★ 北京力控元通科技有限公司

关键词：智慧水务；Force-STEM模型；节能降耗；信创

1   引言

在新型城镇化与智慧城市建设的持续推进下，污水处理作为城市基础设施的重要环节，正面临着日益严峻的挑战。 一方面，国家“双碳”战略对水务行业的节能降耗提出了明确要求，污水处理厂作为高耗能设施，其电耗和药耗的优化空间亟待挖掘；另一方面，出水排放标准不断提高，传统依赖人工经验的运营模式已难以满足精细化、稳定化的管控需求。

从技术层面看， 传统污水处理模型存在诸多瓶颈：模型参数繁多且难以确定，多个参数无法直接测量，模型数据无法与实际水质指标有效结合，模型模拟难以实现自动校准和快速回溯。这些问题导致先进的工艺模型在水厂的实际应用中“落地难”，运行人员仍主要依靠经验进行调控，仪表覆盖不足、监测盲区普遍存在，曝气过量与药剂浪费现象突出。

在此背景下，力控科技以自主研发的Force - STEM模型优化控制系统为核心，融合SCADA监控、实时数据库、数字孪生等关键技术，构建了覆盖供水、排水、厂站智能控制全业务场景的智慧水务整体解决方案，为水务企业的节能降耗与数字化转型提供了系统性的技术路径。

2   力控智慧水务整体解决方案

力控智慧水务解决方案聚焦水务全业务场景，提供从自动化监控到智能化的全栈技术体系，覆盖水厂监控、泵站调度、管网监控管理、生产运营管理等核心环节。方案遵循水务行业生产管理体系及信息安全接口标准规范，全面结合企业实际信息化、自动化设施基础，构建统一的“智慧水务”管理平台。

2.1   核心产品矩阵

eForceCon SCADA平台：分布式架构设计，支持50万点/秒数据处理能力， 兼容6000+种工业协议，内置水务专业图库与行业套件，可满足从单厂监控到集团级跨地域协同管控的需求。

pSpace实时历史数据库：采用高压缩比时序数据存储技术（压缩比达50:1），支持跨平台兼容（包括银河麒麟、统信UOS等国产操作系统），支持级联部署，为生产数据中枢和集团级水务管控提供高效的数据管理基础。

FinforWorx一体化管控平台： 集数字孪生集成、Web组态开发、GIS融合、移动端协同、低代码开发于一体，支撑智慧水务综合运营、数字孪生和智能化应用。

Force-STEM算法智控平台（核心）：以工艺模拟深度挖潜为核心， 采用“核心算法、 一厂一策”的策略， 可基于工业互联网实现专家诊断及算法优化，是力控智慧水务方案的技术制高点。

ForceSCADA信创SCADA平台：通过信创认证， 安全可靠、灵活易用， 全面覆盖水厂监控、泵站调度等国产化信创场景。

2.2   整体技术架构

如图1所示，方案采用五层架构设计：

（1）设备感知层部署PLC、RTU、智能仪表等现场设备，实现数据采集与指令执行；

（2）基础设施层提供服务器、网络、云服务及安全系统支撑，满足等保2.0及信创体系建设要求；

（3）服务平台层通过协议服务（协议封装、报文解析）、采集/监控服务（调度、远程监控、预警报警）、应用系统服务（安全认证、业务流程管理、3D引擎、报表）、业务系统服务（pSpace实时/历史数据库、多媒体信息库）及数据服务（消息队列、权限设置、资产模型、视频服务）， 实现数据全链路管理；

（4）业务应用层以一体化平台为核心， 涵盖SCADA基础应用（工艺流程监控、报警管理、趋势分析、水质监测、报表管理）和综合运营管理（水务生产调度、能源管理、设备管理与远程运维、数字孪生应用、水务门户与移动应用），并通过Force-STEM实现智能优化控制—精确曝气（AAS-QV）、智能加药（IDS）、泵站提升优化及工艺仿真与预测；

（5）展示交互层通过对内管控平台（客户端、移动终端、应急指挥中心、GIS定位、视频监控、大屏幕）和对外服务门户（网站、移动App、微信），实现多端协同展示与业务交互。

图1 力控智慧水务整体架构图

3   Force-STEM模型优化控制系统

3.1   模型缘起与核心优势

Force -STEM模型（Sewage  Treatment Engineering Model）由施汉昌教授带领的专家团队研发，在积累了多年国际模型研究和应用经验的基础上，针对国内污水处理厂工艺模拟与智能控制发展需求而提出。该模型借鉴了国际先进的ASM系列模型（ASM1、ASM2D等）及其经典模型思想，结合国内污水处理厂实际运行特点，创造性地提出了一套能够结合常规指标数据进行矫正分析的工程模型。 Force-STEM整体架构图如图2所示。

与传统污水处理模型相比， Force-STEM模型实现了四个维度的突破：在模型结构上， 将动力学直接结合反应器流态， 突破了传统模型动力学与流体力学分离的局限；在参数体系上，常规参数可检测或在线监测、可计算， 解决了传统模型参数多且无法直接测量的问题；在校准机制上， 实现连续校准与连续匹配， 克服了传统模型无法自动校准的短板；在应用模式上， 与大数据和人工智能技术深度融合， 支持快速反应与实时表达，弥补了传统模型无法快速应用与回溯的不足。

图2 Force-STEM整体架构图

3.2   三大核心功能

模型仿真：通过模型在线仿真，填补生化池沿

程上的监测盲区， 以虚拟仪表的形式弥补现场仪表数

量和种类的局限，为工艺分析提供全流程数据支撑。在线控制：在线仿真结果（如曝气量设定值、加药量设定值）实时输出给精确曝气和加药控制系统，及时调整工艺运行，实现从“预测”到“控制”的闭环。

预测未来： 基于实时数据与模型推演， 可预测未来12～24小时的过程参数和出水结果，为运行人员提供前瞻性决策依据。

3.3   三大优化控制模块

Force-STEM模型围绕污水处理厂能耗药耗高、出水超标等核心问题，形成了三大优化控制模块：

智能曝气控制系统AAS - QV：采用“前馈+反馈+末端保护”三级控制结构，基于进水负荷指导曝气调控，气水比可低至1~2:1，曝气单耗可低至0 . 12~0 . 16kWh/m³ ,生化池曝气节能约10%～15%。核心算法坚持” 一厂一策”，可基于工业互联网实现专家诊断及算法优化。

智能加药控制系统IDS：在溶解氧和硝酸盐氮控制的基础上，采用反馈加前馈的控制方式对碳源投加和除磷加药进行稳定控制。反馈控制确保出水稳定在目标范围，前馈系统应对进水负荷变化造成的冲击，总出水仪表提供警戒保护。实际应用中碳源可节省10%，除磷药剂可节省8%，投资回收期1～2年。

泵站提升优化：基于Force-STEM多动力系统最优运行的“调速定理”（分配定理）、“切换定理”和“稳定判据”（最优能效曲线）等基础理论模型，实现多个动力最优负荷分配及台数切换，预知系统运行能效。该技术已为南水北调泵站、水厂及全国厂矿企业等领域提供节能服务。

图3 精确曝气三级控制结构图

4   典型应用场景与关键技术

4.1   场景一：精确曝气控制

某再生水厂设计规模6.5万吨/天，采用多段AO+MBR+催化氧化工艺，出水水质执行地方A标准。进水COD 300~400mg/L、TN 50~70mg/L、氨氮40~50mg/L、TP 5~7mg/L。项目部署Force- STEM精确曝气控制系统，构建了三级控制体系如图3所示：

第一级—前馈开环控制：基于入口氨氮和进水流量计算进水氨氮负荷，通过数学模型计算需气量，确保预期的空气供应校正，应对污染负荷的不断变化。

第二级—中间反馈闭环控制： 基于曝气池中端DO值进行空气供应微调，将DO控制在设定范围内。系统新增4台DO传感器部署于好氧池关键位置， DO控制精度可达设定值的±0.3mg/L范围内。

第三级—末端反馈闭环控制：利用出水COD、氨氮、总氮数据作为末端反馈校正，形成保护性二级反馈，前馈与反馈互为冗余，确保系统在仪表故障或数据异常时仍能稳定运行。

鼓风机控制采用总流量调节方式，根据动态计算的总风量，通过3台空浮鼓风机编组控制每台风机的启停和频率，在风机可调范围内优化运行。系统充分考虑调节过程对管路压力的冲击影响，优化设置流量调节步长，有效避免鼓风机喘振。项目实施后，鼓风机吨水能耗降低超过8%，实际节能效果可达10%～15%，出水水质稳定达标。

4.2   场景二：智能加药控制

某企业循环水场智能加药及水处理效果监控平台项目，以力控pSpace实时历史数据库为数据管理核心、FSmartWorx可视化平台为人机交互界面，统一接入2套智能监测换热器、2套智能加药装置及1套智能水质分析系统的全量数据。系统构建了循环水系统的腐蚀、结垢与污染预测模型，基于模型动态优化加药策略，实现药剂的智能投加。智能加药控制系统结构图如图4所示。

平台功能涵盖数据采集、驾驶舱可视化、实时监控、智能加药、数据统计和报警管理六大模块。其中智能加药模块作为系统核心，将模型预测结果进行呈现，并依据分析对加药设备进行自动或手动控制， 实现精准、高效的智能加药，同时为加药趋势提供优化方案。项目同步开展信创体系建设，基于pSpace-Linux版本部署于银河麒麟操作系统，全面响应国家信创政策要求，提升企业生产运行安全与自主可控水平。

项目实施后，实现了循环水处理全过程智能调控与稳定运行， 大幅减少了人工取样频率和化验工作强度， 有效节约了人工及药剂成本，保障了生产设备。

图4 智能加药控制系统结构图

4.3   场景三：泵站能效优化

基于Force-STEM多动力系统最优运行理论，泵站提升优化模块实现多个动力的最优负荷分配及台数切换， 预知系统运行能效。该技术已在钢铁、市政供水、居民小区二次供水、中央空调循环水等多个领域广泛应用，节电效果显著，不同场景下节电率达24%～68%，为各行业泵站节能提供了成熟可靠的技术方案。

5   应用成效与行业价值

Force-STEM模型优化控制系统已在多个污水处理厂及循环水厂成功应用，覆盖AAO、多段AO、 MBR等多种主流工艺，处理规模从1万吨/天到45万吨/天不等，展现出广泛的工艺适应性和规模适用性。

5.1   综合效益汇总

综合各项目实际运行数据， Force-STEM模型优化控制系统的应用效益见表1。

表1 Force-STEM模型优化控制系统综合效益汇总

从应用成效来看， Force-STEM模型优化控制系统不仅在节能降耗方面效果显著—曝气环节节能10%～15%、碳源和除磷药剂分别节省10%和8%，更在稳定出水水质、提升管理效率、降低人工依赖等方面展现出综合价值。系统投资回收期仅为1～2年， 具备良好的经济可行性。为水务行业的绿色低碳发展作出了实质性贡献。

6   总结与展望

力控科技Force-STEM模型优化控制系统以国际先进的ASM系列模型为理论基础，结合国内污水处理厂实际运行特点，通过工艺孪生与物理孪生的深度融合， 实现了从数据感知、模型仿真到智能控制的闭环体系。方案在精确曝气、智能加药、泵站优化等核心场景中均取得了显著的应用成效，节能降耗指标行业领先， 出水水质稳定达标，投资回收期短，在智慧城市水务领域具有突出的典型性和代表性。

在信创生态方面，力控SCADA产品、实时历史数据库、一体化管控平台、算法智控平台全面支持银河麒麟、统信UOS等国产操作系统，适配鲲鹏、飞腾、龙芯、兆芯等国产芯片架构，构建了“芯片—系统—应用”全链条信创生态， 为水务行业的自主可控提供了坚实保障。在产学研协同方面， 力控科技与清华大学科研团队联合研发，持续推动模型算法的迭代优化，保持了技术先进性。

未来， 力控科技将继续深化Force-STM模型在更多工艺场景中的应用，强化人工智能与大数据的融合能力，拓展工业互联网远程运维与专家诊断服务，以技术创新持续赋能水务行业的智能化转型， 为智慧城市建设贡献更大的力量。

摘自《自动化博览》2026年7月刊