城市排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

楊海巖

（濱州市城鄉(xiāng)水務(wù)發(fā)展服務(wù)中心 山東 濱州 256600）

在城市的可持續(xù)發(fā)展中，排水系統(tǒng)至關(guān)重要，因此，某市對(duì)現(xiàn)有排水系統(tǒng)進(jìn)行改造與優(yōu)化，打造智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)。該市的排水系統(tǒng)由泵站、排水管網(wǎng)等組成，但在長(zhǎng)期發(fā)展過(guò)程中，受到天氣及其他外力因素影響，管道發(fā)生漏損現(xiàn)象，影響排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所以，該市決定建設(shè)運(yùn)行管理系統(tǒng)，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)管，優(yōu)化運(yùn)行管理質(zhì)量，更好地應(yīng)對(duì)城市排水系統(tǒng)運(yùn)行管理所面臨的各類(lèi)挑戰(zhàn)。排水智能化運(yùn)行管理是排水系統(tǒng)改造與優(yōu)化的關(guān)鍵，也是提升排水系統(tǒng)整體運(yùn)行水平、更好地服務(wù)城市發(fā)展的保障，要求在設(shè)計(jì)與應(yīng)用期間，結(jié)合實(shí)際情況，強(qiáng)化城市排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)的實(shí)際作用。

1 城市排水運(yùn)行管理現(xiàn)狀分析

某市城市排水系統(tǒng)的運(yùn)行管理是由排水有限公司負(fù)擔(dān)，有主干管網(wǎng)、排水泵站、污水處理能力，分別為753km、78 座、7×105m3/d。排水管道、泵站等是城市排水系統(tǒng)的主要組成部分，在排水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，受到天氣、排水戶(hù)等各種因素的影響，會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)出現(xiàn)各類(lèi)問(wèn)題。同時(shí)，很多排水系統(tǒng)建設(shè)年代久遠(yuǎn)，在20世紀(jì)80～90年代建設(shè)的排水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)較低、質(zhì)量較差，排水系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，也增加了運(yùn)行管理難度。以人工經(jīng)驗(yàn)為主的傳統(tǒng)管理模式已經(jīng)難以對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行有效管理，尤其是在雨季，排水系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，如果運(yùn)行管理不當(dāng)，就會(huì)增加城市洪澇災(zāi)害的可能。隨著城市的擴(kuò)建，排水系統(tǒng)承擔(dān)的壓力不斷增加，如何應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題成為該城市關(guān)注與思考的重點(diǎn)。該市排水系統(tǒng)管理中存在比較突出的問(wèn)題是忽略養(yǎng)護(hù)的重要性、缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、私接亂接現(xiàn)象嚴(yán)重、建設(shè)與管理存在盲目性。

2 城市排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在設(shè)計(jì)時(shí)，該市排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)與時(shí)俱進(jìn)，創(chuàng)新思維理念，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等綜合技術(shù)的應(yīng)用能為排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐［1-2］。在智能化技術(shù)的應(yīng)用下，積極打造城市排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)，對(duì)管網(wǎng)、泵站、污水處理廠進(jìn)行整合，發(fā)揮不同環(huán)節(jié)的優(yōu)勢(shì)與作用。系統(tǒng)的核心、基礎(chǔ)與支撐分別為數(shù)據(jù)、知識(shí)和智能化技術(shù)，能讓排水系統(tǒng)運(yùn)行管理更加高效與信息化，能實(shí)現(xiàn)對(duì)排水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的不足。

3 城市排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)

智能應(yīng)用和數(shù)據(jù)中心共同組成智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)為以“排水物聯(lián)網(wǎng)”和“排水管網(wǎng)測(cè)繪”，可連接各排水運(yùn)行管理部門(mén)與排水設(shè)施資源，這樣，城市排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)就可以被有效感知。為對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警與優(yōu)化調(diào)度，要合理應(yīng)用管網(wǎng)仿真計(jì)算模型等技術(shù)，讓城市排水系統(tǒng)的運(yùn)行與管理更加精細(xì)與高效。

圖1 城市排水系統(tǒng)智能化運(yùn)行管理平臺(tái)總體框架

3.1 排水生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)中心

智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)是排水生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)中心，排水運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)是其主要部件，同時(shí)還包括數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集與管理等系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵為排水運(yùn)行數(shù)據(jù)中心的建立。數(shù)據(jù)庫(kù)是由生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)施/設(shè)備、地理空間三大類(lèi)數(shù)據(jù)組成。排水運(yùn)行管理在管網(wǎng)地理數(shù)據(jù)應(yīng)用，能對(duì)空間進(jìn)行定位，提供分析基礎(chǔ)［3］。排水系統(tǒng)運(yùn)行狀況、設(shè)備操作等可通過(guò)排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)予以記錄。設(shè)施/設(shè)備全生命周期的信息可由設(shè)施/設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，如檢測(cè)評(píng)估信息、技術(shù)檔案信息等。統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理軟件也發(fā)揮著重要作用，在實(shí)際應(yīng)用中，能統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)接入等，將各類(lèi)數(shù)據(jù)整合在一起，統(tǒng)一管理，確保智能系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

3.2 排水運(yùn)行智能應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的智能化管理，就要強(qiáng)化排水運(yùn)行智能應(yīng)用。在具體運(yùn)用中，主要有下面幾項(xiàng)內(nèi)容。

3.2.1 集中在線(xiàn)監(jiān)控

為對(duì)排水系統(tǒng)的運(yùn)行全過(guò)程進(jìn)行有效了解，可通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)控/監(jiān)測(cè)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)污水廠、泵站等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，降低能源消耗，集中監(jiān)控排水泵站，且能在智能技術(shù)的應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守泵站［4］。

3.2.2 水力學(xué)仿真模擬

排水運(yùn)行管理期間可通過(guò)水力學(xué)仿真模擬，對(duì)管網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。在線(xiàn)模擬系統(tǒng)的核心是在線(xiàn)模擬調(diào)度技術(shù)、智能建模技術(shù)及信息集成技術(shù)，在排水系統(tǒng)的運(yùn)行期間，能實(shí)現(xiàn)預(yù)警報(bào)警等各項(xiàng)功能［5］。

3.2.3 精細(xì)化業(yè)務(wù)管理

生產(chǎn)過(guò)程管理、設(shè)施/設(shè)備生命周期管理等都是精細(xì)化業(yè)務(wù)管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。管理模式可以各項(xiàng)“數(shù)據(jù)”為核心，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行全過(guò)程、精細(xì)化管理，在管理中可追蹤、可量化，可對(duì)設(shè)備運(yùn)行、水質(zhì)分析等提供更加精細(xì)化的方式。同時(shí)，運(yùn)行監(jiān)控、檔案建立等，以設(shè)施/設(shè)備技術(shù)為基礎(chǔ)，能全面了解設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行狀況，并通過(guò)模型建立、智能化決策等，為設(shè)備維護(hù)與管理提供支持。

3.2.4 運(yùn)行調(diào)度決策支持

運(yùn)行調(diào)度決策要以在線(xiàn)監(jiān)控、業(yè)務(wù)管理和仿真模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、管網(wǎng)GIS等各類(lèi)信息的整合，對(duì)排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行全面分析，可對(duì)管網(wǎng)在運(yùn)行期間發(fā)生的異常問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并能為調(diào)度方案的優(yōu)化提供支持［6］。

3.2.5 生產(chǎn)運(yùn)行信息門(mén)戶(hù)

公司相關(guān)部門(mén)和領(lǐng)導(dǎo)能及時(shí)獲取生產(chǎn)運(yùn)行信息，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用下，能讓排水運(yùn)行與業(yè)務(wù)管理相融合，為管理新模式的建立提供技術(shù)支撐。

企業(yè)為了能在激烈殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下求生存始終以最新的科技成果作為支撐，而企業(yè)想要保持長(zhǎng)久的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)必須保證其創(chuàng)造力，而創(chuàng)造力的來(lái)源就是高素質(zhì)的技術(shù)人才，各大高等院校是各類(lèi)人才培養(yǎng)的基地。因此，高校與企業(yè)合作共建實(shí)驗(yàn)室無(wú)疑是實(shí)現(xiàn) “優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、合作雙贏、共同發(fā)展”目標(biāo)的有效途徑[3]。

3.3 技術(shù)架構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備、單體泵站監(jiān)控系統(tǒng)、中央監(jiān)控管理系統(tǒng)是泵站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)的3個(gè)層次，PLC控制器為水泵監(jiān)控系統(tǒng)的核心，通過(guò)PLC協(xié)調(diào)，完成數(shù)據(jù)采集與控制［7］。組態(tài)軟件與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器IOServer 共同組成數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)器，參數(shù)畫(huà)面與操作畫(huà)面可由組態(tài)軟件負(fù)責(zé)，在OPC通訊協(xié)議下，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與輸出控制指令。信息交換鏈路可在VPN 光纖網(wǎng)絡(luò)與控制中心的管理服務(wù)器共同完成。

數(shù)據(jù)層、中間層與表示層共同組成控制中心系統(tǒng)架構(gòu)。第一，數(shù)據(jù)層。主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與和它交互的組件構(gòu)成，可與中間層相互獨(dú)立。第二，中間層。多個(gè)件服務(wù)組成中間層，應(yīng)用程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)處理可在這層完成，同時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)由中間層完成。第三，表示層。這層能與用戶(hù)進(jìn)行交互，收集到的信息由表示層顯示給用戶(hù)。

系統(tǒng)采取C/S與B/S相結(jié)合的方案，C/S架構(gòu)與B/S架構(gòu)分別運(yùn)用在GIS 應(yīng)用部分與公共信息發(fā)布部分。同時(shí)，為滿(mǎn)足特定需求，需與WebGIS相結(jié)合［8］。

4 城市排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建設(shè)及應(yīng)用

智慧排水系統(tǒng)的建設(shè)要能對(duì)城市雨水、污水輸送等進(jìn)行有效管理，發(fā)揮在水體污染和內(nèi)澇溢流等方面的作用，并能實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)運(yùn)行管理的自動(dòng)化、智慧化與網(wǎng)格化。各項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)要以數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的可視化處理。為對(duì)管網(wǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握，需通過(guò)調(diào)度中心的應(yīng)用，強(qiáng)化自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。同時(shí)，通過(guò)建模仿真技術(shù)、“移動(dòng)和互聯(lián)網(wǎng)+”的應(yīng)用，能讓排水系統(tǒng)更加智能，且管理人員能在手機(jī)上了解排水系統(tǒng)的各項(xiàng)工作，也可以在手機(jī)上完成部分業(yè)務(wù)［9］。

4.1 建設(shè)框架

4.1.1 硬件基礎(chǔ)平臺(tái)

智慧排水系統(tǒng)的載體是硬件基礎(chǔ)平臺(tái)，智慧排水的正常運(yùn)行依托于該載體。硬件基礎(chǔ)建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)是硬件基礎(chǔ)平臺(tái)的兩個(gè)主要部分，智慧排水的高質(zhì)量運(yùn)行需要基礎(chǔ)硬件設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)通信的支持。

4.1.2 數(shù)據(jù)服務(wù)層

4.1.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

在智慧排水系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)系統(tǒng)是重要組成部分，由不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成，能在各項(xiàng)工作開(kāi)展期間提供支持。為對(duì)原有系統(tǒng)集成的方式不斷完善，需新建系統(tǒng)，保證業(yè)務(wù)信息化的完整性。

4.1.4 人機(jī)交互層

即用戶(hù)使用PC或移動(dòng)終端使用和瀏覽系統(tǒng)，使用用戶(hù)包括公司排水公司、運(yùn)營(yíng)中心團(tuán)隊(duì)及員工等。

4.2 系統(tǒng)建設(shè)功能

4.2.1 排水綜合管理平臺(tái)

BS 系統(tǒng)架構(gòu)的應(yīng)用可讓排水綜合管理平臺(tái)更加完善，能提供有效的信息展示與管理服務(wù)。平臺(tái)的重心為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息展示，為實(shí)現(xiàn)集中展示，需要使用視頻監(jiān)控、GIS 系統(tǒng)等多種技術(shù)。平臺(tái)的統(tǒng)一管理要求將全市排水管網(wǎng)、泵站等納入系統(tǒng)中。平臺(tái)logo、用戶(hù)登錄信息等在平臺(tái)首頁(yè)展示。排水管網(wǎng)、泵站等實(shí)時(shí)狀態(tài)可由該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，還可提供歷史狀態(tài)查詢(xún)與報(bào)警服務(wù)。在GIS 地圖服務(wù)上展示所有監(jiān)測(cè)信息，要求地圖具備拓展性與三維地圖服務(wù)。管網(wǎng)管理（GIS）、水位監(jiān)測(cè)等也是系統(tǒng)的重要組成部分，能對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行全面、精細(xì)化監(jiān)控。在平臺(tái)上集合多個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，形成對(duì)城市排水系統(tǒng)的智能化管理。

4.2.2 排水生產(chǎn)監(jiān)控平臺(tái)

“監(jiān)”和“控”是排水生產(chǎn)監(jiān)控平臺(tái)的兩個(gè)關(guān)鍵功能，通過(guò)對(duì)無(wú)人值守泵站的改造，能對(duì)廠站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能對(duì)廠站供電系統(tǒng)電量參數(shù)、液位等進(jìn)行全面監(jiān)控。監(jiān)控中心人員針對(duì)調(diào)度需求，需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可對(duì)水泵、格柵機(jī)等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。對(duì)于關(guān)鍵性設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行查詢(xún)，并能做好趨勢(shì)圖分析等功能。

4.2.3 移動(dòng)終端應(yīng)用

管理人員可通過(guò)移動(dòng)終端的應(yīng)用，不斷提升巡檢及監(jiān)控管理能力。領(lǐng)導(dǎo)為了解日常工作，以應(yīng)對(duì)各項(xiàng)突發(fā)性、應(yīng)急性事件，也可在移動(dòng)終端的幫助下，對(duì)各類(lèi)信息進(jìn)行調(diào)取與了解。第一，管網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢(xún)。通過(guò)手持移動(dòng)端的應(yīng)用，可對(duì)附近排水管網(wǎng)進(jìn)行查詢(xún)，并自動(dòng)定位顯示在地圖上，管理人員可隨時(shí)隨地查看。第二，生產(chǎn)監(jiān)測(cè)。排水管網(wǎng)、泵站等排水設(shè)施的數(shù)據(jù)可自動(dòng)傳輸?shù)揭苿?dòng)端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢(xún)。第三，設(shè)備二維碼掃描。條形碼在設(shè)備上粘貼，系統(tǒng)可掃描條形碼，便于對(duì)設(shè)備檔案信息的查閱與了解，針對(duì)權(quán)限許可用戶(hù)，可提供轉(zhuǎn)存、編輯、上報(bào)等功能。第四，巡檢軌跡。巡檢人員的GPS 軌跡信息可由系統(tǒng)自動(dòng)記錄，然后將其發(fā)送到服務(wù)器端，巡檢人員的實(shí)時(shí)位置及歷史巡檢軌跡可由管理人員隨時(shí)查看，了解巡檢具體情況。第五，巡檢報(bào)告。各類(lèi)報(bào)告可在持移動(dòng)端上瀏覽，且能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各類(lèi)信息進(jìn)行上傳，如現(xiàn)場(chǎng)照片、問(wèn)題反饋等。第六，數(shù)據(jù)報(bào)警。將各類(lèi)報(bào)警信息推送到移動(dòng)終端，方便手持移動(dòng)端用戶(hù)及時(shí)掌握各種風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

城市排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用是一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的工作，要求能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)做好排水生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)中心、排水運(yùn)行智能應(yīng)用與技術(shù)架構(gòu)3 個(gè)方面的內(nèi)容，同時(shí)，也要在建設(shè)與應(yīng)用中做好建設(shè)框架、系統(tǒng)建設(shè)功能，充分發(fā)揮城市排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)的作用。城市排水智能化運(yùn)行管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控、聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)部門(mén)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了防汛防臺(tái)預(yù)報(bào)預(yù)警管理，推動(dòng)排水系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，確保能為城市發(fā)展提供高效服務(wù)。