管網(wǎng)衛(wèi)士 智慧排水

■ 張雪華 祖彥方

隨著城市的不斷發(fā)展，中國(guó)城市內(nèi)澇事件頻發(fā)，城市災(zāi)害已經(jīng)成為普遍性事件。越來(lái)越多的城市管理者開(kāi)始重視和加強(qiáng)對(duì)地下管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的管理。為此，國(guó)家推動(dòng)海綿城市建設(shè)，在城市建設(shè)過(guò)程中系統(tǒng)地設(shè)置排水管渠排漬除險(xiǎn)設(shè)施，旨在借助智能化、智慧化手段解決問(wèn)題城市排水問(wèn)題。

一、政策助推破解城市內(nèi)澇

在2005年，習(xí)近平總書(shū)記提出“綠水青山就是金山銀山”，并把保護(hù)環(huán)境作為國(guó)家的基本國(guó)策，國(guó)家治理水污染的力度逐漸加大，尤其是近5年來(lái)，國(guó)家針對(duì)城市排水和城市水環(huán)境治理等工作頒布了一系列配套管理政策，其中包括：

（1）2013年3月25日，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知》。

（2）2013年9月18日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議審議通過(guò)《城鎮(zhèn)排水與污水處理?xiàng)l例》，2014年1月1日起施行。

（3）2014年6月3日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)和管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》。

（4）2015年2月，中央政治局常務(wù)委員會(huì)會(huì)議審議通過(guò)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（《水十條》），同年4月16日正式發(fā)布。

（5）2015年9月21日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳關(guān)于開(kāi)展城市排水防澇檢查工作的通知》。

（6）2015年10月16日，發(fā)布《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》。

（7）2015年8月28日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、環(huán)保部、水利部、農(nóng)業(yè)部聯(lián)合印發(fā)《城市黑臭水體整治工作指南》。

（8）2016年8月16日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布關(guān)于提高城市排水防澇能力推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的通知。

（9）2016年9月5日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《城市黑臭水體整治—排水口、排水管道及檢查井治理技術(shù)指南》。

（10）2016年9月5日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《城鎮(zhèn)排水管渠與泵站運(yùn)行、維護(hù)及安全規(guī)程》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2017年3月1日生效。

（11）2017年2月20日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布關(guān)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市綜合地下管線信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的公告。

（12）2017年7月6日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)關(guān)于《城鎮(zhèn)污水處理工作考核暫行辦法》的通知。

二、地下管網(wǎng)現(xiàn)存主要問(wèn)題

城市現(xiàn)有排水管網(wǎng)普遍存在以下主要問(wèn)題：

1．雨污混接，清污不分。老城區(qū)雨污合流、分流制地區(qū)雨污混接，導(dǎo)致雨水管中有污水，污水管中有雨水，雨水、污水不能“各行其道”。鋪設(shè)在地下水水位以下的排水管道，由于各類結(jié)構(gòu)性缺陷和排水口的不完善，導(dǎo)致地下水等外來(lái)水滲入管道，加之受納水體水倒灌入管道，造成“清污不分”。

2．雨水管道養(yǎng)護(hù)不利造成突發(fā)性污染。雨水調(diào)蓄池不足以全部收集初期雨水、清通養(yǎng)護(hù)不及時(shí)造成雨水管道中存在淤泥，排污泵站又缺少污染物攔截手段，在強(qiáng)降雨或雨前放空時(shí)造成“一腔黑水”入河，對(duì)河道水體造成突發(fā)性污染。

3．管網(wǎng)缺陷導(dǎo)致無(wú)法驗(yàn)收使用。管道缺陷、地質(zhì)條件變化、施工設(shè)計(jì)有缺陷、施工方案不合理、施工監(jiān)管不健全等因素造成新建截污管網(wǎng)出現(xiàn)局部塌陷、接頭錯(cuò)位、管道破損等情況，截污管網(wǎng)不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不能驗(yàn)收使用。

4．管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失。管網(wǎng)地理信息檔案不完整，管道位置與施工圖不符合情況多見(jiàn)，管道走向、連通情況不明，造成養(yǎng)護(hù)處置困難。管網(wǎng)健康檔案不完整，管道健康數(shù)據(jù)收集和處理困難。

5．管網(wǎng)維護(hù)機(jī)制不健全。管網(wǎng)維護(hù)工作量大，人力、物力和經(jīng)費(fèi)缺口較大。管網(wǎng)維護(hù)滯后，不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道中存在問(wèn)題、缺陷。老城區(qū)管道養(yǎng)護(hù)治理困難，小區(qū)管道養(yǎng)護(hù)治理機(jī)制不健全。

圖1 地下排水管道內(nèi)的常見(jiàn)問(wèn)題

三、智慧排水，系統(tǒng)決策

因缺少信息化養(yǎng)護(hù)工具和管理手段，絕大部分地方市政尚未掌握地下排水管網(wǎng)的GIS（地理信息）和DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)，對(duì)排水管網(wǎng)的走向、連通情況、健康狀況、淤積情況等尚無(wú)準(zhǔn)確的支撐數(shù)據(jù)，日常管養(yǎng)難度大、效率低，難以滿足應(yīng)急響應(yīng)和處置的需求。

基于以上問(wèn)題，在現(xiàn)有設(shè)施基礎(chǔ)上加裝智能機(jī)器人巡檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和排水處置系統(tǒng)，構(gòu)建智慧排水運(yùn)維軟件平臺(tái)，建設(shè)智慧化排水綜合治理體系，實(shí)現(xiàn)地下排水管網(wǎng)的常態(tài)化智能監(jiān)測(cè)預(yù)警、智慧化決策和處置，已迫在眉睫。

基于以上分析，深圳市施羅德工業(yè)測(cè)控設(shè)備有限公司（后文簡(jiǎn)稱施羅德）提出了系統(tǒng)化智慧排水方案，其主要內(nèi)容包括：

（1）形成地下排水管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。開(kāi)展地下排水管線勘測(cè)，獲取GIS和DEM數(shù)據(jù)，接入所在地的管理信息系統(tǒng)，形成地下排水管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）建立高時(shí)效監(jiān)控系統(tǒng)。建設(shè)排水管網(wǎng)智能機(jī)器人巡檢監(jiān)測(cè)和管道自凈系統(tǒng)，使用智能巡檢機(jī)器人（USR系統(tǒng)）、智能井蓋、智能水閘等智能裝備，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢、井口定點(diǎn)監(jiān)測(cè)、管道自動(dòng)攔蓄沖洗等，實(shí)現(xiàn)常態(tài)化的排水管道運(yùn)行動(dòng)態(tài)信息收集和管道自凈處置，形成具有智慧化決策能力和一定處置能力的高時(shí)效性監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）建立智慧排水運(yùn)維軟件平臺(tái)。接入智能機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)收集的管網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及人工養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)設(shè)施的監(jiān)控、預(yù)警、報(bào)警、仿真模擬與運(yùn)行分析，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)精細(xì)化養(yǎng)護(hù)管理，為管網(wǎng)維護(hù)提供全流程、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理模式，保證排水調(diào)度的科學(xué)性與合理性，提高應(yīng)急響應(yīng)速度和處理能力。

施羅德提出的新一代智慧排水方案，在完成管網(wǎng)清淤工作的基礎(chǔ)上，對(duì)地下管網(wǎng)進(jìn)行勘察和排查，建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，初步掌握區(qū)域內(nèi)的管道健康狀況和積水成因，選定智能機(jī)器人巡檢路線和監(jiān)測(cè)點(diǎn)。針對(duì)各區(qū)域特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和建造區(qū)域的智能巡檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)區(qū)域內(nèi)的管線淤塞和積水情況進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)，為管道自凈處置系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和實(shí)施提供依據(jù)。

下水管道區(qū)域情況很復(fù)雜，積水、管道淤積都很常見(jiàn)，如圖2所示?，F(xiàn)將智慧排水方案的具體工作流程詳述如下。

圖2 下水管道內(nèi)部情況示例

（一）管線勘察

管線勘察工作主要是測(cè)定窨井口和管道口的水平坐標(biāo)和標(biāo)高、管道規(guī)格、材質(zhì)、井室規(guī)格等，形成2D/3D測(cè)量圖，并將測(cè)定結(jié)果錄入地下排水管網(wǎng)GIS信息系統(tǒng)。對(duì)于存在走向變化的管道，可以精確測(cè)定整條管道的水平坐標(biāo)和標(biāo)高。

管線勘察作業(yè)主要借助管線勘察作業(yè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）完成。該系統(tǒng)是用于管線測(cè)繪、檢測(cè)和調(diào)查的作業(yè)系統(tǒng)，能夠在無(wú)水和少水管道中完成無(wú)人化作業(yè)任務(wù)，主要由CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人、水下機(jī)器人、慣性測(cè)繪儀、QV潛望鏡、環(huán)掃聲吶等組成。該系統(tǒng)通過(guò)精確測(cè)量機(jī)器人在管線內(nèi)行進(jìn)的位置對(duì)管線進(jìn)行定位，能夠達(dá)到2cm～20cm的水平和標(biāo)高定位精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)管線走位的精確測(cè)繪；使用環(huán)掃聲吶（套水）和視頻圖像（無(wú)水）對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，查找管道缺陷。

圖3 管線勘察系統(tǒng)

系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備：

1．CCTV管道檢測(cè)機(jī)器人：它是在管道內(nèi)爬行的機(jī)器人平臺(tái)，用于無(wú)水或少水的管道內(nèi)勘測(cè)。機(jī)器人平臺(tái)能夠搭載攝像頭、定位裝置、成像聲吶、環(huán)掃聲吶、機(jī)械臂等作業(yè)載荷，在地面人員操控下完成可視化管道內(nèi)作業(yè)（聲吶成像效果見(jiàn)圖4、圖5。）

2．QV潛望鏡：它是一種便攜式快速檢測(cè)工具，用于在地面對(duì)檢查井附近的直線管道進(jìn)行快速排查，通常與管道內(nèi)作業(yè)配合使用。

3．慣性測(cè)繪儀：它是由慣性測(cè)量單元和導(dǎo)向測(cè)速支架構(gòu)成的慣性測(cè)量裝置，用于測(cè)量管道中軸線的位置。

4．地理基準(zhǔn)：它包括全站儀、RTK接收機(jī)等，用于測(cè)量和傳遞地面基準(zhǔn)點(diǎn)地理坐標(biāo)。

5．勞保防護(hù)裝具：它包括呼吸器、氣體監(jiān)測(cè)儀等，用于管內(nèi)人工作業(yè)防護(hù)。

6．操控計(jì)算機(jī)：運(yùn)行地面操控軟件，實(shí)時(shí)顯示管道內(nèi)的圖像，操作機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)。

7．線纜車：釋放和回收機(jī)器人供電和通信電纜，測(cè)量放線長(zhǎng)度，也可以為機(jī)器人供電。

8．管線勘察車：運(yùn)載工具，搭載吊臂、發(fā)電機(jī)等配套作業(yè)設(shè)備。

圖4 成像聲吶的前視成像效果

圖5 環(huán)掃聲吶的管道掃描結(jié)果

（二）智能機(jī)器人巡檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

智能機(jī)器人巡檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)和井口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，智能巡檢機(jī)器人（USR系統(tǒng)）用于干線管道巡檢，井口儀表用于支線管道定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。USR巡檢機(jī)器人樣圖見(jiàn)圖6，系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖7，USR系統(tǒng)在管道內(nèi)的運(yùn)行實(shí)景見(jiàn)圖8。

圖6 USR巡檢機(jī)器人樣圖

圖7 USR巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

圖8 USR系統(tǒng)的管道內(nèi)運(yùn)行實(shí)景

干線巡檢USR系統(tǒng)可以搭載多種傳感器在管道內(nèi)穿行，沿途收集圖像、氣體濃度、溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至使用者（管理中心或作業(yè)隊(duì)），能夠提供及時(shí)詳盡的干線內(nèi)部信息。配合使用井口儀表實(shí)時(shí)測(cè)量的支線管道水位、流速等信息，能夠?qū)芫W(wǎng)情況進(jìn)行智能判定，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)設(shè)施的監(jiān)控、預(yù)警、報(bào)警。

USR系統(tǒng)使用地面塢站作為機(jī)器人?？亢途S護(hù)設(shè)施，塢站具有供電、充電、遠(yuǎn)程通信等功能。不巡檢時(shí)，機(jī)器人?？吭趬]站中充電；在需要巡檢時(shí)，機(jī)器人從塢站出發(fā)沿軌道進(jìn)入地下管線，自動(dòng)完成巡檢任務(wù)，實(shí)時(shí)回傳管道內(nèi)部圖像。操作人員可以在中心站或手機(jī)上實(shí)時(shí)操控機(jī)器人，靈活實(shí)現(xiàn)行進(jìn)、停車、定點(diǎn)觀察、回收等操作。

USR系統(tǒng)使用耐腐蝕軌道，軌道自帶高壓清洗管路，能夠耐受管道中的腐蝕性氣體、水流沖擊等惡劣環(huán)境。軌道系統(tǒng)在檢查井附近設(shè)計(jì)為快拆軌段或繞行軌段，以方便人工下井作業(yè)。

在USR軌道所及處，井口監(jiān)測(cè)儀表直接接入U(xiǎn)SR軌道系統(tǒng)，以供電和通信。在分散監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則采用公共物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入。

圖10 智慧排水運(yùn)維軟件平臺(tái)的開(kāi)放式應(yīng)用架構(gòu)

（三）智慧排水運(yùn)維軟件平臺(tái)

智慧排水運(yùn)維軟件平臺(tái)是根據(jù)現(xiàn)有城市信息化總體規(guī)劃，按照資源集約的原則，綜合考慮管理體制、業(yè)務(wù)布局、數(shù)據(jù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)等因素，合理確定系統(tǒng)方案，采取集中控制、分布部署的軟件平臺(tái)系統(tǒng)，包含城市GIS系統(tǒng)、智慧排水系統(tǒng)等排水管網(wǎng)基本應(yīng)用。此外，平臺(tái)還可擴(kuò)展出城市地表水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、暴雨預(yù)警與水系統(tǒng)智慧反應(yīng)、管網(wǎng)在線監(jiān)控系統(tǒng)、城市用水管理和處置、水環(huán)境監(jiān)測(cè)和處置等子系統(tǒng)，形成完整的城市水資源監(jiān)控管理平臺(tái)，并最終接入智慧城市大平臺(tái)。

圖9 智慧排水運(yùn)維軟件平臺(tái)及其開(kāi)放性

智慧排水運(yùn)維軟件平臺(tái)具有以下基本功能（參見(jiàn)圖10）：

1．前端感知信息接入和控制：能夠接入雨量、水位、流量、視頻等管道內(nèi)部信息，控制前端設(shè)備和設(shè)施的運(yùn)行。

2．?dāng)?shù)據(jù)交換與服務(wù)共享：實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和交換各種運(yùn)維和管理數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)清洗和分析，提供人工智能決策支持，形成各種報(bào)表。

3．應(yīng)用定制化的業(yè)務(wù)模塊：例如在2D/3D場(chǎng)景下，提供地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析功能，快速、真實(shí)、準(zhǔn)確地獲取城市地下管線信息，為管理、運(yùn)營(yíng)和規(guī)劃提供決策依據(jù)。

提供精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)管理流程支持，實(shí)現(xiàn)巡檢任務(wù)分發(fā)、外業(yè)巡查、隱患上報(bào)、隱患處置調(diào)度的流程化管理，保證外業(yè)巡查人員與管網(wǎng)監(jiān)控中心、養(yǎng)護(hù)人員之間的即時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)精細(xì)化養(yǎng)護(hù)管理；對(duì)管網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)警、報(bào)警、仿真模擬與運(yùn)行分析，保證城市排水調(diào)度的科學(xué)性與合理性，提高應(yīng)急響應(yīng)速度和處理能力。

將管網(wǎng)數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)設(shè)施的信息發(fā)布、瀏覽查詢、統(tǒng)計(jì)分析等功能，方便管理部門(mén)及時(shí)掌握管網(wǎng)整體運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)不同管線權(quán)屬單位之間的數(shù)據(jù)共享，以及多種管線數(shù)據(jù)的融合分析。

智慧排水是體現(xiàn)城市管理智能化水平的重要標(biāo)志之一，是排水事業(yè)發(fā)展、行業(yè)管理與服務(wù)的重要支撐和保障，也是支撐民生的重要技術(shù)手段。

施羅德系統(tǒng)化智慧排水方案的建設(shè)，屬于智慧排水建設(shè)的一部分，通過(guò)信息化養(yǎng)護(hù)工具和管理手段，實(shí)時(shí)監(jiān)控排水管網(wǎng)的走向、連通情況、健康狀況、淤積情況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，更容易進(jìn)行日常管養(yǎng)，提升工作效率，為城市排水管網(wǎng)智慧化管理和科學(xué)決策提供詳盡及時(shí)的準(zhǔn)確信息，實(shí)現(xiàn)城市排水管網(wǎng)水資源的精細(xì)化管理。