雄安新區(qū)孝義河河口濕地水質(zhì)凈化工程物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李登峰

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

為了踐行黨中央“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的核心理念，打造“藍(lán)綠交織、清新明亮、水城共融”的生態(tài)之城，雄安新區(qū)正在大力開(kāi)展環(huán)境整治工程建設(shè)。孝義河河口濕地水質(zhì)凈化工程位于雄安新區(qū)安新縣安州鎮(zhèn)境內(nèi)馬棚淀孝義河入淀口處，處理水量20 萬(wàn)m3/d，工程占地總面積2.11km2。工程建設(shè)內(nèi)容主要包括水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、配套設(shè)施及公共工程等。

作為信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠把傳感器、控制器、機(jī)器設(shè)備、人員等生產(chǎn)環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)信息的智能監(jiān)控管理。本項(xiàng)目物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)打造數(shù)字濕地CIM 平臺(tái)和物聯(lián)服務(wù)支撐平臺(tái)兩大基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，建設(shè)水雨情監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、泵閥監(jiān)控、視頻監(jiān)視、通信和運(yùn)維六大業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地工程智慧化管控。

1 總體設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、支撐層和應(yīng)用層等共同組成：①感知層。感知層是獲取信息的基礎(chǔ)，通過(guò)相關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)信息的感知，包括傳感、識(shí)別、圖像獲取、GPS 定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)。傳感、識(shí)別、圖像獲取、GPS 定位等技術(shù)主要用在IoT 數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)感知上，借助各類(lèi)傳感器、視頻攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。②網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層是信息傳輸?shù)妮d體，主要包括專網(wǎng)、公網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制等技術(shù)。專網(wǎng)部署在泵閥監(jiān)控系統(tǒng)中；公網(wǎng)用于水雨情、水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮o助網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程控制技術(shù)是指在控制專網(wǎng)環(huán)境下，對(duì)泵站、閘門(mén)以及視頻攝像頭等各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。③數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)集群、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析等功能。通過(guò)分類(lèi)、預(yù)測(cè)、聚類(lèi)等方法，挖掘?qū)竦剡\(yùn)行具有價(jià)值的信息。④支撐層。支撐層主要包括SOA、Web Service、REST、系統(tǒng)集成、三維渲染、三維模型編輯等技術(shù)。SOA 是面向具體業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供服務(wù)的架構(gòu)。Web Service 是SOA 的一種實(shí)現(xiàn)方式，表現(xiàn)為REST 風(fēng)格。系統(tǒng)集成指將各類(lèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)集成于到基礎(chǔ)平臺(tái)。三維渲染技術(shù)可在主流計(jì)算機(jī)配置環(huán)境中穩(wěn)定、流暢運(yùn)行。三維模型編輯技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的快速整合。⑤應(yīng)用層。應(yīng)用層是面向用戶的系統(tǒng)界面，主要包括水雨情監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、泵閥監(jiān)控、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。通過(guò)應(yīng)用模塊和端口，滿足工程管理的各項(xiàng)應(yīng)用。系統(tǒng)預(yù)留接口，為后期其他系統(tǒng)關(guān)聯(lián)互通打下了基礎(chǔ)。

（2）業(yè)務(wù)流程。總體業(yè)務(wù)流程共設(shè)計(jì)為三類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景，分別為前端感知層、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站和管理中心。在前端感知層，業(yè)務(wù)流程主要側(cè)重于前端監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與接收控制指令?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站側(cè)重于前端感知數(shù)據(jù)的匯聚和管理處控制指令的接收，管理中心側(cè)重于各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)整理、可視化展示以及相關(guān)業(yè)務(wù)的聯(lián)動(dòng)管理。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)分為兩大類(lèi)：公共數(shù)據(jù)庫(kù)和專用數(shù)據(jù)庫(kù)。公共數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的是各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)都需要用到的數(shù)據(jù)，包括項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)等信息、組織結(jié)構(gòu)、用戶權(quán)限、BIM、GIS 等數(shù)據(jù)。公共數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在公共數(shù)據(jù)庫(kù)中，統(tǒng)一建設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)，不需要在各系統(tǒng)使用到這些數(shù)據(jù)時(shí)重復(fù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。專用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的是業(yè)務(wù)系統(tǒng)在管理過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，與業(yè)務(wù)流程緊密相關(guān)，數(shù)據(jù)量持續(xù)增加，主要包括水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、人工檢測(cè)數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)測(cè)預(yù)警等各類(lèi)數(shù)據(jù)。各個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)在自身業(yè)務(wù)中生成，根據(jù)業(yè)務(wù)生成情況單獨(dú)建設(shè)，也可以供其他系統(tǒng)讀取使用。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合管理的實(shí)際需求，建設(shè)工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)等八個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)平臺(tái)為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐服務(wù)，保證業(yè)務(wù)系統(tǒng)按照各自的管理邏輯流暢運(yùn)轉(zhuǎn)。

（1）數(shù)字濕地CIM 平臺(tái)。數(shù)字濕地CIM 平臺(tái)以GIS、BIM 技術(shù)為核心，為濕地凈化、生態(tài)修復(fù)相關(guān)業(yè)務(wù)提供宏觀分析層面的信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的宏觀信息與三維數(shù)字化相關(guān)模型的聯(lián)動(dòng)展示分析，為工程提供全生命周期的數(shù)據(jù)支撐和輔助決策。數(shù)字濕地CIM 平臺(tái)設(shè)計(jì)了四大功能模塊，分別為智慧決策模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、資源服務(wù)模塊和三維展示模塊，為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)和拓展服務(wù)。

（2）物聯(lián)服務(wù)支撐平臺(tái)。物聯(lián)服務(wù)支撐平臺(tái)通過(guò)建設(shè)統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集接口，對(duì)各類(lèi)感知層監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集和管理，通過(guò)數(shù)據(jù)整理和清洗，為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)，遵循相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，向外部系統(tǒng)開(kāi)放數(shù)據(jù)接口，提供數(shù)據(jù)服務(wù)。物聯(lián)服務(wù)支撐平臺(tái)根據(jù)物聯(lián)設(shè)備接入、管理、數(shù)據(jù)分發(fā)的工作需求，結(jié)合系統(tǒng)提供的協(xié)議適配、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)權(quán)限進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為監(jiān)測(cè)設(shè)備接入與管理、數(shù)據(jù)分析共享、平臺(tái)運(yùn)營(yíng)運(yùn)維與安全管理四部分內(nèi)容。

3 業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)水位的監(jiān)測(cè)和流量的測(cè)算，掌握監(jiān)測(cè)點(diǎn)水資源的利用情況及趨勢(shì)，方便濕地整治效果考核，同時(shí)，為河道防洪調(diào)度和水資源優(yōu)化配置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和服務(wù)。系統(tǒng)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式，利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體水位、流量、流速等水文數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并能夠通過(guò)光纜有線網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線2G/4G 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到水雨情系統(tǒng)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析處理。達(dá)到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和報(bào)警等功能。

（2）水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)了解水質(zhì)變化情況、監(jiān)測(cè)修復(fù)效果、實(shí)現(xiàn)水質(zhì)污染應(yīng)急處理。系統(tǒng)采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)、人工監(jiān)測(cè)兩種方式，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控河道水質(zhì)情況。在河道進(jìn)出水等位置布設(shè)自動(dòng)化檢測(cè)儀，可快速獲得水體的PH 值、濁度、COD、總磷、總氮、氨氮、SS 等指標(biāo)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，自動(dòng)分析評(píng)價(jià)相關(guān)數(shù)據(jù)，分析各河道斷面出水水質(zhì)是否低于河道進(jìn)水水質(zhì)，確保整個(gè)濕地水質(zhì)達(dá)到規(guī)范要求，為預(yù)防和及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染事故提供輔助決策。

（3）泵閥監(jiān)控系統(tǒng)。泵閥監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泵站以及閥門(mén)的集中控制和調(diào)度，減輕運(yùn)維負(fù)擔(dān)、滿足實(shí)時(shí)聯(lián)合調(diào)度需求，最終達(dá)到無(wú)人值班運(yùn)行效果。項(xiàng)目共設(shè)計(jì)5 個(gè)提升泵站，各現(xiàn)場(chǎng)站控制室內(nèi)均設(shè)有1 臺(tái)集中PLC 控制屏，通過(guò)電纜與現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)傳感器、儀表、執(zhí)行器等設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集傳輸，完成信息上傳至管理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和分析。

（4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心、傳輸網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)三大部分構(gòu)成。主要包括視頻監(jiān)視、視頻控制、視頻服務(wù)、管理維護(hù)、視頻編碼、視頻查詢、視頻存儲(chǔ)、報(bào)警、智能分析報(bào)警功能、可視化管控、監(jiān)控中心等功能。有效監(jiān)控濕地運(yùn)行情況，保障人機(jī)料運(yùn)行安全，為濕地的運(yùn)維管理提供信息化支撐。

（5）通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)將前端感知層設(shè)備采集的數(shù)據(jù)回傳至管理處各系統(tǒng)，傳達(dá)管理處控制、調(diào)度指令傳至各系統(tǒng)感知層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各管理處與雄安云之間的數(shù)據(jù)通信。傳輸網(wǎng)絡(luò)采用自建光纜為主、公網(wǎng)為輔的方式進(jìn)行通訊。

（6）運(yùn)維系統(tǒng)。運(yùn)維系統(tǒng)為工程運(yùn)維階段的各項(xiàng)業(yè)務(wù)提供便利，保證項(xiàng)目正常生產(chǎn)運(yùn)行。系統(tǒng)主要包括七大功能模塊，分別為巡查維護(hù)、維修養(yǎng)護(hù)、管理考核、值班管理、設(shè)備管理、工單管理、突發(fā)事件響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工程的智慧化運(yùn)維。

4 結(jié)語(yǔ)

采用GIS 技術(shù)、IoT 技術(shù)、BIM 技術(shù)、三維模型編輯等技術(shù)搭建的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地水雨情、水質(zhì)、泵閥運(yùn)行等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、分析、挖掘和應(yīng)用，對(duì)孝義河濕地凈化工程的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)治理全過(guò)程管控，為各類(lèi)業(yè)務(wù)提供實(shí)時(shí)監(jiān)控和輔助決策。平臺(tái)還預(yù)留足夠的接口，為開(kāi)發(fā)完成后接入雄安新區(qū)其他相關(guān)管理對(duì)象或功能擴(kuò)展打好基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)雄安新區(qū)層面的統(tǒng)一管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用。