污水管網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計

劉嘉夫，齊　昕，張國利

（1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶402160；2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710075）

經(jīng)驗交流

污水管網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)字化管理系統(tǒng)設(shè)計

劉嘉夫1，齊昕1，張國利2

（1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶402160；2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710075）

結(jié)合重慶市污水管理處對排水管網(wǎng)進行數(shù)字化管理的工程實例，介紹了基于虛擬專用網(wǎng)的污水管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)的設(shè)計方案和組成結(jié)構(gòu)。由于管轄的污水管網(wǎng)覆蓋面積大、流通里程長，因此采用逐級分區(qū)、區(qū)域分片和終端遠(yuǎn)傳的分級分區(qū)監(jiān)控布局設(shè)計。使用非對稱數(shù)字用戶線路掛載虛擬專用網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨福瑢崿F(xiàn)對遠(yuǎn)程分散泵站的自動化控制和管理，同時實現(xiàn)對污水各項參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)和圖像的實時監(jiān)控存儲。測試結(jié)果表明，該污水管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸實時性、可靠性較好，具備遠(yuǎn)程訪問功能，達(dá)到了項目設(shè)計要求。

污水管網(wǎng)；遠(yuǎn)程數(shù)字化管理；分級分區(qū)布局；虛擬專用網(wǎng)

1　工程概況

重慶市污水處理工程關(guān)系著三峽庫區(qū)的水質(zhì)安全問題，為進一步提高污水管網(wǎng)監(jiān)控管理的透明性、實時性和便捷性，在“十二五”期間對重慶市某排水管理處開始推動污水管網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)字化管理系統(tǒng)的總體規(guī)劃和試點工作。該排水管理處下轄4個污水處理廠，覆蓋面積7 124 km2，管網(wǎng)長度合計約422 km，共有41個泵站。目前已完成該區(qū)域污水管網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)字化管理系統(tǒng)總體規(guī)劃和節(jié)能方案論證，目前已進行下轄的一座污水處理廠和周邊區(qū)域排水管網(wǎng)的數(shù)字化管理試點工作。

2　總體規(guī)劃

2.1總體設(shè)計

污水管網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)字化管理系統(tǒng)以GIS地圖和計算機數(shù)據(jù)庫為依托，將污水管網(wǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息化、數(shù)字化后納入到系統(tǒng)中，通過虛擬專用網(wǎng)（VPN）〔1〕將需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)上傳到控制中心。由于管轄區(qū)域大，綜合考慮VPN傳輸?shù)馁Y源配置，按照逐級分區(qū)、區(qū)域分片和終端遠(yuǎn)傳的原則〔2〕，由排水管理處綜合管理調(diào)度系統(tǒng)控制中心，向下以各污水管理廠為區(qū)域中心劃分4個不同系統(tǒng)分區(qū)，各分區(qū)依照管網(wǎng)分布特征和復(fù)雜程度配合接入終端的管網(wǎng)參數(shù)測試裝備和監(jiān)控錄像，實現(xiàn)各泵站的無人值守，并整合智能巡更系統(tǒng)對系統(tǒng)硬件進行定期檢查登記，實現(xiàn)整個管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流通和綜合調(diào)度機制〔3〕，其總體設(shè)計如圖1所示（圖中只列出一個污水處理廠和一個泵站及監(jiān)控點的情況，其余污水處理廠、泵站、監(jiān)控點設(shè)計情況類似）。

圖1　　項目總體設(shè)計

2.2數(shù)字化基礎(chǔ)工作

過去的污水管網(wǎng)相關(guān)的管理水平相對較低，主要依靠傳統(tǒng)的以圖紙為主要手段的模式〔4〕，要對整個管網(wǎng)系統(tǒng)進行數(shù)字化管理，依托計算機技術(shù)進行信息化深度處理是進行數(shù)字化管理的基礎(chǔ)，主要面向3個方面：（1）基礎(chǔ)資料管理的信息化；（2）檢查維護信息化和經(jīng)?；?；（3）管網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息化。在資料管理信息化工作中，通過與重慶大學(xué)等高校合作，將污水管網(wǎng)的紙質(zhì)圖和CAD電子圖轉(zhuǎn)換存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并使用GIS地圖功能對CAD圖矢量化處理，形成多個符合地理信息且定義明確的矢量化有序圖層集合，在這種模式下可以在計算機中方便地進行管網(wǎng)數(shù)據(jù)的編輯和更新；雖然進行信息化管理，但定期的巡線檢查必不可少，同時引入智能巡更體系，由維修人員定期對管網(wǎng)管理系統(tǒng)的硬件進行檢查維護并錄入系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上使用測量裝備如水質(zhì)參數(shù)在線分析儀、流量計等監(jiān)控工業(yè)污水排放量和參數(shù)指標(biāo)，包括COD、氨氮和總磷等，當(dāng)指標(biāo)超過系統(tǒng)設(shè)定的上限時，系統(tǒng)將會自動聲光告警，并在地圖系統(tǒng)中顯示上游的排放用戶，根據(jù)超標(biāo)的指標(biāo)特征縮小非法排放用戶范圍，以進行下一步處理，并將日志數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。其數(shù)字化基礎(chǔ)工作內(nèi)容如圖2所示。

圖2　　數(shù)字化基礎(chǔ)體系

2.3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

污水管網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)字化管理系統(tǒng)旨在以信息化代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力值守，以前的污水管網(wǎng)各泵站需要工作人員24 h值守，同時由于郊區(qū)地域范圍大，造成人力、資金和管理上的投入較大，數(shù)字化管理系統(tǒng)著力于控制自動化、無人化，主要依靠網(wǎng)絡(luò)進行遠(yuǎn)程管理，安全快速可靠的網(wǎng)絡(luò)布局是實施數(shù)字化管理的基礎(chǔ)。由于系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括圖像、污水參數(shù)和泵狀態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)流量較大，前期考慮使用移動公司的GPRS通訊方式，該方式使用無線通信模塊提供透明快速的數(shù)據(jù)傳輸，并可提供最大約120 K的傳輸速率，但經(jīng)過論證發(fā)現(xiàn)當(dāng)10個泵站同時傳輸數(shù)據(jù)時，即使在數(shù)據(jù)打包壓縮的情況下峰值數(shù)據(jù)率也超過800 K，因此GPRS傳輸方式不可取，經(jīng)比較使用VPN傳輸方式，VPN是在公眾網(wǎng)絡(luò)上建立的虛擬內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)使用“加密安全通道”在公眾網(wǎng)絡(luò)上傳輸，不僅成本低，并且通信速率高，適宜圖像、數(shù)據(jù)整合的高速數(shù)據(jù)通訊〔5〕，而且便于擴展和管理，可以逐步將重慶市的污水管網(wǎng)納入到數(shù)字化管理系統(tǒng)中。

由于該污水管理處管轄區(qū)域面積大、泵站多且分散，因此使用逐級分區(qū)、區(qū)域分片和終端遠(yuǎn)傳的分級分區(qū)監(jiān)控布局，在ADSL上掛載VPN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，路由和網(wǎng)關(guān)使用公共的ADSL網(wǎng)絡(luò)，通過配備交換機將各泵站和監(jiān)測點的數(shù)據(jù)傳入交換機中，通過VPN將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絽^(qū)域中繼再傳輸?shù)娇刂浦行?，各泵站和監(jiān)測點的交換機前端連接硬盤錄相機、工業(yè)控制計算機和支持TCP/IP協(xié)議的可編程邏輯控制器（PLC）等，主要數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：（1）排放量和相關(guān)參數(shù)指標(biāo)；（2）PLC數(shù)據(jù)；（3）監(jiān)控錄像數(shù)據(jù)；（4）定期巡檢數(shù)據(jù)等。網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中繼目前規(guī)劃設(shè)置于污水處理廠，除將下轄監(jiān)測點上傳的數(shù)據(jù)上傳給控制中心外，還需將自身的相關(guān)參數(shù)如排水口水質(zhì)參數(shù)等上傳給控制中心，在控制中心統(tǒng)一管控管網(wǎng)系統(tǒng)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。其數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示（其中的虛線框內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由電信公司完成，項目組主要負(fù)責(zé)配置交換機，不同級別的交換機設(shè)置不同的VPN網(wǎng)關(guān)）。

圖3　　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3　試點實施

由于該排水管理處管理的泵站和污水管網(wǎng)區(qū)域面積較大，項目工作量較大，但工作內(nèi)容較為重復(fù)，因此在十二五期間先行進行試點推廣，在試點的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進后于十三五期間進行全面實施。試點選擇重慶市郊的一個污水處理廠，該廠于2011年建成投產(chǎn)，進水中工業(yè)廢水占60%，生活污水占40%，廢水處理使用改良A2/O工藝，下有泵站14個，并于大型企業(yè)排水口處設(shè)置監(jiān)控點7個，使用就近泵站的交換機接入VPN網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和圖3介紹的相同。

3.1數(shù)據(jù)錄取及傳輸

該污水處理廠下轄有14個泵站，進行數(shù)字化改造后將各設(shè)置一部監(jiān)控攝像機進行無人值守，但其中半數(shù)泵站處于人流較為密集的交通要道，因此增設(shè)一部監(jiān)控以加強泵站的安全性。泵站的監(jiān)控圖像和泵運行數(shù)據(jù)接入該泵站的交換機，通過VPN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿鬯幚韽S。

由于該污水處理廠的管網(wǎng)區(qū)域內(nèi)有7個大型排放企業(yè)，為加強排放管理，在企業(yè)排水口處設(shè)置流量計和在線分析儀進行排放監(jiān)控以掌握企業(yè)排污情況。主要使用水量在線分析儀、COD在線分析儀、氨氮在線分析儀和總磷在線分析儀對排污處的排放參數(shù)指標(biāo)如排量、COD、NH3-N、SS進行實時監(jiān)測，這些監(jiān)測裝置通過就近的泵站接入到VPN網(wǎng)絡(luò)中。

泵站和排污口共計21個監(jiān)測點，相關(guān)設(shè)備共計約80個，對系統(tǒng)的管理帶來挑戰(zhàn)，為增強系統(tǒng)的可靠性和管理便捷性，必須加強巡視維護，因此設(shè)置1周1次硬件設(shè)備巡檢，由專門的工程人員負(fù)責(zé)，并在各泵站設(shè)置智能巡更系統(tǒng)，同樣接入到VPN網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)工程人員巡檢硬件設(shè)備時需錄入到巡更系統(tǒng)，如發(fā)現(xiàn)硬件故障征兆必須立即上報經(jīng)批準(zhǔn)后更換配件。

泵站等監(jiān)測點通過VPN網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿鬯幚韽S，污水處理廠同樣進行自動化改造，可以實時監(jiān)控自身的排放參數(shù)，同時收集自身的PLC系統(tǒng)參數(shù)，與監(jiān)測點上報的數(shù)據(jù)打包后通過VPN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

3.2節(jié)能技改

在數(shù)字化項目試點工程建設(shè)過程中，同時對各級水泵進行節(jié)能技改，主要集中在由前期統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出的運行效率低下的水泵設(shè)備〔6〕。分析發(fā)現(xiàn)有兩處水泵由于11：00～14：30時段內(nèi)管網(wǎng)進水量較小同時水位較低，因此水泵會頻繁地開關(guān)機，水泵電機損耗和電控元件老化加速，使用壽命只有其他水泵的70%，經(jīng)研究分析使用水泵變頻技術(shù)進行技改，主要方法是在水泵控制柜內(nèi)增設(shè)智能數(shù)字儀表和變頻啟動裝置，包括ATV61變頻器、PMC型多功能智能數(shù)字儀表、150 kW變頻柜等，經(jīng)過變頻改造后，這2個水泵的抽升水量可控制在有效范圍內(nèi)，在水位較低的時段內(nèi)自動變頻，不再頻繁開關(guān)機，延長了設(shè)備的使用壽命。

同時將周巡檢工作也納入到節(jié)能考核工作規(guī)程中，對水泵和數(shù)字化配套設(shè)備建立電子臺賬，并按季度實施考核，重點對水泵、在線分析儀、交換機、變頻設(shè)備、PLC等設(shè)備的結(jié)構(gòu)、運行效能進行測量評估，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)兆，保證各設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)從而達(dá)到降低能耗的目的。

3.3效果測試

試點工程項目完成后，對管網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)字化管理系統(tǒng)的各項性能進行測試，測試結(jié)果為：

（1）系統(tǒng)具備繼線續(xù)傳功能，在VPN網(wǎng)絡(luò)交換機人為斷線1 h，重新連接后數(shù)據(jù)續(xù)傳后讀取正確。

（2）系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程訪問功能，由于VPN網(wǎng)絡(luò)可遠(yuǎn)程登陸的特點，只需連接互聯(lián)網(wǎng)再撥號到VPN網(wǎng)絡(luò)上，可實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問和管理。

（3）系統(tǒng)的傳輸實時性合格，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時最大不超過2 s，滿足設(shè)計要求。

（4）系統(tǒng)的傳輸可靠性合格，由于VPN網(wǎng)絡(luò)能夠進行錯誤包處理，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸正確率達(dá)到99%以上，后經(jīng)過軟件插值校正，進一步提高了傳輸正確率，可達(dá)到99.9%。

（5）系統(tǒng)的傳輸帶寬合格，通過數(shù)據(jù)壓縮和打包在VPN網(wǎng)絡(luò)中最大傳輸量達(dá)到1 Mb/s，為網(wǎng)絡(luò)帶來較大負(fù)擔(dān)，為提高傳輸性能在軟件中設(shè)置分時存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，將傳輸率降低至300 kb/s。

（6）系統(tǒng)的顯示頻率合格，監(jiān)控中心可設(shè)置數(shù)據(jù)刷新時間為1、5、10、30、60 s，默認(rèn)刷新時間為30 s。

在控制中心的軟件系統(tǒng)中，可查看管網(wǎng)各監(jiān)測點的各項參數(shù)，實時了解管網(wǎng)動態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)企業(yè)超量排污。

4　結(jié)論

通過VPN網(wǎng)絡(luò)和分級分區(qū)體制，排水管理處實現(xiàn)了對下屬的污水處理廠和污水管網(wǎng)的動態(tài)實時監(jiān)測，試點運行結(jié)果表明可大范圍推廣這種數(shù)字化、自動化、信息化的管理方式，解決污水管網(wǎng)監(jiān)測點分散給整個管網(wǎng)管理帶來的不便，實現(xiàn)集數(shù)據(jù)、圖像于一體的大流量通訊，但仍有部分問題需要解決，如：各監(jiān)測點的監(jiān)測設(shè)備模塊化建設(shè)，可集成各項設(shè)備于一體便于檢查和維修；智能巡更系統(tǒng)的信息交互過于簡陋，計劃采用外協(xié)的方式開發(fā)更具針對性的巡更系統(tǒng)用于完善的巡檢信息交互等，這些問題都將在下一步的工作中跟進解決并測試，以構(gòu)造一個更趨完善實用的污水管網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)字化管理系統(tǒng)。

［1］萬科星.基于VPN的自來水管網(wǎng)無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.自動化與儀表，2012，24（2）：27-29.

［2］許剛，朱子朋，劉文杰，等.大規(guī)模供水管網(wǎng)分級分區(qū)計量應(yīng)用研究［J］.給水排水，2015，41（1）：96-98.

［3］陸國鋒，李繼松，方燕，等.污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計研究［J］.中國給水排水，2012，28（21）：99-102.

［4］邱鴻榮，羅建中，鄭國輝.城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)現(xiàn)狀調(diào)查及整改對策研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2011，7（6）：1258-1262.

［5］向小宇，周志雄，童成彪.小區(qū)自來水管網(wǎng)壓力自動控制系統(tǒng)設(shè)計及性能分析［J］.給水排水，2015，41（1）：155-160.

［6］楊青娟，朱鋼.雨水管網(wǎng)和城市綠地的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計研究［J］.中國給水排水，2014，30（7）：94-98.

Design of the remote digital management system for sewage pipeline networks

Liu Jiafu1，Qi Xin1，Zhang Guoli2
（1.Chongqing Vocational Technical College of Water Reservation and Electric Power，Chongqing 402160，China；2.CSCEC AECOM Consultants Co.，Ltd.，Xi'an 710075，China）

Combined with the case study on the digital management for drainage pipeline networks implemented by Chongqing Municipal Sewage Management Department，the design project and component structure of the digital management system of sewage pipeline network based on virtual specific networks are introduced.Since the coverage area of the sewage pipeline under control is large，and the circulation course is long，the topological design of grading and zoning monitoring via the stage division，regional division and terminal remote transmission has been used. Using the network topological project on the asymmetric digital subscriber line carried virtual specific network has realized the automatic control and management of the remote scattered pumping station，and realized the real-time monitoring and storage of all the parameters，indexes，data and images of the sewage.The detection results show that the real-time data transmission and the reliability of the sewage pipeline network digital management system are better，and have remote access function，meeting the requirements for the project design.

sewage pipeline network；remote digital management，grading and zoning arrangement，virtual specific network

X703

B

1005-829X（2016）01-0099-04

劉嘉夫（1981—），碩士，講師。E-mail：liujiafu1981@126. com。

2015-11-28（修改稿）