浙江臺州椒江區(qū)城市智慧排水體系構(gòu)建“三步法”研究

孫云鵬，洪昌直，鮑俊杰

[1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；2.臺州市椒江區(qū)綜合行政執(zhí)法局，浙江 臺州 318099]

1 研究背景

“十四五”規(guī)劃指出：“要以數(shù)字化助推城鄉(xiāng)發(fā)展和治理模式創(chuàng)新，全面提高運行效率和宜居度。分級分類推進新型智慧城市建設(shè)，將物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)施、通信系統(tǒng)等納入公共基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)，推進市政公用設(shè)施、建筑等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和智能化改造”[1]。城市市政排水系統(tǒng)作為城市公共服務(wù)的重要環(huán)節(jié)，其智慧化建設(shè)是智慧城市建設(shè)中不可缺少的組成部分，是體現(xiàn)城市智慧水平的重要標(biāo)桿。浙江省臺州市椒江區(qū)積極響應(yīng)國家“十四五”規(guī)劃，提出采用智慧水務(wù)數(shù)字孿生手段，分期構(gòu)建區(qū)級智慧排水統(tǒng)一管控平臺，以促進當(dāng)?shù)嘏潘袠I(yè)發(fā)展，提升行業(yè)多跨協(xié)同能力。

本研究以浙江省臺州市椒江區(qū)為試點，探索并提出了城市排水智慧水務(wù)體系構(gòu)建“三步法”，進行了實證應(yīng)用探索，構(gòu)建了“椒江區(qū)智慧排水一體化管控平臺”，并分析其建設(shè)成效，研究成果可為類似城市提供參考。

2 研究方法

本研究試點區(qū)地處浙江省沿海中部，瀕臨東海，自然水系發(fā)達，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降水量1519.0mm，有2個月臺風(fēng)期（8—9月）。針對試點區(qū)基礎(chǔ)條件，本研究構(gòu)建了城市排水智慧水務(wù)體系“三步法”研究總體框架（見圖1）。

圖1 城市排水智慧水務(wù)體系框架構(gòu)建步驟

（1）第一步：基礎(chǔ)資料收集與需求分析

城市排水智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)基于排水系統(tǒng)實際，以滿足業(yè)務(wù)主體的需求為首要目的。此步驟要求收集項目建設(shè)區(qū)域范圍內(nèi)包括地形地貌、水文氣象、社會經(jīng)濟、土地利用、人口分布、雨污水系統(tǒng)規(guī)劃與建設(shè)資料等在內(nèi)的各類基礎(chǔ)資料，并進行部門走訪調(diào)研，聽取排水系統(tǒng)相關(guān)各方（如涉水政府部門、排水運營企業(yè)等）對所構(gòu)建的智慧水務(wù)系統(tǒng)的需求，進行需求分析。

（2）第二步：智慧水務(wù)體系層級設(shè)計

城市智慧水務(wù)體系框架主要分為四個層級，自上而下分別為業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、應(yīng)用支撐體系、數(shù)據(jù)資源體系、基礎(chǔ)設(shè)施體系。四個層級在設(shè)計時應(yīng)自上而下逐層級進行。由于排水行業(yè)建設(shè)與管理過程涉及的部門多（如住建、城管、執(zhí)法、環(huán)保、水務(wù)、交通及排水公司等多部門），橫跨領(lǐng)域廣（供水、排水、環(huán)保、氣象等多領(lǐng)域），在體系框架設(shè)計時要尤其注意框架結(jié)構(gòu)的開放性，采用標(biāo)準(zhǔn)化的信息交換端口，確保智慧水務(wù)系統(tǒng)與外界進行數(shù)據(jù)交流過程暢通無阻。

（3）第三步：各層級建設(shè)任務(wù)細化與開展

智慧水務(wù)系統(tǒng)框架龐大復(fù)雜，第三步需要依據(jù)各個層級設(shè)計方案，細化建設(shè)內(nèi)容，采取分期分步方式實施。

3 試點區(qū)研究方法探索

3.1 基礎(chǔ)資料收集與需求分析

就本研究所選試點區(qū)域情況而言，在充分梳理資料與走訪當(dāng)?shù)厮h(huán)境治理辦公室、排水系統(tǒng)監(jiān)管部門、排水管理公司等的監(jiān)管領(lǐng)導(dǎo)與一線業(yè)務(wù)人員后，確定本研究內(nèi)容主要包括試點區(qū)內(nèi)雨水、污水、再生水系統(tǒng)。總結(jié)得出現(xiàn)狀排水行業(yè)與管理需求的主要問題：頻繁的降水與臺風(fēng)等極端天氣造成該區(qū)內(nèi)澇問題嚴重，而該區(qū)雨水排水系統(tǒng)運行主要通過人工調(diào)度，機動性和應(yīng)急性較差；污水排水系統(tǒng)建成年代較久，存在管網(wǎng)破損滲漏、雨污合流混接等問題，造成污水直接入河、污水處理廠超負荷運轉(zhuǎn)；現(xiàn)存的排水行業(yè)信息管理系統(tǒng)數(shù)量少、功能單一，系統(tǒng)間信息割裂，缺乏行業(yè)全局總覽工具與窗口；排水設(shè)施養(yǎng)護缺乏標(biāo)準(zhǔn)化、線上化管理平臺，造成運維工作不到位、過程難監(jiān)管等。下一步將針對現(xiàn)狀問題與實際需求進行智慧水務(wù)體系的設(shè)計。

3.2 智慧水務(wù)體系層級設(shè)計

3.2.1 業(yè)務(wù)應(yīng)用體系

業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，主要包括智慧水務(wù)系統(tǒng)具備的實際應(yīng)用功能及其實現(xiàn)形式。業(yè)務(wù)應(yīng)用應(yīng)面向排水監(jiān)管與運營主體，基于當(dāng)下排水系統(tǒng)運行存在的問題與需求，進行針對性設(shè)計。

本研究所構(gòu)建的智慧水務(wù)系統(tǒng)具備的業(yè)務(wù)應(yīng)用功能主要包括排水系統(tǒng)平穩(wěn)運行監(jiān)管、排水防澇管理、溢流監(jiān)測與入流入滲分析、綜合運行調(diào)度、管網(wǎng)養(yǎng)護運維管理等，涉及多部門跨行業(yè)協(xié)同處理。針對不同業(yè)務(wù)場景，重塑事件上報縱向反饋機制，形成標(biāo)準(zhǔn)化閉環(huán)協(xié)同管理流程。以上業(yè)務(wù)應(yīng)用實現(xiàn)形式為“一張圖”式綜合管控，最終以PC、Web與具有當(dāng)?shù)靥厣囊苿佣耍嫦蛘O(jiān)管人員的“浙政釘”平臺與面向社會公眾的“浙里辦”平臺）三種形態(tài)呈現(xiàn)，提供統(tǒng)一的信息服務(wù)入口和個性化信息服務(wù)。

3.2.2 應(yīng)用支撐體系

應(yīng)用支撐體系，包括排水模型系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析方法與通用組件。通過提取數(shù)據(jù)資源體系中的數(shù)據(jù)，結(jié)合排水系統(tǒng)實際建設(shè)情況，本研究建立了內(nèi)澇防治數(shù)學(xué)模型和污水管網(wǎng)水動力模型。排水模型的建立需要經(jīng)過基礎(chǔ)資料收集、數(shù)據(jù)檢查、模型拓撲校驗、模型測試、率定與驗證等步驟，模型成果可用于現(xiàn)狀分析評估、規(guī)劃設(shè)計及運行調(diào)度方案支撐[2-6]、預(yù)案模擬與結(jié)果分析、實時預(yù)報與災(zāi)情風(fēng)險評估等方面。通過感知硬件實時發(fā)現(xiàn)問題，結(jié)合模型算法，提供輔助決策，全程跟蹤處置流程，可以有效提升排水系統(tǒng)運行風(fēng)險事件處置效率與安全決策效率。

3.2.3 數(shù)據(jù)資源體系

排水行業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜、管理多元，行業(yè)數(shù)據(jù)既包括廠、站、網(wǎng)、戶等靜態(tài)設(shè)施，也有運行監(jiān)測、統(tǒng)計報表、養(yǎng)護檔案等各類動態(tài)數(shù)據(jù)。本研究中，數(shù)據(jù)資源體系的核心是行業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，主要包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、運行監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、運維管理數(shù)據(jù)庫（見圖2）。數(shù)據(jù)庫對諸如工單、巡檢、養(yǎng)護、基礎(chǔ)設(shè)備等平臺運營數(shù)據(jù)，地理環(huán)境、監(jiān)測指標(biāo)、視頻信息等平臺運行數(shù)據(jù)，以及通過其他主體、渠道、平臺等獲取的三方數(shù)據(jù)，進行交換、脫敏、脫密、匯聚、清洗、轉(zhuǎn)換、開發(fā)、運維處理。

圖2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建內(nèi)容

3.2.4 基礎(chǔ)設(shè)施體系

基礎(chǔ)設(shè)施體系，主要包括兩張網(wǎng)與一系列服務(wù)，即物聯(lián)感知網(wǎng)——包括排水全過程中各種用于對液位、水質(zhì)、流量、雨量等數(shù)據(jù)進行采集與控制的感知設(shè)備，基礎(chǔ)通信網(wǎng)——包括公共互聯(lián)網(wǎng)、NB-IoT/4G/5G網(wǎng)絡(luò)、光纖專網(wǎng)、VPN專網(wǎng)等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)，與包括計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、安全、容災(zāi)、備份等在內(nèi)的一系列基礎(chǔ)服務(wù)。

物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)以排水管網(wǎng)監(jiān)測為主，基于排水系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)監(jiān)測目標(biāo)，考慮監(jiān)測區(qū)域的現(xiàn)狀和滿足排水管網(wǎng)運行安全管理的數(shù)據(jù)需求，分別對雨水、污水系統(tǒng)進行了監(jiān)測點位布設(shè)。本研究雨水系統(tǒng)監(jiān)測點位主要包含7座雨水泵站（含排江、排澇兩類）、8個易澇積水點、4處排澇閘和5個主要排水閘門井。在雨水泵站、排澇閘等設(shè)置水量、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備；在易澇積水點設(shè)置積水尺。污水系統(tǒng)監(jiān)測點位主要包含5座污水泵站、1個污水處理廠接入點和10處重要管網(wǎng)節(jié)點，均進行水量與水質(zhì)監(jiān)測（主要指標(biāo)為COD，TP，氨氮等）。

基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)包括公共互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、公有云和政務(wù)云等四部分（見圖3）。用戶可以通過PC端、移動端，使用公共互聯(lián)網(wǎng)訪問系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)信息查看、系統(tǒng)作業(yè)和平臺運維等功能。

圖3 基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

4 各層級建設(shè)任務(wù)細化與開展

依據(jù)各個層級設(shè)計方案，細化建設(shè)內(nèi)容，并分期分步驟實施。在業(yè)務(wù)應(yīng)用體系層級確定智慧水務(wù)系統(tǒng)應(yīng)具有的主要功能模塊，以及各功能實現(xiàn)的形式；在應(yīng)用支撐體系層級確定涉及的水務(wù)業(yè)務(wù)邏輯、采用模型與分析算法等；在數(shù)據(jù)資源體系層級確定需要采集的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)來源與采集頻率，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、容量等；在基礎(chǔ)設(shè)施體系層級確定感知網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測點位布設(shè)方案、設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)傳輸方式、拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

現(xiàn)在椒江區(qū)正在采用本研究所述方法進行智慧水務(wù)體系的實際建設(shè)，構(gòu)建了“智慧排水一體化管控平臺”。截止目前，系統(tǒng)已成功對接280km污水管網(wǎng)、31座污水泵站、2座污水處理廠、1座再生水廠、1400余家排水戶的硬件設(shè)施及數(shù)據(jù)集成，并計劃新布設(shè)、改造各類液位、流量、水質(zhì)監(jiān)測站點及PLC控制柜等智能設(shè)備150余臺；初步構(gòu)建了浙江省首創(chuàng)的水動力模型，并計劃結(jié)合排水系統(tǒng)物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)不斷迭代完善，為識別外水入侵、管網(wǎng)淤堵、重點排水戶超排、識別區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險時空分布等問題打下基礎(chǔ)，向“定量分析、預(yù)測預(yù)報”的精細化、智慧化管理方向前進；融合GIS、BIM、IoT技術(shù)，打造集在線互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同、決策支持等多種功能于一體的高標(biāo)準(zhǔn)智慧排水一體化管控平臺框架，并繼續(xù)進行不斷完善。

5 結(jié) 語

本研究提出了城市排水智慧水務(wù)體系先基礎(chǔ)資料收集與需求分析，再智慧水務(wù)體系層級設(shè)計，最后各層級建設(shè)任務(wù)細化與開展的構(gòu)建“三步法”，并以浙江省某市區(qū)為試點，進行了實證應(yīng)用探索，研究成果可為類似城市提供參考。下一步將根據(jù)建設(shè)過程中總結(jié)的心得體會對本研究結(jié)論進行回顧性評估，使得本研究成果更具適用性。