［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)用也越來越廣泛。智慧水廠是當前水務(wù)行業(yè)的發(fā)展趨勢，是通過新一代信息技術(shù)與水務(wù)技術(shù)的深度融合，旨在通過采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)，實現(xiàn)對水廠運行全過程的控制智能化、數(shù)據(jù)資源化、管理精確化、決策智慧化，保障水務(wù)設(shè)施安全運行，使水廠運營更高效、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題，對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)；云計算

［中圖分類號］X703 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0009–03

1 傳統(tǒng)污水處理廠存在的問題

（1）傳統(tǒng)污水處理廠大多廠區(qū)較大，風(fēng)機、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?，F(xiàn)場人員和生產(chǎn)主要負責(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，不便于實時掌控工藝數(shù)據(jù)，缺乏統(tǒng)一的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。同時，水廠未設(shè)置有效的預(yù)警預(yù)測機制和及時的反饋調(diào)節(jié)機制，在面對原水水質(zhì)突變的情況時滯后性強，水廠難以適應(yīng)原水水質(zhì)突變情況。

（2）水廠的進出水泵站大多依靠人工經(jīng)驗配泵，而實際水泵運行工況不在高效區(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)過分依賴人工經(jīng)驗，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)帶來風(fēng)險。

（3）現(xiàn)場部分設(shè)備老舊、自動化程度低、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)控點較少，無法做到關(guān)鍵部位的全方位監(jiān)控。同時，沒有門禁系統(tǒng)，無法有效管理人員的進出，存在安全隱患。

2 智慧化改造方案

為實現(xiàn)污水處理廠的智慧化升級改造，需進行智慧型生產(chǎn)管控系統(tǒng)的建立，利用先進的遠程控制及自動化技術(shù)對已有的控制系統(tǒng)和設(shè)備進行升級改造，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，實現(xiàn)對水廠生產(chǎn)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。通過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)的實時數(shù)據(jù)，包括但不限于流量、液位、壓力、泵機狀態(tài)和水質(zhì)等參數(shù)。具體包括：①流量監(jiān)測。通過在進水和出水管道上安裝流量計，實時監(jiān)測水廠的流量變化，確保水廠運行的穩(wěn)定性和效率。②液位監(jiān)測。在污水處理池的關(guān)鍵位置設(shè)置液位傳感器，實時監(jiān)測污水池的液位變化，為泵機的自動控制和預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。③壓力監(jiān)測。通過在管道系統(tǒng)中設(shè)置壓力傳感器，監(jiān)測水流的壓力變化，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的堵塞或泄漏問題。④泵機狀態(tài)監(jiān)測。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對泵機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，包括電流、電壓、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，確保泵機的穩(wěn)定運行和高效工作。⑤水質(zhì)監(jiān)測。通過水質(zhì)監(jiān)測儀器， 實時監(jiān)測進出水的各項水質(zhì)指標， 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 自動化控制層

智慧污水處理廠的自動化控制層建設(shè)方案，主要目的是通過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，實現(xiàn)綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。

（1）建立一個穩(wěn)定可靠的云平臺，用于數(shù)據(jù)的存儲、處理和分析。將原有的PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)與云平臺進行連接，通過云平臺對PLC 進行遠程控制和編程，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠程化和智能化。

（2）在各關(guān)鍵節(jié)點安裝智能傳感器和控制器，如泵站、沉淀池、曝氣池等，實現(xiàn)對各單元的分散控制。同時，通過建立集散控制中心，對各分散控制單元進行集中管理和監(jiān)控，確保整個污水處理過程的穩(wěn)定運行。

（3）引入自動化設(shè)備，如自動化的攪拌器、風(fēng)機等，減少人工操作。

此外，還可以結(jié)合先進的技術(shù)，例如，人工智能技術(shù)，利用機器學(xué)習(xí)和人工智能算法，對污水處理過程中的各種數(shù)據(jù)進行實時分析和預(yù)測，自動調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)無人自動化控制。同時，可利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，對數(shù)據(jù)采集層所采集到的數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，找出污水處理過程中的問題和優(yōu)化點。

2.3 數(shù)據(jù)層

在智慧污水處理廠中，數(shù)據(jù)層負責(zé)集中存儲和管理水廠生產(chǎn)運行過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅包括工業(yè)實時數(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)化運行和精細化管理提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（1）工業(yè)實時數(shù)據(jù)主要來自水廠的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和監(jiān)控設(shè)備，如流量、液位、壓力、泵機狀態(tài)、水質(zhì)等實時參數(shù)。這些數(shù)據(jù)具有時效性強、更新頻率高的特點，對于水廠的即時監(jiān)控和預(yù)警至關(guān)重要。通過實時數(shù)據(jù)的采集和分析，可及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常情況，采取相應(yīng)的處理措施，確保水廠的穩(wěn)定運行。

（2）工業(yè)歷史數(shù)據(jù)記錄了水廠長時間的生產(chǎn)運行歷史，包括各種參數(shù)的歷史記錄、設(shè)備運行狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)等。通過對歷史數(shù)據(jù)的分析和挖掘，可了解水廠的生產(chǎn)運行規(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，歷史數(shù)據(jù)還可以用于設(shè)備的預(yù)防性維護，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，避免設(shè)備故障對生產(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)運營等方面，如生產(chǎn)計劃、物料消耗、能耗統(tǒng)計等。通過對這些數(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，生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)還可以用于水廠的績效考核和精細化管理，推動水廠向更高效、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)存儲方案，確保數(shù)據(jù)的完整性、安全性及可靠性。同時，建立合理的數(shù)據(jù)管理機制，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利用先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)和工具，對存儲的數(shù)據(jù)進行深入分析和挖掘，提取有價值的信息和規(guī)律，為水廠的智能化決策和優(yōu)化運行提供支持。③通過數(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，幫助決策者更好地理解數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)問題和制訂策略。

2.4 智慧水處理平臺

智慧水處理平臺由大數(shù)據(jù)平臺、CPS 平臺、人工智能平臺、可視化展示平臺組成，其通過大數(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

工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺通過采集整個水廠從計劃、生產(chǎn)、管理、物料、倉儲、采購、維修等各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個龐大的數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)涵蓋了水廠的各個方面，從生產(chǎn)計劃的制訂到實際生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)，從物料的管理到倉儲的運作，從設(shè)備的維護到采購的決策等。通過對這些數(shù)據(jù)進行存儲和分析，工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺能夠為水廠的生產(chǎn)管理提供全面的視角和深入地分析。

在大數(shù)據(jù)平臺的支持下，水廠可更加精準地了解生產(chǎn)過程中的各環(huán)節(jié)和設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題和風(fēng)險。同時，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析和挖掘，平臺還能夠為水廠的生產(chǎn)管理提供有價值的參考和建議，促進生產(chǎn)管理的創(chuàng)新。此外，工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺還能夠為水廠的經(jīng)營決策提供有力支持。通過對市場數(shù)據(jù)、銷售數(shù)據(jù)、財務(wù)數(shù)據(jù)等各方面的數(shù)據(jù)進行綜合分析和挖掘，平臺可為水廠的經(jīng)營者提供全面、準確的市場信息和經(jīng)營數(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)營水平，還能夠提高水廠的市場競爭力和盈利能力。

2.4.2 CPS平臺

CPS 平臺通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，構(gòu)建了一個物理空間與信息空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，各種傳感器和設(shè)備實時采集水廠的運行數(shù)據(jù)，通過計算和通信技術(shù)，將這些數(shù)據(jù)快速傳輸至控制中心，以便及時作出決策。同時，控制中心也可以通過通信技術(shù)，對水廠的各種設(shè)備進行遠程控制，實現(xiàn)實時調(diào)整和優(yōu)化。

CPS 平臺的核心目標是實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應(yīng)、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化。具體來說，即根據(jù)水廠的運行需求，自動調(diào)整設(shè)備的運行狀態(tài)，優(yōu)化資源的使用效率。例如，在某個環(huán)節(jié)需要更多的水流時，CPS 平臺可迅速調(diào)整其他環(huán)節(jié)的運行狀態(tài)，保證水流的有效供應(yīng)。此外，CPS 平臺還可以根據(jù)水廠的歷史運行數(shù)據(jù)，進行分析和預(yù)測，提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并采取措施進行預(yù)防。例如，通過分析水質(zhì)數(shù)據(jù)，可預(yù)測水質(zhì)的變化趨勢，提前進行處理，保證水質(zhì)的穩(wěn)定。

2.4.3 人工智能平臺

在建立水廠的人工智能平臺時，充分運用了機器學(xué)習(xí)庫和深度學(xué)習(xí)框架，以此為基礎(chǔ)建立了高級智能算法。這些算法不僅能夠?qū)λ畯S運行數(shù)據(jù)進行高效地分析和處理，還能通過學(xué)習(xí)不斷地優(yōu)化自身的決策能力。通過機器學(xué)習(xí)，人工智能平臺能夠從海量的數(shù)據(jù)中挖掘出有價值的信息，識別出隱藏在數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢，為水廠的運行管理提供科學(xué)依據(jù)。同時，深度學(xué)習(xí)框架的應(yīng)用使得人工智能平臺能夠建立起復(fù)雜的知識圖譜和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這使得機器具備了“自己思考”的能力，能夠在面對復(fù)雜多變的運行環(huán)境時，快速作出科學(xué)、合理的決策。通過搭建水廠的知識圖譜，平臺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，則使得平臺能夠在處理復(fù)雜問題時更加靈活和高效，實現(xiàn)智慧決策的目標。

通過人工智能平臺的建設(shè)，智慧水處理平臺不僅實現(xiàn)了對水廠運行狀態(tài)的全面感知和智能決策，還為水廠的長期發(fā)展提供了強大的技術(shù)支撐。平臺能夠不斷學(xué)習(xí)和優(yōu)化自身的決策能力，隨著水廠運行數(shù)據(jù)的積累，平臺的智慧水平也將不斷提升。這使得水廠在面對各種挑戰(zhàn)和機遇時，能夠更加從容和高效地應(yīng)對，實現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)展。

2.4.4 可視化平臺

可視化平臺將水廠內(nèi)部的構(gòu)筑物、機電設(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)備信息整合到平臺上。通過三維模型瀏覽，用戶可直觀地了解到水廠的工藝流程、設(shè)備布局和運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)水廠工藝的可視化展示。此外，可視化平臺還創(chuàng)造了更多友好的人機界面，如圖形化顯示、數(shù)據(jù)報表等，使得水廠的運行狀態(tài)一目了然?；诖?，管理人員可更加方便地監(jiān)控水廠的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。同時，可視化平臺與自控系統(tǒng)等進行緊密地配合，實現(xiàn)了對水廠運行的實時監(jiān)控和智能控制。通過數(shù)據(jù)分析和技術(shù)處理，可視化平臺可為水廠提供科學(xué)的決策支持，保障水廠的安全、高效及可靠生產(chǎn)。

2.5 遠程云控制系統(tǒng)

遠程云控制系統(tǒng)是在原有的自動化控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了云控制、云采集功能，負責(zé)生產(chǎn)過程參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)的采集，并根據(jù)智慧水處理平臺發(fā)出的指令控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停與調(diào)節(jié)，實現(xiàn)生產(chǎn)管控的無人值守。云網(wǎng)關(guān)在水廠的老自控系統(tǒng)升級改造中可發(fā)揮較大作用，對所有難以敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)的孤立的信息孤島、偏遠的泵站、監(jiān)測站、儀表、移動的運行設(shè)備都能納入管控系統(tǒng)中。同時云網(wǎng)關(guān)配置靈活，可實現(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部分。辦公區(qū)域采用標準樓宇監(jiān)控，包括大廳、樓梯間、走廊、緊急出入口、配電室、重要的倉庫等。生產(chǎn)區(qū)域監(jiān)控攝像頭應(yīng)安裝在關(guān)鍵的生產(chǎn)線上，以實時監(jiān)控工藝流程是否正常。通過視頻監(jiān)控，可及時發(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，道路上應(yīng)安裝攝像頭，用于監(jiān)控車輛和行人的行為。通過這些關(guān)鍵點的設(shè)計和實施，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，同時也能提高運營效率和應(yīng)對突發(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識別系統(tǒng)，通過持有非接觸式卡片來對人（或物）的進出實施放行、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情況，實現(xiàn)對出入口的安全管理。此外，智能門禁系統(tǒng)與考勤系統(tǒng)對接，可為HR 人力資源管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)污水處理廠通過智慧化改造，將能夠進行更加精細化的運營管理，具備更安全的生產(chǎn)模式（進出廠水質(zhì)檢測），更高效的節(jié)能降耗，更精準的調(diào)度控制與水量預(yù)測。對改善周圍水體環(huán)境，治理水污染，保護當?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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