(1）研究基于污水处理厂全流程数字化所必须的高感知检测、精准控制和微循环自控、有线和无线全覆盖高速数据传输网络、微数据中心、传统SCADA结合边缘计算等一体化数字信息技术使污水处理厂成为一个智慧型“生命体”，确保工艺运行稳定正常、出水水质各项指标达标排放、人力物力能耗等成本较低。

(2）研究以数字化驱动的污水处理厂智慧转型发展道路，使工艺处理技术持续改进和优化，工艺运行持续稳定、达标排放，日常运维与定期检修持续改善，设备和设施连续安全可靠运行，运营成本持续降低，以实现最优成本控制下的长期可持续运营。

污水处理厂智慧型“生命体”研究的技术路线是基于污水处理厂的运营特点，结合某“智慧型污水处理厂”（以下简称智慧厂）的设计与建设，综合运用检测、控制、网络、通信、数据库、模型算法等数字化信息技术集成，研究以数字化作为核心驱动力的赋智转型的检测与控制方法、网络化数据流、数据的使用及挖掘应用、智慧化管控平台的搭建等，污水处理厂的数字化赋智框架见图1。

数字化赋智的污水处理“生命体”特征如图2所示。

(1）高感知（触觉）。工艺在线检测分析仪表、视频监控系统与周界报警、危险气体检测仪表、其他感知传感器等。

(2）精准控制和微循环自动控制（协调自治）。基于边缘计算及先进控制策略的精确加药及曝气，以DCS或PLC控制为主的微循环自动控制。

(3）高速数据传输网络（神经）。以太网为主的有线通信、4G/5G为主的无线通信、物联网、信号硬接线等。

(4）智慧型管控中心（大脑）。微数据中心、私有云、动态全流程监控、视频监控、预告预警、智能运维、节能降耗、边缘计算、数据分析挖掘、专家系统等。

高感知是在设计中充分利用最新传感器检测分析技术，基于智慧厂“生命体”的“视”（视频监控）、“嗅”（有毒有害气体检测）、“触”（工艺处理段在线检测分析仪表、MCC/PC电参数信号）等检测监视功能完成。

视频监控设计是在主要工艺处理段、主要设备装置室、变配电间、PLC机柜室、智能监控中心等部位配置摄像头，视频信号上传监控中心监视生产运行状况。对污水处理厂可能释放有毒有害危险气体的装置区，如进水提升泵房、污泥脱水及处置间、臭氧间、厌氧装置等，设计配置H₂S、NH₃、O₃、CH₄等危险气体检测仪表与排风机联动确保人身和设施安全。按照工艺控制条件及PID图设计配置智能型温度、压力、流量、物位、水质分析等检测分析仪表及阀门等执行器，完成工艺过程的有效高感知和自动控制。电气专业设计变配电MCC/PC所有馈电回路通过多功能表检测电参数，信号上传PLC及监控中心。设计RFID识别APP通过扫描现场设备条形码上传相关信息。上述所有系统设计统一组成污水处理厂的高感知神经末梢，是数据获取、传输及处理的基础环节。

污水处理厂“生命体”是一个动态时变的处理过程，为控制主要工艺指标达标排放、节约能源消耗，对其中的关键工艺段研究采用基于边缘计算的数字化精确控制策略。

污水处理厂生化处理单元的鼓风曝气电耗一般占到全厂总电耗的50%以上，研究开发前馈加反馈的先进控制策略，设计生化池DO及风管流量在线检测仪表通过现场MCP的IPC进行边缘计算，通过PLC控制动态变频调节鼓风机出风量和分支风管阀门开度，实现鼓风曝气的按需AVS数字化双闭环精确控制以节约电耗。

为满足污水处理中加药量的准确及时的工艺需求，避免加药波动对工艺运行的不良影响，设计通过现场IPC通过边缘计算并通过PLC动态调整加药泵频率与水质水量联动实现数字化精确控制，动态调频按需加药以节约能耗药耗等运营成本。

设计污水提升泵、污泥回流、自用水、水源热泵等主要微循环耗能设备通过与在线检测仪表联锁通过PLC实现数字化微循环控制水泵变频运行，节约电耗并提高泵站的工作效率。设计对格栅前后的液体位差在线测量，通过PLC预设时间与运行周期等数字化微循环时序控制格栅按需运转节约电耗。

设计污泥处置中主要耗能设备污泥混合器、干燥器、污泥厌氧中温发酵罐搅拌机等采用PLC数字化微循环控制模式实现变频转速调节节约电耗。研究提升泵房、污泥脱水及处置间等采用危险气体检测仪表与通风机联锁通过PLC数字化微循环程序控制，在危险气体超限时自动排除保障人身安全。

研究智慧型污水处理“生命体”高速全覆盖数据传输网络系统，设计构建基于“一天一地”的有线和无线通信网络（见图3）。

有线信号传输：设计连接现场检测分析仪表变送器与PLC的DI/DO/AI/AO等模块通道的信号传输电缆采用屏蔽型。设计连接多功能表、综保装置、智能终端等信号传输采用总线电缆；设计视频数据传输视距离采用同轴或光纤电缆。

设计厂级主干数据传输通讯网络基于传统SCADA系统的以太网构建，设计采用多模光纤连接现场各类DCS/PLC控制站的以太网接口与智慧监控中心交换机。

在远程泵站设计边缘计算单元IPC并配置物联网技术加持的无线4G/5G路由器，通过公用移动无线网络传输数据。

设计采用RFID物联网自动识别读取技术，开发智能带组态操控功能的移动终端APP，采集并无线传输设备巡检、维护、照片等生产现场活动数据辅助智能化运维管控。

基于智慧厂的高感知检测、高效自控系统与全覆盖高速数据传输网络等设计，研究建设智慧管控中心-大脑，并就如下目标开展研究：

(1）基于数字化赋智提高污水处理厂的控制精度及智慧化管控水平，自动监控水质和运行指标，确保工艺运行稳定正常、达标排放。

(2）通过智慧化管控实现工艺处理及运营持续优化，包括人力、能耗、药剂、运维、应急处置等持续改进优化，持续降低运营成本。

(3）实现运维管控的智能化，基于RFID技术实现实时精准的设备状态监控及全面维护保养。基于智能运维系统的自动记录运行时间提示设备轮运、定期检修、设备更换等，应急事故处理及时到位。

对比大数据、云平台、云计算在数据安全、实时性和服务质量的有效控制方面有欠缺，为保障新概念污水处理厂的数据安全和实时服务的有效控制，同时结合独立污水处理厂的数据量较小的特点，研究智慧厂的数据服务平台立足于在自我基础设施上开发部署应用程序，采用微数据中心、私有云、边缘计算的建设模式。设小型实时数据服务器两台，历史数据服务器一台，应用服务器（包括仿真模型、边缘计算等）一台，视频数据服务器单独设立，数据库采用关系型数据库。

污水处理厂的智慧管控应用采用运营技术结合微数据中心、私有云、物联网、互联网、数据库、边缘计算、模型算法等数据存储、分析与挖掘一体化信息集成技术，研究以下方面：

(1）对接网络实现实时数据采集、存储、自动报表及趋势图、远程监视控制、超限报警等基本监控功能，同时将实时检测的数据与历史数据或设计预设阈值进行比较采用边缘计算实现指标的预估预判，计算设备的最佳维修更换时间辅助设备的智能化管理。自动完成污水处理厂单台设备或工艺处理段的原始数据与实时数据对比并通过边缘计算确定最优运行方案。

(2）智能化运维及检修管控，研究设置设备全生命周期静态、动态数据库，通过边缘计算自动计算维护保养、大中小修、置换周期并及时提醒，通过历史数据形成设备故障库协助分析设备故障类型。配置多功能移动终端APP预置工艺组态操控功能，现场通过RFID扫描识别实现定位感知并关联摄像头，在工艺段运行维护时采用APP完成运维数据填报、查看，实时拍照上传信息，并可与中心进行即时呼叫对讲，紧急状况时通过权限设置完成远程操控设备。

(3）智慧化能效管控，建立链接全厂能耗设备的电力PC/MCC系统检测的多功能表、智能综保、智能终端等的电力监控系统，对泵类、风机、臭氧发生、污泥厌氧、沼气发电等主要设备在线监测，使能耗及性能水平清晰可见。依据单机能耗、效率与系统能耗变化进行自动跟踪，发现能源使用最佳方案，评估能源和化学消耗的碳足迹。结合生产指标进行用电分析，形成全厂吨水电耗、关键设备单耗等关键能源指标，同时汇总统计全厂外网购电消耗、新能源发电量等能耗表，汇总成本电能质量分析报表及用能报表，通过边缘计算进行能耗同比及周期对比分析、分时电量分析及单耗电费分析，形成需量预测、峰谷用电优化等节能方案。智慧化能效管控降低了识别能源浪费的技能要求并可实现能源浪费预警。

(4）研究建立智慧型专家系统，根据长期多种类几十座运营水厂的运营数据逐步总结积累构建智慧专家系统，主体思路是利用水厂实时数据和历史数据通过边缘计算发现异常数据进行报警提示，根据异常问题调动专家资源提供异常处理方法指导，显示异常分析的推理路径，跟踪调控结果并验证调控措施的正确性。通过算法模型的研究使用实施工艺数据仿真分析，归纳开发算法仿真模拟工艺处理过程，逐步构建数据-知识-认知-智慧的递进式智慧型专家系统，方便水厂在预报预警及在运营质量、产量、设备、成本等指标的智慧化管控上的分析判断与决策。

以数字化为核心驱动研究建设智慧型污水处理厂“生命体”的理念，在智慧厂的设计建设中得到初步应用并实施，从某“智慧型”污水处理厂投运一年的实际效果看，运营成本中的电耗比传统污水处理厂下降约13%，药耗下降约15%。信息高度融合的智慧化管控在实现稳定运行、达标排放、少人值守、新能源使用、节能降耗、低成本运营、快速反应决策等方面均取得实际效果