T_CAQI 226-2021 污水处理智能化管理系统构建指南.docx

T/CAQI 2262021目次1  范围. 12  规范性引用文件. 13  术语和定义. 14  缩略语. 15  总体原则. 16  构建方法. 27  系统架构. 3总体架构. 3感知层. 4网络层. 4数据层. 4应用层. 4交互层. 5安全保障. 6管理与维护. 6附录 A（资料性）  污水处理厂（站）智能化管理系统应用示例 . 7IT/CAQI 2262021污水处理智能化管理系统构建指南1  范围本文件提供了污水处理智能化管理系统构建的总体原则、构建方法和系统架构。本文件适用于单个或多个污水处理厂（站）污水处理智能化管理系统项目。2  规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 28827.1 信息技术服务 运行维护 第1部分：通用要求GB/T 34678 智慧城市 技术参考模型GB/T 36622.1 智慧城市 公共信息与服务支撑平台 第1部分：总体要求CJ/T 252 城镇排水水质水量在线监测系统技术要求3  术语和定义下列术语和定义适用于本文件。污水处理智能化管理系统  intelligent management system for wastewater treatment应用物联网、大数据、云计算、人工智能、移动互联网等技术，实现污水处理过程数据感知、传输、处理和应用等功能的智慧化管理系统，以下简称“系统”。架构模块  building module系统构建中实现独立功能的硬件模块或软件集成。功能模块  function module实现架构模块中某一特定目标的硬件、软件或两者兼而有之的实体。注：实体分为物理实体和虚拟实体。4  缩略语下列缩略语适用于本文件。DCS：分散控制系统（Distributed control system）NB-loT：窄带物联网（Narrow band internet of things）PC：个人计算机（Personal computer）PLC：可编程逻辑控制器（Programmable logic controller）RFID：射频识别（Radio frequency identification）SCADA：数据采集与监视控制（Supervisory control and data acquisition）SOA：面向服务的体系结构（Service oriented architecture）VPN：虚拟专用网络（Virtual private network）5  总体原则系统构建宜满足以下原则：经济性：软硬件设备选择以满足系统需求为前提，避免非必要设施；1T/CAQI 2262021规范性：采用的控制协议、编解码协议、接口协议、传输协议、媒体文件格式等符合国家标准和行业标准的规定；扩展性：保证系统未来升级、扩容及与其他系统的兼容；可靠性：对外界干扰具有抵御能力，系统无故障运行时间符合设计要求。6  构建方法基本过程系统构建的基本过程包括系统目标、架构设计、模块选择和集成运行4个部分，流程见图1。系统目标架构设计             模块选择集成运行业务需求基础信息应用场景及目标设计要求     总体架构架构模块    功能模块     模块集成    系统运行图1  污水处理智能化管理系统构建基本过程系统目标6.2.1  系统构建前，对拟构建对象开展背景信息调查，明确系统构建的应用场景及目标。6.2.2  背景信息包括业务需求和基础信息。业务需求包括在线监测、运行优化、能耗管理、资产管理、应急预案管理和考核管理；基础信息包括污水处理系统的规模和处理工艺、运行/资产/管理/使用用户情况、设备状态和自动化水平等。6.2.3  系统的构建目标包括但不限于：单个污水处理厂（站）：降低能耗、减少运营支出等；多个污水处理厂（站）：综合调度、减少管理成本等。架构设计6.3.1  系统总体架构见 7.1。6.3.2  系统可采用 SOA 或组件模式进行设计和实现，并保持各架构模块的松耦合。模块选择6.4.1  根据系统构建目标，选择适宜的架构模块及其功能模块。6.4.2  架构模块一般包括感知层、网络层、数据层、应用层、交互层、安全保障、管理与维护。6.4.3  各架构模块的功能模块一般包括：感知层：污水、伴生废气/污泥、环境信息、设施/工艺参数、人员信息、位置信息、视频信息功能模块；网络层：有线网络、无线网络功能模块；数据层：数据库、数据融合功能模块；应用层：在线监测、运行优化、能耗管理、资产管理、应急预案管理、考核管理功能模块；交互层：政府、企业、社会公众功能模块；安全保障：物理安全、网络安全、系统安全、数据安全功能模块；管理与维护：权限管理、运行维护功能模块。集成运行6.5.1  系统集成包括在数据层实现数据集成、在应用层和网络层实现应用集成、在交互层实现界面集成。6.5.2  系统运行应统一技术标准、开发与测试环境、数据库设计规范及接口规范等，做好权限控制与管理。2安全保障管理与维护T/CAQI 22620217  系统架构总体架构7.1.1  系统总体架构见图 2，主要包括：感知层：通过感知设备和传感器网络实现对污水处理过程中污水水量水质、伴生废气量/组分/浓度、污泥量/性质、环境信息、设施/工艺参数、人员信息、位置信息、视频信息的采集与监测；网络层：为系统提供大容量、高宽带、高可靠性、全覆盖的网络通信基础设施，包括有线网络和无线网络；数据层：各类数据与信息汇集于数据中台，为上层各类智能应用提供数据支撑，包括数据库和数据融合；应用层：在感知层、网络层、数据层基础上实现的智能化应用，包括在线监测、运行优化、能耗管理、资产管理、应急预案管理、考核管理，各类业务信息汇集于业务中台，为政府、企业及社会公众提供整体的信息化服务；交互层：政府、企业和社会公众实现运营管理、信息反馈的用户平台；安全保障：为系统稳定运行构建的安全保障措施，包括但不限于物理安全、网络安全、系统安全、数据安全等；管理与维护：为系统长效运行构建的管理与维护机制，包括但不限于权限管理和运行维护等。交互层政府企业应用层社会公众业务中台数据中台在线监测               运行优化               能耗管理资产管理             应急预案管理             考核管理数据层数据融合数据采集与汇聚  数据整合与处理  数据挖掘与分析  数据管理与治理数据库基础数据库  空间数据库  监测数据库  业务数据库网络层有线网络无线网络感知层多媒体数据库污水（水量水质）伴生废气/污泥（废气量/组分/浓度、污泥量/性质）环境信息设施/工艺参数人员信息位置信息视频信息图2  污水处理智能化管理系统总体架构3T/CAQI 22620217.1.2  系统构建应用示例参见附录 A。感知层7.2.1  污水采集污水处理过程水量和水质，感知参数包括但不限于污水流量、pH、固体悬浮物、氨氮、硝态氮及磷酸盐。7.2.2  伴生废气/污泥采集污水处理过程伴生废气量/组分/浓度、污泥量/性质，废气组分包括但不限于氨、硫化氢、甲烷和臭气，污泥性质参数包括但不限于污泥含水率。7.2.3  环境信息根据环境管理需求采集气象、环境空气质量、地表水环境质量、声环境质量等数据。7.2.4  设施/工艺参数采集污水处理设施、伴生废气及污泥处理设施运行状态和工况信息，感知参数包括但不限于电压、电流、频率等电气参数和温度、液位、压力等运行参数。采集污水处理工艺参数，工艺参数包括但不限于水力停留时间、溶解氧、氧化还原电位、混合液回流比。7.2.5  人员信息采集污水处理运维及管理人员信息，人员信息包括但不限于姓名、所属部门（单位）、工号、登录账号、登录密码、登录方式、联系地址、手机号码、电子邮箱、访问记录和操作过程。7.2.6  位置信息采集人员、设备和环境等位置信息。7.2.7  视频信息采集污水处理过程人员、设施/设备、周边环境和安防等视频信息。网络层网络层包括根据设施通信设计要求所需的有线网络或无线网络，其功能要求符合GB/T 34678的规定。数据层7.4.1  数据库7.4.1.1  数据库包括但不限于：基础数据库：污水处理厂（站）基础信息、设备基础信息、人员信息等；空间数据库：设备位置、人员位置等数据；监测数据库：污水水量/水质、伴生废气量/组分/浓度、污泥量/性质、气象、环境空气质量、地表水环境质量、声环境质量、设备运行状态、工艺参数、能耗等动态监测数据；业务数据库：药剂使用量、电耗、设备管理、应急预案管理、运营成本绩效、污水处理厂（站）日志记录等数据；多媒体数据库：污水处理厂（站）监控视频、图片、工程资料文档等多媒体文件基本信息、扩展信息。7.4.1.2  数据库功能要求符合 GB/T 36622.1 中 6.3.2 的规定。7.4.2  数据融合数据融合包括数据采集与汇聚、数据整合与处理、数据挖掘与分析、数据管理与治理，其技术要求符合GB/T 34678中8.4.3的规定。应用层4T/CAQI 22620217.5.1  在线监测7.5.1.1  在线监测功能包括但不限于：实时数据监测：实时采集和存储污水及伴生废气、污泥处理过程工艺参数、设备运行工况等信息，实现污水处理远程监控；监测数据查询：以图/报表等形式直观展示各类监测指标的历史监测数据和实时监测数据；异常预报预警：对各类实时监测数据进行预警分析，出现异常时，实时、分级报警，并形成工单发送至运维和管理人员。7.5.1.2  在线监测设计符合 CJ/T 252 的规定。7.5.2  运行优化运行优化功能包括但不限于：工艺模拟优化：利用机理模型、数值模型进行工艺模拟与仿真，根据监测数据模拟最优工况，结合工艺运行现状提前制定系统优化方案，实现系统最优控制；故障诊断修复：开发污水处理厂（站）故障诊断专家系统，建立专家知识库与故障树，对异常情况进行故障诊断与分析，制定修复方案。7.5.3  能耗管理能耗管理功能包括但不限于：能耗数据监测：建立水量/气量/药剂量/溶解氧量控制等能耗监测系统，对水耗、电耗、药耗等能耗数据进行在线监测，实时生成各类能耗成本数据并直观展示；能耗数据分析：利用边缘计算、流处理等方法对能耗进行分时、同比及周期对比分析等，形成需量预测、峰谷用电优化等节能方案；能耗管控：利用水平衡计算、资源回收利用、设备停机时间设置、设备组件改进等能耗管理方法减少能源的使用。7.5.4  资产管理资产管理功能包括但不限于：设备全生命周期管理：实施设备档案管理，制定设备维修养护计划和预测性设备管理计划，实现从建档、维护保养、检维修、检定、报废等全生命周期的档案管理；备品备件监测与预警：建立备品备件库存的智能监测系统，当库存过低或药效过期时及时预警。7.5.5  应急预案管理应急预案管理功能包括但不限于：预案数字化管理：建立包含启动条件、组织体系、业务流程等的安全生产和环境突发事件应急预案库；预案智能调用：根据突发事件类别智能检索和调用相应预案，为实现快速响应提供支持。7.5.6  考核管理7.5.6.1  根据系统的应用场景及目标，建立动态的绩效考核指标体系，科学合理设置各项考核指标权重，绩效考核指标包括但不限于污水处理生产管理、质量管理、安全管理、设备管理、成本管理、基础管理等。7.5.6.2  利用统计分析、模型模拟、综合比对等方法，智能评估各项考核指标，以图/报表等形式展示考核结果，并实时生成考核报告。交互层交互层功能包括但不限于：具备整合信息资源和各业务应用的功能，如应用集成、内部交流、单点登录、访问控制、个性定制等；具备为企业和社会公众提供服务的功能，如公示信息发布、公众互动等；具备支持 PC 端和移动端等访问的功能。5T/CAQI 2262021安全保障系统的安全保障措施包括但不限于：物理安全：满足机房安全、设施安全和动力安全等要求；网络安全：满足安全区域划分、边界安全防护、网络安全访问控制、网络安全审计等要求；系统安全：满足基础设施安全、传输交换安全、存储安全、计算安全、系统管理安全等要求；数据安全：满足数据脱敏管理、数据保密、数据备份和恢复、数据操作安全、数据泄露可溯源、数据安全管控等要求。管理与维护7.8.1  权限管理对用户进行身份认证和分级管理，根据用户身份设置不同的权限，确保数据安全和用户隐私。7.8.2  运行维护系统在运行维护方面满足GB/T 28827.1的要求。6架构模块功能模块仪器和设备应用地点功能感知层污水（水量水质）流量计、pH 在线监测仪、悬浮物在线监测仪、氨氮监测仪、硝氮仪、磷酸盐测定仪进水口、生物曝气系统、除磷加药系统、碳源投加系统、出水口实时采集污水水量和水质。伴生废气/污泥（废气量/组分/浓度、污泥量/性质）氨气检测仪、污泥含水率测定仪生物曝气系统、除磷加药系统实时采集伴生氨气浓度和伴生污泥含水率。设施/工艺参数电流传感器、转速测量传感器、电机扭矩传感器、液位计、断路器、继电器、PLC、DCS、溶解氧仪、氧化还原电位仪、硝氮仪电 控 柜 、 生 物 曝 气 系统、除磷加药系统、碳源投加系统实时采集设备电流、频率、液位等运行状态、故障报警信息，以及溶解氧、氧化还原电位、硝态氮等工艺参数。环境信息雨量计、温湿度计、恶臭在线监测仪、噪声在线监测仪厂（站）界实时采集降雨量、温度、湿度、臭气浓度、噪声等环境信息。人员信息RFID 电子标签、门禁中控室采集运维和管理人员基本信息。位置信息二维码标签、安全帽式定位标签、工牌式定位标签设备/人员实时采集设备、人员位置信息。视频信息摄像头、存储设备厂（站）全域实时采集污水处理过程设备、人员视频信息。网络层有线网络物联网关、VPN 服务器厂（站）全域数据实时传输。无线网络NB-loT 基站、数采仪、4G/5G 网关/路由器数据层数据库数据库服务器数据中台建立人员信息数据库、污水水量/水质数据库、设备运行状态数据库、工艺参数数据库、电耗数据库、药耗数据库、绩效数据库，实现数据实时存储。数据融合嵌入式服务器、协议转换设备数据汇聚、处理与挖掘。应用层在线监测SCADA 系统业务中台实时监测水质并预报预警。运行优化生物曝气系统、除磷加药系统、碳源投加系统借助工艺模拟分析软件，提高曝气、加药、碳源投加的精准性，节能降耗。能耗管理能耗监测系统能耗管控。资产管理资产管理系统设备全生命周期管理和备品备件管理。应急预案应急预案管理系统及时应对安全生产和环境突发事件。考核管理考核管理系统厂（站）、人员绩效考核。T/CAQI 2262021A                    A附录A（资料性）污水处理厂（站）智能化管理系统应用示例常见污水处理厂（站）智能化管理系统应用示例参见表A.1。表A.1  常见污水处理厂（站）智能化管理系统应用示例7架构模块功能模块仪器和设备应用地点功能交互层政府PC 端、手机客户端、公众号、小程序PC 端、移动端实时查看公示信息。企业社会公众安全保障物理安全铜芯屏蔽电缆、备用发电机厂（站）全域保障设备安全。网络安全防火墙、网闸、入侵检测系统数据中台、业务中台保障网络环境安全。系统安全/制定数据库系统安全策略，保障系统运行安全。数据安全加密机、硬盘、光盘、数据脱敏网关利用数据加密算法、数据备份模型、数据恢复算法、数据脱敏算法等保障数据安全。管理与维护权限管理过滤器、拦截器数据中台、业务中台利用多租户技术，实现用户身份认证、权限分级。运行维护/厂（站）全域设备、系统的定期检修和维护，实现系统长效运行。T/CAQI 2262021表A.1  常见污水处理厂（站）智能化管理系统应用示例（续）8