大數(shù)據(jù)技術(shù)在污水處理運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用論文
內(nèi)容摘要：“互聯(lián)網(wǎng)+”經(jīng)濟(jì)模式的大量應(yīng)用，促使著大數(shù)據(jù)技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的開(kāi)發(fā)利用。其中大數(shù)據(jù)在污水處理運(yùn)營(yíng)中的實(shí)際運(yùn)用不僅促進(jìn)污水處理領(lǐng)域的自動(dòng)化和智能化發(fā)展，也實(shí)現(xiàn)了污水處理工藝參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸以及故障報(bào)警等功能，并為企業(yè)提高污水處理質(zhì)量、降低能源損耗和污水處理運(yùn)營(yíng)成本提供強(qiáng)有力的支持。但如何保證大數(shù)據(jù)在污水處理運(yùn)營(yíng)中的合理化運(yùn)用是目前研究的難點(diǎn)問(wèn)題。本文主要闡述了污水處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程中大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，并對(duì)大數(shù)據(jù)在污水處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用以及存在問(wèn)題進(jìn)行合理分析，以期為大數(shù)據(jù)在污水處理運(yùn)營(yíng)中的合理運(yùn)用提供一定的參考意見(jiàn)。
關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);污水處理;模型;檢測(cè)
一、污水處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程中大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)
(一)大數(shù)據(jù)的基本特征。大數(shù)據(jù)通常是指數(shù)據(jù)數(shù)量巨大到常用軟件不能及時(shí)有效處理分析以及管理的信息集合，其是大量數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、分析、管理、挖掘與運(yùn)用的新技術(shù)體系。大數(shù)據(jù)的特征可以歸納為以下四點(diǎn):一是數(shù)據(jù)量巨大，這是大數(shù)據(jù)的基本屬性和特征，該特征不僅表現(xiàn)為數(shù)據(jù)自身的大小，同時(shí)也說(shuō)明處理數(shù)據(jù)的方式由傳統(tǒng)的單一個(gè)體處理轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾降脑破脚_(tái)處理。二是數(shù)據(jù)具有多樣性，這是大數(shù)據(jù)的重要特性之一，具體表現(xiàn)為數(shù)據(jù)種類(lèi)復(fù)雜多樣。這種多樣性可從多方面、多角度解釋事物屬性，同時(shí)也可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度。三是數(shù)據(jù)處理速度快，這是大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)海量數(shù)據(jù)處理的重要區(qū)別。這是由于相關(guān)技術(shù)支持，使得大數(shù)據(jù)處理速度快，可以快速對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。四是單一數(shù)據(jù)價(jià)值低，這是大數(shù)據(jù)的基本特征。為了得到事物更多的細(xì)節(jié)，通常需要采集大量的原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的單獨(dú)個(gè)體價(jià)值低，但整體數(shù)據(jù)的價(jià)值高。
(二)污水處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程中大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。污水處理過(guò)程是一個(gè)較為復(fù)雜的工程，與其他金融、電力和生物等領(lǐng)域相比，大數(shù)據(jù)應(yīng)用具有不同的特點(diǎn)。其特點(diǎn)可以歸納為以下五點(diǎn):一是數(shù)據(jù)量大且耦合性強(qiáng)，通常使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)污水處理運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，需定時(shí)采集系統(tǒng)的變量以及各設(shè)備狀態(tài)，保證正常的系統(tǒng)狀態(tài)顯示和控制。同時(shí)也需要大量的重復(fù)性和冗余數(shù)據(jù)測(cè)量，長(zhǎng)期進(jìn)行測(cè)量使得這些數(shù)據(jù)的數(shù)量相當(dāng)巨大。同時(shí)污水處理的正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)需要許多變量進(jìn)行相互協(xié)調(diào)作用，各變量間的耦合性較強(qiáng)并具有非線性關(guān)系。二是干擾因素多，不確定性大。污水處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，其工作環(huán)境較為復(fù)雜，常受到電、磁、噪聲等多因素干擾，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)存在著不確定性，進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)的數(shù)據(jù)易受污染。三是動(dòng)態(tài)性和類(lèi)型多樣性，污水處理運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的各種變量的數(shù)值是實(shí)時(shí)變化的，這是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡的具體表現(xiàn)。通過(guò)系統(tǒng)變量數(shù)值的變化監(jiān)控可以有效預(yù)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和變化趨勢(shì)［1］。而采集的數(shù)據(jù)類(lèi)型具有多樣性，如數(shù)值型、非數(shù)值型和邏輯型等。四是多時(shí)標(biāo)性和不完整性，這是由于整個(gè)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的復(fù)雜性使得各種變量的變化程度和快慢存在差異，導(dǎo)致采集信號(hào)的頻率不同，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)采集時(shí)間的不同步性。在數(shù)據(jù)記錄過(guò)程中，這種多時(shí)標(biāo)性和不完整性可能引起部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不完整。五是多模態(tài)性，數(shù)據(jù)是系統(tǒng)狀態(tài)變化的重要體現(xiàn)，而污水處理運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)包括正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、各種異常狀態(tài)和故障狀態(tài)的數(shù)據(jù)，這些狀態(tài)數(shù)據(jù)是污水處理正常運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的重要保障之一［2］。同時(shí)污水處理過(guò)程中，也需對(duì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)、能耗以及環(huán)境影響等參數(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)收集，而這些指標(biāo)中，一些指標(biāo)的分析周期較長(zhǎng)，如BOD5，其采集的數(shù)據(jù)量較少，需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行積累。
二、大數(shù)據(jù)在污水處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用
(一)大數(shù)據(jù)污水處理模型。污水處理系統(tǒng)具有高度非線性和時(shí)變性，其復(fù)雜程度超出正常人類(lèi)的直覺(jué)范圍，而數(shù)學(xué)模型的使用雖然不具備嚴(yán)格的'科學(xué)性，卻是污水處理較為有效的方法。而數(shù)學(xué)模型的建立需要大數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)，而大數(shù)據(jù)的巨大數(shù)據(jù)量、種類(lèi)多樣性可以有效保證合理化數(shù)學(xué)模型的實(shí)際應(yīng)用。大數(shù)據(jù)對(duì)污水處理模型的作用可以表現(xiàn)為以下兩點(diǎn):一是數(shù)據(jù)篩選功能，污水處理模型作為污水處理過(guò)程的相關(guān)體現(xiàn)，可有效描述和預(yù)測(cè)污水處理的具體現(xiàn)象，可通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)多樣性和流量的波動(dòng)性進(jìn)行有效篩選，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理模型的簡(jiǎn)化和優(yōu)化處理。而常用的污水處理模型主要包括機(jī)理模型和黑箱模型兩類(lèi)，其中機(jī)理模型，也稱(chēng)白箱模型，其主要建立在物料平衡微分方程組的基礎(chǔ)上。而黑箱模型則主要考慮污水處理輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并隔離物理、化學(xué)或生物過(guò)程等因素影響。二是模型優(yōu)化校核方法，大數(shù)據(jù)可用于對(duì)污水處理過(guò)程模型進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化校核方法，同時(shí)利用大數(shù)據(jù)種類(lèi)的多樣性特點(diǎn)，其也可應(yīng)用于過(guò)程經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托：朔椒ǎ鶕?jù)BIOMATH準(zhǔn)則、STOWA準(zhǔn)則、HSG準(zhǔn)則和WEＲF準(zhǔn)則的相關(guān)要求，對(duì)被校核模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)校核［3］。
(二)大數(shù)據(jù)污水處理仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)的建立需要Simulink軟件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模型的轉(zhuǎn)換，并利用Borland軟件開(kāi)發(fā)相應(yīng)的上位系統(tǒng)，再通過(guò)UML設(shè)計(jì)思想完成系統(tǒng)需求分析與設(shè)計(jì)。而仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)是大量的原始數(shù)據(jù)建立的合理化數(shù)學(xué)模型。通過(guò)大數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型的聯(lián)合應(yīng)用可以建立大數(shù)據(jù)污水處理仿真系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一是通過(guò)仿真系統(tǒng)計(jì)算分析可節(jié)省污水處理項(xiàng)目的投資成本和設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用。二是仿真系統(tǒng)可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，對(duì)不同的控制工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而有效提高污水處理效率。三是對(duì)污水處理建筑物和設(shè)備等尺寸以及整個(gè)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境效益。四是通過(guò)仿真系統(tǒng)實(shí)際模擬污水處理工藝的相關(guān)操作流程，可用于污水處理工作人員的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)。大數(shù)據(jù)主要用于污水處理仿真系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)庫(kù)、控制數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。其中仿真數(shù)據(jù)庫(kù)主要是各種進(jìn)出水指標(biāo)�？刂茢�(shù)據(jù)庫(kù)包括實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)、時(shí)間和內(nèi)容等信息。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息，信號(hào)通道和相關(guān)信息技術(shù)等信息。同時(shí)這種大數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)具體可應(yīng)用于污水量的非線性動(dòng)力學(xué)分析和短時(shí)預(yù)測(cè)，污水處理異常征兆模式研究以及活性污泥工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。
(三)大數(shù)據(jù)污水處理管理云平臺(tái)。大數(shù)據(jù)污水處理管理云平臺(tái)主要使用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)污水處理運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸，并通過(guò)數(shù)據(jù)匯集傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳到管理云平臺(tái)，其中使用的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集裝置主要是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在線傳感器以及工業(yè)無(wú)線傳感器。大數(shù)據(jù)污水處理管理云平臺(tái)包括多種數(shù)據(jù)分析處理模型，可對(duì)污水處理系統(tǒng)制定相應(yīng)的指標(biāo)限值和超標(biāo)處理方案。該平臺(tái)還可對(duì)上傳的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)、匯總、比較和分析，從而得到分析結(jié)果并傳送給運(yùn)營(yíng)企業(yè)客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)污水處理狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。當(dāng)管理云平臺(tái)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常或超出指標(biāo)限值時(shí)，該平臺(tái)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并將相關(guān)信息及時(shí)反饋給相關(guān)部門(mén)報(bào)備，同時(shí)管理云平臺(tái)根據(jù)異常處理或超標(biāo)處理方案遠(yuǎn)程指導(dǎo)工作人員進(jìn)行相應(yīng)的操作，保證問(wèn)題處理的時(shí)效性。管理云平臺(tái)可通過(guò)大數(shù)據(jù)計(jì)算分析得到污水處理的最佳工藝運(yùn)行控制參數(shù)，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)處于最優(yōu)工況，進(jìn)而提高污水處理效率。河南大河工業(yè)水處理大數(shù)據(jù)云平臺(tái)是目前應(yīng)用較好的大數(shù)據(jù)污水處理管理云平臺(tái)之一，其可以提高污水綜合利用率，降低故障停機(jī)頻次，提高相關(guān)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。同時(shí)其可有效降低人工成本30%以上，并減少藥劑、耗材等材料費(fèi)用20%～30%，實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)營(yíng)成本降低30%以上。鄉(xiāng)村水處理集中運(yùn)維管控云平臺(tái)主要服務(wù)于各類(lèi)鄉(xiāng)村污水處理廠，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鄉(xiāng)村污水處理設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、移動(dòng)巡檢管理和故障報(bào)警等云服務(wù)，該平臺(tái)既可以有效采集鄉(xiāng)村污水處理的大數(shù)據(jù)，也為鄉(xiāng)村污水處理的工藝選擇、條件優(yōu)化和設(shè)備篩選提供必要的數(shù)據(jù)支持。
三、污水處理中大數(shù)據(jù)應(yīng)用存在的問(wèn)題
從大數(shù)據(jù)在污水處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，在污水處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，大數(shù)據(jù)應(yīng)用可有效降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，促進(jìn)污水處理效率提高以及保證污水處理質(zhì)量，但是大數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用存在某些問(wèn)題也在一定程度上限制著其大規(guī)模應(yīng)用。一是信息安全性問(wèn)題，大數(shù)據(jù)的實(shí)際使用過(guò)程中，需將污水處理數(shù)據(jù)傳送給相關(guān)的用戶(hù)、軟件以及各種設(shè)備，在這個(gè)過(guò)程中易造成關(guān)鍵技術(shù)信息的泄露，特別是大量未授權(quán)用戶(hù)使用大數(shù)據(jù)信息。二是數(shù)據(jù)完整性問(wèn)題，在污水處理大數(shù)據(jù)的采集和傳輸過(guò)程中，易遭到未授權(quán)的增加、修改和刪除等操作，這些操作可能破壞大數(shù)據(jù)的完整性，使得一部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。三是大數(shù)據(jù)系統(tǒng)拒絕服務(wù)的問(wèn)題，這種拒絕服務(wù)可能是大量的非授權(quán)訪問(wèn)超出大數(shù)據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷，進(jìn)而使得大數(shù)據(jù)系統(tǒng)資源不能被利用，也可能是大數(shù)據(jù)系統(tǒng)由于未授權(quán)操作造成的邏輯或物理上被破壞，造成系統(tǒng)的拒絕服務(wù)。目前，隨著大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用、技術(shù)升級(jí)和管理水平的提高，這些問(wèn)題正在逐漸得到解決。四、結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)污水處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程中大數(shù)據(jù)特點(diǎn)的闡述，以及大數(shù)據(jù)在污水處理運(yùn)營(yíng)過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用和存在問(wèn)題的分析可看出:隨著大數(shù)據(jù)在污水處理運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，污水處理運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平得到相應(yīng)提高，有效降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本，并通過(guò)合理化的數(shù)學(xué)模型加強(qiáng)對(duì)污水處理機(jī)理的深入研究，進(jìn)而保障污水處理運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和污水處理效率。但是大數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用還存在一些問(wèn)題，這也在一定程度上限制著大數(shù)據(jù)的大規(guī)模應(yīng)用，而隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展完善，這些問(wèn)題也會(huì)得到相應(yīng)解決，大數(shù)據(jù)在污水處理領(lǐng)域的前景將會(huì)更加廣闊。
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