基于私有云平台的地下污水处理厂智慧综合管控系统方案分析

赵瑜伯，王秀梅，张庆庆，王弘扬，郭亮亮

（北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

随着我国经济飞速发展、工业生产能力激增，城市废水排放量呈快速逐年上升态势，污水处理已经成为环境治理的重中之重。国家在“十二五”规划中对城镇污水处理提出了更高要求，强调污水处理自动化、信息互联化及智能工业化技术的发展，在“十四五”规划中，又进一步强调了污水处理厂的智慧化转型。

中国的污水处理行业经过40余年的建设与发展，现在拥有全球规模最大的市政废水基础设施，截至2020年我国污水年处理量增至556亿立方米，污水处理率提高至97.86%。近年来的污水处理厂更多地采用地下箱体模式，对人员设备安全、自动化水平提升、系统优化运行提出了更高的要求。同时，污水厂管控也从单厂管控向集团化管控转变。针对这些变化，本文将着眼于信息融合和智慧化管控，全面阐述地下污水处理厂智慧综合管控系统的构建与配置。

1 从“自动化”迈向“智慧化”

二十世纪九十年代是中国污水处理厂大规模建设阶段，当时的污水处理厂建设追求的是“自动化”，将更多的工作重心和技术关注点放在了工艺设备自动化控制方面，着眼于工艺优化提升出水水质、提高生产效率。随着工业4.0在中国的落地和推广，中国制造业从电气化、信息化向着智能化、智慧化转型，污水处理行业也随之从单一污水厂的自动化监控向以水务集团或整个地区为单位的智慧化水厂集群式管控的智慧水务模式进发。

传统的污水处理厂通常在中央控制室设置数据服务器和监控计算机，它们通过厂区工业以太网实现与多个现地控制单元PLC的数据通讯，并通过SCADA监控组态软件将现场设备的运行状态和工艺参数实时显示在监控画面中，操作员可通过画面中的功能按键或输入域将生产控制指令下达到具体的现场工艺设备，还可根据采集到的实时数据生成工艺参数趋势图、生产报表、故障报警等信息。这套自控系统基于工业网络，与厂内的办公系统、安防系统、资源和运营管理系统等其它功能子系统保持着相对独立、各自运行的状态。一些需要跨系统交互的数据，通常要经过各部门相关技术人员的手工转换，变为通用的纸质或电子文档传递，协同性差、效率低。单个污水厂的生产数据处于“孤岛”状态，不支持远程访问，无法与集团或地区的水务集控监管平台实现数据共享，无法进行远程监控、数据整合分析、辅助整体决策等全区域层面的管控功能。

智慧水厂就是要吸纳大数据、物联网、互联网、云计算等新技术，从集团化甚至全地区的角度去考虑污水处理厂的系统建设，将工艺设备监控、资源管理、人员管理、生产运营、安全防护等多个子系统均构建于一个统一的私有云平台上，通过对多源数据的整合、处理及分析实现系统信息融合，使污水厂内部各类信息可高度共享、高效交互、可综合分析与管理，并为本区域智慧水务集中监管平台提供云端大数据储备。

2 系统总体架构

地下污水处理厂智慧综合管控系统从信息架构角度自下而上横向分为四层：感知控制层、网络通讯层、平台层、智慧应用层，从系统功能上纵向分为自动化监控、智能综合监控系统（含视频监控和入侵报警系统、广播系统、智能语音系统、无线对讲系统、智能巡更系统等）、智慧化运营管理系统（含无线信号覆盖、人员定位、移动应用和信息管理系统）。如图1所示：

图1 地下污水处理厂智慧管控系统架构

感知层作为整个系统架构中的设备基础层，包括现场PLC控制站、监测仪表、受控成套设备、视频安防系统及其它功能子系统的前端设备等，主要功能是执行生产指令、完成生产任务、采集数据、获取信息。

网络通讯层以工业以太网和办公以太网相融合的方式将现场感知设备与数据管理平台设备连接起来，辅之以无线通讯网络，形成一个覆盖全厂的“神经网络”，为全厂的信息交互提供传输通道。

平台层是数据处理、存档、管理、分析的功能层，也是整个智慧综合管控系统的核心层。该层的设备配置方案可根据水厂数据规模和需求选择：1）多服务器+客户机配置模式、2）容错服务器+客户机模式、3）私有云平台虚拟机模式。容错服务器模式的重点在于通过硬件全冗余实现系统容错，而私有云平台更关注多系统信息融合。私有云平台也可通过部署虚拟机容错，但这属于软容错。

智慧应用层是在平台层完成整个污水厂数据结构搭建的基础上建立起来的、向用户提供应用服务的功能层。应用层主要分为三个功能模块：1）基于PLC和监控计算机设备的生产自动化监控；2）基于视频监控和入侵报警、广播、无线对讲、门禁和智能语音、电子巡更等多源化感知设备的智能综合监控平台；3）基于高精度人员定位、移动APP应用、多系统信息集成的智慧运营管理平台。

上述系统架构将自动化、信息化、智能化融合在一起，形成一个智慧综合管控体系，实现污水处理厂少人或无人值守、智慧化管理运营的目标。

3 系统网络建设

在整个污水处理厂智慧综合管控系统架构过程中，我们始终遵循的中心思想是一切要为信息“共享”与“协同”服务，这是因为要实现污水厂智慧化运营的目标，系统信息融合是一个核心任务。系统信息融合是建立在网络联通的基础上的，系统网络是系统信息融合的数据通路，是整个系统的“骨骼”。智慧综合管控系统网络拓扑结构如图2所示：

图2 地下污水处理厂智慧化管控系统网络结构图

系统网络分为三层：

第一层：信息层，是指中央监控管理设备与系统核心交换机之间的星型网络。本图中配置的软硬件一体化私有云平台虚拟出了多台不同功能的服务器和监控客户端，并由瘦客户机作为这些虚拟机的人机交互终端，通过系统核心交换机彼此联通构成了网络信息层。该层为1000M快速以太网，传输介质采用屏蔽双绞线。

第二层：控制层为环形拓扑，中控室监控计算机和各现场控制站PLC通过工业以太网连接。考虑到控制层网络断网将直接导致水厂生产中断以及地下水厂网络维护和故障排查相对不便，在控制层采用冗余双环结构来提升网络联通的可靠性。视频监控系统的单环光纤以太网也属于控制层网络，它将分布在厂区室内外的视频摄像机通过本地环网交换机彼此联通。控制层单/双环网通讯速率为1000M、通讯介质为单模光纤。

第三层：设备层，由现场执行机构及智能仪表组成，根据具体设备的接口情况可选择采用工业以太网、现场总线、串口等通信方式与本地控制单元进行通信。

这种分布式网络结构使生产过程中的信息能够实时集中到区域主控制器，当其他区域发生故障时不影响本区域设备的现地运行，使得控制危险分散，提高系统可靠性。同时，各区域信息经本地主控制站的整合传送至上位监控设备，可实现信息集中管理以便远程对整个水厂进行整体操作、管理和优化。

除有线网络的搭建之外，在污水厂地下箱体区域还应布置移动信号和WIFI信号的全区域覆盖。另外，地下箱体空间封闭、管廊交错，导致人员迷失和毒害气体聚积危险系数增加，因此应配置高精度人员定位系统。相较于蓝牙、WiFi、RFID等定位方案，基于UWB无线高精定位技术的人员定位系统具有高精度（可达±10cm）、基站覆盖半径大（大于100米）、实时性好、低辐射、保密性强等特点，非常适用于地下污水处理厂这一特殊环境。

4 私有云平台的建立

私有云平台是整个平台层的核心，它为污水处理厂智慧综合管控系统提供一个处于防火墙之后的专有云环境，通过内部操作建立数据中心，能够更好地控制计算资源，方便地自定义资源，满足污水厂特定的需求。私有云平台是一个软硬件一体化的系统，它允许多个用户桌面以虚拟机的形式独立运行，同时共享CPU、内存、网络连接和存储器等底层物理硬件资源。这种架构将用户彼此隔离开来，使每位用户都拥有自己的操作系统，确保每个用户的功能个性化，于此同时，可以对桌面实现应用的管控和高效集中运维。

从图3可见，私有云平台的硬件环境由超融合模式的多台服务器和瘦客户机搭建，图中配置了4台服务器分别执行生产监控、网络管理、信息管理和综合监控管理的功能，服务器和虚拟客户机配置了对应的瘦机作为访问终端。私有云平台上可运行VMware或其它平台软件来完成虚拟机定义及管理。

图3 地下污水处理厂智慧管控系统私有云架构示意图

污水处理厂私有云平台采用ServerSAN这种主流存储虚拟化方案，用大硬盘服务器代替磁盘阵列等专用存储设备，将服务器硬盘存储空间作为共享存储资源池向云平台各虚拟客户机提供类似Server/Client模式的存储服务。

私有云平台系统软件可实现服务器管理、用户管理、虚拟桌面部署、虚拟服务器部署、实时运行管理等功能。

一体化云平台的虚拟桌面模板可以支持同时封装操作系统和应用程序的运行状态，并且运营人员可以随时随地根据已保存好的模板，将此模板进行批量发布，并且可以确保所有桌面具备相同的桌面与应用程序运行状态。

平台软件还提供简单一体化的管理门户将所有管理功能集成在一个统一的控制台中进行，每台私有云平台服务器都在管理员门户中可见，系统管理员可以查看其使用统计、存储空间消耗、后台进程、当前运行的虚拟桌面及其它更多的系统管理信息。系统管理员可以基于虚机模板创建新的虚机(VirtualMachines)，能够调整其内存使用、附加磁盘和共享文件夹、观察使用统计以及其他更多的虚机管理信息。超级用户可以重新分配已有的虚机给新的使用者，甚至观察虚机内部发生的情况。

私有云平台集成了私有云网盘功能，通过该功能，水厂各部门间可快速进行文件交换、文件分享、多用户文件协作等功能，提高办公效率，实现多系统协同。

5 自动化监控系统

地下污水处理厂全部位于地下封闭式箱体内，特殊的环境条件要求其自动化监控系统必须具备高技术可靠性、高运行稳定性、设备易维护性、系统易操作性及完善的人员安全保障。因此，地下污水处理厂自动化监控系统在硬件配置上需要强调以下特征：1）PLC主站采用冗余CPU配置；2）所有PLC模块选用带有防腐涂层的产品；3）网络介质和网络交换机均做冗余配置；4）主干双环网和现地单环网构成以太网“一网到底”的控制网络（参见图2）；5）配置智能巡检机器人，对封闭式生物反应池进行环境参数和曝气状态的视频采集，并可与自控系统联动。

地下污水处理厂自动化监控系统的软件配置特征为：1）采用Server/Client模式的上位监控组态软件配置，生产数据集中存储于服务器的组态软件实时数据库，各操作员站监控画面的数据来源于服务器I/O Server而非本地；2）上位监控组态软件配置WEB发布功能，具有访问权限的办公室计算机或移动终端可以通过网页浏览实时的生产状况；3）数据服务器中配置工业实时/历史Historian数据库，将上位组态软件中采集到的实时数据存储为历史数据以备生产管理长期数据回溯、检索查询、报表统计；4）系统应用软件编程要考虑两个方面：一部分是本系统所需的生产信息监控功能实现，另一部分是与上层信息系统进行数据交互所需的数据接口定义与规范，要根据上层数据库的需求提供WEB SERVICE、XML、OPC、ODBC等多种接口方式。

6 智能综合监控平台

地下污水处理厂智能综合监控平台是自动化监控系统的重要补充。它拓展了自动化监控系统观察、控制手段的广度，通过视频探知、安全探知（火灾探测、入侵探测、门禁）等新的观察手段，增加自动化系统的安全性、可靠性，并通过视频画面、声音光亮（语音、声光报警器）等，展示探知的结果。

地下污水处理厂智能综合监控平台包括视频监控和入侵报警系统、门禁系统、广播系统、智能语音系统、无线对讲系统、电子巡更系统。这些子系统将信息汇总到智能综合监控平台，在该共用平台下进行自动联动、集中控制和统一管理。平台通过对各子系统的信息进行综合分析来实现针对不同场景的多系统协同响应。

地下污水处理厂智能综合监控平台具有如下特征：

1）各功能子系统的高度融合：子系统被视为平台功能模块，通过平台统一管理实现协调运行，达成各系统信息融合，最终改变子系统“信息孤岛”的状态。平台对各子系统基础数据进行统一管理、集中存储，通过KEY值关联实现一处录入多处使用。

2）智能化的运行管理：平台对操作员提供一站式运行管理服务，操作员可实时获知系统运行状态，根据提示信息高效定位并解决问题，保障整个平台的正常运行。

3）智能化的扩展：平台基于模块化设计，新的子系统可插接式接入，实现复杂项目的便捷搭建，避免以往各子系统分别设置自己的服务器或主控计算机、各自运行子系统管理软件的冗杂情况，使一线人员的监控工作变得简捷明了。

4）智能化的应用：安防产品“智能化”的概念提出多年，传统的图像识别和图像处理算法仍然存在着识别准确率低、环境适应性差、识别种类少等问题，严重限制了智能应用的普及。污水处理厂智能综合监控平台以各类功能与应用整合和集成为核心，实现单纯的图像监控向基于深度学习算法的车牌识别、人脸识别、音频识别等智能应用领域的广泛拓展与延伸。

5）开放的对接模式：本平台基于软件集成框架和统一规范，通过Web Service及http接口提供基础服务，实现应用接口的开放，支持第三方应用快速集成，接口遵循RESTful规范。平台通过动态新增设备接入驱动，实现对第三方设备的接入，为多品牌、多品种的监控设备集成提供了非常顺畅的资源交互环境。

7 智慧运营管理平台

污水处理厂智慧运营管理平台是建立在网络建设和数据采集基础上的业务管理系统，它通过对厂内各个功能子系统集成到私有云平台的大量多源化数据进行及时分析处理，做出相应的辅助决策建议，使整个生产、管理和服务流程达到“智慧”状态。

生产控制前端感知设备是运营平台信息数据来源的主要入口，数据感知包含污水处理厂内各种在线仪表、设备、传感器、摄像头、RFID、设备二维码铭牌等数据，通过PLC硬件和工控软件可进行设备的集中监控和数据采集。数据采集基于MIC（移动+互联+云计算）技术架构设计，利用智能通讯网关将厂站内设备数据、生产运行数据按照工业物联网接入标准进行接入。采集后数据统一存放在私有云数据中心，可通过客户端的访问提供各种数据应用及服务支持。

平台运营管理功能可根据不同权限的用户、按不同场景划分提供多种应用及服务，包括生产运行监控、数据趋势分析、统计报表生成、设备资产管理、巡检、维修养护、办公流程审批等功能。同时也可集成视频监控、电子门禁、人员定位等系统进行资源整合，提升整厂安防能力。

平台可通过大量积累生产运行、业务数据深入挖掘各类数据间的关系，合理利用数据，发掘数据潜在的价值。决策支持层可为管理层运营提供科学的辅助决策支持，从而实现污水处理厂的智慧化运营。

平台框架结构如图4所示：

图4 智慧运营管理平台框架结构图

系统框架自上而下主要分成三个层级：1）数据存储与服务层：数据库的运行管理与数据的有效存储；应用程序的发布，包括计算机端的管理程序的运行与发布、WEB程序运行与发布、移动端的APP程序发布、微信小程序的运行与发布；数据的实时采集与实时数据的存储以及系统容错的管理；2）系统应用服务层：业务功能的管理，包括设备档案、设备点巡检、设备维保管理、报警事件管理、消息发布、报表管理与查询统计输出等；基础功能的运行，系统基础数据的管理，以及系统运行所必需的其他基础数据等，例如人员信息、设备编码、场地信息、工艺过程；系统安全与配置管理，系统日志、人员权限，系统菜单配置等；外围系统接口与扩充管理，用于系统内部各个子系统之间的数据接口与数据交互管理，包括门禁、语音、广播、人员定位、视频接入、状态信息接入等；3）用户操作层：服务于现场操作人员层面，通过使用智能手机的APP或微信小程序、PAD设备以及普通计算机的浏览器，实现对于现场数据的人工采集，数据展示与人机交互等功能。

8 结语

本文系统性地阐述了基于私有云平台的地下污水处理厂智慧综合管控系统的构建方案，对系统的各重要组成部分给出了具体的功能描述和设备配置。文中所给出的方案已经在北京、上海、河北、昆明等地的多个地下污水处理厂中得到了实际应用，经实践证实是完善的可行的，对污水处理厂的智慧化生产运营实现具有指导意义。