环保电子警察护佑农村绿水青山

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1、课题研发组正在研发 “环务通” 系统平台。技术服务072017.12.18星期一责编:闵婕电话: (010)67113790传真: (010)67113790E-mail:2017 年 12 月 6 日， 中国环境科学学会在北京组织召开了农村 “小型污水处 理装置在线监控系统” 课题验收会。课题验收专家组认真听取了课题的成果汇 报， 审阅了相关资料， 进行了质疑与讨论， 形成如下验收意见： 课题组提交的验收资料齐全、 课题创新点明显， 立题的 8项研究任务全面完 成， 符合验收要求。 课题针对无人值守的小型污水处理装置监管难、 成本高、 有效数据偏少等问 题， 采用 “新硬件” 大数据技术，

2、对小型污水处理装置的关键工艺节点实施高密 度的原始数据采集、 上传、 计算， 实现了以预测预警为手段的污水治理的全过程 监控。在数据源终端传感器、 数采仪、 数据上传、 大数据模型等关键技术均有突 破性创新， 解决了因污水处理设施无人值守带来的监督管理上的困难。 通过小型污水处理装置在线监控系统积累的大数据挖掘， 可实现对环境监 管部门、 地方政府、 处污设施业主、 处污设施运行方和处污设备生产方提供各类 管理、 水量、 节能、 评价等数据服务。 验收专家组认为， 该课题完成了各项研究任务， 达到了预期目标和考核指 标， 填补了农村小型污水处理装置多参数在线监控的技术空白， 具有广阔的推广 应

3、用前景， 并一致同意通过验收。 专家们的高度评价和用户单位的充分肯定， 给了课题组全体成员很大的鼓 励和激励， 他们以 500 多个日夜的辛勤工作， 收获了课题研究的圆满成功， 体现 了科技创新的巨大价值， 为我国农村小型污水处理装置在线监控工作填补了空 白， 提供了利器， 实现了突破。“环保电子警察” 护佑农村绿水青山农村 “小型污水处理装置在线监控系统” 课题获得多项突破通过专家验收环保产业发展， 需要农村 “环保电子警察”接受这一国家级课题的团队来自 于长沙电团网路科技有限公司的高科 技人才队伍， 他们专注于环境领域的 人工智能系统开发、 硬件生产、 项目建 设和第三方运维服务， 公司有

4、 85%以 上的技术人员具有赴美国、 英国、 澳大 利亚、 日本、 韩国等国家环保产业和互 联网领域的系统学习和工作经验。尤 其可贵的是， 他们心忧天下、 敢为人 先， 以解决环保问题为工作导向， 不断 开启这一领域的创新之旅。 目前， 农村环境问题已经成为了 一个新的焦点， 其中水环境问题尤为 突出。装备化、 一体化工艺的小型污 水处理装置因其工艺简单、 建设成本 低、 占地少、 无人值守等优点在我国广 大的村镇污水治理建设中得到广泛应 用。包括城市周边的景区、 农家乐、 公 共厕所、 高速公路服务区等大型管网 难以到达的地区， 得到了大量推广及 应用。 2015 年统计数据显示， 全国农村

5、 污水处理设施共 24.8 万套， 2016 年我 国 22%的建制村的生活污水得到了处理。2017 年年初， 环境保护部和财政 部联合印发的 全国农村环境综合整 治 “十三五” 规划 再次强调， 2020 年 新增完成环境综合整治的建制村 13 万个， 涉及 1805个县 （市区） 。一系列 政策表明， 小型化污水处理装置在农 村已安装量和未来的预安装量很大。 但在应用这种成本低、 建设快和管理 简单的先进装置技术的同时， 也暴露 了许多问题： 因污水设施建设分散， 造 成 “监管难” 等问题， 导致大量的污水 处理设施 “建而未运” 、“晒太阳” 、“偷 排直排” 、“数据不真实” 等造假

6、违法事 件的频频发生。 为了解决这些问题， 在 2016 年的 5 月， 由中国环境科学学会立项， 由学 会副理事长陆新元牵头， 由长沙电团 网络科技有限公司作为课题承担单 位， 由中国环保产业协会、 河北省环境 执法监察局、 河南省环监大队、 武汉市 环监测中心、 东莞市环境监测中心、 北 京利达科信公司作为课题的成员单 位， 正式组建了农村 “小型化污水处理 装置在线监控系统” 课题研发组。创新之路崎岖不平， 需要的是执着态度和科学精神500 多个日日夜夜中， 课题组夜 以继日、 分头作战， 以高度的责任心和 使命担当， 完成了一系列看起来不可 能完成的任务。 他们完成了 80 个样本点和

7、数采 仪硬件终端， 建立了集群样本， 获取了 同区域环境下的环比经验， 实现了对 污水处理装置运行工况的在线监测、 工况预警和节能参考模型， 实现了水 处理量的准确计量， 探索了大数据模 型运行机制， 实现了硬件成本的控制 目标。 研发组自 2016 年 5 月开始在 7 位 专家的指导下， 深入到了全国十个省， 对小型污水处理装置设备进行了为期 2 个月的调研。在 2016 年 9 月份正式 开始实施安装， 至今已对全国南北方 不同环境的 10 个省市安装建设了 80 套 “环务通” 监控的数采仪设备。他们 具体的安装分布是： 河北省 50 台、 湖 北省 9台、 湖南省 5台、 陕西省 5

8、台、 安 徽省 3台、 广东省 2台、 贵州省 2台、 云 南省 2 台、 辽宁省 1 台， 河南省 1 台。 这些终端设备均已完成调试， 并正常 运行， 数据稳定传送到了环境保护部 污染源在线监控中心。 “环务通” 系统采取了分钟级的数 据采集密度， 经过了一年多的时间， 迄 今已累计收集到了 1200 万余条工况 及能耗综合数据， 建立了千万级数据库， 计量了 65万吨的出水流量数据与 32 万千瓦时的电能耗数据。其中， 河 北省保定市安新县地区与湖北省武汉 市蔡甸地区比较集中地建设了样本 点， 在相对环境与流量较稳定的状态 下， 在对大数据系统的原始数据采集 及大数据模型训练过程中， 取

9、得了内 容更加丰富的真实数据，“环务通” 系 统建立了健康的大数据分析模型。 他们对系统开发了 “处污设备速 查功能” 模块， 将所有小型化污水处理 设备一图展示， 并且可以方便的查询 到设备编号、 地址、 建设规模、 工艺、 建 设日期、 各组件维护周期等基础数据， 可按照行政区域进行筛选和按照名 称、 地址和编号快速检索。根据分布 速查中采集的建设日期和各组件维护 周期信息， 可以进行 3 个级别的工况 维护预警， 依次为： 接近维护日期系统 平台将维护提醒信息发送到相关人员 手机 APP； 维护日期当日系统平台将 以手机短信的方式再次提醒； 超过维 护日期将电话通知相关人员。因此， “环

10、务通” 系统监控终端对所有组件进 行频率为 5 分钟一次的高密度监测， 可以将实时数据与该组件的电气衰减 指征进行对比， 找出有可能发生故障 的设备， 达到预警的目的。 截至 2017年 10月，“环务通” 系统 已经累计监测 32 万千瓦时的电能耗数据， 以及对应产生的水量监测累计 达到 65 万吨。该系统针对所有处污 设备， 根据地域和工艺对其进行分类， 对运行环境及工艺相类似的设备的运 行工况数据进行分析， 得出处理单位 水量的能耗， 即吨水能耗比， 对吨水能 耗比的最优设备进行出水水质抽检， 确保这一最优工况组合是基于水质达 标的前提下产生的。并将此最优工况 组合作为同类设备工况运行调

11、整的基 准， 来优化其各组件运行时间表， 以达 到节能目的。 在项目初期， 针对一体化 MBR 设备采用的是模拟信号传输的涡轮式 流量传感器。这种涡轮式流量计对于 日均排水量为 500吨以下的小型处污 设备， 拥有计量精准、 低功耗、 抗干扰 能力强和成本较低等特点。随着课题 的推进， 有些处污设备的日均排水量 远远超过了 500 吨。于是， 他们升级 整合了一套大量程、 高精度电磁流量 计方案， 这种新型流量计可以不受流 体密度、 粘度、 温度、 压力和电导率变 化的影响， 无压损、 功耗低， 并且精准 度与稳定性也得到了进一步的提升。 并联式的小型污水处理站， 其出水量 超过千吨级的装置比

12、较多， 针对多管 式的现场环境， 他们增加了单台监控 终端的流量路数， 通过多路累加的方 式计算设备总流量。目前， 最新的监 控设备可以实现单台监控终端驱动 4 路电磁流量计和 1 路涡轮流量计， 在 达到对流量完全监控的同时， 也降低 了终端成本。 通过终端计量硬件设备的不断升 级， 在水量的采集准确度上得到了有 力的保证。但是， 仅有硬件保障依然 无法确保计量的真实性。 据了解，“环务通” 系统运维人员 有一天收到了一条系统自动发来的预 警信息， 其报告内容显示某台设备的 每日流量数据相较于历史数据增大了 20%， 并且持续 3 天以上， 通过查询当 地气象数据， 结合终端雨滴传感器， 排

13、 除了无雨污分流因素的影响， 但其综 合能耗、 提升泵组件能耗也无明显增 加， 系统因此判定这一设备数据异 常。根据现场调查最终发现， 该设备 流量计的修正系数被调整放大了约 1.2倍。在询问设备厂家后发现， 流量 计有通用操作密码， 可以对流量计内 各参数进行调整，“环务通” 系统运维 人员将该处污设备流量计修正系数回 调到默认值， 并通过对改型流量计进 行固件升级， 重置加密方式。 根据这一真实案例可见， 唯有在 确保全流程监测的大数据运算的保障 下， 即使某一个单点环节被篡改， 也能 被 “环务通” 系统及时发现， 从而保障 了流量的计量准确性与真实性。 自检能力与自我恢复能力是新一 代

14、物联网终端设备的重要特征之一。 最新的 “环务通” 监控终端就具备自检 功能， 该功能主要检测其主控板与各 个传感器的连接信号是否正常。当任 意传感器发生故障导致信号无法上传 时， 主控板会在 30秒内将异常情况上 传到服务器， 并通知现场运维人员及 时调试、 修复； 监控终端在实际工作环 境中经常会遇到通信信号、 速度带宽 不稳定等情况， 当无法连接上信号基 站的情况下，“环务通” 系统将以 10分 钟到 30分钟为频率重启通信模块， 直 至重新连接上信号基站为止， 在此时 间段采集的数据会以本地化方式存 储， 并在下次连接后以历史数据的形 式上报到上位机； 当系统通讯模块长 期保持连接状态

15、时， 因为芯片本身的 机制问题， 会导致传输效率下降， 监控 终端会对传输效率进行智能监控， 在 效率下降、 连接时间过长等情况下， 将 自动重启通讯模块， 以提高通讯模块 的工作稳定性。 为了保障终端硬件在批量生产时 的良品率， 研发组研发了专用封装测 试板。用其对每批次产品进行全面检 测， 此检测手段可针对不可见焊点进 行检测， 并对检测结果进行定性分析， 可以及早发现故障， 缩短发现故障和 缺陷时间， 及时找出故障和缺陷的成 因， 从而大大提高检测效率和良品率； 研发组还建立了老化实验室， 对每一 批次初检合格的产品， 抽取其 10%的 样本进行老化测试， 以确保系统在各 种极端环境下的

16、产品稳定性， 保障其 数据采集的连续性与稳定性。 “环务通” 系统的整体稳定性不单 单由终端硬件的质量所决定， 上位机 服务器集群优化也是一个重要的决定 性 因 素 。 课 题 组 以 环 境 保 护 部 HJ212/2017 通讯标准协议为基础， 制 定了适合 “环务通” 监控终端运行环境 的数据封包方式和传输协议， 以减少 单次数据交互的传输量； 上位机通过集群方式与镜像部署的方式， 提高系 统下位机承载数量与抗并发能力， 当 前理论承载并发数达到百万级标准； 通过加入 NOSQL 与缓存服务器方式 加快数据交互速度， 减少系统等待时 间， 达到提高上位机服务器接收数据 的稳定性以及连续性能力。 大数据具有数据量大、 数据种类 多、实时性强和数据所蕴藏的价值大 等主要特征。这一课题研发建立的系 统， 均是以现场运行的第一手数据支 持的大数据结果， 是健康的、 真实的、 可信和可用的。 在所有的污水治理流程中， 均是 对治理的污染源进行环评， 然后根据 环评报告， 进行选型设计、 建设施工和 验收。在日常的运行过程中， 水质的 监测方式主