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基于大数据分析的智能化公厕除臭应用技术研究

发布时间:2021-03-19 08:28:24 人气:42

1 城市公厕现状
       经调查,城市公厕在整体环境、除臭设备设施配备、运行管理、化粪池安全风险、智能化设施等方面存在不同程度的差异。在公厕逐渐成为公众审视焦点的当下,环境脏乱、管理不规范、服务差的公厕易造成较为严重和广泛的社会影响。下面以北京市为例, 分析城市公厕存在的主要问题。
1.1 公厕环境卫生状况仍有待改善
       从调研的公厕环境卫生情况看,虽然有专人及时进行维护管理,但是仍存在粪便冲洗不及时或地面脏乱的现象,主要原因是保洁人员不足,清洁不及时,厕所冲水设备老旧或水压不足,冲洗条件不足。
1.2 各区除臭设备的利用率低
       首先,除臭设备的应用程度参差不齐,覆盖率低, 导致公厕室内环境差异较大,并且存在除臭设备缺乏专人维护、出现损坏或停止使用的情况,没有起到除臭的作用。其次,除臭设备的运行方式缺乏针对性。受如厕人流量和如厕时间等因素的影响,固定运行模式下,通常无法全面消除异味。
1.3 公共厕所管理模式单一
       对于独立公厕,北京市各区普遍设有专人管理; 对于公厕区域性管理,各区普遍采取各级主管部门巡查、联合检查等方式,并根据北京市《公共厕所运行管理规范》(DB11/T 356—2017)等地方标准,制定了明确的日常管理办法、监督考评办法等,但总体上讲,管理模式仍较为单一,缺乏较为灵活、及时的管理模式。
1.4 化粪池存在安全风险
       化粪池的安全风险主要体现在甲烷气体浓度过高所伴随的爆炸风险。甲烷气体发生爆炸的风险与甲烷浓度(一般为5% ~ 15%)、引火温度(一般为650 ~ 750 ℃) 和氧气浓度(一般大于 12%)息息相关。从实地调研、检测中发现,虽然所调研的公厕化粪池中的甲烷含量总体普遍较低,但最高仍达到了 6.30%,氧气含量也普遍较高,普遍在 13% ~ 20%。对于化粪池的日常管理, 除采取设置警示标志和定期抽运的方式外,缺少切实的管理措施,管理力度普遍较低。
1.5 智能化设施应用程度较低
       目前,公共厕所的智能化设施以智能冲水设备、智能取纸设备等便民设施为主,缺少以改善室内环境、提高服务品质、提升管理水平等为目的的系统化智能设施。而公众恰恰更加关切如何利用智能化手段,有效提升公厕管理水平和运行效果。
2 智能化公共厕所除臭应用技术的研究思路
       本项研究以提升公厕的管理水平和运行效果为目的,利用互联网技术实现公厕的人机互动和大数据采集,通过对智能化控制策略、模块设备、数据收集传输、信息管理等方面的研究,研发一套集如厕人流量统计、环境监测、通风除臭、数据分析、智能导厕、辅助优化公厕布局等功能的智能化公厕除臭应用技术,从而为进一步促进城市公厕基础信息完善和公厕信息管理系统的建立等工作提供技术支撑。
3 智能化系统的建设
3.1 智能化系统框架
       智能化系统以可编程逻辑控制器为核心,PLC 中央控制器是一种具有微处理机的数字电子设备, 也是一种用于自动化控制的数字逻辑控制器,可以根据控制指令随时加载和储存信息,然后执行。可编程控制器由内部 CPU、指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元组成。PLC 中央控制器通过对公厕环境传感器数据的采集、电气设备的控制以及人为设定的控制策略实现了公厕管理的信息化、智能化。系统包含如厕人流监测、公厕环境监测、厕位使用监测、用电监测以及照明、水电闸、通风系统的控制功能。
针对公厕的环境特点,系统主要信息采集对象为环境温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、PM10 浓度、PM2.5 浓度、人流量、厕位占用情况、用电量情况等。使用的传感器具体指标如下:温度 -40 ~ 85 ℃,精度 ±0.5 ℃;湿度 0 ~ 100% RH,精度 ±3% RH;光照强度0 ~ 65 535 LUX,精度±7% FS;CO2 浓度0~ 9 821 mg/m3,精度±393 mg/m3;NH 浓度0 ~ 66.96 mg/m3,精 度 0.006 7 mg/m3;PM10 浓 度 0 ~ 999 μg/m3;PM2.5 浓度 0 ~ 999 μg/m3;人流量信息(男女厕分别采集,进出人数分别计数);厕位占用情况(更新周期 5 s);用电量统计(最大支持 4 路单独计量)。
3.2 智能化控制策略
3.2.1 人流量统计
       系统可以实现公厕的人流量信息统计,分别统计男女厕间人流量,每日自动将前一天的统计数据清零。当人流传感器记录的人数不合理时(离开人数大于进入人数、进入人数长期未归零等),系统会通过当前时间、厕位占用情况、公厕内温度、CO2 浓度等辅助信息自动进行数据修正。
3.2.2 照明自动控制
       系统根据当前时间、公厕光照强度、温度、CO2 浓度、厕位占用情况、人流数据等数据综合判断当前是否需要开灯,以节约用电。
3.2.3 室内环境自调
       系统根据公厕内的温湿度、CO2 浓度等传感器数据,自动对环境舒适度进行评级,进而控制通风、除臭设备和加热等设备进行环境调节。
3.2.4 信息展示与数据处理
       系统可以实现公厕环境、导引信息、厕位占用等数据的直观展示,同时根据用户定制格式自动生成日、月数据报表并导出。
3.3 智能化信息管理系统开发
       为了更好应用采集的数据信息,系统根据功能将信息展示分为三级界面进行设计,即公共信息展示、系统管理操作、后台数据处理,分别针对不同使用者进行信息公布。
3.3.1 公共信息展示
       公共信息展示主要用于公厕大厅的信息播报, 主要用于引导人群合理如厕,同时展示公厕的环境信息并播放广告等信息。该界面设计简洁大方,信息清晰明亮,能够直观地将如厕信息展示在大屏幕上。
3.3.2 系统管理操作界面
       系统管理操作界面主要供公厕管理维护人员使用,主要在系统控制箱上的 HMI 操作屏上显示,需要将公厕所有的实时数据、电气设备用电情况显示出来,便于维护人员查看和维护。同时,需要提供一些系统工作模式的配置界面,用于系统工作模式切换。
3.3.3 后台数据处理界面
       后台数据处理界面主要留给管理机构和研究人员使用,专业的操作人员通过该界面可以获取系统的全部运行数据,以便了解公厕运行状态,同时进行数据分析,提出管理措施。该界面也提供一些自动控制的条件设定,用于修改系统的自动控制策略。
4 智能化管理系统、公厕室内除臭系统和化粪池防爆系统的搭接建设
       人们可以将智能化管理系统的研究成果与公厕除臭系统、化粪池安全防爆系统进行搭接建设,实现人流统计、厕位占用统计、环境监测及自控、智能通风除臭、信息管理等功能。
4.1 除臭系统
       加装整体式负压收集处理系统,通过安装不锈钢管路,收集男、女卫生间隔间异味气体、男卫生间小便池及化粪池区域异味,汇总后通过一套高能离子处理设备集中处理后实现无污染排放。分别在男、女卫生间及门厅位置,安置新风循环净化系统,通过对室内空气的有效循环净化,结合补充新风的方式,实现对室内异味的处理和净化。安装智能除臭系统模块, 实现与智能化控制系统的连接与自控。
4.2 化粪池防爆系统
       加装可燃气体传感器、球阀、气流引射模块、风机等设备,与除臭系统的离子处理设备相连接。安装防爆除臭自控装置,实现化粪池甲烷浓度监控与设备自控,并与智能化控制系统的连接,监控系统运行状态,收集实时数据。
4.3 智能化系统
       智能化系统包括标准公厕控制系统、展示屏幕、人流计数器、温湿度和 CO2 浓度检测仪、多功能网关、厕位占用检测一体式门锁。
5 除臭智能化数据的跟踪与分析
       为验证智能化系统结合除臭和化粪池防爆系统后公厕的室内除臭效果、化粪池安全防控效果以及系统设备的准确性和稳定性,开展系统运行测试与数据跟踪工作。跟踪试验的场地选择了如厕人数最高、周边区域功能较为复杂、硬件设施条件相对陈旧、室内环境较差的公厕;数据收集时间选择在如厕人数较多的11:00—12:00 时段;跟踪试验方法选择系统运行稳定性,测试和臭气强度检测的方式;跟踪试验时间为 5 周。
5.1 设备运行稳定性评价
       设备和系统运行稳定性方面各模块设备、系统运行正常稳定,误差在合理范围内; 系统软件未出现死机、无响应和功能异常情况;信号输出成功率达到 100%;系统通信周期为 1.7 ~ 2.0 s,满足系统响应时间(2 s)设定且无中断情况。
5.2 NH3 浓度无法作为除臭系统运行智能策略制定的依据
       在不同如厕人流量的条件下,NH 浓度检测结果基本为“未检出”,因此无法作为除臭系统运行智能策略制定的依据。为完善智能策略,有必要对人流量、厕位占用数量与臭气强度的关系进行进一步跟踪和分析。
5.3 公厕人流量和臭气强度统计
       现场试验发现,公厕室内臭气强度的大小与男厕如厕人数和女厕厕位占用数量之间的关系明显,男厕如厕人数和女厕厕位占用数量可作为除臭系统智能策略制定的依据。公厕室内臭气强度的大小与男厕如厕人数和女厕厕位占用数量呈正比,男厕如厕人数越多,女厕坑位占用越多,其臭味强度越大。
5.4 除臭系统的智能策略
       当男厕如厕人数≤ 2 人或女厕厕位占用数量≤ 1时,除臭系统关闭;2 人<男厕如厕人数≤ 4 人或 1 个<女厕厕位占用数量≤ 3 个时,开启通风设备,持续5 min;男厕如厕人数> 4 人或女厕厕位占用数量> 3个时,同时开启除臭设备,持续5 min。在此智能策略下, 公厕室内臭气强度均可维持在 0 ~ 1 级(无味至极弱臭味),除臭效果良好。
5.5 CO2 传感器和人流量统计结果存在相关性
       CO2 检测结果可在一定程度上反映如厕人流量, 通过对比,CO2 检测结果与人流量的关系基本成正比,但同时发现,人流量较小时,检测数据相关性较差,在人流量较大且相对接近时,检测数据偏差较大,经分析,其主要与公厕通风条件和除臭系统的新风补给有关。上述分析说明,CO2 传感器检测数据可参与智能策略设定,但仅限于人流量较大的情况。
5.6 化粪池防爆系统 CH4 浓度设定
       化粪池中 CH4 浓度持续保持较低水平,化粪池防爆系统 CH4 浓度智能策略应设定在 5%。
6 结论
6.1 数据信息采集
       公厕除臭智能化信息采集系统应具有人流量统计、厕位占用情况统计、化粪池 CH4 浓度统计、多功能网关和智能化数据管理分析等功能,以满足公厕管理单位和运行单位对公厕日常管理的需求。跟踪试验表明,各模块设备、系统运行正常稳定,误差在合理范围内,系统设备具备连续运行条件。
6.2 智能系统参数的设定
6.2.1 除臭系统智能策略
       除臭系统智能策略宜根据人流量、厕位占用情况进行制定。根据跟踪试验结果,公厕室内臭气强度的大小与男厕如厕人数和女厕厕位占用数量有直接联系且为正比关系。与 NH3 浓度相比,人流量、厕位占用情况作为制定除臭系统智能策略的依据,更为符合客观规律,其中男厕以人流量为信息参考依据,女厕以厕位占用信息为参考依据。
6.2.2 调整后的智能化策略
       调整后的智能化策略理论可行,效果明显。通过数据统计分析,按照“每 5 min 统计一次人流量。男厕如厕人数≤ 2 人或女厕厕位占用数量≤ 1 时,系统关闭;2 人<男厕如厕人数≤ 4 人或 1 个<女厕厕位占用数量≤ 3 个时,开启通风设备,持续 5 min;男厕如厕人数> 4 人或女厕厕位占用数量> 3 个时,同时开启除臭设备,持续 5 min”的智能策略,除臭系统利用自动化运行程序,根据男厕如厕人流量和女厕厕位占用数量的不同,以多种模式交替运行,在公厕保洁正常进行的情况下,室内臭气强度均可维持在0 ~ 1 级(无味至极弱臭味),除臭效果良好。
6.2.3 化粪池防爆系统 CH4 浓度智能策略
化粪池防爆系统 CH4 浓度设定在 5%,可有效降低化粪池安全风险。
6.3 研究成果的推广应用价值
       本项目研究的除臭系统、化粪池防爆系统和智能化系统运行稳定,操作简便,除臭系统的设置使公厕室内环境空气质量明显改善,化粪池防爆系统对于化粪池安全防控的效果显著,智能化系统数据收集和分析的准确度高,研究成果符合“智慧北京”的发展理念,具有较高的推广应用价值。

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