智慧城市背景下排水工程智能化的探索

王普磊 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230032）

1 引言

隨著人類社會的不斷發(fā)展，未來城市將承擔(dān)越來越多的人口。我國處于城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的時期，“城市病”問題凸顯。為解決城市發(fā)展難題，實現(xiàn)城市的健康可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)智慧城市已成為當(dāng)今各國城市發(fā)展的主流。智慧水務(wù)、智慧排水作為智慧城市的組成部分，也必須要同時建設(shè)與發(fā)展。

2 智慧排水的基本框架

2.1 智慧排水基本架構(gòu)

2.1.1 感知層

水位數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、工況數(shù)據(jù)等。

2.1.2 執(zhí)行層

槽閘啟閉機(jī)構(gòu)、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC控制柜等。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)層

移動網(wǎng)絡(luò)、政務(wù)專網(wǎng)、控制專網(wǎng)、采集專網(wǎng)、公共以太網(wǎng)。

2.1.4 平臺層

統(tǒng)一數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺、數(shù)據(jù)交換平臺、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、GIS服務(wù)平臺、模型管理平臺。

2.1.5 應(yīng)用層

在線監(jiān)測、預(yù)警信息、數(shù)據(jù)分析、地圖GIS、模型分析、智慧運行。具體的應(yīng)用系統(tǒng)：排水管網(wǎng)巡查系統(tǒng)、城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、排水綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)。

2.1.6 用戶

外網(wǎng)用戶、內(nèi)網(wǎng)用戶、移動端用戶。具體的用戶：信息審核員、維保人員、IT運維、決策領(lǐng)導(dǎo)、指揮中心、科研機(jī)構(gòu)、公眾。

3 智慧排水的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

將管網(wǎng)、中水站、雨污泵站、河道等SCADA數(shù)據(jù)及多種硬件采集數(shù)據(jù)整合納入系統(tǒng)中統(tǒng)一管理，并根據(jù)用戶需求進(jìn)行統(tǒng)計分析，為應(yīng)急指揮決策提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)

通過中心站和遙測站（監(jiān)測站）的協(xié)同工作，提供城市道路、下沉式立交橋、地下停車場、排水管道、渠道、檢查井、排水口、城市河流水系等監(jiān)測點的實時信息，又能夠為市政排水調(diào)度管理機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 排水管網(wǎng)巡查系統(tǒng)

排水管網(wǎng)巡查系統(tǒng)以手持移動設(shè)備與Web系統(tǒng)相結(jié)合的方式，為管網(wǎng)巡查提供了全流程、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理模式。開發(fā)移動巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)地下管線應(yīng)急服務(wù)管理：采用GPS、GSM/GPRS/NBIOT、GIS和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在GSM/GPRS通信平臺上開發(fā)管線巡檢系統(tǒng)，提高巡查效率，最大限度地節(jié)約人力、物力資源，實現(xiàn)地下管線的數(shù)字化、信息化、智慧化管理，提高緊急故障處理的能力和協(xié)調(diào)水平。

3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

基于網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控技術(shù)，依托視頻監(jiān)控中心，視頻監(jiān)控系統(tǒng)為防汛預(yù)警系統(tǒng)及監(jiān)控決策系統(tǒng)提供各類視頻監(jiān)控站點的視頻信息。

4 系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 排水管網(wǎng)巡查系統(tǒng)

完整的管線信息包括管線空間位置信息（X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、高程、埋深等）、管線基本屬性信息（材質(zhì)、管徑、附屬物、權(quán)屬單位、埋設(shè)年限等）和管線實時的運行狀態(tài)信息（壓力、流量、液位等），管線空間位置信息和基本屬性信息通過管線普查或竣工驗收測量獲取，管線的實時運行狀態(tài)信息則通過物聯(lián)網(wǎng)和相應(yīng)的管線傳感器獲取，在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)層、檢測層、感知層、傳輸層等體系架構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，通過在管線及其附屬設(shè)施上預(yù)先嵌入的相關(guān)傳感器，定時或?qū)崟r獲取地下管線自身及運行情況的狀態(tài)參數(shù)，開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的管線實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并與管線二三維系統(tǒng)集成，從而為管線的現(xiàn)場監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報等提供技術(shù)支撐。

4.2 城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)

構(gòu)建城市內(nèi)澇水力模型，結(jié)合監(jiān)測站的實時數(shù)據(jù)，測算內(nèi)澇風(fēng)險指數(shù)，全面評估城市排水管網(wǎng)排水能力并提供預(yù)警預(yù)報。

4.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

充分利用城鎮(zhèn)公共視頻監(jiān)控，補(bǔ)充主要道路、城市低洼區(qū)域視頻監(jiān)控，多平臺多部門視頻監(jiān)控系統(tǒng)共享共通，同時結(jié)合城市水力模型，選取代表性監(jiān)控點。

4.4 排水綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)

結(jié)合排水管網(wǎng)巡查系統(tǒng)、內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建“一張圖”可視化管理系統(tǒng)，利用專業(yè)模型軟件模擬測算驗證，并設(shè)置相應(yīng)指揮調(diào)度權(quán)限，系統(tǒng)與社會安全平臺聯(lián)絡(luò)通信。

4.5 關(guān)鍵技術(shù)

4.5.1 物聯(lián)網(wǎng)傳感器的感知技術(shù)

①傳感器技術(shù)：計算機(jī)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，到目前為止絕大部分計算機(jī)處理的都是數(shù)字信號，自從有計算機(jī)以來就需要傳感器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號計算機(jī)才能處理。

②標(biāo)簽：也是一種傳感器技術(shù)，RFID技術(shù)是融了無限射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，RFID在自動識別、物品物流管理有著廣闊的應(yīng)用前景。

③嵌入式系統(tǒng)技術(shù)：綜合了計算機(jī)軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)為一體的復(fù)雜技術(shù)。

4.5.2 通信和融合技術(shù)

通信和融合技術(shù)主要實現(xiàn)管網(wǎng)感知數(shù)據(jù)和控制信息的雙向路由傳遞和接入控制，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線寬帶網(wǎng)絡(luò)互連、管網(wǎng)終端及傳感設(shè)備的接入控制。

4.5.3 評估和預(yù)警技術(shù)

針對管網(wǎng)運行的健康狀況及實時傳輸狀況數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)模型分析評估、發(fā)現(xiàn)潛在故障隱患及運行風(fēng)險，及時做出預(yù)警和應(yīng)對措施，實現(xiàn)管線運維及突發(fā)事件的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的“管、控、營”一體化。

4.5.4 地下管線自動化三維建模技術(shù)

隨著計算機(jī)軟硬件、三維可視化技術(shù)的快速發(fā)展，地下管線的三維可視化建模、空間分析與輔助決策技術(shù)已廣泛應(yīng)用于規(guī)劃、設(shè)計、審批、施工、運維等日常管理工作中。常用的建模軟件：3DMax、Sketchup、Autodesk Revit、Stamp、Skyline、CityMaker。

5 感知層與執(zhí)行層具體布置

感知層的傳感器通訊上游均設(shè)置RTU，執(zhí)行層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通訊上游設(shè)置RTU或者工業(yè)路由器（帶SIM卡）。傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)運維條件選擇搭配GPS終端。

5.1 感知層布置

①管網(wǎng)

a.排水干管主要節(jié)點設(shè)置流量計、壓力計。

b.排水干管排口設(shè)置流量計。

c.溢流井設(shè)置流量計、液位計。

d.截流井設(shè)置流量計、濁度儀。

e.水泵出水管設(shè)置流量計、壓力計。

f.污水處理廠站排口設(shè)置流量計、濁度儀、水質(zhì)傳感一體儀。

②匯流區(qū)域內(nèi)設(shè)置雨量計。

③河道設(shè)置流量計、液位計。

④調(diào)節(jié)池、調(diào)節(jié)塘、蓄水池、濕塘、濕地等設(shè)置液位計。

⑤主要道路、城市低洼區(qū)域設(shè)置視頻監(jiān)控。

5.2 執(zhí)行層布置。

①管網(wǎng)

a.槽閘井啟閉機(jī)。

b.截流井電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

②泵站

a.污水泵站PLC控制柜。

b.雨水泵站PLC控制柜。

c.中水泵站PLC控制柜。

③調(diào)節(jié)池、調(diào)節(jié)塘、蓄水池、濕塘、濕地等具有調(diào)蓄作用的設(shè)施的槽閘起閉機(jī)構(gòu)。

④道路視頻監(jiān)控。

6 綜合管理與智能化有機(jī)結(jié)合

6.1 信息推送

預(yù)警、報警信息通過微信或者短信的形式自動推送至用戶手機(jī)上，可以第一時間做出調(diào)度響應(yīng)，避免事故的發(fā)生。

6.2 系統(tǒng)登錄

既可通過PC端登錄系統(tǒng)也可以通過手機(jī)APP登錄系統(tǒng)。手機(jī)APP同樣具有遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制排水系統(tǒng)的功能。

6.3 自動運行

根據(jù)城市安全級別的不同，排水綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)設(shè)置為人工與自動。在一定安全范圍內(nèi)，經(jīng)過評估論證，采用自動運行模式，即智能化的排水綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)解決城市排水調(diào)度。

6.4 物聯(lián)網(wǎng)

城市排水智能化基于物聯(lián)網(wǎng)理念，采用信息化手段，結(jié)合GIS展示，全面掌握排水系統(tǒng)的運行情況如管網(wǎng)水位、流量、水質(zhì)、有害氣體濃度、泵站運行狀態(tài)等，保證排水系統(tǒng)安全高效運行；通過構(gòu)建安全預(yù)警平臺，提高應(yīng)急指揮及快速處置能力；提供科學(xué)、先進(jìn)的城市級水力分析模型，全面評估城市排水管網(wǎng)能力；以城市排水設(shè)施數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合管網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報、雨情信息，為城市排水規(guī)劃、防澇預(yù)測提供決策依據(jù)。

7 結(jié)語

以時空信息為基礎(chǔ)，充分利用感知監(jiān)測網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制和水力模型等新一代信息技術(shù)，全方位感知市政排水運行工況，通過“一張圖”可視化管理模式，最終形成支撐排水管理部門各業(yè)務(wù)單元運行、管理和決策分析于一體的“智慧排水”信息平臺。