城市新型智慧排水系統(tǒng)總體設計探討

李翊君，張文濤

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

智慧城市（Smart City）的概念最早由美國IBM公司在1992年提出，2008年開始得到世界各國的廣泛關(guān)注，現(xiàn)已經(jīng)成為各國提升城市治理水平、發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟的戰(zhàn)略選擇[1]。近年來，我國智慧城市快速發(fā)展，成效顯著，并已進入加速建設新型智慧城市的全面發(fā)展期[2]。

早在2016年，習近平總書記就提出新型智慧城市的概念。在2020年，習近平總書記指出：“通過大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等手段推進城市治理現(xiàn)代化，大城市也可以變得更聰明。從信息化到智能化再到智慧化，是建設智慧城市的必由之路，前景廣闊”[3]。新型智慧城市是富有中國特色、體現(xiàn)新型政策機制和創(chuàng)新發(fā)展模式的智慧城市，其核心是“以人為本”，本質(zhì)是利用新一代信息技術(shù)進行改革創(chuàng)新，對城市進行重塑和再造[2]。

城市排水系統(tǒng)是保障城市內(nèi)澇安全、保護城市水環(huán)境的重要系統(tǒng)，因此，智慧排水系統(tǒng)是智慧城市的重要組成部分[4]。圍繞“以人為本”的核心理念，建設新型智慧排水系統(tǒng)是踐行“人民城市人民建，人民城市為人民”重要理念，推進城市治理現(xiàn)代化、精細化的重要舉措。

1 排水系統(tǒng)信息化的現(xiàn)狀問題

智慧排水系統(tǒng)建設從互聯(lián)網(wǎng)與信息化時代的排水系統(tǒng)信息化建設發(fā)展而來[4]。目前，國內(nèi)排水系統(tǒng)信息化普遍存在如下問題：

（1）排水系統(tǒng)監(jiān)測手段不完善。特別是對于管網(wǎng)液位、流量等狀態(tài)的監(jiān)測，目前大多覆蓋較少，甚至沒有，對排水系統(tǒng)監(jiān)視監(jiān)管能力不足，遇到暴雨或日常排水管理方面的問題無法及時了解實時狀況，從而無法制定有效的應對措施。

（2）各信息化系統(tǒng)相互孤立，數(shù)據(jù)難以共享。目前國內(nèi)部分省市已建成若干排水信息化系統(tǒng)，但各系統(tǒng)之間往往獨立運行，數(shù)據(jù)互不共享，不能進行集成應用，形成了“信息孤島”和“應用孤島”，無法通過數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)挖掘等手段實現(xiàn)信息資源的綜合分析應用，無法將大量業(yè)務基礎數(shù)據(jù)價值化反作用于生產(chǎn)，無法智能地用于輔助運營管理和企業(yè)戰(zhàn)略決策，沒有進一步挖掘出數(shù)據(jù)的真正價值。

（3）運維管理智能化水平需進一步提升。目前廠站運維管理仍需要大量人員值守，運維工作效率較低，不能滿足廠站少人化、無人化的管理需求。

（4）運行調(diào)度的智慧化水平急需提高。隨著城市排水系統(tǒng)建設的不斷發(fā)展，排水系統(tǒng)的運行從單一片區(qū)管理向系統(tǒng)化聯(lián)合調(diào)度轉(zhuǎn)變。目前國內(nèi)上海、廣州、武漢等城市都已經(jīng)開始新建深層調(diào)蓄隧道，以控制污染，緩解城市內(nèi)澇，并通過調(diào)蓄隧道或連通管把原有的各自獨立的排水片區(qū)形成相互連通的整體，實現(xiàn)聯(lián)排聯(lián)調(diào)，提高城市韌性。污水廠也大多由單一片區(qū)單一廠處理，向“集群協(xié)作，統(tǒng)籌處理”轉(zhuǎn)變，部分污水廠還承擔了片區(qū)內(nèi)初期雨水的凈化功能，雨季排水系統(tǒng)的運行調(diào)度也越來越復雜。

2 智慧排水系統(tǒng)各參與主體的需求

圍繞“以人為本”的核心，新型智慧排水系統(tǒng)在解決上述排水信息化系統(tǒng)問題的基礎上，更要注重各參與主體的痛點、需求、體驗要求以及價值訴求。新型智慧排水系統(tǒng)的參與主體主要為運維管理者、城市管理者以及市民。

（1）運維管理者

運維管理者是排水系統(tǒng)的運營方和管理方，也是對新型智慧排水系統(tǒng)業(yè)務功能需求最多的使用者。新型智慧排水系統(tǒng)需要滿足運維管理者對排水設施高效運維及智能調(diào)度的需求，并輔助實現(xiàn)廠站的少人化、無人化管理，實現(xiàn)排水系統(tǒng)“一網(wǎng)統(tǒng)管”。

（2）城市管理者

對于從業(yè)于排水行業(yè)監(jiān)管部門的城市管理者，新型智慧排水系統(tǒng)需要滿足其對排水系統(tǒng)所涉及的相關(guān)活動及相關(guān)企事業(yè)單位的監(jiān)察和督導需求。對于城市綜合管理者而言，新型智慧排水系統(tǒng)作為新型智慧城市的一部分，要能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合、開放、共享，從而助力建立統(tǒng)一的城市大數(shù)據(jù)運營平臺，有效發(fā)揮大數(shù)據(jù)在“善政、惠民、興業(yè)”等方面的作用，助力新型智慧城市的建設。

（3）市民

市民是城市排水系統(tǒng)服務的最終人群，是新型智慧排水建設圍繞的中心。新型智慧排水系統(tǒng)要能滿足市民的切實需求——強大的城市內(nèi)澇安全保障、便捷的優(yōu)質(zhì)排水服務、優(yōu)美的城市水環(huán)境，才能真正實在地提升市民的幸福感和滿意度。

3 新型智慧排水系統(tǒng)總體設計原則

新型智慧排水系統(tǒng)的設計應圍繞“以人為本”的核心，通過大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)，基于已建的排水設施，實現(xiàn)內(nèi)澇防控和溢流污染削減效果的最優(yōu)化[4]，同時能滿足不同參與主體的需求，讓城市排水系統(tǒng)可以變得更“聰明”，不斷提升人民群眾的幸福感和滿意度。因此，新型智慧排水系統(tǒng)總體設計原則有以下幾點：

（1）需求導向、場景引導。以需求和問題為導向，梳理現(xiàn)狀排水系統(tǒng)信息化存在的問題以及各方人員的使用需求，將場景作為引導，以管用實用作為目的，把科學創(chuàng)新貫穿于智慧管理系統(tǒng)建設各環(huán)節(jié)，通過推進理念、機制、方法、技術(shù)創(chuàng)新，從而解決排水系統(tǒng)中的短板和痛點。

（2）數(shù)字賦能、業(yè)務創(chuàng)新。數(shù)字化技術(shù)是業(yè)務工作的支撐，兩者不能剛性割裂，只有圍繞“以人為本”的核心,在充分理解業(yè)務的基礎上，采用數(shù)字化技術(shù)進行賦能，對業(yè)務進行創(chuàng)新優(yōu)化重塑，才能有效發(fā)揮數(shù)字技術(shù)的作用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的效率提升，務求實效。從某種意義上講，凡是技術(shù)導向、項目驅(qū)動，沒有業(yè)務優(yōu)化重塑再造、沒有改革創(chuàng)新舉措和發(fā)展實效突破的[2]，都不是真正意義上的新型智慧排水系統(tǒng)。

（3）統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施。新型智慧排水系統(tǒng)的建設應統(tǒng)一科學規(guī)劃，按照統(tǒng)籌兼顧、重點優(yōu)先、分級分期協(xié)同推進的方式進行實施。綜合現(xiàn)有信息化設施，融合現(xiàn)有的基礎數(shù)據(jù)，打破數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。統(tǒng)籌城市公共數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)排水數(shù)據(jù)向市政及城市大數(shù)據(jù)中心的歸集和其他行業(yè)數(shù)據(jù)向排水部門的共享交換。優(yōu)先保障重點區(qū)域、重點場所、重點內(nèi)容的建設任務。

（4）開放友好、擴展靈活。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、軟硬件平臺以及應用系統(tǒng)的設計與開發(fā)，都應遵從標準化和模塊化的設計思想，在此基礎上建立靈活、可擴展的平臺架構(gòu)，使系統(tǒng)不僅在體系結(jié)構(gòu)上保持開放性，同時提供各種安全靈活的接口，為未來的系統(tǒng)擴充打下基礎。

4 新型智慧排水系統(tǒng)的業(yè)務架構(gòu)

新型智慧排水系統(tǒng)的業(yè)務架構(gòu)應綜合排水系統(tǒng)業(yè)務體系和參與各方的需求，運用新一代信息化技術(shù)對傳統(tǒng)業(yè)務體系進行改革創(chuàng)新，并將不同的應用系統(tǒng)功能綜合到統(tǒng)一的應用架構(gòu)上來，避免原有信息化系統(tǒng)功能分散、聯(lián)動性差、重復性建設等問題，實現(xiàn)排水系統(tǒng)“一網(wǎng)統(tǒng)管”的智慧化的管理。

綜上，筆者認為新型智慧排水系統(tǒng)業(yè)務架構(gòu)應由3大業(yè)務板塊，6個應用模塊組成。具體業(yè)務架構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型智慧排水系統(tǒng)業(yè)務架構(gòu)

其中，智慧運維分為數(shù)據(jù)運維及設施運維兩個模塊。數(shù)據(jù)運維模塊是智慧排水業(yè)務應用體系的基礎，為所有人員服務，其通過對管網(wǎng)數(shù)據(jù)、深隧數(shù)據(jù)、廠站設施數(shù)據(jù)、排水系統(tǒng)相關(guān)模型及算法、排水業(yè)務等數(shù)據(jù)的管理及更新，實現(xiàn)系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)運行維護，為上層應用提供豐富準確的數(shù)據(jù)基礎。設施運維模塊主要為運維管理單位的運維部門服務，輔助實現(xiàn)廠站的少人化、無人化，提升排水設施的運維效率，使得排水基礎設施健康可用。

智慧調(diào)度分為運行調(diào)度及綜合調(diào)度兩個業(yè)務類別，為調(diào)度部門服務，滿足不同調(diào)度主體的調(diào)度需求。運行調(diào)度是在設施運維的基礎上進行管網(wǎng)、深隧、廠站調(diào)度的調(diào)度系統(tǒng)，通過監(jiān)測感知執(zhí)行層數(shù)據(jù)，根據(jù)上級發(fā)布的運行、調(diào)度方案實現(xiàn)污水廠、管網(wǎng)、深隧、泵站的實時遠程監(jiān)控和操作設備設施的運行狀態(tài)調(diào)整。綜合調(diào)度是在運行調(diào)度的基礎上進行統(tǒng)一的防洪防澇應急指揮調(diào)度及源廠網(wǎng)河湖一體化調(diào)度，通過排水設施的聯(lián)排聯(lián)調(diào)，在利用現(xiàn)有排水系統(tǒng)設施的情況下，幫助解決內(nèi)澇防治和面源污染控制等問題。在突發(fā)事件和緊急情況下，進行大規(guī)模綜合性實時指揮調(diào)度，縮短反應時間，提高整體反應能力，最大限度減少人民的生命和財產(chǎn)損失。

智慧服務分為行業(yè)服務及公共服務兩個業(yè)務類別，是在排水系統(tǒng)運維調(diào)度的基礎上實現(xiàn)的為監(jiān)管部門及社會公眾服務的業(yè)務，能滿足監(jiān)管部門對排水系統(tǒng)涉及的相關(guān)活動及相關(guān)企事業(yè)單位的監(jiān)察和督導，以及社會公眾對排水信息的有效獲取。

5 新型智慧排水系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

新型智慧排水系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)需涵蓋物聯(lián)網(wǎng)感知、數(shù)據(jù)接入及傳輸、數(shù)據(jù)利用及共享、基礎設施、應用平臺及展示平臺等內(nèi)容。其具體可分為感知執(zhí)行層、ICT基礎設施層、數(shù)據(jù)層、中臺層、應用層及用戶層六大層次。同時，通過建立貫穿各個層次的安全保障體系、規(guī)范標準體系、運維保障體系、實施規(guī)范體系等技術(shù)規(guī)程和機制體制規(guī)范，保障系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定。具體技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型智慧排水系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

（1）感知執(zhí)行層

感知執(zhí)行層是新型智慧排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源和指令執(zhí)行的基礎。應建立完善的物聯(lián)感知網(wǎng)絡，實現(xiàn)對各類排水設施，包括雨污水管網(wǎng)、污水廠、泵站、城市易澇點、湖泊、深層隧道等的水情、雨情、水質(zhì)、視頻等數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測。應建立可靠的物聯(lián)執(zhí)行網(wǎng)絡，實現(xiàn)對泵閘站、污水廠等設施設備運行工況的遠程實時監(jiān)視與控制等。

（2）ICT基礎設施層

ICT基礎設施層是支撐應用的硬件環(huán)境，包括網(wǎng)絡基礎設施、計算存儲基礎設施、展示硬件基礎設施，為業(yè)務應用系統(tǒng)提供基礎運行環(huán)境資源。

網(wǎng)絡基礎設施負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，通過有線（光纖等）、無線（NB-IoT、5G、Wi-Fi等）方式將感知執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層。計算存儲基礎設施負責數(shù)據(jù)的計算及存儲，展示硬件基礎設施是綜合展示、管理、調(diào)度指揮設施。

（3）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層實現(xiàn)對排水系統(tǒng)所有信息資源的采、存、管及查詢應用，提供數(shù)據(jù)清洗過濾、數(shù)據(jù)安全審核、大數(shù)據(jù)分析等功能。數(shù)據(jù)層包含基礎數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)分析庫，實現(xiàn)對排水系統(tǒng)各類型數(shù)據(jù)，包括感知數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的采集、整理、存儲和管理，為業(yè)務應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

新型智慧城市的建設需要各類型數(shù)據(jù)的融合、開放、共享。通過數(shù)據(jù)共享可以打破壁壘，輔助排水系統(tǒng)的決策。因此，新型智慧排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的建設還需引入相關(guān)部門的數(shù)據(jù)資源，包括氣象、國土、環(huán)保、城管、公安等數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。同時，新型智慧排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也會通過數(shù)據(jù)層接口向其他部門進行共享。

（4）中臺層

中臺層包括模型中臺和應用中臺。

應用中臺建設以中間件、公共服務為核心的應用支撐平臺，為各應用系統(tǒng)的開發(fā)、運行和集成提供統(tǒng)一環(huán)境，如統(tǒng)一門戶、統(tǒng)一認證等。

模型中臺是各類應用實現(xiàn)的排水模型支撐平臺，為各應用系統(tǒng)的開發(fā)、運行和集成提供統(tǒng)一的排水系統(tǒng)模型。模型中臺具體包括GIS+BIM模型，城市排水綜合模型，污水系統(tǒng)調(diào)度模型，內(nèi)澇實時預報預警模型，河、湖水動力、水質(zhì)及補水模型，產(chǎn)匯流模型等。

（5）應用層

應用層由根據(jù)業(yè)務架構(gòu)所規(guī)劃的3大業(yè)務板塊、6個應用模塊的N個應用程序組成。此外，提供對外服務接口，對接智慧城市其他板塊，使其更好地融入到新型智慧城市的體系中。

（6）用戶層

用戶層為排水系統(tǒng)管理部門及市民提供PC端、移動端、微信端、大屏幕多屏聯(lián)動端等的一張圖全景展現(xiàn)智慧排水系統(tǒng)的成效，將所有資產(chǎn)信息和動態(tài)信息整合到同一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)可視化的統(tǒng)一管理，能夠隨時查詢、隨時調(diào)用。

6 結(jié)語

新型智慧排水系統(tǒng)建設是踐行“人民城市人民建，人民城市為人民”重要理念，推進城市治理現(xiàn)代化、精細化的重要手段。新型智慧排水總體設計應圍繞“以人為本”的核心，分析排水系統(tǒng)信息化現(xiàn)狀問題，梳理各參與主體的需求，堅持需求導向、場景引導，數(shù)字賦能、業(yè)務創(chuàng)新，從運維、調(diào)度、服務三個板塊對其業(yè)務架構(gòu)進行設計，根據(jù)數(shù)據(jù)流向和新一代信息技術(shù)特點，設計便于實施、運維和擴展的多層次技術(shù)架構(gòu)，從而實現(xiàn)排水系統(tǒng)的智慧化，讓城市排水系統(tǒng)可以更“聰明”，不斷提升人民群眾的幸福感和滿意度。