实例：农村污水处理智能化管理平台探索与应用
导 读
农村污水处理站点与城市相比规模小，分散性强，广泛存在运行监测困难、故障处理不及时等情况。需要采取适当的数字化运营管理技术，增强监测预警及任务调度能力，提高农村污水处理的可靠效率，保障农村环境和公共卫生。结合青岛市黄岛区农村污水治理工程情况，搭建污水处理智能化管理平台，集成站点实时监控预警、任务协同管理、数据分析等功能，平台建成后提升运营管理效率的同时节省了人力成本，对促进农村污水处理系统向自动化、智慧化转变具有重要意义。
引用本文：于健,戈学珍,杨洁，等. 农村污水处理智能化管理平台探索与应用［J］. 给水排水，2023，49（8）：129-134.
01、农村污水治理现状
青岛市黄岛区农村污水治理工程共建设218座污水处理模块，考虑各位置污水水质特点分别采用AO处理工艺、AAO处理工艺、生物接触氧化工艺、AAO+MBBR处理工艺，92座泵站通过铺设管道将污水送往城镇污水处理厂，195座污水收集池定期通过货车将污水运输到附近污水处理模块或污水管网。
站点周期巡检、设备周期保养等日常运营工作由管理员列计划表，按照计划表排班执行，并提供纸质巡检表、保养表等材料供现场员工填写，员工巡检保养完成之后，把相关材料、照片等信息提交给管理员，由管理员逐个记录归档。流程依赖管理员手动调度与统计，业务信息不互通，人工处理速度慢，导致综合管理效果差，运营维护成本较高。
巡检员如果发现设备故障，将故障信息上报给安全生产管理员，由管理员打电话调度维修人员去现场维修，同时跟踪维修进展并手动记录。由于站点数量众多且分散，所在位置偏远简陋，设备故障或流量异常等情况不能得到及时发现与处理，维修人员响应速度滞后，导致溢水、污泥膨胀、二次污染、设备报废等问题。
收集池的污水拉运工作由外包车队承接，通过拉运次数和拉运重量核算工作量，工作量由司机自行填报。由于收集池无人值守，且缺少记录罐装车载重、定位等信息的能力，工作量统计存在虚报情况。另外，污水拉运任务的调度依赖于人工经验和估计，缺乏科学和智能化的方法，导致任务分配不均衡且效率低下。
智慧水务在污水治理中的应用近年来得到广泛关注，结合本区农村污水治理工程的特点，搭建智能化管理平台，旨在解决线下运营中的痛点，降低运营成本。平台建设主要考虑以下3个方向：①将重复性工作交给系统处理，任务调度和考勤统计自动化，减少管理员的重复性工作量；②提升异常响应能力，实时监测站点运行情况，根据异常报警规则，自动进行派工处理；③规范现场工作人员工作，通过无纸化工单流转、系统自动记录定位、载重等信息，保证工作质量和有效性。
02、平台系统架构
平台核心是对各物理站点监测点位实时数据的采集与利用，基于系统中的数据流向，从数据源头自下而上搭建智能化污水处理管理平台。数据采集层中，各站点已配备自动化控制系统，能够监测各类生产运营数据，包括流量计、液位计等仪表数据，远传电表读数以及设备运行状态信息。站点部署工业智能网关与PLC或上位监控SCADA对接，服务器部署数据采集软件接收网关上传的数据并存储到工业数据库中。
数据服务层作为数据存储和管理的核心，对所有数据进行汇集管理，为平台内各子系统提供各种数据应用服务。采用工业实时历史数据库对站点运行过程产生的海量数据进行存储，支持动态压缩算法以节省存储空间，并提供高效查询接口。采用关系数据库Mysql对业务流程中的逻辑关系数据进行存储和管理。
功能应用层根据系统权限配置向不同角色用户提供所需服务，通过对采集数据的初步加工，实现站点运行工艺的实时监控和超限告警；通过对历史数据的汇总计算实现各类图表报表，方便管理人员统计分析；对日常工作流程实现信息化管理调度，提升运营管理水平。
03、平台建设
采用基于B/S架构的低代码组态式开发模式进行智慧平台的开发工作，涵盖自控系统数据采集联通调试，数据源采集工程部署，平台功能原型落地，实现数据价值共享与管控一体化，主要包括实时监测预警、任务协同管理、数据分析等功能。
3.1 实时监测预警
实时监测预警模块通过展示各站点工艺流程图、各监测点位实时与历史数据，实现对污水模块、泵站、收集池的集中管理。系统支持设置范围告警和变动告警触发条件，触发告警后发出告警通知，并实时更新告警状态，详细记录告警的触发时间、状态、原因等信息，告警持续一段时间后自动进行报警派工处理。
图1是某AO工艺污水处理模块页面，工艺流程图中展示各水泵运行状态、调节池浮球液位、好氧池溶解氧、瞬时流量等实时数据，其中瞬时流量超出参考值一定范围，且存在运行状态的调节池提升泵，给出了红色警示。此外，单击各数据可以在弹窗中查看对应历史趋势，单击一体化设备可以进入对应的3D运行图，详细查看子模块的运行情况。
图1 某污水处理模块运行监控
3.2 任务协同管理
任务协同管理模块针对日常运营工作中包括站点巡检、设备维修保养、污水拉运等流程实现线上智能化闭环管理调度，以提升运营管理水平。
3.2.1 站点巡检与设备维保流程
定期巡检可以及时发现和解决潜在的故障、损坏或异常情况，保障站点的稳定运行。站点巡检流程如图2a所示，管理员首先配置巡检方案，设置巡检周期并关联适配该方案的站点，到期后系统自动生成巡检任务存放到任务池中。巡检人员在手机App主动获取巡检任务时，后台通过定位、任务所在站点以及对应站点异常报警数量和级别等因素进行权重计算，分配最优的站点巡检任务。巡检人员到达站点完成工作后在手机App端提交任务，生成一条巡检记录并关联对应的周期巡检任务和报警任务，同时系统开启下一个巡检周期计时。
图2 站点巡检与设备保养流程
定期保养设备可以减少设备的磨损和老化程度，延长设备的使用寿命，不同设备类型或同一设备不同部位的保养周期和保养方式均存在差异，手动进行保养派工容易出现遗漏情况，平台通过规范和标准化设备保养流程，将派工流程自动化处理，流程如图2b所示。管理员首先配置周期保养方案并关联对应设备，系统根据保养周期自动派工，保养人员在手机App收到保养任务并处理提交后，系统开始下一个保养周期计时。此外，巡检人员巡检时如果发现老化设备，可上报设备需保养信息，管理员可手动进行派工操作。
设备维修流程如图2c所示，支持设置故障级别和对应的故障类型以方便了解故障严重程度，巡检人员巡检时发现设备故障或管理员在工艺实时监测页面发现设备运转异常时，选择相应故障类型上报，管理员查看上报信息后将维修任务指派给维修人员，维修人员收到短信提醒，在手机App查看任务详情并进行处理，如果遇到特殊情况无法处理，可以进行拒单或转办，通知管理员进行重新派工，以确保设备故障问题得到及时修复。
3.2.2 污水拉运流程
污水拉运流程从收集池中装载污水，并运送到对应污水处理模块或污水管网。为保证拉运载重的真实性并提升拉运调度效率，系统实时监测收集池中的液位计数值，液位超标时自动推送任务给负责该收集池的司机。此外，通过在货车上安装车载重量检测仪（集成GPS模块），实时监测车辆的载重信息与位置信息。司机在手机App端接收任务后，系统开始监测对应车辆的实时载重、速度和定位信息。一次拉运任务中，考虑车辆的三种状态：装水完成、运输中和卸水完成。如果车辆开始行驶且有载重，并且定位在对应收集池附近，则判为装水完成，并记录装水载重；如果车辆开始行驶但无载重，并且定位在对应污水处理模块或污水官网附近，则判断为卸水完成，并记录卸水载重等信息，标记本次拉运任务为完成状态。为了避免道路颠簸等原因导致的载重监测误差，并考虑车辆通常的拉运重量标准，如果测量载重小于1 t，则判定为空车状态。
3.3 数据分析系统
对系统中产生的历史数据进行统计分析，建设可视化分析系统和报表系统，帮助管理人员直观了解运营情况并高效统计工作量。
可视化分析系统收集生产类、经营服务类历史数据，进行清洗、转换和整合，通过丰富的可视化图表组件和过滤条件直观展现数据的趋势、分布、关联等信息，并提供时间、地点、设备等多重维度的对比分析，以发掘更多信息价值，为管理员提供决策支持。
建设报表系统根据需求提供生产类、经营服务类数据的统计报表，系统支持按日、月、季度、年等时间范围，站点类型、片区、设备类型等维度生成所需的各类报表，并提供导出功能对所需报表导出到Excel表格并打包下载。
04、平台应用效果
根据平台建设的应用目的以及平台用户使用中的体验需求，建立了性能评价体系作为该平台的迭代优化标准，该体系包括信息化水平指标和智慧服务水平指标，具体如表1所示。该评价体系对平台的底层基础能力和运营管理能力提出了明确的标准，可以有效地对平台性能进行定量分析，为平台建设过程中的技术选型与算法优化提供明确方向。
表1 污水处理运营管理平台性能评价体系
平台建成后经集团管理员与站点运维人员1年时间的投入使用，并根据平台性能体系和用户使用反馈进行迭代优化，实现了对本区农村污水模块、泵站和集水池的高效集中管理。站点运行情况由巡检人员现场查看转为线上实时运行监控预警，管理员可以快速查看每个站点的实时运行情况及报警信息。站点巡检记录、设备维修保养记录从线下纸质填报转为线上无纸化操作，收集池污水拉运工作量核算从司机手动填报转为系统自动记录，运维人员工作考勤与站点运行统计从原来管理员手动记录转为平台一键生成报表与导出。
4.1 系统在监测告警中的应用
根据站点运行中频繁出现的异常情况，配置了如表2所示异常分类及对应紧急程度，并针对各异常分类配置相应的报警规则，其中通讯异常的报警规则，包括监测点位、触发条件、报警延时、应用站点等信息。基于配置的报警规则，触发报警后在工艺监测模块进行实时推送，并支持历史报警信息查询，图3为历史报警信息查询页面，可以查询各站点一段时间内的详细报警记录，并可检索未恢复的报警记录并进行确认或派工处理。基于历史报警记录，对各类型异常进行统计分析，包括各异常类型报警数量的分布情况、报警处理状态统计、异常类型各站点的数量排名等，可统计出各污水模块一周内出现流量异常报警次数的排名，方便管理员了解各类异常报警在站点中的分布情况。
表2 报警异常分类
图3 某片区一周内的报警信息报表
4.2 系统在任务协同管理中的应用
将巡检人员、维修人员、污水拉运司机信息录入系统，分部门和角色对其进行派工调度。其中巡检人员负责污水模块和泵站的巡检与异常报警处理，并根据站点类型和地理位置为每人配置负责的站点列表；维修人员负责设备维修与日常周期保养工作；按片区为污水拉运司机划分负责的收集池列表。
平台投入使用后，2023年1-6月的任务工单总览如图4所示，其中维修流程94个，巡检流程4 581个，保养流程191个，派工流程（一般为异常报警派工类型）1 124个。完成率的统计方式为自工单下发时间开始24 h内完成工单数量的占比。其中周期站点巡检和设备保养工作的完成率达100%，证明了平台周期任务自动调度流程的有效性。对异常情况的处理包括设备维修、异常报警处理一天内解决的比例达92%，与使用平台之前相比处理效率具有较高水平。
图4 2023年1-6月任务工单总览
点击各流程类型可以查看详细的工单记录，异常记录字体高亮显示，并可查看上传的现场照片以及巡检项目详情等详细信息。通过对工单记录进行汇总实现员工工作量的考核，通过巡检人员的考勤报表，统计了每位人员负责的工单数量，工艺故障类型和设备故障类型的关联工单数量以及对应的处理完成率，方便管理员了解各员工的工作情况，为制定预算、评估绩效等提供依据。
污水拉运系统中，通过对每辆罐装车安装车载称重设备(集成GPS模块)，实时监测车辆的载重和车速信息。图5为某车辆一天中的载重与车速监测曲线以及对应的拉运任务详情记录，通过对载重和车速监测曲线相关性的观察，可以了解司机的工作情况，每轮载重与车速的提升与下降周期可以判断为一次污水拉运任务，只有车速没有载重则为空车行驶。拉运任务记录详情信息包括抽水时间、卸水时间、拉运重量以及单程运距等信息，每条记录中的抽水时间和卸水时间均可与监测曲线对应，证明了系统拉运统计的正确性，与使用系统之前司机自行填报相比，工作量的核算更具科学性。
图5 某车辆一天内载重、车速监测与拉运任务记录
4.3 数据统计分析效果
图6展示了2023年1-4月期间的设备故障情况，以故障类型为维度，提供了各故障类型的占比、发生次数最多的站点以及相应的维修工单记录报表。这些数据可以帮助管理员更好地了解设备故障发生情况，以便调整设备维修保养方案，提高设备的稳定性和可靠性。
图6 设备故障类型统计分析
污水处理工艺中，耗电量和处理水量是重要的运行指标，对各站点电能与流量历史数据进行统计运算，实现模块、片区、工艺维度的处理水量统计、电耗统计和吨水电耗统计。提供对比分析、极值分析等数值分析方法，合理评估处理工艺效率。图7为累计电耗分析页面，可以查看各站点或片区的日累计电耗和月累计电耗统计，包括电耗曲线、电耗量以及电耗同比数值。
图7 某片区污水处理模块耗电量统计分析
05结 语
本文总结了搭建农村污水处理智能化管理平台的经验，经在黄岛区农村污水治理工程中的投入使用，验证了该平台的可行性和实用性，平台能够高效地对分散的污水模块、泵站和收集池进行集中管理，在站点众多且分散的农村地区污水处理工程中具有显著优势：①对各站点运行状态的实时监测，方便管理员了解各站点运行情况，及时发现异常情况并进行预警派工，使得异常情况得以及时高效处理，有效避免潜在的安全问题和运行故障的发生；②通过对日常运营中的站点巡检、设备维修保养、污水拉运工作的智慧调度和管理，包括结合实际需求的定制化工作流程，周期任务的自动下发，巡检任务的择优调度，污水拉运工作量的自动统计，员工工作量得以科学准确考核，任务分配更加合理，提高员工工作效率和执行质量的同时，减少了管理人员的重复性工作量，有效降低了运营成本；③通过对海量历史生产运行数据和业务数据的挖掘和分析，提供了站点、工艺、时间周期、数据类型等维度的可视化图表，为异常情况发现和决策优化提供了更好的支持。由于巡检维修人员和污水拉运司机多为教育水平较低的农村中年人群，且人员流动性较高，平台手机App具有一定的学习成本，未来需要对App做适老化设计、建全帮助反馈体系，并考虑进一步优化流程以减小任务工单处理的操作的复杂度。通过总结本区农村污水治理中的具体痛点并挖掘核心诉求，搭建智能化管理平台，应用中取得了良好的效果，对同类农村污水治理平台的建设具有借鉴意义。
