青岛市胶州市农村生活污水治理智慧管控平台

根据中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《农村人居环境整治提升五年行动方案（2021－2025年）》、生态环境部、农业农村部、住房和城乡建设部、水利部、国家乡村振兴局联合印发的《农业农村污染治理攻坚战行动方案（2021—2025年）》、山东省生态环境厅印发的《山东省农村生活污水处理设施运行维护管理办法》均对农村生活污水收集处理提出了相关要求。在此背景情况下，青岛市市政府出台农村污水治理相关文件要求胶州市需要在2023年100%完成全部行政村生活污水治理任务。

但由于农村污水收集存在点多分散的特点，故本项目实施前，胶州市农村生活污水部分村庄未进行集中收集与处理导致污水直接排入周边水体中，造成水体污染和疾病传播，对水环境与居民健康构成威胁；同时缺少对全域农村生活污水治理整体情况的呈现载体，无法满足宏观全面展示，微观精细管控的使用需求，导致全局管控能力薄弱；此外缺乏数字化和智慧化管理手段，大量依靠人工线下进行巡检和人工调度污水运输车辆，从而产生服务响应时间滞后、服务便捷性较差、服务信息传递丢失、服务效率低下、服务运营成本高昂；最后污水收集量、处理量、达标率与污水处理设备设施完好率、利用率等日常运行管理指标无法及时、准确获悉，使得污水溢流、超标排放和设备故障、闲置问题凸显，难以满足对污水收集情况进行分析与评价来确保工程的长效久治。

为践行习总书记“绿水青山就是金山银山”理念和“乡村振兴”战略，针对上述存在问题，通过CIM、BIM、物联网、大数据、云计算、人工智能、AR等技术打造胶州市农村生活污水治理智慧管控平台，实现将作为乡村振兴与生态文明建设的关键环节——农村污水治理从粗放式管理向精细化、数字化、智能化、智慧化升级，破解当前农村生活污水处理面临设施分散运维难、人工巡检效率低下、故障响应滞后等系统性难题，彻底解决存在严重的“重建轻管”痛点问题，改善农村生态环境条件，保障农村社会和谐发展，对农村经济健康持续发展具有积极推动作用。

青岛市胶州市农村生活污水治理智慧管控平台软硬件总投资5106万元。平台服务范围为青岛市胶州市下辖10个乡镇街道，各街道合计下属734个村庄，全域面积1286.44平方公里、常住人口51.38万人。

胶州市农村生活污水治理智慧管控平台，提供综合概览、智能指挥调度、安防态势研判和数字化管理、智能化控制服务，构建数据资源化、管理数字化、控制智能化、决策智慧化以实现污水100%收集、100%处理、100%合格排放目的，确保农村生活污水治理体系科学、高效、稳定、双碳、智慧运行。平台获评生态环境部2022年示范工程并在全国范围内推广“胶州模式”,荣获第六届“绽放杯”5G应用大赛二等奖，同时入选中央电视总台《CMG乡村振兴观察报告2023-2024》。

1.总体架构

胶州市农村生活污水治理智慧管控平台由数据采集层、数据传输层、数据处理层、数据应用层和数据展示层五个层级组成，相互形成一个有机的整体。总体架构图如图1所示。

（1）数据采集层

数据采集层采用物联网智能感知技术，实现设备、仪表、传感器的高度智能化，通过将在线设备、仪表及各类传感器等终端设备的数据及信息进行自动化采集，满足农村生活污水治理的运营、管理、监控和分析使用需要。

（2）数据传输层

数据传输层通过有线网络、无线网络与MQTT、NB-IOT等网络传输协议解决物联网连接化碎片问题，使得物联设备互联互通，数据高效、稳定、智能传输得到保证。

（3）数据处理层

数据处理层利用CIM、BIM、大数据、云计算、人工智能等技术实现多源异构数据融合，解决传统农村生活污水治理项目中的信息孤岛问题。

（4）数据应用层

数据应用层围绕农村生活污水治理业务开展综合概览、智能指挥调度、安防态势研判、数字化管理、智能化控制等应用建设，打造全方位一体化的智慧水务平台。

（5）数据展示层

数据展示层提供大屏端、网页端与移动端等多种终端展现形式，满足不同使用场景下的多元化使用需求。

2.主要建设功能

（1）物联感知基础设施

对污水收集转输处理系统增设仪表、传感器以实时采集现场信号和数据。其中集水池增加液位计、智能井盖、监控摄像头；泵站增加ORP传感器、智能井盖、监控摄像头，其配套压力转输管增加电磁流量计与智能井盖；纳市政管网增加多普勒流量计与智能井盖；污水处理站增加ORP传感器、COD传感器、TP传感器、TN传感器、SS传感器、监控摄像头。

（2）ICT基础设施

各村庄的传感器设施使用智能网关进行数据采集，通过有线数据专线传输实时数据至指挥调度中心机房；污水运输车辆则使用智能网关通过无线数据专网传输实时数据至指挥调度中心机房。机房采用多台超融合服务器组成服务器集群，构建本项目专有私有云，提供计算池、存储池、网络池等服务。

（3）智慧管控平台

以CIM引擎作为时空基础底座实现数字孪生，承载胶州市农村生活污水治理全部静态、动态数据，提供综合概览、智能指挥调度、安防态势研判、数字化管理、智能化控制等，以业务需求为导向，实现监测、控制、管理、决策的智慧化。

（4）指挥调度中心

建设标准化的机房用于超融合服务器与信息安全设备，同时配置指挥调度中心中控室，以大屏形式展示胶州市农村生活污水治理智慧管控平台全貌并配备调度指挥台满足现场调度指挥使用需求。

（5）信息安全

按照网络安全等级保护2.0三级标准构建覆盖物理安全、网络安全、主机安全、应用安全和数据安全及备份回复的完整安全体系，保障智慧管控平台信息安全。

3.平台主要功能

（1）综合概览：以CIM方式呈现胶州市全域，展现全市地形地貌、建筑、道路三维模型，利用BIM形式展现污水管网分布和污水厂/污水站处理工艺，以多维图表显示镇/街道-村数量、污水厂/污水站数量、管线总长、污水综合处理率、出水水质综合达标率等统计数据。

（2）智能指挥调度：根据集水池实时液位、对应村庄道路信息以及当前污水车辆情况，实现污水车作业任务的智能分配和作业路线的智能调度，同时提供污水车量实时位置定位、实时工作状态监测、实时运行轨迹跟踪。

（3）安防态势研判：利用智能视频监控摄像头完成对污水处理设施所在区域360度无死角视频监控，在入侵检测、溢流识别、井盖告警等突发安全状况第一时间进行抓拍并在BIM模型中三维高亮展示，并推送消息至运维管理人员移动端设备，同时支持移动端设备在现场以AR方式查看告警信息。

（4）数字化管理：提供设备管理、巡检管理、缺陷管理、维修管理、工艺管理、实时监测、报警管理、物料管理、成本管理、移动应用等功能服务，实现日常运营管理的在线化、标准化、规范化，全面提升管理效率和服务能力，达到管理精细化目标。

（5）智能化控制：基于污水处理设施的实时进水水质、进水水量、设备工况等运行值，结合历史大数据、人工智能算法，构建前馈+模型+反馈的多因子控制方式实现对曝气、加药除磷等核心工艺环节的智能控制，使得工艺运行稳定、出水水质合格、运行能耗降低。

4.解决问题

（1）实现了农村生活污水的全部收集与处理。针对10个街道734个村庄的各自特点，采用集水池模式、提升泵站+污水处理站模式、纳市政管网模式三种不同方式实现对全域范围内生活污水100%收集、100%处理、100%合格排放，从而在根本上杜绝污水直接排入收纳水体，进而保证水环境和居民健康不受影响。

（2）构建了数字孪生的胶州市全域农村生活污水治理展示体系。利用CIM、BIM、大数据、物联网、云计算等技术打造了数字孪生的胶州市农村生活污水治理智慧一张图。实现在宏观方面展现全市镇/街道、村庄、污水处理厂、污水处理站、污水管网全貌；在微观方面对污水处理设施运行各环节进行精细化管控，满足运维管理人员实时掌握工艺、设备运行状况和各关键运行指标，为智能指挥调度、安防态势研判、数字化管理、智能化控制奠定了强劲基础。

（3）改变了传统线下日常管理和人工车辆调度的方式。通过构建基于“云上”的数字化管理覆盖日常运行管理的全闭环管控，改善信息传递速率和反馈效率；在车辆基本状况、养护、维修等全生命周期日常性管理基础上，搭建基于物联网、大数据和人工智能的智能指挥调度体系实现对污水车辆运输全过程跟踪与智能调度，提升污水收集及时率并降低运输成本。

（4）提升了突发事件应急响应能力。针对重点区域进行监控视频轮播，实时把握安防态势，对各类突发报警事件进行抓拍记录并推送处理工单至运维人员，同时进行统计分析与CIM场景中的三维显示，提醒并督促运维人员及时查看并消除突发报警情况，确保农村生活污水治理系统平稳运行。

（5）降低了农村生活污水治理整体运维成本。通过智能曝气、智能加药除磷等智能控制手段实现对污水处理厂/污水处理站核心工艺的精确化、智能化控制，实现少人/无人值守的同时降低整体运行电耗、药耗，营建农村生活污水治理双碳运行新模式。

5.典型应用场景

（1）综合概览

在CIM一张图中以市-镇/街道-村/庄三级形式展现胶州市734个村庄全貌。对各村庄范围内集水池、提升泵站、污水处理厂/污水处理站、污水管网实时运行情况、视频监控情况进行完整呈现，实现运维管理人员在指挥调度中心中控室开展胶州市全域农村生活污水管控，提升整体一体化管控水平。通过对农村生活污水治理中污水收集量、污水处理量、水质达标率、设备设施完好率、设备设施利用率等重要指标进行统计分析，对发现和消除运维短板提供强有力的支撑。胶州市农村生活污水治理CIM一张图、污水管网及其附属设施三维展示、水处理站工艺流程展示分别如图2、图3、图4所示。

（1）基于CIM的全域数字孪生

以自主研发的CIM引擎实现胶州市1286.44平方公里全域三维数据展示，实现全市范围内地形地貌、建筑、道路的CIM二级还原，各村庄倾斜摄影模型与卫星影像完成无缝拼接，各村庄内房屋、道路、植被开展CIM三级建模，集水池、提升泵站、污水处理厂/污水处理站、污水管网采用CIM五级建模。污水处理设施实时运行数据、视频监控实时数据、日常运维管理数据在CIM场景中进行多源异构信息融合，实现动态信息、静态信息的虚实结合，提供对农村生活污水治理多层次、多角度、多方位的数据展示。

（2）基于CIM+AI的污水车辆智能调度

通过人工智能算法结合污水运输车辆实时运行轨迹、污水车辆实时载重量、集水池液位实时值、污水处理站实时处理量、污水运输车辆与相邻集水池距离、车辆单位油耗量等指标进行智能调度，实现保证污水运输车辆实时载重不超过额定载重量、集水池液位不超过报警限定值、污水处理站负荷不超标和污水运输车辆规格满足集水池路口驶入尺寸要求的情况下，完成污水运输车辆整体行驶距离最短、整体油耗最低的智能化调度并在CIM场景中实时展示车辆运行历史轨迹。

（3）基于图像处理+AI+AR的安防态势研判

利用集水池、提升泵站、污水处理站现场配置摄像头，实现通过前端监控摄像头对实时图像结合人工智能算法进行智能处理，对非法入侵（人员、动物、车辆）、污水溢流、井盖报警等安防突发状况的第一时间研判并推送相应预警、报警信息至运维管理人员移动端设备，并在CIM场景中以三维高亮显示和现场移动端设备以AR形式展示，确保污水处理设施现场的安全。

（4）基于BIM+AI的工艺智能控制

针对传统污水厂/污水处理站核心曝气、加药除磷过于依赖人工经验导致的曝气量与加药量过多而造成的严重浪费现象。利用前馈+模型+反馈的多因子控制方式，并结合人工智能算法实现根据进水水质、进水水量与出水水质达标要求对曝气量、加药量进行精准预测。同时结合鼓风机、加药泵实时运行工况进行精确、智能调节，确保整体曝气、加药除磷环节的智能控制，实现7*24h小时的自动化运行和抵抗进水水质变化冲击影响，达到稳定运行的同时显著降低运行电耗、药耗。此外，利用BIM构建污水处理厂/污水处理站工艺处理单元，清晰展示各工艺处理单元流程和关键运行指标。