上海中心城區(qū)智慧排水管理平臺(tái)構(gòu)建

張彥晶

（上海市城市排水有限公司，上海市200233）

0 引言

經(jīng)過(guò)近20多年的排水信息化建設(shè)，上海市城市排水有限公司信息化建設(shè)從起步階段發(fā)展到數(shù)字排水建設(shè)階段，建立了排水雨情、水情、工情感知平臺(tái)和排水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立了生產(chǎn)自控系統(tǒng)、運(yùn)行調(diào)度、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)、排水GIS、設(shè)備管理等信息化系統(tǒng)，在企業(yè)管理中發(fā)揮了重要作用。

目前，國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略和上海市建設(shè)全球卓越城市的發(fā)展目標(biāo)等，對(duì)城市排水提出了綠色化、精細(xì)化、智慧化的發(fā)展要求。本文以“上海中心城區(qū)智慧排水管理平臺(tái)”項(xiàng)目為實(shí)例，對(duì)平臺(tái)目標(biāo)、架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，以期對(duì)排水行業(yè)信息化建設(shè)提供參考和借鑒。

1 平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

平臺(tái)總的建設(shè)目標(biāo)是基于3D+GIS技術(shù),打造一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、實(shí)用易用的“智慧排水”平臺(tái)，以全方位展現(xiàn)城市排水系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)，同時(shí)基于內(nèi)置運(yùn)行策略和計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)運(yùn)行預(yù)警、精準(zhǔn)決策和快速響應(yīng)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的運(yùn)行績(jī)效，以便更好地服務(wù)產(chǎn)業(yè)、政府和市民。

2 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)架構(gòu)由設(shè)施監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行管理、決策支持4層邏輯架構(gòu)融合而成（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

設(shè)施監(jiān)控層采集在線儀表、視頻監(jiān)控、廠站監(jiān)控和設(shè)備運(yùn)行狀況等信息，上傳至數(shù)據(jù)管理層；數(shù)據(jù)管理層統(tǒng)一對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯、匯總，定制各類數(shù)據(jù)服務(wù)，其中包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和排水業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)2個(gè)類別；運(yùn)營(yíng)管理層按照管理需求，開發(fā)定制各類功能模塊，在PC端、移動(dòng)端中進(jìn)行呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)綜合展示、智慧運(yùn)行、績(jī)效分析等功能目標(biāo)，并為決策支持層提供輔助運(yùn)營(yíng)、輔助決策的目標(biāo)。

3 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)構(gòu)建基于近20多年信息化積累的建設(shè)基礎(chǔ)，并緊密圍繞上海市中心城區(qū)排水管理現(xiàn)實(shí)需求，主要從排水運(yùn)行動(dòng)態(tài)全方位展示、運(yùn)行策略支持、在線模型支持、動(dòng)態(tài)運(yùn)行績(jī)效4個(gè)方面進(jìn)行智慧化功能提升。

3.1 運(yùn)行動(dòng)態(tài)全方位展示

排水運(yùn)行動(dòng)態(tài)全方位展示以數(shù)據(jù)與GIS圖結(jié)合方式，對(duì)雨量、道路積水、排水設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息進(jìn)行統(tǒng)一集成與管理，生成各類排水專題圖應(yīng)用，對(duì)排水業(yè)務(wù)形成全流程綜合展示，為保障業(yè)務(wù)高效運(yùn)行提供支持。

3.1.1 排水設(shè)施專題展示

對(duì)排水系統(tǒng)、管線、泵站、污水廠、調(diào)蓄池等排水設(shè)施以地理信息和運(yùn)行動(dòng)態(tài)進(jìn)行各類疊加、聚合展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水運(yùn)行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)感知，如圖2所示。

圖2 排水設(shè)施專題圖

3.1.2 空間關(guān)系專題展示

空間關(guān)系專題實(shí)現(xiàn)排水設(shè)施空間拓?fù)浞治龊驼故?，如排水管線上下游追蹤、泵站互助關(guān)系追蹤及排水管線橫縱剖面分析等，如圖3所示?？臻g關(guān)系專題為排水設(shè)施系統(tǒng)性運(yùn)行分析提供空間支持、支撐排水調(diào)度、應(yīng)急搶險(xiǎn)等快速響應(yīng)。

圖3 排水泵站互助關(guān)系示意圖

3.1.3 水質(zhì)水量專題展示

該專題將防汛泵站水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)疊加到泵站所在排水系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)，在圖上以不同顏色展示，并根據(jù)水質(zhì)優(yōu)劣進(jìn)行排序，為運(yùn)行人員實(shí)施防汛泵站放江作業(yè)提供參考，即在兼顧水安全基礎(chǔ)上，優(yōu)先開啟水質(zhì)相對(duì)較好的泵站，以減少污染物排放入河道，保護(hù)城市水環(huán)境。排水系統(tǒng)水質(zhì)專題圖如圖4所示。

圖4 排水系統(tǒng)水質(zhì)專題圖

3.2 運(yùn)行策略支持

該功能設(shè)計(jì)將運(yùn)行部門多年總結(jié)積累的運(yùn)行方案作為運(yùn)行智慧嵌入到平臺(tái)中，這些運(yùn)行方案從單體設(shè)施的一站一案到排水系統(tǒng)內(nèi)廠、站、網(wǎng)、池一體化聯(lián)動(dòng)方案，再到多系統(tǒng)之間聯(lián)通聯(lián)動(dòng)方案。平臺(tái)基于對(duì)排水設(shè)施運(yùn)行動(dòng)態(tài)全方位感知，在線比對(duì)嵌入的運(yùn)行方案，若超過(guò)閾值即發(fā)出預(yù)警，并自動(dòng)發(fā)生運(yùn)行策略提示，輔助一體化調(diào)度決策，支持智慧運(yùn)行。

3.2.1 排水系統(tǒng)運(yùn)行圖

排水系統(tǒng)運(yùn)行圖實(shí)現(xiàn)上海市中心城區(qū)泵站、污水廠、調(diào)蓄池、污水輸送干線、支線運(yùn)行動(dòng)態(tài)“一屏觀、管、防”，實(shí)時(shí)監(jiān)控排水系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)雨量、水位、流量、水質(zhì)等關(guān)鍵運(yùn)行信息。以其中白龍港污水輸送系統(tǒng)運(yùn)行圖為例（見圖5），基于此運(yùn)行圖，可實(shí)現(xiàn)在線判斷監(jiān)測(cè)值超出設(shè)定的閾值時(shí)，即發(fā)出運(yùn)行報(bào)警，以聲光形式及時(shí)提醒工作人員關(guān)注報(bào)警部位，并彈出當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，如圖6所示。

圖5 白龍港污水輸送系統(tǒng)運(yùn)行圖

圖6 平臺(tái)發(fā)出運(yùn)行報(bào)警示意圖

3.2.2 智慧運(yùn)行

平臺(tái)在發(fā)出預(yù)警的同時(shí)，自動(dòng)推送在該預(yù)警情況下應(yīng)該采取的運(yùn)行指令，并自動(dòng)推送關(guān)聯(lián)依據(jù)。以圖7為例，當(dāng)末端污水廠進(jìn)水流量超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)推送上游泵站當(dāng)前水位、流量及運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)推送應(yīng)對(duì)措施，輔助運(yùn)行調(diào)度人員快速發(fā)出調(diào)度指令，提高響應(yīng)效率。

圖7 智慧運(yùn)行示意圖

3.3 在線模型支持

在線模型系統(tǒng)采用Info Works ICMLive構(gòu)建，接入實(shí)時(shí)水位、流量、降雨、預(yù)報(bào)降雨等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)、定時(shí)(或觸發(fā)）運(yùn)行，對(duì)排水管網(wǎng)、泵站、調(diào)蓄池和污水廠未來(lái)態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬，并給出運(yùn)行策略。平臺(tái)將以上在線模型預(yù)測(cè)模擬結(jié)果嵌入系統(tǒng)，為排水系統(tǒng)運(yùn)行增加智慧算法支持，以支撐實(shí)現(xiàn)廠、站、網(wǎng)、池一體化運(yùn)行的自我感知、自我平衡、水質(zhì)保障、水量均衡目標(biāo)。在線模型模擬預(yù)測(cè)示意圖見圖8。

圖8 在線模型模擬預(yù)測(cè)示意圖

3.4 動(dòng)態(tài)運(yùn)行績(jī)效

通過(guò)數(shù)據(jù)分析和挖掘，動(dòng)態(tài)生成降雨、水量、電耗、設(shè)備完好率等運(yùn)行指標(biāo)統(tǒng)計(jì)和多指標(biāo)、多層級(jí)、多角度、多形式對(duì)比分析，使管理和績(jī)效數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可查、可用、可依，支持排水經(jīng)營(yíng)目標(biāo)和經(jīng)營(yíng)策略的精細(xì)化管理。如圖9所示。

圖9 動(dòng)態(tài)運(yùn)行績(jī)效示意圖

4 平臺(tái)建設(shè)成效

本次智慧平臺(tái)是在近20年信息化基礎(chǔ)上進(jìn)行建設(shè)的，在對(duì)排水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行感知基礎(chǔ)上，從運(yùn)行動(dòng)態(tài)全方位展示、運(yùn)行策略支持、在線模型支持、動(dòng)態(tài)運(yùn)行績(jī)效4個(gè)方面對(duì)排水信息化嘗試進(jìn)行智慧化提升。

智慧平臺(tái)支持廠、站、網(wǎng)、池一體化聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，輔助智能調(diào)度；排水泵站水質(zhì)水量聯(lián)動(dòng)運(yùn)行支撐綠色排水運(yùn)行目標(biāo)；以嵌入的運(yùn)行方案作為運(yùn)行策略，支持自動(dòng)預(yù)警、快速響應(yīng)、智慧運(yùn)行；將在線排水模型模擬和預(yù)測(cè)結(jié)果接入平臺(tái)，探究“排水大腦”作用；動(dòng)態(tài)運(yùn)行績(jī)效功能支持城市排水實(shí)現(xiàn)精細(xì)化運(yùn)行管理。

智慧排水管理平臺(tái)應(yīng)用到排水管理中，能助力排水企業(yè)提供更進(jìn)一步的精細(xì)化、個(gè)性化、智能化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)排水企業(yè)服務(wù)從好到優(yōu)的轉(zhuǎn)變。

5 關(guān)鍵技術(shù)

此次平臺(tái)在Arc GIS10.6基礎(chǔ)上建立一整套地理信息服務(wù)和排水業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)，包括地理信息顯示服務(wù)、地圖測(cè)量服務(wù)、地圖查詢分析服務(wù)、用戶權(quán)限、地址匹配等，以滿足各類城市排水管理的業(yè)務(wù)應(yīng)用和分析。

平臺(tái)采用SOA架構(gòu)，以企業(yè)服務(wù)總線(ESB)為核心，采用系統(tǒng)模塊化，并以web服務(wù)的方式松散耦合在一起，集成容易、高效而且更經(jīng)濟(jì)。

平臺(tái)利用HTML5Canvas構(gòu)圖，并以三維仿真模型，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)融合，為管理人員提供多角度可視化的管理視角。

平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合各層次排水業(yè)務(wù)進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)方法多樣，統(tǒng)計(jì)規(guī)則復(fù)雜。構(gòu)建過(guò)程中，采用將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法逐步形成公式化、標(biāo)準(zhǔn)化，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)取用過(guò)程中的快速對(duì)接，既提高效率，又便于最大程度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

在未來(lái)還可以對(duì)智慧排水平臺(tái)進(jìn)行更深入的建設(shè)，主要如下：

（1）響應(yīng)一網(wǎng)通辦，打破管理邊界，暢通信息共享渠道，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行動(dòng)態(tài)全面感知，真正實(shí)現(xiàn)廠、站、網(wǎng)、河一體化聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。

（2）深化排水模型應(yīng)用研究，將排水模型和防汛調(diào)度進(jìn)行深度結(jié)合，建立完備的方案庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)調(diào)度方案根據(jù)實(shí)際情況的自動(dòng)推送。

（3）引入人工智能技術(shù)，通過(guò)獲取SCADA數(shù)據(jù)、模型算法數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，結(jié)合排水調(diào)度算法，嘗試排水系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)預(yù)測(cè)調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自監(jiān)視、自執(zhí)行、自調(diào)整的全套解決方案。

（4）深化運(yùn)行績(jī)效的考核指標(biāo)，深化實(shí)施績(jī)效管理，持續(xù)提升、改進(jìn)管理的工作業(yè)績(jī)，促進(jìn)管理者持續(xù)關(guān)注考核指標(biāo)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本次上海市中心城區(qū)智慧排水管理平臺(tái)構(gòu)建，響應(yīng)智慧城市、智慧水務(wù)發(fā)展趨勢(shì)，嘗試在現(xiàn)階段排水信息化成果基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)排水運(yùn)行綜合展示、基于排水運(yùn)行方案自動(dòng)推送運(yùn)行策略、基于實(shí)時(shí)在線模型自動(dòng)發(fā)出預(yù)警和運(yùn)行方案推薦、基于數(shù)據(jù)分析和挖掘生成動(dòng)態(tài)運(yùn)行績(jī)效以支撐績(jī)效目標(biāo)管理。即在數(shù)字排水建設(shè)成果基礎(chǔ)上，開展“智慧排水”建設(shè)研究。此次積累的經(jīng)驗(yàn)將為后續(xù)更多智慧排水建設(shè)場(chǎng)景設(shè)計(jì)提供借鑒。