基于物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的城市智慧排水系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用研究

劉玉濤

（煙臺(tái)市城市排水服務(wù)中心，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

住建部、生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家發(fā)改委等三部委聯(lián)合發(fā)布《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案》（2019-2021 年）中強(qiáng)調(diào)“建立市政排水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）”，2021年4 月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)城市內(nèi)澇治理的實(shí)施意見(jiàn)》中提出“加強(qiáng)智慧平臺(tái)建設(shè)”[1]。2021 年4 月，住建部發(fā)布GB50014-2021《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中新增了信息化、智能化等智慧排水系統(tǒng)的內(nèi)容。

隨著城市規(guī)模高速發(fā)展，排水行業(yè)的傳統(tǒng)管理方式存在管理手段單一，運(yùn)營(yíng)技術(shù)落后，信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足，自動(dòng)化程度不高，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)能力差等一系列問(wèn)題。對(duì)城市排水系統(tǒng)管理而言，通過(guò)信息化管理手段可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)維單位的遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)挖掘、信息統(tǒng)計(jì)等，使排水業(yè)務(wù)管理由分散轉(zhuǎn)向集中，由粗放轉(zhuǎn)向精細(xì)化和信息化，大幅提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。以信息化、智能化為代表的新技術(shù)，逐步在與城市治理、生態(tài)保護(hù)、環(huán)境治理等各個(gè)行業(yè)相融合。在排水管理領(lǐng)域，通過(guò)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS技術(shù)的綜合應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)排水與污水處理信息的實(shí)時(shí)掌控，能有效解決監(jiān)管不及時(shí)的問(wèn)題，對(duì)突發(fā)情況能及時(shí)作出處置。

1 建設(shè)目標(biāo)

智慧排水的建設(shè)目標(biāo)是以“排水設(shè)施管理精細(xì)化、事件處置精準(zhǔn)化、應(yīng)急決策可視化”為要求的3D+GIS 地理信息系統(tǒng)的智慧平臺(tái)。利用大數(shù)據(jù)服務(wù)能力，建設(shè)“智慧排水”基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息平臺(tái)，逐步打造“會(huì)思考”的“智慧排水”信息平臺(tái)。

2 智慧排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)

圍繞構(gòu)建排水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)、智能感知系統(tǒng)、綜合業(yè)務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧排水平臺(tái)中的報(bào)警中心和調(diào)度中心的功能和相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用，支撐城市排水業(yè)務(wù)向協(xié)同化、科學(xué)化、智能化方向發(fā)展。

智慧排水系統(tǒng)的基本架構(gòu)如下：

2.1 感知層

感知層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，以液位計(jì)、雨量在線監(jiān)測(cè)終端、流量計(jì)、水質(zhì)在線過(guò)程儀表、監(jiān)控?cái)z像頭等監(jiān)測(cè)設(shè)備為基礎(chǔ)，集成在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、應(yīng)急監(jiān)測(cè)設(shè)備、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)等科技手段，完成水量水質(zhì)數(shù)據(jù)、氣象雨情、GIS 地理數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)的收集、整理、匯總和存儲(chǔ)管理[2]，為應(yīng)用層提供信息服務(wù)。信息是決策的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為預(yù)警預(yù)測(cè)、聯(lián)合調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

智慧排水系統(tǒng)部署機(jī)房中心，采用內(nèi)網(wǎng)專線內(nèi)部，將轄內(nèi)的泵站、污水處理廠與機(jī)房進(jìn)行通信，前端流量液位、積水點(diǎn)、截流口等監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸方式經(jīng)中國(guó)移動(dòng)光纖網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)房，經(jīng)過(guò)網(wǎng)閘、防火墻等安全設(shè)備后傳輸至服務(wù)器資源池，移動(dòng)端APP 應(yīng)用系統(tǒng)與機(jī)房進(jìn)行通訊，機(jī)房通過(guò)嚴(yán)格的外網(wǎng)IP 管理及服務(wù)器分區(qū)隔離，在保證各類數(shù)據(jù)共享交互的情況下，保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖1 智慧排水平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of smart drainage platform

圖2 智慧排水平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Network topology of smart drainage platform

在符合網(wǎng)絡(luò)安全前提下，以廠站級(jí)為單元，就近原則接入交換機(jī)，以星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，構(gòu)成一個(gè)安全完整的網(wǎng)絡(luò)框架。以總體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施為原則，能讓各種應(yīng)用功能程序協(xié)調(diào)有序運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)信息共享。通過(guò)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的架構(gòu)在調(diào)度中心整合所有下級(jí)單元的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)邏輯組態(tài)實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制。在現(xiàn)場(chǎng)安裝有數(shù)據(jù)采集器，采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中抓取數(shù)據(jù)匯總至機(jī)房的數(shù)據(jù)服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)從控制中心協(xié)調(diào)控制整個(gè)排水系統(tǒng)業(yè)務(wù)。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層將泵站、排水管網(wǎng)、污水廠及相關(guān)信息匯總到數(shù)據(jù)中心，以實(shí)現(xiàn)廠、站、網(wǎng)一體化的排水業(yè)務(wù)N 個(gè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理與控制一體化。通過(guò)泵站的控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)或改造，實(shí)現(xiàn)泵站全自動(dòng)化運(yùn)行。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)排水設(shè)施的有效管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控，掌握排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化管理，形成聯(lián)合巡檢、運(yùn)維及應(yīng)急預(yù)案聯(lián)動(dòng)的管理模式，提高運(yùn)行效率和管理水平。

圖3 智慧排水平臺(tái)架構(gòu)步驟Fig.3 Architecture steps of smart drainage platform

通過(guò)智能算法、系統(tǒng)優(yōu)化方法，結(jié)合控制仿真模型，實(shí)現(xiàn)污水提升泵站群的聯(lián)合調(diào)度，充分發(fā)揮污水泵站、傳輸管網(wǎng)的功能及其互相配合的作用。為取得防澇、控制溢流最大效益為目標(biāo)，滿足不同工況的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)不同排水情況下合理動(dòng)態(tài)地調(diào)配水量和負(fù)荷，為運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)決策支持。泵站自控改造，主要包括PLC 改造及安防系統(tǒng)建設(shè)，構(gòu)建泵站完善的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，有效降低人員成本和人為干擾，提高業(yè)務(wù)管理水平。

科學(xué)模型構(gòu)建，選取轄區(qū)內(nèi)內(nèi)澇重要區(qū)域作為排水分區(qū)，進(jìn)行模型建模分析，對(duì)重點(diǎn)設(shè)施區(qū)域進(jìn)行控制仿真模型構(gòu)建，支撐排水管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度，積累排水設(shè)施聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度經(jīng)驗(yàn)。

建設(shè)智慧排水系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集、存儲(chǔ)、管理、共享服務(wù)、查詢、數(shù)據(jù)分析和可視化展示，包括數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建設(shè)、數(shù)據(jù)治理工具建設(shè)、一張藍(lán)圖建設(shè)等內(nèi)容。其中，通過(guò)一張藍(lán)圖的建設(shè)，實(shí)時(shí)掌握城市排水體系信息，輔助決策者全面掌控排水運(yùn)行數(shù)據(jù)變化態(tài)勢(shì)，增強(qiáng)水務(wù)服務(wù)和管控的能力和水平。

兩個(gè)中心，報(bào)警中心作為整個(gè)平臺(tái)的神經(jīng)樞紐，可為防汛應(yīng)急人員提供有效、精準(zhǔn)的內(nèi)澇和溢流預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)；指揮調(diào)度中心，滿足應(yīng)急指揮和決策支持的實(shí)體化運(yùn)行需求。排水N 個(gè)應(yīng)用包括聯(lián)合調(diào)度、防汛應(yīng)急調(diào)度、排水設(shè)施資產(chǎn)運(yùn)維、用戶權(quán)限、項(xiàng)目工程管理、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)、排水戶監(jiān)管管理系統(tǒng)、移動(dòng)端應(yīng)用等應(yīng)用系統(tǒng)。

圖4 內(nèi)澇模型Fig.4 Waterlogging model

3 工作路線

建設(shè)“一個(gè)平臺(tái)、一張藍(lán)圖、兩個(gè)中心和排水N 個(gè)應(yīng)用”相結(jié)合的智慧排水綜合信息平臺(tái)，工作路線包含物聯(lián)網(wǎng)感知層建設(shè)、泵站自控改造、報(bào)警中心和調(diào)度中心、應(yīng)用系統(tǒng)等內(nèi)容的建設(shè)，依次對(duì)現(xiàn)狀調(diào)查及需求分析、管網(wǎng)普查、物聯(lián)網(wǎng)感知體系建設(shè)、泵站自控改造、與已建系統(tǒng)的對(duì)接集成、應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，以及長(zhǎng)效運(yùn)行維護(hù)工作。

4 新技術(shù)的應(yīng)用

4.1 拓展GIS排水管網(wǎng)應(yīng)用建設(shè)

將泵站、河道、排水管網(wǎng)等重要設(shè)施在一張GIS 地圖上統(tǒng)一展示，并提供查詢、統(tǒng)計(jì)分析等功能，可查看排水設(shè)施的詳細(xì)信息，如管線坐標(biāo)、管線編號(hào)、管線高程、地面高程、埋深、地下排水管徑、材料、長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)信息，能夠整體展現(xiàn)主要排水與污水處理設(shè)施的GIS 分布，并為其他的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

4.2 內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)模型建設(shè)

城市強(qiáng)降雨容易導(dǎo)致城市內(nèi)澇發(fā)生，易暴露城市排水存在問(wèn)題。城市整體市政排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用數(shù)字內(nèi)澇模型來(lái)進(jìn)行內(nèi)澇情況評(píng)估，對(duì)城市排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和遠(yuǎn)期規(guī)劃有針對(duì)性的分析和業(yè)務(wù)輔助指導(dǎo)[3]。

圖5 智慧污水處理廠架構(gòu)圖Fig.5 Architecture of smart sewage treatment plant

根據(jù)氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息，調(diào)度模型對(duì)排水系統(tǒng)未來(lái)承受能力及分配方式進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，評(píng)估在汛期排水系統(tǒng)承受最大能力及運(yùn)行方式。根據(jù)排水調(diào)度模型重點(diǎn)計(jì)算內(nèi)澇防治地區(qū)的截流量和截流設(shè)施運(yùn)行方式，并給出內(nèi)澇防治區(qū)域的積水位置、積水面積、積水深度和積水時(shí)間的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

在降雨前，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)信息，利用模型計(jì)算得出累計(jì)溢流水量、水質(zhì)可能變化情況、內(nèi)澇積水情況、水質(zhì)恢復(fù)時(shí)間，以及整個(gè)排水系統(tǒng)運(yùn)行情況；在降雨中通過(guò)感知層采集數(shù)據(jù)形成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)篩選；根據(jù)采集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支撐內(nèi)澇預(yù)報(bào)模型的運(yùn)行；降雨后，給出各調(diào)蓄池的放空方案和雨水泵站運(yùn)行方案，避免增加污水處理廠運(yùn)行負(fù)荷，影響污水處理廠的排水水質(zhì)，并對(duì)整個(gè)模型的運(yùn)算的過(guò)程后處理數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析工作，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)內(nèi)澇情況進(jìn)行預(yù)警發(fā)布。排水系統(tǒng)調(diào)度模型監(jiān)控片區(qū)源、泵站、廠、雨水管網(wǎng)及泵站的實(shí)時(shí)狀態(tài)，管理部門根據(jù)情況指揮調(diào)度排水人力及物資資源，來(lái)安排防汛工作，解決城市內(nèi)澇。

當(dāng)原始數(shù)據(jù)達(dá)到一定程度積累時(shí)，排水系統(tǒng)調(diào)度模型平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，利用計(jì)算機(jī)算法判斷雨情的變化趨勢(shì)，形成最佳匹配方案，實(shí)現(xiàn)高效收集雨水，預(yù)防內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生，最大程度上發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)施的運(yùn)行效率。

4.3 智慧水廠建設(shè)

對(duì)污水處理廠內(nèi)部實(shí)現(xiàn)智慧化平臺(tái)建設(shè)管理，在線預(yù)警預(yù)測(cè)、工藝方案模擬、工藝優(yōu)化運(yùn)行、設(shè)備管理、智能加藥管理，及精確曝氣等功能。重點(diǎn)做好水質(zhì)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)警模塊、能耗管理模塊、藥耗管理模塊建設(shè)，通過(guò)精確曝氣實(shí)現(xiàn)對(duì)生化系統(tǒng)的按需曝氣；通過(guò)碳源投加采用數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)采用最小量的乙酸鈉投加，實(shí)現(xiàn)最佳的出水水質(zhì)指標(biāo)。

5 實(shí)施效果

在排水設(shè)施和城市關(guān)鍵位置水量、水位數(shù)據(jù)的在線采集和動(dòng)態(tài)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)排水系統(tǒng)運(yùn)行中的突發(fā)問(wèn)題。基于仿真模擬技術(shù)，結(jié)合潮汐數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，還可實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇和溢流預(yù)測(cè)，提供早期報(bào)警信息，為應(yīng)急防汛工作爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

通過(guò)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，快速制定優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)、泵站等設(shè)施的聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度，充分發(fā)揮排水設(shè)施的效能，有效提升城市內(nèi)澇防治及溢流污染控制水平，從而最大限度地降低城市內(nèi)澇、溢流污染、水環(huán)境污染等事故的影響和損失。

有利于提高日常工作效率，作為排水設(shè)施運(yùn)行維護(hù)、城市防汛管理等業(yè)務(wù)的工作平臺(tái)，為管理者和工作人員提供有效的精細(xì)化運(yùn)維、應(yīng)急指揮、預(yù)報(bào)預(yù)警和智能調(diào)度平臺(tái)，能夠極大方便開(kāi)展業(yè)務(wù)工作，將派人值守向少人值守，甚至無(wú)人值守轉(zhuǎn)變，人工監(jiān)測(cè)向自動(dòng)化監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變，降低工作成本。

充分利用地理信息系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型分析、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、聯(lián)合調(diào)度等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)智慧監(jiān)測(cè)、智慧巡檢、智慧調(diào)度、智慧決策，從傳統(tǒng)的被動(dòng)處置變?yōu)橹鲃?dòng)響應(yīng)，提高運(yùn)營(yíng)管理和科學(xué)決策水平，從而降低排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠等設(shè)施的運(yùn)行難度和管理成本。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)智慧排水系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)排水設(shè)施運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)廠、站、網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度和汛期下合理動(dòng)態(tài)地調(diào)配水量負(fù)荷，提高排水系統(tǒng)運(yùn)行管理水平，為保障排水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

通過(guò)在關(guān)鍵排水設(shè)施和城市關(guān)鍵位置安裝的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)排水系統(tǒng)的異常情況，結(jié)合有效的巡查養(yǎng)護(hù)機(jī)制、應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，減少城市內(nèi)澇、污水溢流等現(xiàn)象，提高了環(huán)境質(zhì)量。特別是通過(guò)智慧排水建設(shè)，為探索排水設(shè)施自動(dòng)化改造及聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，形成先進(jìn)的智能控制管理技術(shù)，為其他城市的智能排水提供有效的經(jīng)驗(yàn)。