摘要：分散式農村生活汙水處理設施點多面廣，執行管理難度較大。針對上述難題，闡述了以物聯網技術和網路通訊技術為核心的分散式遠端監控系統的原理、結構與功能，通過應用案例分析，探討了遠端監控系統在分散式農村生活汙水處理設施日常執行和管理中的特點。實踐表明，遠端監控系統為設施的長效執行和有效監管提供了技術保障，並降低了執行、維護和監管的成本，具有良好的發展前景。

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0引言

由於農居分散，來水水量不穩定，如採用集中處理模式，排水管網及配套的處理設施投資及執行費用較高且管理難度大。與逐年提高的城市汙水處理率相比，農村汙水治理工作任重道遠。我國50%汙染水量來源於農村生活汙水。治理工作不僅是興建汙水處理設施，提高已建設施的執行管理水平，而且將關係到設施是否可以持續發揮汙染物減排的作用。

因此，本文分析了我國農村生活汙水處理模式，針對分散式農村生活汙水處理設施執行管理中暴露的突出問題，利用物聯網和網路通訊技術開發農村生活汙水遠端監控管理系統，以提高運營管理效率，減少執行成本，有效保障設施的正常執行和出水水質的穩定達標。

1農村生活汙水的處理模式

就排水體制而言，許多農村地區尚無排水系統，雨水和汙水沿道路邊溝或路面排至附近水體。建有排水系統或管道的地區，除小部分經濟條件較好的村鎮實行雨汙分流制外，大部分地區採用的是合流制排水系統。

研究表明，對於分散的農村生活汙水，小型處理設施是一種綜合效益尚佳的選擇，是國內外常用的技術手段。和城鎮汙水處理廠一樣，分散式汙水處理設施也有發生故障的風險，直接影響出水水質。農村生活汙水處理設施由於位置分散，技術、裝置、人力和資金方面無法得到保證，無法派駐足夠的人力去監控這些站點的水質及執行情況，更無法及時搶修站點的突發事故，容易出現農村偏遠地帶汙水處理設施出水水質不達標的情況，使得農村生活汙水處理設施在實際執行中的效果並不理想。

在電力、交通、化工、航空航天等領域，廣泛應用分散式遠端監控系統解決分散式設施的管理問題。在環保領域，我國目前成熟的汙水處理監控技術，主要是集中式汙水處理廠的汙水處理過程的實時監控和排程管理，其應用可從簡單的邏輯控制到複雜的分散化控制。而針對農村分散式生活汙水處理設施的監控技術，尚處於起步階段。一方面，農村生活汙水處理工藝多樣，設施的標準化、自動化、一體化水平不高，限制了監控系統的應用；另一方面，遠端監控系統的開發程度、技術水平也參差不齊，進而影響到以遠端監控系統為平臺的長效管理模式與機制研究，不利於各類技術的推廣應用和政府監督管理。

在這種背景下，本文梳理了我國農村生活汙水的處理模式以及適用範圍。針對分散式處理設施的執行和管理難題，通過分析物聯網技術的原理和功能，探討遠端監控系統在分散式農村生活汙水處理設施中的應用及其特點，為設施的長效執行和有效監管提供技術保障，並降低了執行、維護和監管的成本。

2農村生活汙水分散式處理設施遠端監控系統的特點與應用

為了應對上述分散式汙水處理設施管理難題和運營風險，避免處理設施“重建設輕管護”的現象，以物聯網技術和網路通訊技術為核心的遠端監控技術顯示了良好的應用前景，可以極大地提高管理效率。

2.1分散式遠端監控系統的原理與功能

計算機監控技術主要適用於對處於分散狀態的生產過程進行集中監視、控制與統計管理，包括集中式、分散式和分散式3種。當生產或採集現場地理位置比較偏僻、氣候和其他一些條件比較惡劣時，就無法在生產或資料採集現場建立計算機監控系統，這時就需要建立分散式遠端監控系統，通過通訊網路系統對現場的控制系統進行監測控制。目前，常用的通訊網路是GPRS與Internet網路。在GPRS與Internet網路平臺上構建監控系統，可以實現相關裝置資料的無線傳輸，具有可充分利用現有網路、縮短建設週期、降低建設成本等優點，而且裝置安裝方便、維護簡單，是目前國內汙水處理領域遠端監控系統的主要通訊傳輸手段。遠端監控系統有2種類型，一種是現場控制和遠端監控並存，遠端監控系統一般只具有監督功能，利用現場控制系統處理過的資料進行生產過程分析、預測、歸納總結，以便提出新的生產計劃；另一種是生產現場沒有監控系統，將採集的資料送到遠端計算機進行處理，這種遠端監控系統必須很好地處理遠端呼叫中資料在網路上的可靠傳送和實時性問題。隨著GPRS通訊方式的出現，第二種型別的遠端監控系統更加符合分散式汙水處理設施的集中管理需求、適應現場條件。

基於第二種型別的遠端監控系統的原理如下：現場監測層採集的監控資料，通過無線通訊網路傳輸至監控管理伺服器，伺服器對資料進行解析，將正確合理的資料存入資料庫。終端（計算機或者移動裝置）從資料庫取出資料，獲得現場裝置的當前狀態，並根據管理要求對這些監控狀態資料進行處理，實現對裝置的監視與控制。或者也可以將解析後的資料直接傳輸到終端計算機，獲得實時狀態資料，而不經過資料庫的儲存，這樣可以提高系統的實時性。與一般的計算機控制系統相比，分散式控制系統具有高可靠性、開放性、靈活性、協調性、易於維護、控制功能齊全等特點。

該系統的硬體組成結構見圖1，其中安裝在現場的硬體裝置主要是裝置執行狀態監察儀和資料採集儀，遠端監控管理中心的主要硬體裝置是伺服器和終端裝置（計算機或移動裝置）。

遠端監控系統的解決方案主要是分散式汙水處理設施的採集控制方案、設施的採集控制GPRS組網方案和軟體監控方案。對於分散式汙水處理設施的採集控制方案，主要由裝置的控制器、GPRS資料採集儀以及採集監控點構成。對於設施的採集控制GPRS組網方案，主要由接受側和傳送側構成。在傳送側，由現場裝置控制器（PLC，Programmable Logic Controller）採集裝置狀態量，資料採集處理單元通過PLC協議解析，獲得採集量資料，通過資料傳輸單元（DTU）向無線公網IP傳送GPRS資料包或向手機號碼終端傳送簡訊，從而實現裝置側資料採集與傳送功能。在接受側，可以通過手機簡訊服務網路接受狀態量資料，也可以將上述資料傳送至遠端監控中心內部網路伺服器，外部網路通過防火牆VPN技術可以在授權情況下通過Web瀏覽器檢視內部伺服器中顯示的各個處理站點的裝置狀態，並進行相應的管理操作。上述的GPRS組網方案可用圖2表示。對於軟體監控方案，主要是指系統的功能，目前市場上常見的遠端監控系統產品幾乎都包含了以下功能：①利用GPS或GIS系統快速定位汙水處理站點位置，準確展現每個站點的瞬時資料；②對汙水處理站點的資料進行採集、記錄、監測、計算、報警；③可以實現遠端檢視，實時監控站點。

2.2分散式處理設施遠端監控系統的特點

該系統通常由硬體系統（主要有遠端控制櫃，包含不鏽鋼控制櫃、GPRS控制器、工藝控制器、電流檢測、浪湧抑制器、供電隔離等）和軟體（監控系統軟體）系統兩部分構成，具有下述功能與特點。

2.2.1可以實現汙水處理站點全自動執行

全自動執行模式尤其適合分散站點的日常執行，它不需要像常規的汙水處理廠必須配備24 h值班人員跟蹤維護並調整引數，否則點多分散的處理站點將浪費許多人力。全自動執行，對於工藝、裝置和系統都有一定的要求。對裝置來說，需要通過裝置結構和動力設計，保證在通水通電情況下能夠全自動執行；對工藝來說，在進行設計和施工時，對技術引數和執行條件實行PLC全自動控制；對系統來說，它是全自動執行的“大腦”，通過相應軟體功能的開發，確保自動化控制的水平，進而保障設施的執行管理水平。

2.2.2可以實現處理站點無人值守

實現無人值守包括兩方面的含義。一層含義是指裝置執行的無人值守。無論是無動力還是微動力處理裝置，由於實現了裝置電氣化和自動控制，汙水處理現場無需增派人員進行值守，各種引數的配置和調整可在系統中設定，無需現場手動調整；另一層含義是指裝置維護的無人值守。電器裝置的正常執行，是保證設施正常執行的基礎。依靠遠端監控系統，可使分散式裝置的維護問題簡化：一方面系統根據設定的時間定期提醒相應的裝置需要維護，管理人員只需按照提示定期巡檢即可，保證了裝置保養的及時率；另一方面當某套裝置出現執行故障，系統立即報警並通知工作人員進行故障排除和維修，保證了裝置的正常執行，提高了裝置故障的響應率和響應時間。

2.2.3可以實現遠端監控管理

通過GPRS與Internet網路系統，將農村分散式汙水處理站點資料實時傳輸到監控系統，工作或管理人員可以遠端檢視站點現場情況，實時監控裝置執行狀態和進出水情況，實現對系統的統一監控和分散式管理。

由於系統具有遠端控制功能，方便管理者根據現場情況調整設施的執行引數，只需在系統介面中更改設定即可。此外，在加強政府監督管理力度方面，監控系統平臺可以作為執法的有力保障，監控系統可以設定不同的登陸許可權，既有利於將設施展現於行政及環境監察部門的監督之下，也可以將系統納入城市數字化建設的大平臺。

2.2.4可以及時排除站點事故

系統實時監控站點水質、水量以及裝置的執行資料。當出現突發事故時，系統啟動報警程式，按照設定的模式（簡訊、郵件等）通知管理人員；管理人員利用各種終端/遠端裝置通過網頁或者APP形式進入系統平臺，根據實時資料和站點圖象進行事故處理，並可以查詢站點歷史資料，為分析決策提供針對性依據。例如，當某站點進水量偏離系統設定的最大值或最小值時，系統就會報警：若超過設定的最大值，可能因為排水管網有雨水或地下水浸入；若低於設定的最小值，很可能出現了管網漏水或堵塞。根據系統報警值，處理不同的突發情況。

2.3分散式處理設施遠端監控系統的應用

為了加強農村生活汙水處理設施的管理，確保已建成的汙水處理設施的正常執行，目前，江浙部分地區已率先應用了分散式農村生活汙水處理設施遠端監控系統，取得了初步成效。

江蘇常熟市從2012年開始對5 m3/d以上分散式汙水處理設施建設了遠端監控體系，目前該系統已全部覆蓋了全市90餘臺分散式農村生活汙水處理設施。每臺設施加裝系統時的硬體費用約為2 000元，每月的通訊成本不足10元/臺，系統執行後，農村生活汙水處理成本下降了0.68元m3。

浙江臨安針對1 700多個農村生活汙水處理設施，重點對處理能力30 m3/d（含）以上、受益農戶在100戶（含）以上和位於飲用水水源地的農村生活汙水治理設施建設了監管系統，以區域地圖形式監控當地的汙水治理情況，每套處理設施不僅安裝了電磁流量計，還同時安裝了水質分析儀，可對水質資訊、水量走勢、處理池資訊、裝置工作狀態資訊等各種資訊實時檢視和監管。該系統不僅可以為主管部門執行維護汙水處理設施提供參考服務，也可以為汙水治理工程提供考核彙總資料。

南京市溧水區針對一體化A/O-生態溝工藝和兼氧FMBR工藝，開發了相應的處理設施監控方案以及監控系統，目前正在進行系統的安裝除錯。這套遠端監控系統的一個突出特點就是實現了汙水處理設施的“全流程管理”，即將專案的前期準備、規劃設計、施工進度和投入執行以來的所有資料，都儲存在系統中。利用使用者決策的資料分析工具，對資料進行優化查詢、統計分析、資料整合等工作，既提高了工程專案管理的統籌力度，行政管理部門也可以藉此對專案的全流程進行有效監督。

3展望

由於面廣量大，農村生活汙水治理設施執行效果很難保證，監管任務重、難度大。在此背景下，依託數字化網路，開發遠端監控平臺，將對處理設施的穩定執行和水質達標起到核心的保障作用，對降低執行成本和提高監管效率亦將起到關鍵作用。在分散式處理設施遠端監控系統的應用過程中，應進一步保證人員專業水平和數量充足，以加強對數字化網路系統平臺的管理效率。

目前，分散式農村生活汙水處理設施的遠端監控系統主要存在以下方面的問題：

（1）遠端監控系統和汙水處理工藝的匹配問題。我國小型分散式汙水處理設施工藝種類、建造特點以及裝置型別多樣，且自動化和施工水平不一。如何在同一個系統下實現不同工藝的汙水處理設施的遠端控制，對監控系統的設計提出了較高的要求。

（2）建立包括遠端監控系統在內的綜合執行及管理技術，對農村生活汙水，從處理工藝選擇到運營管理方式提供一體化、經濟高效的技術支撐。一方面，通過遠端監控系統可以收集不同處理工藝的大量執行資料，為技術的篩選提供科學依據；另一方面，既可以利用系統的事故報警、維護考核等功能，保障設施的正常執行，還可以利用系統的預測性維護管理、故障模擬、診斷和評估模型以及管理決策等高階功能，實現智慧化管理。結合國外汙水處理設施獨立執行管理的成熟經驗和以往的實踐，應建立包括遠端監控系統在內的政府、運營方、村民等多物件、多目標的綜合管理及執行技術體系。

（3）以遠端監控系統為核心，建立新型農村生活汙水運營模式。監控系統的執行效果與管理體制緊密相關，目前國內已有部分地區嘗試將監控系統與處理設施的第三方運營相結合，並制定日常監督檢查考核標準。此舉不僅可以提高第三方專業服務機構的執行管理水平，包括優化執行維護的成本和質量，而且有利於政府行政管理部門的有效監督和長效管理，很可能成為今後治理農村生活汙水的新型運營模式。