摘要：隨著農村污水處理設施的建設，運營監管難度大的問題日益凸顯。為了對分散的農村污水處理設施進行集中監管，基于數據庫優化、數據交換等技術設計了農村污水處理設施在線遠程監控管理系統。本系統共包括數據采集、數據分析、動態監測、監督管理和移動端5個子系統，服務于市、區水務局、第三方監管單位等多級用戶。該系統的建設可減少人工現場巡查頻次，降低管理成本，最終實現各級用戶業務管理網絡辦公化、事件督辦流程化，提高全市農村分散污水處理設施運行監控管理水平。

　　關鍵詞：農村污水,在線監測,遠程監管

　　0引言

　　農村生活污水處理設施具有數量多、分布廣、規模小的特點，由于經濟條件限制及環境保護意識的薄弱，我國農村大部分地區現有的污水處理設施較為簡陋或不能正常運行[1]。為全面提升農村污水處理水平，改善北京市農村污水處理設施運行狀況不佳的現狀，北京市新建和升級了大批農村污水處理設施。

　　面對眾多分散建設的農村污水處理設施，現有的監管水平已無法滿足業務需求，亟需采用信息化手段對農村污水處理設施進行集中監管，為設施的穩定運行提供保障。目前信息化系統已被陸續應用到農村污水處理設施的管理中。劉佳瀅等[2]建設了一種基于Cortex-M0內核單片機以及GPRS技術的農村污水遠程監測系統，并優化硬件設施，提升了信號傳輸的穩定性。

　　馮艷麗[3]設計的農村污水遠程監控系統選用PLC作為核心控制器來實現監測數據的采集與處理，獨立設計實時數據庫系統，保證監測數據的及時性及準確性。胡凱等[4]設計的農村污水遠程監控系統能夠遠程調控設施的參數配置，實現站點無人值守。

　　目前建設的農村污水監測系統側重于準確獲取分散污水處理設施的監測數據，有效實現對分散污水處理設施的遠程在線監管以及污水處理站點的全自動運行，完成基本的信息管理及統計分析功能，但在業務數據的綜合分析及多級用戶業務交互的應用方面還略有不足。為應對分散式農村污水處理設施監管難題，采用MVC的開發模式，基于數據庫優化、緩存等技術，設計并研發了農村分散污水處理設施在線遠程監控管理系統。

　　該系統服務于北京市、區水務局、第三方監管單位等多級用戶，以北京市農村分散污水處理設施行業監管單位業務需求為出發點，著重增強數據綜合分析能力及多級用戶的協同管理，最終實現北京市農村污水處理設施的統一監管。為加強全市農村污水處理設施規范運營管護工作，提高設施運行效率，保障北京市水環境安全提供技術支撐。

　　1監控管理系統總體設計

　　1.1監控管理系統

　　基于物聯網技術，選用高監測頻次、高精度的傳感器，通過無線通訊建立傳感器、數據采集單元、業務系統、監管人員之間的聯系，實現對農村污水處理設施的全面監管。系統基于SOA架構，采用J2EE技術路線，以通訊網絡、數據庫優化、數據交換服務等技術為核心，集動態監測、預報預警、監督管理、統計上報功能為一體的遠程監控平臺。系統主要采用基于瀏覽器的B/S模式進行開發，即瀏覽器/服務器模式[5]。

　　整個系統設計分為3個層面，分別是數據服務層、業務邏輯層和表現層。數據服務層是對系統中的各類數據資源進行管理和存儲，包括對監測數據的自動采集和基礎信息的人工錄入;業務邏輯層是信息的匯集、處理和交互中心，利用中間件作為支撐，建立業務應用與數據庫之間的高效連接，實現客戶機與服務器、服務器與服務器間的連接和通信。

　　表現層主要為用戶提供可視化及可操作的界面，為滿足管理需求系統設計了數據采集子系統、數據分析子系統、動態監測子系統、監督管理子系統和移動端子系統。系統選用簡潔的BOOTSTRAP作為前端開發框架，界面的編寫語言為HTML、CSS、JAVAS-CRIPT，這樣可以快速完成前端界面的搭建，為用戶提供界面交互友好、易于操作的業務系統。

　　1.2數據庫設計

　　系統選用SQLServer2012數據庫平臺，按照系統的業務需求，將數據庫分為基礎數據庫、監測數據庫、業務數據庫、空間數據庫、多媒體數據庫。根據建立的概念模型將實體轉換成對應的表結構，標識屬性轉為主碼，其他屬性轉為表字段，最終完成概念模型到物理模型的轉換，建立各類數據信息表[6]。

　　系統建立的數據表包括農村污水處理設施基礎信息表，在線監測設備基礎信息表，實時監測數據表，鼓風機、提升泵工作狀態信息表，水質超標數據表，在線監測設備數據接收異常表，巡查任務表，運維記錄表，資金核算管理表等。根據系統數據采集需求，每個污水處理站每15min上報1次監測數據，1天24h內790處污水處理站實時傳送約45萬條數據，照此估算1個月系統的數據量約1350萬條。

　　系統中需存儲至少3年的數據信息，大量的數據會給系統正常運行帶來很大的負擔，可能會造成響應速度變慢，甚至系統崩潰的后果。因此系統基于輕冗余概念、冷熱數據分離技術以及表分區優化方法對平臺的數據庫結構進行優化。冗余字段可有效減少數據庫表的連接，合理的冗余可以分散數據量大的表的并發壓力，也可加快特殊查詢的速度[7]。

　　在實際應用中，在關聯數據較多的信息查詢模塊，通過適當增加數據庫冗余量，減少數據信息在數據庫中的關聯表數目，從而提升查詢效率。在歷史監測數據查詢功能中，由于歷史表里的數據量巨大，存儲空間受到極大壓力。通過表分區優化，將數據庫中大數據量表在物理上進行分區存儲，而在邏輯上這些數據仍存儲于同一張表中[8]。這樣既提升了數據查詢速度，也解決了存儲空間受限的問題。

　　1.3數據交換服務

　　本系統的建設是為了更好地服務于市、區兩級農村污水處理設施管理工作。利用數據交換平臺，實現基于不同操作系統、數據庫等建立的各類系統之間的數據共享，為跨部門的信息資源交換與共享提供信息化基礎服務[9]。

　　數據交換平臺是建立在SOA體系架構基礎上的，以XML作為系統之間數據交換的標準格式，通過WebService接口方式完成適配器和平臺的交互[10]。系統提供內、外網數據交換服務及市、區兩級平臺數據交換服務，以實現多級用戶之間業務報表的傳遞、基礎信息的動態更新、實時數據和業務數據的抓取，保證不同平臺內數據信息保持同步更新。

　　2業務功能介紹

　　2.1數據采集子系統

　　2.1.1數據實時采集

　　依靠各類傳感器對水量、水質、總電耗及鼓風機、水泵運行狀態監測數據進行采集。各污水處理站點采用一點雙發的方式將監測數據通過2G/3G/4G網絡傳輸至市、區兩級數據接收軟件。

　　為響應《北京市農村污水處理和再生水利用設施運營考核暫行辦法》(京水務排[2016]142號)中的要求，對日處理規模100m3以下的污水處理設施，監測其水量和總電耗情況;對日處理規模在100～500m3的設施需加裝視頻監控;對日處理規模500m3及以上還需對鼓風機提升泵等設備進行監控。根據北京市污水處理設施管理的業務需要，監測頻率設定為15min/次。

　　2.1.2通信協議編制

　　由于各區農村污水處理設施均自行承建，存在自動監測設備品牌型號不一致的問題。為保證監測設備均能將監測數據正確地傳輸至數據接收軟件，需編制污水處理設施運行監測系統中遙測站與中心站之間的數據通信協議。參考對市場主要傳輸設備的調研成果及項目數據要求編制項目通訊協議。該協議規定了報文編碼結構，明確了報文正文、要素編碼組合、單幀報文長度要求，以及監測站編碼、功能碼、編碼要素及標識符等規定，同時設定了預留自定義區的擴展定義，確定上下行報文幀結構等。

　　2.1.3數據接收軟件

　　數據接收軟件主要包括監測數據接收、基礎信息管理、上報情況統計分析、監測數據查詢、運行參數設置等功能。數據接收軟件獲取實時監測數據后，按照一定的結構對數據進行分類存儲和初步分析，檢查數據的完整性和正確性。除實現水量、電量等實時監測數據的查詢外，還可對RTU、流量計、水質分析儀、電量采集等農村污水處理設施在線監測設備是否正常運行進行監測，對鼓風機、水泵是正常運行、停運還是故障進行監測。

　　2.2數據分析子系統

　　系統建立農村污水處理設施電子信息檔案，匯集大量數據，實現分散設施信息的集中管理。開發了具有開放的、強大的、可自由定制的查詢和統計功能，可根據用戶的業務需求對管理的數據信息進行綜合查詢和聯動分析。系統首頁對農村污水處理設施在線監測站點上線情況、污水處理量情況、巡查情況、報警數據等進行綜合展示，讓用戶能夠對全市農村污水處理情況進行整體掌控。

　　通過聯合分析水量、電量數據，判斷不同處理工藝的污水處理設施的運行規律及處理效率。系統對異常數據進行單獨存儲，整合巡查過程中不合格站點數據和系統報警數據，分析污水處理設施易故障類型及設備耗損情況的季節性特性。

　　2.3動態監測子系統

　　2.3.1在線監測

　　系統匯集了原有及新建的各污水處理設施的監測數據，包括水量監測數據、水質監測數據、電量監測數據等，可實現污水處理設施實時和歷史監測數據的快速查詢。根據數據類型，對日數據、月數據、季度數據及年度數據以曲線圖的方式展示其變化趨勢，并生成對應的數據報表。

　　2.3.2視頻監控

　　為更好地監管農村分散污水處理設施，加強各污水處理站點的安防工作，處理規模100t/d以上的設施安裝有視頻監控。系統集成了各區不同視頻廠家提供的OCX控件，獲取污水處理設施的設備間、廠站以及出水口位置的視頻監控信息。并利用云臺技術進行遠程操控，實現攝像頭視角切換以及變焦等操作。

　　2.3.3實時報警

　　當污水處理設施的提升泵、鼓風機發生故障，或是系統不能正常獲取污水處理設施水質、水量監測數據時系統會推送報警信息，通知運維人員對設備進行及時搶修。當水質超出設置的閾值時，系統也將推送報警信息，告知設施管理單位及時對超標原因進行排查。

　　2.4監督管理子系統

　　2.4.1協同管理

　　系統連接市級平臺、區級平臺以及運營管護單位之間的業務工作，將整改、督辦任務在系統中流轉完成，通過定制的電子表單以及任務流程，完成信息的傳遞，實現業務信息上報、任務下達及其他相關無紙化辦公功能。系統對任務進展進行動態更新，用戶可隨時在系統中查看和跟進任務進度。業務協同流程主要包括督辦和整改流程。

　　系統發出報警信息后，市級用戶下達督辦任務，區級用戶接到督辦任務后督促運營(運維)單位排查故障，故障處理結束后運營(運維)單位向區級用戶反饋處理結果，區級再向市級反饋，最后形成完整的事件記錄，結束該事件督辦流程，形成事件的閉環管理。運營(運維)單位日常運維工作的巡檢和運維記錄也上傳系統，供市、區兩級用戶隨時查看。

　　2.4.2經費補貼核算

　　按照《北京市農村污水處理和再生水設施運營考核暫行辦法》(京水務排[2016]142號)，水行政主管部門需根據污水處理設施整體環境、運行情況、管理制度建設、運行管理人員、監測數據、設施維護等情況核算各區獎補資金。系統嵌入補償金計算數學模型，自動計算補償金額。同時追蹤獎補資金的發放計劃及落實情況，輔助用戶完成對各區污水處理設施運營狀況的監督與考核，督促各區合理利用經費，實現農村污水治理效益最大化。

　　2.5移動端子系統

　　設計移動客戶端以滿足污水處理設施監管人員在戶外辦公的實際需求。用戶利用手機即可實現對歷史數據及實時數據的快速查詢，及時獲取報警及任務信息。在移動端加載地圖導航功能，系統能在獲取農村污水處理站點位置后自動規劃巡查路線。運維人員能隨時隨地通過移動客戶端記錄和上報污水處理設施的運維情況，替代原紙質記錄的工作方式。

　　3應用成效

　　農村分散污水處理設施在線遠程監控管理系統已投入到農村污水處理設施的監管工作中。系統的建設供管理和運維人員遠程查看各農村污水處理站的運行情況及監測數據，實現污水處理站無人值守，節省了人力和交通成本。其主要成效包括：

　　(1)系統建設完成后，可代替人工完成報表整理及文件轉送等工作，大程度提升管理人員工作效率，降低了管理工作中的溝通成本。

　　(2)在完成信息化建設工作之前，管理單位收集的水量、水質監測數據信息源單一，不能很好地滿足水量考核辦法要求。現各區通過區級平臺上報數據，系統自動對比在線監測數據和上報數據，為補償金計算模型提供數據支撐。

　　(3)管理單位利用系統實現農村污水處理設施的統一管理，掌握其整體運行狀況，能夠便捷地獲取各類數據，方便對污水處理設施重要監測數據進行深度分析，為下一步工作計劃的制定提供依據。

　　4結論

　　利用通訊網絡、數據庫優化、數據交換等技術，結合北京市農村分散污水處理設施行業監管單位的實際業務需求，建立了集動態監測、預報預警、監督管理、統計上報為一體的農村分散污水處理設施在線遠程監控管理系統，有效實現農村排污設施的精細化管理。該系統的建設不僅能夠全面提升對農村污水處理設施的監管水平，還大幅度降低了人力、物力及業務管理成本。同時根據業務管理需求進行聯合分析，提供多維度的數據分析功能，為管理者制定更為科學的農村污水整治策略提供技術支撐，為保障農村水生態環境安全提供決策支持。

　　參考文獻

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　　相關刊物推薦：《水電能源科學》由教育部主管，中國水力發電工程學會、華中科技大學主辦，國內刊號CN：42-1231/TK;國際刊號ISSN：1000-7709，郵發代號38-111。雜志為全國中文核心期刊(2008版，水利水電類核心期刊排名第6)及中國科技核心期刊，也為華中科技大學D類期刊之一。