电厂智慧环保岛中智慧生产信息管理系统的设计与运用

中国华电科工集团有限公司 张炜 郝正 魏立超 付海鹏 王晓 张小兵

智慧环保是互联网技术和传统环保互相融合发展所产生的新事物，可以实现环境数据和信息的快速存储传输和全方位感知，具有紧急事件科学智能决策等功能。为全面提升我国环境治理能力，应该进一步提高监测数据精度，有效整合环保信息，加大数据融合力度，提升应急决策能力。为了全面落实环保要求，加快生态文明建设步伐，应该构建脱硫脱硝智慧环保岛，以提高企业环境综合治理能力。

在智慧环保岛的构建过程中，智慧生产信息管理系统是其中十分重要的子系统[1]。通过智慧生产综合运营平台，可以集成脱硫脱硝的环保设备指标、物耗能耗数据；
建设脱硫脱硝环保数据管理平台，可以实现数据资源共享。运用人机协作进行智能巡检，可提升环保管理智能化和信息化水平，降低环保管理成本，达到企业物联网与互联网有机融合，促进传统环保向智慧环保转化。

智慧生产信息管理系统最终目标是建设一个全企业级的环境信息化数据综合管理平台，是智慧环保岛建设的重要部分，其功能包括环境指标统计分析管理、环境异常预测提示、环保能物耗管理、环保过程智能管控、人机协作智能巡检、环保成本核算等。智慧生产信息管理系统功能架构如图1所示。

图1 智慧生产信息管理系统功能架构

本系统Web 端基于B/S 架构、Hadoop 平台开发。采用Mybatis+Spring、Boot+Shiro 框架技术建立Web应用体系。Mybatis框架应用于数据持久化领域并达到数据表的对象化，便于程序直接操作数据表[1]。调用框架中Statement,SessionFactory等组件构建事务处理体系，增强数据管理灵活性。运用Spring Boot 框架，调用控制器、过滤器组件实现对各类请求的控制，增强数据访问安全性。

3.1 环保指标统计分析模块

该模块包含环保运行负荷信息、各类污染物排放总量、产污设施统计分析、污染物排放实时监测、污染物排放小时均值、环保指标超标统计、减产减排统计分析、设备状态统计、环保指标预警信息等功能。

在对上述环保指标的分析中，运用模糊二阶段算法对环保指标进行分类，在指标训练集和数据集中提取系统的输入变量的特征集，划分数据样本，训练样本的模糊识别矩阵，通过模糊识别算法进行环保指标分析。假设训练集的输入和输出已确定，P代表训练集，式（1）表示输入和输出对的语言变量升序排列。

利用公式（2）和（3）计算相似矩阵。其中δ为常数。

则利用公式（6），（7）计算（δx,δy）

式（6）、式（7）中，x1，m代表整体指标样本数据中首个输入变量的最大值，在构建数量为样本数据间的相似关系的基础上获取代表相似矩阵，从而进一步获取模糊聚类中心矩阵，取得该测试样本的最优模糊识别矩阵，从而输出聚类分析结果。

3.2 环境异常预警模块

本模块可以实时处理环境异常记录，保证脱硫脱硝过程安全高效。环境异常预警功能模块实时监督设备重要指标，参数达到限值时，自动报警，之后自动分析，给出结论。系统首先对各重要环保指标超限情况进行统计，分为自动分析和人工辅助分析。现场建设监控系统具体包括脱硫旋流器溢流、输灰管道泄漏的视觉识别等，建立图像模式识别模型。当发生安全问题时，系统及时发出报警并显示具体位置、图像[2]。

环境异常记录功能模块可查看填写异常信息，可以根据创建时间、事件类型、监测点名称检索环境异常记录，并掌握环境异常事件审核进度。

3.3 环保物耗管理模块

该模块功能包括物耗分析控制、物耗统计、物耗报表管理。系统从历史工况数据中查找相近工况下满足达标排放的物耗最低点，作为脱硫、脱硝剂等物耗量控制的参考。

系统展示一段生产周期内所需的物料量、物耗量同比和环比以及变化趋势，呈现物耗排名。据时间统计物耗状况，展示所选监测点在特定时段的物耗数据，导出为报表。系统可进行物耗优化。比如通过控制石灰石浆液泵流量，减少物耗量；
通过调控喷氨调节阀开度，计算喷氨流量，减少脱硝反应器喷氨量，并获得理论曲线作为运行参考。

脱硫物耗优化方法：第一，抽取脱硫装置影响供浆流量的历史数据，经标准化清理，导入Hadoop平台；
第二，运用大数据分类算法，对数据按机组负荷、出入口SO2浓度等分类；
第三，寻找出各工况最优值，形成运行库；
第四，按照实时数据，对运行库进行工况匹配，得到最优给浆流量；
第五，采用机器学习算法，定期更新优化库。系统显示设计曲线，优化曲线，实时曲线。

脱硝喷氨优化方法：第一，抽取脱硝喷氨历史数据，包括全部工况，经标准化清理后，导入Hadoop平台；
第二，运用大数据分类算法，对数据按机组负荷、出入口NOx 浓度等详细分类，区分工况；
第三，寻找出各工况最优值，形成运行库。第四，按照实时数据，对运行库进行工况匹配，得到最优喷氨流量；
第五，采用机器学习先进算法，定期更新优化库，实现较强自适应能力。显示设计曲线，优化曲线，实时曲线。

3.4 环保能耗管理模块

本模块功能包括能耗分析控制、能耗统计等。通过报表管理对环保能耗进行统计。根据当前工况，从历史数据中寻找相近工况下满足达标排放的设备状态，作为控制参考。能耗统计针对固定时间内不同区域耗能量，呈现用能环比和同比以及变化趋势。按照时间计算能耗状况，体现所选监测点在固定时间段能耗数据，导出数据报表。报表模板定义时，通过自定义SQL，生成数据源模板，实时获取数据，管理报表。能耗数据汇总主要包括能耗类别、耗能时间，各环节耗能量以及能耗总量。

能耗优化实现需要循环泵等设备启停，也需要根据脱硫浆液罐情况调整设备启停，根据给水量，给料量调节电流[3]。具体实现方法如下：

第一，步骤与脱硫优化相同，记录不同工况下设备运行状态；
第二，根据实时数据，在优化运行库中进行工况匹配，展现设备能耗最优状态；
第三，运用机器学习算法，定期更新运行库。显示设计曲线，优化曲线，实时曲线，提供设备能耗优化指导。

3.5 人机协作智能巡检

采用智能巡检机器人系统，综合运用图像识别、无线通讯等技术，搭建数字化、可视化、智能化的操作及远程诊断交互平台，将AI技术运用于环保管理，提升工作效率[4]。智能巡检系统整体架构如图2所示。

图2 智能巡检系统整体架构

巡检机器人运用红外热成像和高清视频双视技术，准确识别环保设备状态，及时发现设备缺陷。机器人监控后台通过场内通信系统，与机器人双向信息交互；
实时掌握机器人回传的环保设备和机器人本体数据[4]。通过远程管理平台，实时管理多台机器人，提供决策依据。

基于红外热成像设备温度诊断，机器人行进过程中，采集处理温度数据，与设备、管道相关联，存储进数据库[4]。对特定点采集声音，在三维模型中拾取设备或者管道，查看区域声音信息。通过智能视频分析算法，诊断设备环境异常。各类表计、指示灯等状态读取，自动识别异常。配置高精度传感器，在巡检路线中实时发现异常气味，及时发出报警。通过智能视频、图像分析算法进行设备污损、漏油漏液等状态检测。巡检过程中，机器人发回现场实时图像。出现紧急情况，远程操控机器人到指定区域巡视。机器人在巡检周期内，自动完成巡检，将数据传输给服务器。

智能巡检系统支持不同时间段巡检计划，根据管理需求灵活设置。实时记录巡检工作情况，巡检记录储存在云端，管理人员可以通过终端随时查看。系统支持多种方式（文字、语音、图片）上报巡检情况，发现异常及时上报，保障安全。

3.6 生产及环保成本分析核算

根据生产特点，按发电、脱硫脱硝工艺流程分步计算生产及环保处理成本，制定脱硝、脱硫经济性指标。通过利润测算，进行风险预测，系统支持基于收入、成本参数进行利润分析的模型预测方法。以实时系统和计量设备采集成本核算数据，动态管理。根据原材料修正月度、年度成本统计基础数据，修正生产、环保管理成本。

系统提供多种固定成本分配标准。灵活设置生产成本、环保管理费用等计算信息。自动计算发电及环保处理成本，并将费用自动分摊到各环节，自动计算成本，展现成本分布情况。通过曲线和报表形式分析生产产量与单位成本间关系，分析成本构成、固定成本、投入产出分析，为预测成本提供依据。分析各类成本比例，同期成本比较；
分析生产、环保成本构成，增加经济效益。提供各环节成本结构分析，筛选需着重进行成本控制的项目。比较分析实际成本与预算成本，展示不同期间各成本变化趋势，将历史成本数据作为成本决策指导。

随着环保管理系统建立与改进，企业环保管理正在向信息化、智能化发展。打破信息孤岛，建设统一环境数据中心即智慧环保岛，使用物联网技术，突破多源复杂的数据流集成技术，全方位整合环境业务和空间数据，建立监测、管理于一体的数据库。将环境管理与实时在线信息融合，在统一的环境综合管理平台内实现多功能应用。建立生产及环境成本分析核算模型，指导企业生产经营，对于环境管理成本进行计算分析和指标评价，为环境管理提供指导性建议，达到经济和环保效益双赢。