)筑物、機(jī)電設(shè)備、水處理設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、門禁、照明、視頻監(jiān)控等設(shè)備信息整合到平臺(tái)上。通過(guò)三維模型瀏覽,用戶可直觀地了解到水廠的工藝流程、設(shè)備布局和運(yùn)行狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)水廠工藝的可視化展示。此外,可視化平臺(tái)還創(chuàng)造了更多友好的人機(jī)界面,如圖形化顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表等,使得水廠的運(yùn)行狀態(tài)一目了然?;诖?,管理人員可更加方便地監(jiān)控水廠的運(yùn)行情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。同時(shí),可視化平臺(tái)與自控系統(tǒng)等進(jìn)行緊密地配合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)水廠運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能控制。通過(guò)數(shù)據(jù)分析和技術(shù)處理,可視化平臺(tái)可為水廠提供科學(xué)的決策支持,保障水廠的安全、高效及可靠生產(chǎn)。
2.5 遠(yuǎn)程云控制系統(tǒng)
遠(yuǎn)程云控制系統(tǒng)是在原有的自動(dòng)化控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了云控制、云采集功能,負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的采集,并根據(jù)智慧水處理平臺(tái)發(fā)出的指令控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停與調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控的無(wú)人值守。云網(wǎng)關(guān)在水廠的老自控系統(tǒng)升級(jí)改造中可發(fā)揮較大作用,對(duì)所有難以敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)的孤立的信息孤島、偏遠(yuǎn)的泵站、監(jiān)測(cè)站、儀表、移動(dòng)的運(yùn)行設(shè)備都能納入管控系統(tǒng)中。同時(shí)云網(wǎng)關(guān)配置靈活,可實(shí)現(xiàn)多種組網(wǎng)方式,以滿足系統(tǒng)不同的控制要求。
2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)
視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的安防監(jiān)控主要覆蓋集中在辦公區(qū)域、生產(chǎn)區(qū)域、廠區(qū)道路及圍墻周界等各個(gè)部分。辦公區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)樓宇監(jiān)控,包括大廳、樓梯間、走廊、緊急出入口、配電室、重要的倉(cāng)庫(kù)等。生產(chǎn)區(qū)域監(jiān)控?cái)z像頭應(yīng)安裝在關(guān)鍵的生產(chǎn)線上,以實(shí)時(shí)監(jiān)控工藝流程是否正常。通過(guò)視頻監(jiān)控,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或異常情況,減少生產(chǎn)中斷。廠區(qū)道路及圍墻周界,例如,圍墻周邊應(yīng)安裝攝像頭,用于監(jiān)控是否有非法入侵或破壞行為。同時(shí),道路上應(yīng)安裝攝像頭,用于監(jiān)控車輛和行人的行為。通過(guò)這些關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施,智慧污水處理廠的視頻監(jiān)控系統(tǒng)能提供全面的安全保障,同時(shí)也能提高運(yùn)營(yíng)效率和應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力。
2.7 智能門禁系統(tǒng)
智能門禁系統(tǒng)是一卡通系統(tǒng)下的一個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng),指基于現(xiàn)代電子與信息技術(shù),在建筑物內(nèi)外的出入口安裝智能卡電子自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng),通過(guò)持有非接觸式卡片來(lái)對(duì)人(或物)的進(jìn)出實(shí)施放行、拒絕、記錄等操作的智能化管理系統(tǒng),其目的是有效控制人員(物品)的出入,并記錄所有出入口的詳細(xì)情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)出入口的安全管理。此外,智能門禁系統(tǒng)與考勤系統(tǒng)對(duì)接,可為HR 人力資源管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
3 結(jié)束語(yǔ)
傳統(tǒng)污水處理廠通過(guò)智慧化改造,將能夠進(jìn)行更加精細(xì)化的運(yùn)營(yíng)管理,具備更安全的生產(chǎn)模式(進(jìn)出廠水質(zhì)檢測(cè)),更高效的節(jié)能降耗,更精準(zhǔn)的調(diào)度控制與水量預(yù)測(cè)。對(duì)改善周圍水體環(huán)境,治理水污染,保護(hù)當(dāng)?shù)亓饔蛩|(zhì)和生態(tài)平衡都能起到十分重要的作用。
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