农村生活污水处理设施具有数量多、分布广、规模小的特点, 由于经济条件限制及环境保护意识的薄弱, 我国农村大部分地区现有的污水处理设施较为简陋或不能正常运行^[1]。为全面提升农村污水处理水平, 改善北京市农村污水处理设施运行状况不佳的现状, 北京市新建和升级了大批农村污水处理设施。面对众多分散建设的农村污水处理设施, 现有的监管水平已无法满足业务需求, 亟需采用信息化手段对农村污水处理设施进行集中监管, 为设施的稳定运行提供保障。

目前信息化系统已被陆续应用到农村污水处理设施的管理中。刘佳滢等^[2]建设了一种基于Cortex-M0内核单片机以及GPRS技术的农村污水远程监测系统, 并优化硬件设施, 提升了信号传输的稳定性。冯艳丽^[3]设计的农村污水远程监控系统选用PLC作为核心控制器来实现监测数据的采集与处理, 独立设计实时数据库系统, 保证监测数据的及时性及准确性。胡凯等^[4]设计的农村污水远程监控系统能够远程调控设施的参数配置, 实现站点无人值守。目前建设的农村污水监测系统侧重于准确获取分散污水处理设施的监测数据, 有效实现对分散污水处理设施的远程在线监管以及污水处理站点的全自动运行, 完成基本的信息管理及统计分析功能, 但在业务数据的综合分析及多级用户业务交互的应用方面还略有不足。

为应对分散式农村污水处理设施监管难题, 采用MVC的开发模式, 基于数据库优化、缓存等技术, 设计并研发了农村分散污水处理设施在线远程监控管理系统。该系统服务于北京市、区水务局、第三方监管单位等多级用户, 以北京市农村分散污水处理设施行业监管单位业务需求为出发点, 着重增强数据综合分析能力及多级用户的协同管理, 最终实现北京市农村污水处理设施的统一监管。为加强全市农村污水处理设施规范运营管护工作, 提高设施运行效率, 保障北京市水环境安全提供技术支撑。

基于物联网技术, 选用高监测频次、高精度的传感器, 通过无线通讯建立传感器、数据采集单元、业务系统、监管人员之间的联系, 实现对农村污水处理设施的全面监管。

系统基于SOA架构, 采用J2EE技术路线, 以通讯网络、数据库优化、数据交换服务等技术为核心, 集动态监测、预报预警、监督管理、统计上报功能为一体的远程监控平台。系统主要采用基于浏览器的B/S模式进行开发, 即浏览器/服务器模式^[5]。整个系统设计分为3个层面, 分别是数据服务层、业务逻辑层和表现层。数据服务层是对系统中的各类数据资源进行管理和存储, 包括对监测数据的自动采集和基础信息的人工录入;业务逻辑层是信息的汇集、处理和交互中心, 利用中间件作为支撑, 建立业务应用与数据库之间的高效连接, 实现客户机与服务器、服务器与服务器间的连接和通信;表现层主要为用户提供可视化及可操作的界面, 为满足管理需求系统设计了数据采集子系统、数据分析子系统、动态监测子系统、监督管理子系统和移动端子系统。

系统选用简洁的BOOTSTRAP作为前端开发框架, 界面的编写语言为HTML、CSS、JAVAS-CRIPT, 这样可以快速完成前端界面的搭建, 为用户提供界面交互友好、易于操作的业务系统。

系统选用SQL Server2012数据库平台, 按照系统的业务需求, 将数据库分为基础数据库、监测数据库、业务数据库、空间数据库、多媒体数据库。根据建立的概念模型将实体转换成对应的表结构, 标识属性转为主码, 其他属性转为表字段, 最终完成概念模型到物理模型的转换, 建立各类数据信息表^[6]。系统建立的数据表包括农村污水处理设施基础信息表, 在线监测设备基础信息表, 实时监测数据表, 鼓风机、提升泵工作状态信息表, 水质超标数据表, 在线监测设备数据接收异常表, 巡查任务表, 运维记录表, 资金核算管理表等。

根据系统数据采集需求, 每个污水处理站每15min上报1次监测数据, 1天24h内790处污水处理站实时传送约45万条数据, 照此估算1个月系统的数据量约1 350万条。系统中需存储至少3年的数据信息, 大量的数据会给系统正常运行带来很大的负担, 可能会造成响应速度变慢, 甚至系统崩溃的后果。因此系统基于轻冗余概念、冷热数据分离技术以及表分区优化方法对平台的数据库结构进行优化。冗余字段可有效减少数据库表的连接, 合理的冗余可以分散数据量大的表的并发压力, 也可加快特殊查询的速度^[7]。在实际应用中, 在关联数据较多的信息查询模块, 通过适当增加数据库冗余量, 减少数据信息在数据库中的关联表数目, 从而提升查询效率。在历史监测数据查询功能中, 由于历史表里的数据量巨大, 存储空间受到极大压力。通过表分区优化, 将数据库中大数据量表在物理上进行分区存储, 而在逻辑上这些数据仍存储于同一张表中^[8]。这样既提升了数据查询速度, 也解决了存储空间受限的问题。

本系统的建设是为了更好地服务于市、区两级农村污水处理设施管理工作。利用数据交换平台, 实现基于不同操作系统、数据库等建立的各类系统之间的数据共享, 为跨部门的信息资源交换与共享提供信息化基础服务^[9]。数据交换平台是建立在SOA体系架构基础上的, 以XML作为系统之间数据交换的标准格式, 通过Web Service接口方式完成适配器和平台的交互^[10]。系统提供内、外网数据交换服务及市、区两级平台数据交换服务, 以实现多级用户之间业务报表的传递、基础信息的动态更新、实时数据和业务数据的抓取, 保证不同平台内数据信息保持同步更新。

依靠各类传感器对水量、水质、总电耗及鼓风机、水泵运行状态监测数据进行采集。各污水处理站点采用一点双发的方式将监测数据通过2G/3G/4G网络传输至市、区两级数据接收软件。

为响应《北京市农村污水处理和再生水利用设施运营考核暂行办法》 (京水务排[2016]142号) 中的要求, 对日处理规模100 m³以下的污水处理设施, 监测其水量和总电耗情况;对日处理规模在100～500 m³的设施需加装视频监控;对日处理规模500m³及以上还需对鼓风机提升泵等设备进行监控。根据北京市污水处理设施管理的业务需要, 监测频率设定为15min/次。

由于各区农村污水处理设施均自行承建, 存在自动监测设备品牌型号不一致的问题。为保证监测设备均能将监测数据正确地传输至数据接收软件, 需编制污水处理设施运行监测系统中遥测站与中心站之间的数据通信协议。

参考对市场主要传输设备的调研成果及项目数据要求编制项目通讯协议。该协议规定了报文编码结构, 明确了报文正文、要素编码组合、单帧报文长度要求, 以及监测站编码、功能码、编码要素及标识符等规定, 同时设定了预留自定义区的扩展定义, 确定上下行报文帧结构等。

数据接收软件主要包括监测数据接收、基础信息管理、上报情况统计分析、监测数据查询、运行参数设置等功能。

数据接收软件获取实时监测数据后, 按照一定的结构对数据进行分类存储和初步分析, 检查数据的完整性和正确性。除实现水量、电量等实时监测数据的查询外, 还可对RTU、流量计、水质分析仪、电量采集等农村污水处理设施在线监测设备是否正常运行进行监测, 对鼓风机、水泵是正常运行、停运还是故障进行监测。

系统建立农村污水处理设施电子信息档案, 汇集大量数据, 实现分散设施信息的集中管理。开发了具有开放的、强大的、可自由定制的查询和统计功能, 可根据用户的业务需求对管理的数据信息进行综合查询和联动分析。

系统首页对农村污水处理设施在线监测站点上线情况、污水处理量情况、巡查情况、报警数据等进行综合展示, 让用户能够对全市农村污水处理情况进行整体掌控, 如图1所示。通过联合分析水量、电量数据, 判断不同处理工艺的污水处理设施的运行规律及处理效率, 如图2所示。

系统对异常数据进行单独存储, 整合巡查过程中不合格站点数据和系统报警数据, 分析污水处理设施易故障类型及设备耗损情况的季节性特性。

系统汇集了原有及新建的各污水处理设施的监测数据, 包括水量监测数据、水质监测数据、电量监测数据等, 可实现污水处理设施实时和历史监测数据的快速查询。根据数据类型, 对日数据、月数据、季度数据及年度数据以曲线图的方式展示其变化趋势, 并生成对应的数据报表。

为更好地监管农村分散污水处理设施, 加强各污水处理站点的安防工作, 处理规模100t/d以上的设施安装有视频监控。系统集成了各区不同视频厂家提供的OCX控件, 获取污水处理设施的设备间、厂站以及出水口位置的视频监控信息。并利用云台技术进行远程操控, 实现摄像头视角切换以及变焦等操作。

当污水处理设施的提升泵、鼓风机发生故障, 或是系统不能正常获取污水处理设施水质、水量监测数据时系统会推送报警信息, 通知运维人员对设备进行及时抢修。当水质超出设置的阈值时, 系统也将推送报警信息, 告知设施管理单位及时对超标原因进行排查。

系统连接市级平台、区级平台以及运营管护单位之间的业务工作, 将整改、督办任务在系统中流转完成, 通过定制的电子表单以及任务流程, 完成信息的传递, 实现业务信息上报、任务下达及其他相关无纸化办公功能。系统对任务进展进行动态更新, 用户可随时在系统中查看和跟进任务进度。

业务协同流程主要包括督办和整改流程。系统发出报警信息后, 市级用户下达督办任务, 区级用户接到督办任务后督促运营 (运维) 单位排查故障, 故障处理结束后运营 (运维) 单位向区级用户反馈处理结果, 区级再向市级反馈, 最后形成完整的事件记录, 结束该事件督办流程, 形成事件的闭环管理。运营 (运维) 单位日常运维工作的巡检和运维记录也上传系统, 供市、区两级用户随时查看, 如图3所示。

按照《北京市农村污水处理和再生水设施运营考核暂行办法》 (京水务排[2016]142号) , 水行政主管部门需根据污水处理设施整体环境、运行情况、管理制度建设、运行管理人员、监测数据、设施维护等情况核算各区奖补资金。系统嵌入补偿金计算数学模型, 自动计算补偿金额。同时追踪奖补资金的发放计划及落实情况, 辅助用户完成对各区污水处理设施运营状况的监督与考核, 督促各区合理利用经费, 实现农村污水治理效益最大化。

设计移动客户端以满足污水处理设施监管人员在户外办公的实际需求。用户利用手机即可实现对历史数据及实时数据的快速查询, 及时获取报警及任务信息。在移动端加载地图导航功能, 系统能在获取农村污水处理站点位置后自动规划巡查路线。运维人员能随时随地通过移动客户端记录和上报污水处理设施的运维情况, 替代原纸质记录的工作方式。

农村分散污水处理设施在线远程监控管理系统已投入到农村污水处理设施的监管工作中。系统的建设供管理和运维人员远程查看各农村污水处理站的运行情况及监测数据, 实现污水处理站无人值守, 节省了人力和交通成本。其主要成效包括:

(1) 系统建设完成后, 可代替人工完成报表整理及文件转送等工作, 大程度提升管理人员工作效率, 降低了管理工作中的沟通成本。

(2) 在完成信息化建设工作之前, 管理单位收集的水量、水质监测数据信息源单一, 不能很好地满足水量考核办法要求。现各区通过区级平台上报数据, 系统自动对比在线监测数据和上报数据, 为补偿金计算模型提供数据支撑。

(3) 管理单位利用系统实现农村污水处理设施的统一管理, 掌握其整体运行状况, 能够便捷地获取各类数据, 方便对污水处理设施重要监测数据进行深度分析, 为下一步工作计划的制定提供依据。

利用通讯网络、数据库优化、数据交换等技术, 结合北京市农村分散污水处理设施行业监管单位的实际业务需求, 建立了集动态监测、预报预警、监督管理、统计上报为一体的农村分散污水处理设施在线远程监控管理系统, 有效实现农村排污设施的精细化管理。该系统的建设不仅能够全面提升对农村污水处理设施的监管水平, 还大幅度降低了人力、物力及业务管理成本。同时根据业务管理需求进行联合分析, 提供多维度的数据分析功能, 为管理者制定更为科学的农村污水整治策略提供技术支撑, 为保障农村水生态环境安全提供决策支持。