浅谈地下式污水处理厂综合信息自动化系统设计

张善伟

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着我国经济社会的发展和物质生活水平的提高，城市土地资源越发短缺，人们越来越注重城市环境的建设。地下式污水处理厂以其高度集约一体化布局、占地面积小、环境友好等优势，逐步得到了人们的认可及广泛的应用[1-2]。本文主要对地下式污水处理厂综合信息自动化系统的设计进行分析探讨。

1 地下式污水处理厂典型形式

地下式污水处理厂是指污水厂内所有建构筑物合建为一幢一体化处理构筑物，该一体化处理构筑物整体或部分布置于地面以下。其上部空间一般用于绿化、公园等公益事业，部分用于商业开发。

到目前为止，地下式污水处理厂具有2种典型形式[3-4]：

（1）半地下式形式：当一体化处理构筑物上部通过建筑加罩，建筑顶部覆土并种植绿化时，称为半地下式污水处理厂，如图1所示。

图1 半地下式污水处理厂布置形式

（2）全地下式形式：当一体化构筑物整体位于地下，上部种植绿化，生产活动均位于密封的地下时，称为全地下式污水处理厂，如图2所示。

图2 全地下式污水处理厂布置形式

2 地下式污水处理厂面临的运维难题

由于地下式污水处理厂的构建筑物位于地下，且上部空间作为公共场所使用等原因，相比于常规地上式污水处理厂，其在运维阶段面临以下难题：

（1）地下式厂房形式，对厂房内部环境要求高。地下式污水处理厂的一体化构筑物厂房是一个封闭空间。相比于常规污水处理厂，其通风、散热条件较为不利，容易发生环境湿度大、温度高、氧浓度低甚至有毒有害气体聚集的情况。因此，对一体化构筑物厂房内部环境要求较高，需保证厂房内的环境安全、适宜，即为运维人员提供一个安全的工作环境、为各类设备提供一个适宜的运行环境。

（2）厂房上部空间与公共场所相结合，对公共安全要求高。地下式污水处理厂一体化构筑物厂房上部空间一般用于绿化、公园等公益事业，部分用于商业用途，人员情况复杂。因此，地下式污水处理厂对公共安全的要求较高，需避免污水厂内可能发生的非法入侵、人员迷路、失踪等危害污水厂正常运行的各类公共突发事件。

（3）高耗能环节较多，节能降耗势在必行。地下式污水处理厂的一体化构筑物厂房是一个封闭空间，其通风散热、照明条件较为不利，与常规污水处理厂相比，对机械通风及照明的要求加倍提高，通风能耗及照明能耗也随之急剧上升，因此对地下式污水处理厂进行全方位的节能降耗势在必行。

（4）运维环境较恶劣，对运维管理手段要求高。地下式污水处理厂的运维人员需要在地下空间进行巡视及维护，与常规污水处理厂相比，一体化构筑物厂房内部环境较恶劣且构造复杂，易发生缺氧、中毒、迷路、跌落等风险。因此，地下式污水处理厂对运维管理手段提出了较高的要求，宜采用能降低运维强度，提高运维效率、保障运维安全的运维管理工具。

3 地下式污水处理厂综合信息自动化系统设计

由于地下式污水处理厂的特殊性，传统常规污水处理厂的仪表及自动控制系统已不能完全满足地下式污水处理厂在运维阶段的需求。需结合大数据、人工智能、物联网、安防、视频、高精度室内定位技术等一系列先进的信息技术为地下式污水处理厂设计一套“综合信息自动化系统”。

在设计该综合信息自动化系统时，除需满足常规污水处理厂仪表及自动控制系统理论体系外，还需遵循以下原则。

3.1 设置智能化的环境控制手段，确保厂房内部环境安全、适宜

3.1.1 厂房环境实时监测系统

根据各工艺段的特点，在地下厂房各工艺段区域设置适量的CH4气体测定报警仪、H2S气体测定报警仪、O2气体测定报警仪及温湿度测定仪等；当有毒有害气体超标时或O2浓度过低时，可联动声光报警器报警，并联动通风机进行通风换气，实现基于气体分析测定仪的通风闭环控制。

3.1.2 智能照明系统

根据地下式污水处理厂布置的特点，在地下厂房设置智能照明控制系统，可以实现单点、多点、区域、群组控制、场景设置、定时开关、亮度手自动调节、红外线探测、集中监控等不同模式下的照明控制效果。智能照明系统各照明控制回路的设置还需充分考虑巡检、检修、逃生、参观等的需要。

3.1.3 智能通风系统

智能通风系统宜运用分区通风策略和基于气体分析监测仪表的闭环控制方法，实现智能通风。

智能通风系统由智能通风服务器、智能通风软件、相关气体分析检测仪表等组成，其核心功能包括“分区式通风控制策略”和“基于气体分析测定仪表的通风闭环控制”两部分。

“分区式通风控制策略”具体指：根据工艺设备的布置情况，将生产厂房合理分成若干个通风分区，智能通风软件可对每个通风分区进行单独的排风或进风，从而实现对局部空气环境的调整。

“基于气体分析测定仪表的通风设备闭环控制”具体指：利用每个通风分区的气体分析检测仪表（H2S、CH4、O2等），智能通风软件将这些仪表检测到的区域空气品质参数与设定的空气品质参数进行比较，并判定差值及差值变化率，然后通过模糊控制等控制算法计算出此时需要开启的通风设备数量，进而控制相应设备启动或关闭。

3.2 设置完善的公共安全管理手段，确保公共安全

地下式污水处理厂综合信息自动化系统的设计应特别注重对地下厂房公共安全的保障。宜设置完善的公共安全管理手段，包括入侵报警系统、出入口控制系统、视频监视系统、人员定位系统、公共广播系统等，以应对污水厂内可能发生的非法入侵、人员迷路、失踪以及其他重大安全事故等危害污水厂正常运行的各类公共突发事件。

为了统一管理上述各种公共安全管理类分系统，使之有序运行，必须设置一套综合安保管理平台系统。

综合安保管理系统平台可将公共安全管理大系统中的各类分系统进行集中管理和操控，搭建一个信息充分、合理、灵活共享的统一平台，可拓展各子系统的应用范围，增强安防防控能力，提高安全管理水平；也为客户提供了一个集中管理的综合安防用户界面。综合安保管理系统平台是建设高度现代化、智能化和数字化安防系统的要求，能实现对各子系统集中的联动、控制和管理，以及功能集成、数据集成、通信集成、安全集成以及管理集成等，有利于公共安全管理大系统的系统资源整合。

3.3 设置数字化能耗管理手段，结合先进控制系统，实现节能降耗

地下式污水处理厂综合信息自动化系统的设计应特别注重采用节能降耗手段。宜设置数字化的能耗管理系统，实现对污水处理厂智能化的能效分析和管理；结合智能曝气控制系统、智能通风控制系统、智能照明控制系统等先进手段，从根本上节约高耗能环节的能耗。通过多方面手段，降低污水处理厂后期运营成本，打造环境友好型污水处理厂。

能耗管理系统应可采集厂区各个环节的能耗数据，并将其以大数据平台的方式进行显示、分析、诊断、维护、控制及优化管理，形成厂区闭环管理与控制体系，从而通过资源整合，形成实时性、全局性和系统性的能效综合智能管理系统，实现对污水厂智能化的电能、天然气、蒸汽等能源介质的能效分析、优化调度和管理，达到安全、优良供能、降低能耗，进而降低生产成本的目的。

3.4 宜设置高效的运维管理手段，实现少人化运维管理

地下式污水处理厂综合信息自动化系统的设计应特别注重采用多种高效的运维管理手段。从丰富的自动化控制手段，全方位的视频监视设置，完善的机电设备健康监测评估工具，移动巡检、人员定位及导航、虚拟电子围栏等先进的移动互联、物联应用，严谨的生产运行指数、运行数据及故障预警分析等方面，实现少人化运维管理模式。在高效的人机交互模式下减少对污水处理厂内人力资源的要求，实现少人化管理，既能节省人力资源成本支出，亦能减少人员因频繁去生产现场而发生危险的几率。

较为常用的运维管理手段有：

（1）全方位的视频监视系统。结合厂区特点，在一体化箱体以及室外制高点等大型空间区域设置360°全景智能球机进行大面积全覆盖整体视频监控，并可在突发情况时随时变焦进行细节跟踪；在厂区出入口、一体化箱体安全出入口等小型空间区域设置枪式摄像机进行视频监控。另外，在含较多设备的重点生产区域设置球型摄像机，对各设备进行变焦细节监视；在含较少设备的重点生产区域进行固定式细节监视。

总之，遍布污水处理厂的视频摄像机实现了对整个厂区全方位无死角的视频监视，可完全满足从安防到生产的所有视频监视需求。安保人员和生产操作人员在控制室内就如亲临生产现场，免去了频繁的现场巡视工作。

（2）移动巡检系统。移动巡检系统运用先进的工业无线网络和智能移动设备，可实现污水处理厂的智能化移动巡检。巡检人员可以通过无线网络将智能设备接入厂区中央控制室内的移动巡检系统服务器，实现设备定位、巡检数据录入、媒体信息采集、关联信息查看、业务通知、数据上传等功能。

（3）高精度人员定位系统及其应用。高精度人员定位系统可以及时、准确地将污水处理厂一体化厂房箱体内各个区域人员位置及数目等情况动态反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握厂房内运行人员的总数及分布状况；在此基础上，可以实现厂房内的巡检导航及路径规划、虚拟电子围栏、一键呼救及逃生引导、人来灯亮人去灯灭等智能化应用。

4 结语

根据地下式污水处理厂在运维阶段的特殊性，提出需结合大数据、人工智能、物联网、安防、视频、高精度室内定位技术等先进的信息技术，为地下式污水处理厂设计一套“综合信息自动化系统”。

综合信息自动化系统宜设置智能化的环境控制手段，确保厂房内部环境安全、适宜；设置完善的公共安全管理手段，确保厂房公共安全；设置数字化的能耗管理手段，并结合多种先进控制系统，实现节能降耗；设置高效的运维管理手段，实现少人化的运维管理。