城市智慧排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石延龍，許大琴

(1.南京市市政管理處，江蘇 南京 210036;2.海軍指揮學(xué)院，江蘇 南京 211800)

0 引言

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，使得城市的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，對(duì)城市排水系統(tǒng)的規(guī)劃與建設(shè)、維護(hù)與管理提出了越來(lái)越高的要求。

城市排水系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、隨機(jī)性強(qiáng)的巨型網(wǎng)絡(luò)，尤其對(duì)于人口多、市政設(shè)施建設(shè)頻繁的大中城市來(lái)說(shuō)，排水系統(tǒng)管網(wǎng)的總體規(guī)模和復(fù)雜程度是難以想象的。為了能夠全面、實(shí)時(shí)地掌握城市排水系統(tǒng)中排水管網(wǎng)的布局與各泵站的運(yùn)行情況，合理地管理和調(diào)度各泵站的相關(guān)設(shè)備，縮短泵站故障響應(yīng)時(shí)間，降低泵站設(shè)施的故障率，提高泵站管理水平，增強(qiáng)整個(gè)城市排水系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，采用現(xiàn)代化的城市智慧排水系統(tǒng)勢(shì)在必行。

1 城市智慧排水系統(tǒng)的特點(diǎn)

城市智慧排水系統(tǒng)旨在當(dāng)前各大中城市所開(kāi)發(fā)的典型排水信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)大量歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選與整理后逐步形成強(qiáng)大的資源數(shù)據(jù)庫(kù)，最終開(kāi)發(fā)出基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)模擬和分析功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市排水系統(tǒng)管網(wǎng)的安全運(yùn)行和對(duì)污水排放的智能化協(xié)調(diào)與調(diào)度。與傳統(tǒng)的城市排水系統(tǒng)相比，智慧化的城市排水系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前城市排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況預(yù)判將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)發(fā)生的狀況并提供應(yīng)對(duì)策略;根據(jù)所獲取的降雨總量、污水排放數(shù)據(jù)、管網(wǎng)輸送參數(shù)、泵站運(yùn)轉(zhuǎn)以及污水處理廠運(yùn)行情況等實(shí)現(xiàn)各泵站、管網(wǎng)與污水處理廠三者之間的協(xié)調(diào)與控制，達(dá)到排水效果最優(yōu)化的目的。

城市智慧排水系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn):

1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)城市智慧排水系統(tǒng)對(duì)城市供排水管道設(shè)施的智能標(biāo)識(shí)，城市管理者可以在監(jiān)控中心7 ×24 h 監(jiān)測(cè)城市排水狀況，可以區(qū)分居民生活用水、工業(yè)廢水，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段、分階段排放，有效控制各類(lèi)污水對(duì)大自然造成的二次污染。

2)動(dòng)態(tài)調(diào)控。對(duì)溢流和內(nèi)澇過(guò)程規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，根據(jù)所獲取的降雨總量、污水排放數(shù)據(jù)、管網(wǎng)輸送參數(shù)、泵站運(yùn)轉(zhuǎn)以及污水處理廠運(yùn)行情況等實(shí)現(xiàn)各泵站、管網(wǎng)與污水處理廠三者之間的協(xié)調(diào)與控制，達(dá)到排水效果最優(yōu)化的目的。

3)及時(shí)排障。利用智能化網(wǎng)絡(luò)有效控制管道老化、施工造成的管道破損、供水終端損壞造成奔流不止等浪費(fèi)現(xiàn)象，能及時(shí)排查和解決，甚至實(shí)現(xiàn)不斷水檢修。

2 城市智慧排水系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

城市智慧排水系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3 部分。其系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1 所示。三層結(jié)構(gòu)相互作用從而構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，如果從仿生學(xué)的角度來(lái)看，感知層類(lèi)似于獲取信息的“感覺(jué)器官”，網(wǎng)絡(luò)層類(lèi)似于傳輸信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”，而應(yīng)用層則類(lèi)似于處理信息、使用信息的“大腦”。

圖1 城市智慧排水系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

2.1 感知層

感知層與硬件進(jìn)行交互，是城市智慧排水系統(tǒng)中對(duì)整個(gè)排水基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行綜合分析與協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)。主要由安裝在排水系統(tǒng)中各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的各種儀器、儀表所構(gòu)成(包括水位傳感器、流量傳感器、水質(zhì)傳感器、毒性傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)備等)，通過(guò)這些設(shè)備完成對(duì)相關(guān)排水設(shè)施器材的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行自動(dòng)采集與處理。將所采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層，采取多渠道、多手段的方式傳輸至應(yīng)用層，供應(yīng)用層的相關(guān)功能模塊進(jìn)行使用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層提供通信聯(lián)絡(luò)，在整個(gè)城市智慧排水系統(tǒng)中起到紐帶連接的作用，主要負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息、控制信息進(jìn)行傳輸?shù)娜蝿?wù)。為了保證各類(lèi)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臅惩o(wú)阻，應(yīng)保持通信系統(tǒng)的多樣性和完整性，要求網(wǎng)絡(luò)層同時(shí)配備有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施與技術(shù)，互為補(bǔ)充與備份，并能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫聯(lián)接和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自我配置。在城市智慧排水系統(tǒng)中可根據(jù)各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的分布情況與設(shè)備特性分別采取與之相適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。如在污水處理廠區(qū)域范圍內(nèi)由于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布相對(duì)集中，可采取相對(duì)簡(jiǎn)單而且廉價(jià)的有線通信模式(如:WLAN)，而排水管網(wǎng)及泵站分系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布較為分散，則最好采取無(wú)線通信模式(如:3G、GPRS、Zigbee 等)。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是整個(gè)城市智慧排水系統(tǒng)的核心構(gòu)成部分。主要包括各相關(guān)的業(yè)務(wù)處理模塊，各相關(guān)功能模塊通過(guò)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行真?zhèn)魏Y選、存儲(chǔ)處理、模式識(shí)別、建模分析等相關(guān)操作，獲取有用的數(shù)據(jù)信息，對(duì)整個(gè)城市排水系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化決策，制定出各種協(xié)調(diào)控制策略，保證整個(gè)城市智慧排水系統(tǒng)協(xié)調(diào)有序地正常運(yùn)行。

城市智慧排水系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是排水模型的建立。排水模型根據(jù)相關(guān)區(qū)域各流域范圍內(nèi)的降雨徑流形成原理、排水管網(wǎng)系統(tǒng)的布設(shè)情況以及管網(wǎng)匯流的形成結(jié)果，模擬出現(xiàn)實(shí)世界中排水系統(tǒng)的實(shí)際配置與基本性能，最終可依據(jù)模擬結(jié)果對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析與研究并對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題提供決策支持。本系統(tǒng)采用暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)，SWMM 模型主要由徑流模塊和匯流模塊所組成，可以分別模擬各子流域內(nèi)所產(chǎn)生的降水量、徑流量和污染負(fù)荷狀況以及對(duì)管網(wǎng)、渠道、蓄水、水泵、調(diào)節(jié)閘等的水量傳輸情況進(jìn)行模擬。SWMM模型集對(duì)水文、水力及水質(zhì)的演變過(guò)程進(jìn)行模擬于一體，在城市區(qū)域內(nèi)對(duì)排水流域和排水管網(wǎng)的模擬方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 城市智慧排水系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)及控制流程

城市智慧排水系統(tǒng)的建設(shè)思路是利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，為排水系統(tǒng)安裝上配套的相關(guān)軟、硬件設(shè)備，在無(wú)需構(gòu)建專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的情況下完成對(duì)城市排水系統(tǒng)的智慧化操作。在整個(gè)城市智慧排水系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)起到將各個(gè)相關(guān)部件進(jìn)行無(wú)縫聯(lián)接的作用，本系統(tǒng)采取了成熟的B/S 模式搭建系統(tǒng)架構(gòu)。結(jié)合城市智慧排水系統(tǒng)的功能劃分，其具體架構(gòu)可分為服務(wù)器端、監(jiān)控端、客戶端3 個(gè)部分，如圖2 所示。

圖2 城市智慧排水系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.1 服務(wù)器端

服務(wù)器端設(shè)置于智慧排水中心，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要由服務(wù)器、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)、優(yōu)化決策及協(xié)調(diào)控制等模塊所組成，完成對(duì)整個(gè)城市智慧排水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制任務(wù)。主要功能是與各泵站下位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換;通過(guò)優(yōu)化決策模塊生成協(xié)調(diào)控制指令;響應(yīng)各客戶端的數(shù)據(jù)查詢與控制請(qǐng)求。具體來(lái)說(shuō)，一方面服務(wù)器端根據(jù)各泵站上傳數(shù)據(jù)信息的時(shí)效性，判斷進(jìn)行保存或丟棄該數(shù)據(jù)信息;對(duì)各泵站的污水流入量、污水流出量、實(shí)時(shí)水位、目標(biāo)水位、機(jī)泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率等進(jìn)行模擬運(yùn)算，將有參考意義的計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，為以后的決策調(diào)度提供信息支持。另一方面服務(wù)器端還完成對(duì)各泵站的狀態(tài)監(jiān)控，根據(jù)每個(gè)泵站的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，以使整個(gè)城市智慧排水系統(tǒng)達(dá)到排水效果最優(yōu)化的目的。其功能流程如圖3 所示。

圖3 服務(wù)器端功能流程圖

3.2 監(jiān)控端

監(jiān)控端設(shè)置于城市智慧排水系統(tǒng)中的各個(gè)泵站內(nèi)部，主要由下位機(jī)、本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、控制器、傳感器與機(jī)泵組等所組成，完成現(xiàn)場(chǎng)信息采集與設(shè)備控制任務(wù)。主要功能是完成對(duì)泵站自身各部件的監(jiān)控，負(fù)責(zé)對(duì)排水設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行釆集以及執(zhí)行相關(guān)的控制指令。監(jiān)控端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信分系統(tǒng)與智慧排水中心的服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸與交換。具體操作包含2 方面的內(nèi)容:

1)與服務(wù)器端建立連接，處理服務(wù)器端傳輸過(guò)來(lái)的控制指令信息，即對(duì)控制指令進(jìn)行解析與識(shí)別，并執(zhí)行控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)機(jī)泵組的合理協(xié)調(diào)與控制;

2)對(duì)安裝在各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的相關(guān)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，然后由監(jiān)控端下位機(jī)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端。

監(jiān)控端硬件設(shè)備示意圖如圖4 所示。

圖4 監(jiān)控端硬件設(shè)備示意圖

3.3 客戶端

客戶端主要由客戶端軟件組成，是為了方便值班人員、維修人員、技術(shù)人員以及保障人員通過(guò)智慧排水系統(tǒng)對(duì)泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控、維修和保養(yǎng)等操作而特地設(shè)置的，完成對(duì)智慧排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制任務(wù)。其主要功能是用戶可以通過(guò)客戶端軟件，根據(jù)自身所具有的權(quán)限登錄到智慧排水中心服務(wù)器，對(duì)整個(gè)智慧排水系統(tǒng)內(nèi)部所聯(lián)網(wǎng)泵站的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)曲線、歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行監(jiān)視與查詢。客戶端主界面如圖5 所示，泵站遠(yuǎn)程控制界面如圖6 所示。

圖5 客戶端功能流程圖

圖6 泵站遠(yuǎn)程控制界面

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)控端的各泵站內(nèi)部傳感器對(duì)進(jìn)水池的水位、機(jī)泵組的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)以及運(yùn)轉(zhuǎn)頻率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行循環(huán)釆樣，經(jīng)過(guò)下位機(jī)進(jìn)行初步處理后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信分系統(tǒng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息傳送至智慧排水中心(服務(wù)器端);智慧排水中心根據(jù)某泵站的污水流入量和進(jìn)水池的目標(biāo)水位進(jìn)行優(yōu)化決策，生成控制指令并分別發(fā)送至各泵站下位機(jī);泵站內(nèi)部下位機(jī)將接收到的遠(yuǎn)程控制指令通過(guò)解析與判斷后分配給控制器等執(zhí)行設(shè)備，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理后傳送給機(jī)泵組，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)泵組的智慧控制。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，各泵站內(nèi)部下位機(jī)能夠靈活地轉(zhuǎn)換到自動(dòng)控制模式，根據(jù)自身的本地決策調(diào)度子系統(tǒng)計(jì)算出相關(guān)控制量后將其直接傳送至控制器等執(zhí)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)泵組的本地自動(dòng)控制，完成污水的合理排放功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，當(dāng)前對(duì)排水系統(tǒng)的控制模式已經(jīng)很難滿足信息化時(shí)代下對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌安排與協(xié)調(diào)調(diào)度的實(shí)際需求，而且也存在一定的安全隱患與節(jié)能環(huán)保等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，城市智慧化排水系統(tǒng)能夠較好地完成城市排水系統(tǒng)中各泵站之間的統(tǒng)籌調(diào)度與協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，在不增加排水基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，不但能保證污水排放效果最佳化，避免產(chǎn)生內(nèi)澇災(zāi)害，充分發(fā)揮現(xiàn)有管網(wǎng)的排水能力，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)泵站的遠(yuǎn)程控制、無(wú)人值守，有效地達(dá)到節(jié)約成本、控制能耗等目的。

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