城市排水管網(wǎng)液位在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李志濤，張慧，印小軍

(鈦能科技股份有限公司，南京，211800)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程也隨之不斷加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、人口激增，城市地下管網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)荷逐步加重，內(nèi)澇積水、管網(wǎng)堵塞等問題屢見不鮮，直接影響了城市居民的生活質(zhì)量。隨著GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能傳感技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)等先進(jìn)信息技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和成熟，使得排水管網(wǎng)數(shù)字化、智慧化管理成為可能。通過構(gòu)建排水管網(wǎng)在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，能夠有效地提高市政管理工作的效率及質(zhì)量，大幅提升城市應(yīng)急響應(yīng)能力，實現(xiàn)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的全方位可視化監(jiān)控和全局化科學(xué)調(diào)度管理。

1 存在問題

(1)矛盾多：城市發(fā)展建設(shè)與排水設(shè)施需求建設(shè)不同步；管道規(guī)劃設(shè)計不合理，排水管網(wǎng)不通暢、設(shè)計容量不匹配，導(dǎo)致管網(wǎng)滿溢；重建設(shè)、輕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)管理水平低下等。

(2)管道亂：雨水管網(wǎng)建設(shè)情況不容樂觀，雨水回收利用存在許多問題，城市內(nèi)澇現(xiàn)象嚴(yán)重。

(3)監(jiān)測難：城市排水設(shè)施監(jiān)測能力薄弱，監(jiān)測手段落后，遇到突發(fā)極端天氣導(dǎo)致內(nèi)澇，管網(wǎng)缺乏有效預(yù)警措施。

(4)維護(hù)繁：排水管網(wǎng)深處地下，管線隱蔽、管材多樣、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，質(zhì)量差，年久失修等。

2 總體設(shè)計

2.1 建設(shè)目標(biāo)

通過在排水管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點、低洼易澇積水點布設(shè)智能液位感知終端，實現(xiàn)管網(wǎng)液位在線監(jiān)測、積水監(jiān)測、多級預(yù)警、內(nèi)澇分析和堵管分析等功能，滿足政府主管部門對管網(wǎng)的日常運(yùn)維、運(yùn)行調(diào)度、災(zāi)情預(yù)警、防汛調(diào)度、應(yīng)急搶險等管理需求。

2.2 設(shè)計原則

建成的排水管網(wǎng)液位在線監(jiān)測系統(tǒng)必須遵循系統(tǒng)完整、技術(shù)領(lǐng)先、穩(wěn)定可靠、易于實施等基本原則，有效保證系統(tǒng)所有軟件和硬件設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

(1)系統(tǒng)完整性原則

從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、通信服務(wù)層、應(yīng)用層進(jìn)行設(shè)計，提供從物聯(lián)感知設(shè)備到系統(tǒng)應(yīng)用軟件一體化的解決方案，保證系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。

(2)技術(shù)領(lǐng)先性原則

系統(tǒng)采用當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的主流產(chǎn)品。在滿足基本使用需求的前提下，應(yīng)充分考慮技術(shù)上的先進(jìn)性，延長系統(tǒng)的生命周期，避免因技術(shù)落實過早而被淘汰。

(3)設(shè)備可靠性原則

設(shè)備選型應(yīng)充分考慮其環(huán)境適應(yīng)性的要求，所選擇設(shè)備必須具備防水、防塵、防爆、抗震和高精度、高穩(wěn)定性的特性。設(shè)備優(yōu)先選擇內(nèi)置電池供電和無線傳輸方案，電池模塊應(yīng)方便更換，無線傳輸方案應(yīng)具備高穿透性和廣連接的特性。

(4)實施可行性原則

設(shè)備安裝簡單、方便，具備多種安裝方式，并確保后續(xù)維護(hù)方便，降低運(yùn)維成本。系統(tǒng)平臺部署簡單、快捷，可兼容多種運(yùn)行環(huán)境部署，具備簡單、實用、易用的移動監(jiān)測軟件。

2.3 布點方案

收集市政排水設(shè)施管理單位和運(yùn)營維護(hù)單位的相關(guān)業(yè)務(wù)需求，結(jié)合歷史經(jīng)驗，液位監(jiān)測布點方案主要遵循以下原則：

(1)選取具有代表性的監(jiān)測點，能夠反映排水系統(tǒng)液位運(yùn)行情況；

(2)選取歷史低洼易澇點進(jìn)行液位監(jiān)測；

(3)盡可能覆蓋監(jiān)測區(qū)域范圍，避免出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)；

(4)選取的安裝點應(yīng)滿足施工及后續(xù)運(yùn)維保養(yǎng)需求；

(5)系統(tǒng)性布點，能夠有效指導(dǎo)閘泵站聯(lián)調(diào)聯(lián)控。

2.4 測量方式選擇

排水管網(wǎng)液位在線監(jiān)測設(shè)備按照測量方式可分為接觸式和非接觸式兩種測量方式。接觸式測量方式中常見的監(jiān)測設(shè)備主要是投入式壓力水位計；非接觸式測量方式主要是超聲波水位計和雷達(dá)水位計。

2.4.1 投入式壓力水位計(接觸式)

優(yōu)勢：價格便宜，安裝簡單，測量精度高，量程寬，可測滿管與非滿管，管網(wǎng)溢流時仍能準(zhǔn)確測量。

劣勢：排水管網(wǎng)水環(huán)境中含有大量的淤泥、油污、漂浮物等，淤泥、油污和漂浮物會將壓力傳感器探頭覆蓋，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。

2.4.2 超聲波水位計(非接觸式)

優(yōu)勢：體積小巧，耐腐蝕，與水體非接觸，不受水體中的雜物覆蓋、腐蝕等影響。

劣勢：在窨井內(nèi)的有效監(jiān)測量程較小，超聲波水位計采用的是聲波作為收發(fā)信號的，由于聲波容易受到溫度、濕度、壓力等環(huán)境影響，容易發(fā)生漂移，從而會導(dǎo)致監(jiān)測精度較低。排水管道溢流狀態(tài)下，若該類型傳感器被淹沒，則該傳感器的監(jiān)測值會跳變，無法準(zhǔn)確測量。

2.4.3 雷達(dá)水位計(非接觸式)

優(yōu)勢：在窨井內(nèi)的有效監(jiān)測量程較大，最大可達(dá)10m；雷達(dá)水位計采用的是電磁波作為收發(fā)信號，由于電磁波不受溫度、濕度、壓力等環(huán)境影響，所以雷達(dá)水位計監(jiān)測精度很高；與水體非接觸，不受水體中的雜物覆蓋、腐蝕等影響。

劣勢：價格昂貴；安裝位置和角度對測量結(jié)果有影響，安裝工藝要求較高；排水管道溢流狀態(tài)下，若該類型傳感器被淹沒，則該傳感器的監(jiān)測值會跳變，無法準(zhǔn)確測量。

經(jīng)綜合對比分析，方案建議選擇投入式壓力水位計，在投資預(yù)算允許的前提下，可考慮選擇壓力式水位計與雷達(dá)水位計的組合監(jiān)測方式。

2.5 設(shè)備選型

地下排水管網(wǎng)水環(huán)境具有潮濕、滿管溢流、腐蝕、淤泥、漂浮物、水流速度較快、渾濁且有油污、管道內(nèi)氣體有毒、管道內(nèi)氣體易燃易爆等特點，在此環(huán)境下工作的液位監(jiān)測傳感器須遵循以下原則：

(1)傳感器須具有防腐蝕性能；

(3)傳感器須具有防爆認(rèn)證；

(4)傳感器宜采用電池供電，低功耗設(shè)計；

(5)傳感器精度受壓力、溫度、濕度的影響較?。?/p>

(6)傳感器可與無線傳輸設(shè)備通信，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸；

(7)傳感器易于安裝、維護(hù)方便；

(8)傳感器可在惡劣和復(fù)雜的工況下穩(wěn)定工作。

2.6 總體架構(gòu)

排水管網(wǎng)液位在線監(jiān)測系統(tǒng)采用面向服務(wù)(SOA)的分層架構(gòu)體系，總體架構(gòu)分為智能感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用支撐層、綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用層、展示交互層以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障與運(yùn)維體系，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能感知層：應(yīng)用各種液位傳感器、流量傳感器、水質(zhì)監(jiān)測傳感器及視頻監(jiān)控，實現(xiàn)排水管網(wǎng)液位實時監(jiān)測、內(nèi)澇積水監(jiān)測，并完成數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程傳輸。

不僅一味贊頌、阿諛逢迎標(biāo)榜是“正能量”，連《面相手相斷吉兇》《情人老婆哪個重要》《球員性感嬌妻排行榜》等封建迷信、雞毛蒜皮、文化垃圾也都標(biāo)榜起了“正能量”標(biāo)簽。而與此同時，一些犀利辛辣的針砭時弊之聲、月旦社會之語、激濁揚(yáng)善之鳴以及給領(lǐng)導(dǎo)提個意見、諷喻邪惡丑陋等，反倒被某些人謬斥為負(fù)能量。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層：將感知層采集到的液位數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺，傳輸方式優(yōu)選移動運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)，方案推薦選用4G網(wǎng)絡(luò)或NB網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)服務(wù)層：支持海量數(shù)據(jù)分類存儲、分析、調(diào)用、共享及數(shù)據(jù)維護(hù)更新。主要包括管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)、運(yùn)營數(shù)據(jù)、視頻圖像、共享交換數(shù)據(jù)等非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多源海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與統(tǒng)一。

應(yīng)用支撐層：提供數(shù)據(jù)即時通信服務(wù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理、管網(wǎng)模型管理、運(yùn)維模型管理、分析模型管理、預(yù)警模型管理、數(shù)據(jù)庫引擎、GIS引擎、消息引擎、規(guī)則引擎等功能，為上一層級服務(wù)提供支撐。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：主要包括實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、管網(wǎng)綜合監(jiān)測、報警信息管理、數(shù)據(jù)診斷分析、運(yùn)維管理、資產(chǎn)管理、狀態(tài)評估等功能。

展示交互層：為市政主管部門、運(yùn)維服務(wù)公司、市民提供系統(tǒng)應(yīng)用功能展示和交互，主要展示方式包括電腦端、移動端和大屏展示。

兩個體系：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系為項目建設(shè)提供了標(biāo)準(zhǔn)化依據(jù)，能夠有效保證項目的順利實施以及提高項目實施的成功率。安全保障與運(yùn)維體系的構(gòu)建，保障了系統(tǒng)的硬件安全、軟件安全和信息安全。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

(1)綜合監(jiān)控：基于GIS“一張圖”，在“一張圖”上能夠清晰顯示各測點位置信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息、實時告警信息，可在“一張圖”上通過點選，展示監(jiān)測點的位置坐標(biāo)、實時數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、歷史曲線等信息。

(2)實時報警預(yù)警：系統(tǒng)支持預(yù)警液位、報警液位、滿溢液位閾值的設(shè)定，通過液位監(jiān)測傳感器的實時監(jiān)測值與預(yù)設(shè)閾值比較，實現(xiàn)管網(wǎng)液位異常情況的多級告警，并完成告警信息的自動推送，通知相關(guān)部門人員采取措施。

(3)管網(wǎng)綜合調(diào)度：實時掌握排水管網(wǎng)的運(yùn)行狀況，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和排水管網(wǎng)調(diào)度模型完成對排水泵站的控制，通過及時地調(diào)控，確保管網(wǎng)正常運(yùn)行，有效預(yù)防城市內(nèi)澇發(fā)生。

(4)數(shù)據(jù)診斷分析：數(shù)據(jù)分析診斷模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)的同比、環(huán)比、任意曲線對比等功能。通過液位數(shù)據(jù)的不斷積累，能夠?qū)崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的對比，通過對比可以評估管網(wǎng)的運(yùn)行情況，及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)淤堵、坍塌、內(nèi)澇等問題。

(5)運(yùn)維管理：可對告警內(nèi)容進(jìn)行建單、流轉(zhuǎn)、分配、反饋、評價等閉環(huán)操作，實現(xiàn)運(yùn)維工作的數(shù)字化管理，提升管理效率，保證工作質(zhì)量。同時，運(yùn)維管理模塊還支持對運(yùn)維人員的考勤管理和績效評估功能。

(6)資產(chǎn)信息管理：主要包括管網(wǎng)信息、監(jiān)測設(shè)備信息、監(jiān)測點位置信息、運(yùn)維信息、備品備件庫存信息、圖紙資料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，可手動修改和錄入。

(7)移動端APP：支持實時查看監(jiān)測點液位信息及實時報警信息，能夠滿足運(yùn)維人員工單排程派發(fā)、告警接收、事件上報、巡檢記錄、考勤打卡、數(shù)據(jù)查詢分析等需求。

(8)市民互動平臺：市民通過微信小程序?qū)l(fā)現(xiàn)排水管網(wǎng)出現(xiàn)滿溢、淤堵、井蓋丟失等問題，以文字、語音、照片的形式上傳至平臺，經(jīng)主管部門審核后發(fā)送養(yǎng)護(hù)單位或運(yùn)維公司現(xiàn)場處理。

4 總結(jié)

城市排水管網(wǎng)液位在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于GIS技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的城市排水管網(wǎng)數(shù)字化監(jiān)管工具。系統(tǒng)通過長期穩(wěn)定運(yùn)行，可以積累大量管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠直觀反映排水系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，定量分析城市內(nèi)澇積水風(fēng)險，定性分析管網(wǎng)淤堵問題，為城市排水管網(wǎng)的養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，輔助市政主管部門科學(xué)定制應(yīng)急預(yù)案，提高城市內(nèi)澇風(fēng)險的抵御能力，做到及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險，快速響應(yīng)，避免內(nèi)澇、堵管事件的發(fā)生或?qū)⒂绊懛秶钚』?。同時，液位監(jiān)測數(shù)據(jù)亦是完善城市排水管網(wǎng)模型的基礎(chǔ)，通過排水模型的構(gòu)建和完善，不斷推動排水行業(yè)由數(shù)字化向智慧化邁進(jìn)。