全过程闭环监管智慧环保系统设计研究

＊吴伟勇 郭聪 包建国* 鞠奔 杨清清

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江 311122 2.浙江省华东生态环境工程研究院 浙江 311122）

1.背景

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》要求加快数字化发展，建设数字中国；《关于优化生态环境保护执法方式提高执法效能的指导意见》（环执法〔2021〕1号）推行非现场监管方式，大力拓展非现场监管的手段及应用，以自动监控为非现场监管的主要手段，推行视频监控和环保设施用水、用电监控等物联网监管手段，科学建立大数据采集分析、违法风险监测预警等工作程序，强化污染源自动监测数据用于行政处罚。因此，需加强涉水企业水量水质监测、工况监控，加强涉VOCs企业工况监测，实施“互联网+监管”非现场环保执法新模式[1-6]。当前国内鲜有全过程闭环监管智慧环保系统设计研究报道，系统设计实践经验少。为全面落实国家、地方相关法律法规和政策要求，提升生态环境监管部门在环境治理方面的迫切需求，本文对水污染源、大气污染源全过程闭环管理，异常响应管理模块进行智慧环保系统设计研究。实现生态环境监管部门精准监管、预警、溯源和执法，全面提升环境管理水平和“数治”能力。

与市场上已有的智慧环保系统相比，本系统具有的优势有：（1）实现业务流程闭环管理。通过建立多要素业务流程闭环，打破数据孤立，提高监管的系统性。（2）实现“末端+过程”监测。通过对水、气污染源进行工况监测，由传统的末端监管转向“末端+过程”综合监管，为精准执法提供科学支持。（3）实现构建三级响应机制。通过依托应用系统，构建“执法人员+运维团队+企业”三级响应管理机制，实现管理与执法的有效统一。引入第三方运维团队会增加运维成本，但解决了生态环境监管部门执法人员严重匮乏难题。（4）通过采用大数据分析技术开展关联性分析，充分挖掘数据价值，及时发现企业环保问题。本智慧环保系统设计已在华南某区级生态环境部门开展试点建设。

2.水污染源全过程闭环监管设计

水污染源全过程闭环监管包括对“水环境重点排污企业”和“小废水企业”的设计研究。业务流程设计包括数据采集、数据预警分析以及落实督办三个环节[7-8]。“水环境重点排污企业”业务流程设计见图1，“小废水”企业业务流程设计见图2。

图1 “水环境重点排污企业”闭环管理业务流程设计图

图2 “小废水”企业闭环管理业务流程设计图

(1)数据采集设计

“水环境重点排污企业”工况在线监测数据主要包含产生废水关键生产设备和治理废水关键设备的用电工况数据（电流、电压、功率、功率因数、电量等）、企业用水量、生产过程废水产生量、生产车间或废水处理点的视频监控，通过对企业的生产状态、工业废水的产生、排放、处理等环节进行监控，从用电、水量情况建立涉水生产工序及废水处理设施的逻辑关系，及时发现企业是否存在非法排污、弄虚作假等行为。

“小废水”企业工况监控在线监测数据采集按照国家标准规范和计量认证要求实施，对影响小废水排放的生产设施运行用电工况数据、企业工业生产用水数据、废水排放在线监测数据和污染物治理设施工况数据（废水收集数据、废水拉运数据）进行全流程24h不间断地监测，并通过通信网关转发送到生态环境管理信息化平台，作为后续分析预警的依据。

①企业工况数据

现场勘查“水环境重点排污企业”和“小废水”企业的生产工艺，根据其排污生产设施生产运行情况，确定企业耗电设施的总体架构图。在排污生产设备关键节点和“水环境重点排污企业”治理废水设备关键节点安装用电采集单元，不间断采集用电工况数据，并实时传输至服务端，实现对企业生产设施工况的连续远程监控。

②企业用水数据

通过对“水环境重点排污企业”和“小废水”企业耗水情况实地工勘，绘制企业用水、排水总体架构图，识别耗水单位生产用水及生活用水类型，在企业工业生产的进水总闸口安装物联网智能水表。

③企业排水数据

在“水环境重点排污企业”和“小废水”企业排放总闸口安装物联网智能水表或超声波流量计，不间断采集企业工业生产废水排放情况。实地工勘过程中针对部分企业有多个排污闸口的情况，严格按照每个排污口安装一台物联网设备进行监控。

④废水收集数据

现场勘查“小废水”企业废水收集装置数量、材质、容量等，在各废水收集装置上安装液位计。

⑤视频采集数据

在“小废水”企业废水排放总排口、废水收集装置、废水拉运进出口等关键节点安装高清球型网络摄像机，动态监测采集工业生产废水排放视频数据。

⑥企业拉运数据

“小废水”企业拉运数据采集，主要是通过核查各企业拉运合同，详细了解企业废水拉运具体数量、时间、人员、去向，并按照扫描废水收集装置的二维码，上报废水拉运详细情况。现场核查过程中发现异常情况，可及时进行核查，核查方式主要是通过现场监测视频录像来验证。

(2)数据预警分析设计

根据企业的生产工艺设定预警规则，对接收到企业的产污治污工况数据、企业用水量和废水排放或存储信息进行分析，对异常数据进行预警。当所设置的报警状态生成规则满足条件时，系统会自动生成相应的预警报警信息。同时会按照预先设定的预警报警方式及时通知给相关人员。报警方式主要包括App推送消息、短信、邮件、系统消息提醒，主要从以下几个方面进行预警分析：

①水量水质预警分析

对于每个排污单位，都有相应的用水系数，生产进水量、用水系数和处理设施出水量之间可以形成函数关系，当系统监控到企业的治理设施排水量与系统所采集的数据推导出来的量超过该阈值时即发出预警，不同行业类型排污单位的阈值结合排数特点进行设定。

②治理设施启闭预警

对于“水环境重点排污企业”排放的废水，必须经过水处理设施的处理。系统通过接入企业生产过程工况数据，生产废水输送到处理设施的水泵运行数据，以及处理设施的运行工况数据，综合比对，当出现处理设施运行与企业废水产生不同步的情况，即判别企业存在风险，系统发出预警。

③偷排漏排预警

对于“小废水”企业，偷排漏排产生的主要原因是污染物排放事后监管模式，缺乏污染物排放过程有效监管。通过对“小废水”企业现场工勘，详细了解其生产工艺，设定各生产线耗水、废水排放和收集数据的关联，并设定一点的域值实时对前端采集的用水数据进行分析。一旦耗水、排水数据存在超出设定的域值范围，则判断为企业存在偷排漏排行为。

④拉运数据异常预警

“小废水”企业通常存在拉运行为，通过核查“小废水”企业的拉运合同，详细了解企业废水拉运具体数量、时间、人员、去向，建立拉运数据与废水排放和储存数据的关联。当企业废水排放储存数据、上报拉运数据、企业签订的拉运合同数据存在偏差时，可通过现场监测视频录像进行核查，研判企业废水拉运是否存在问题。

⑤停产限产异常预警

依据区域污染物总体防控的需求，对“小废水”企业实施停产限产，严格执行管理部门限产停产任务，开展排污企业限产停产监控和排查。依托工业生产设备用电工况采集器、智能物联表、视频采集单元等智能终端产品，对辖区内涉“小废水”企业的产污、治污、排污全流程实行24h监控，当监测到排污企业限产、停产用电工况、废水排放、废水桶收集工况数据与限制条件约束不符合则判定企业属于正常生产未响应和执行停产限产任务。

⑥异常数值分析

对于“水环境重点排污企业”和“小废水”企业，通过现场勘查其生产工艺情况、所属行业、生产产品类型等基础条件，构建各企业生产线上生产工况用电、工业生产用水、废水排放和污染物治理设施工况数据关联，如发现其中某项监测数据存在异常（停产设备总电流当前值＞0，并且持续时间＞限定时间），及时进行报警，按照事先设置好的程序或者方案，判断异常数值产生的原因，及时告警通知企业或者运维单位进行排查、维修及设备更换。

(3)督办落实

将预警的异常信息进行数据智能研判，并推送给相关单位进行核实处理，将结果反馈到平台上，形成闭环。

①数据研判。通过生态环境管理信息化平台对企业用电工况、用水、排放、储存、拉运等数据建立的智能关联分析，研判企业正常工业生产工况数据与用水量、废水拉运量等数据合理数值，在此基础上比对预警异常信息进行情景模拟，如工业生产监测排水量与关联分析排水量不相符合则研判企业存在偷排漏排现象。“小废水”企业用水量、废水量分析见图3。

图3 “小废水”企业用水量、废水量分析图

②预警通知。通过智能研判初步确定企业存在疑似违法排污行为的地点、时间、数据等，系统预警通知模块及时给预先设定好的监控人员或管理单位发送相关通知信息，指导督促监管单位或者执法人员及时排查企业偷排漏排形成的隐患。

③事件处理。依据预警通知，监管人员结合本地、本单位实际、企业排污违法事件处置流程，及时发布预警信息并报告上级领导，指导环境执法检查队伍进行现场监督执法和应急处置工作。

④核实反馈。根据现场核实以及监督执法情况，反馈企业是否存在排污违法行为，保存相关流程记录。

3.大气污染源全过程闭环监管设计

大气污染源全过程闭环监管主要是对重点涉VOCs企业的设计研究。业务流程包括数据采集、数据预警分析以及落实督办三个环节[9-10]，如图4。

图4 VOCs企业闭环管理业务流程设计图

(1)数据采集设计

VOCs企业工况监控在线监测数据采集按照国家标准规范和计量认证要求实施，对VOCs排放的生产设施和污染物治理设施运行用电工况数据进行全流程24h不间断的监测，并通过通信网关转发送到生态环境管理信息化平台，作为后续分析预警的依据。

①VOCs企业生产工况数据。现场勘查VOCs企业排污源头生产工艺，了解企业全生命周期内VOCs排放生产设施生产运行情况，绘制企业耗电设施的总体架构图。在VOCs排污生产设备关键节点安装工况用电采集单元。

②VOCs企业治理设备工况数据。现场勘查VOCs治理设施数量、处理工艺、运行参数等，在VOCs治理设施关键节点安装工况用电采集单元。

(2)数据预警分析

根据企业的生产工艺设定预警规则，对接收到的企业产污治污工况数据进行分析，对异常数据进行预警和通知管理。当所设置的报警状态生成规则满足条件时，系统会自动生成相应的预警报警信息。同时会按照预先设定的预警报警方式及时通知给相关人员。主要从以下几个方面进行预警分析。

①VOCs企业生产时间统计分析。建立VOCs企业生产工况设备、治污设备、VOCs污染物排放的关联，统计分析近7天和近30天VOCs工况监控企业的工业生产时间长度及行业类别，核算排污企业VOCs污染物排放。

②VOCs企业治理设备运行情况分析。建立VOCs企业污染治理工况与污染物削减的关联，统计分析近7天和近30天VOCs排放工况监控企业污染治理设备正常运行时间长度。可查询VOCs企业污染物治理信息、活性炭更换记录以及VOCs污染消减数值，掌握治污设备运行状况。

③VOCs企业停产限产分析。依据区域污染物总体防控的需求，对VOCs污染物排放企业实施停产限产，严格执行管理部门限产停产任务，开展排污企业限产停产监控和排查。依托工业生产与治污设备用电工况采集器，对辖区内涉VOCs企业的产污、治污、排污全流程实行24h监控，当监测到企业限产、停产企业用电工况与限制条件约束不符合则判定企业属于正常生产未响应和执行停产限产任务。

④VOCs企业监控异常数值分析。通过现场勘查VOCs企业，了解企业生产使用工艺、所属行业、生产产品类型等基础信息，构建各企业生产线上生产设施工况用电、治污设施工况用电、污染物排放的关联，如发现生产设施正常运行（工况用电电流数值＞0），而治污设施工况用电电流值为零时，及时进行报警并按照事先设置好的程序或者方案，判断异常数值产生的原因，通知企业或者运维单位进行排查、维修及设备更换。同时，统计和分析近7天和近30天工况监控异常企业的行业类别及数量，按照异常数量从高到低进行排序，可查询VOCs企业异常运行时长、状况及所属行业类别。

(3)督办落实

将预警的异常信息进行数据智能研判，及时推送给相关单位进行核实处理，并将结果反馈到平台上，形成闭环。

数据研判：通过生态环境管理信息化平台对VOCs企业生产设施用电工况、治污设施用电工况等数据建立的智能分析模型，自动研判VOCs放企业正常生产其生产设施与治污设施工况数据合理数值，在此基础上比对预警异常信息，对异常信息进行情景模拟，研判企业是否存在偷排漏排现象。VOCs企业生产、处理工艺流程仿真监控见图5，VOCs企业工况监控用电量分析见图6。

图5 VOCs企业生产、处理工艺流程仿真监控示例图

图6 VOCs企业工况监控用电量分析示例图

“预警通知”“事件处理”“核实反馈”系统设计同水污染全过程闭环监管流程。

4.异常响应管理设计

异常响应管理设计为“发现+预警+溯源+执法”的闭环体系，业务流程为“智能预警→三级响应→事件闭环”，构建“执法人员+运维团队+企业”三级响应运维管理机制。当水污染源、大气污染源监测监控数据异常告警，则生成告警事件同时将告警信息推送至执法人员和运维团体。若判定为仪器故障，则需要对仪器故障进行排除，并挂接仪器档案，完成此次告警事件的处理；若判定为非仪器故障，则生成违法事件，按照相关法律法规进行处理，最终在系统内生成报告，上传至相应企业的档案，完成此次告警事件的处理。保障各应用系统之间的紧密联系稳定运行。

5.结论

（1）本文基于全过程闭环管理的智慧环保系统设计研究，构建了企业水、气污染源一体的“发现+预警+溯源+执法”监管网络，实时监控企业水、气污染源产污排污情况、全面提升辖区生态环境管理信息化水平，强化源头精细化、科技化、系统化管控。

（2）通过生态环境管理信息化平台对涉水企业用电工况、用水、排水、储存、小废水拉运等数据建立智能分析模型，自动研判工况数据、用水量、废水拉运量等数据合理数值；对VOCs企业用电工况数据建立智能分析模型，自动研判生产设施与治污设施工况数据合理数值；并在此基础上，比对预警异常信息进行情景模拟，研判企业是否存在偷排漏排现象，有效弥补了传统监管力量的不足，实现重点污染源自动化监测全覆盖。

（3）提升了非现场执法能力，为辖区生态环境保护和生态文明建设工作实行统一的管控、决策、指挥和调度，从而实现公正执法、文明执法、规范执法，保障执法人员及群众合法权益，促进执法水平、监督执法行为提供重要保障，做到污染源监测与监管协同联动。