城市智慧排水系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理

胡臻 黃賢亮 武今巾 何巍偉

（1.長(zhǎng)沙市城區(qū)排水事務(wù)中心 湖南長(zhǎng)沙 410000；2.合肥中科國(guó)禹智能工程有限公司 安徽合肥 230031）

城市排水系統(tǒng)主要由排水管網(wǎng)、雨（污）水泵站及污水處理廠構(gòu)成，對(duì)處理和排除雨（污）水發(fā)揮著重要作用。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，城市排水系統(tǒng)的負(fù)荷大大增加，納污量大幅提升，污水管網(wǎng)老化淤堵嚴(yán)重，過(guò)流能力急速下降。此外，管網(wǎng)等排水設(shè)施因建造年代不同、分布范圍廣、設(shè)備類(lèi)型多樣等因素，導(dǎo)致排水系統(tǒng)內(nèi)部工藝水平和實(shí)際處理能力水平的差異，給人工監(jiān)管帶來(lái)很大困難。為科學(xué)、高效地對(duì)排水設(shè)施進(jìn)行管理，提高應(yīng)急應(yīng)變能力，保障城市排水系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行，亟需對(duì)排水設(shè)施（如市政管網(wǎng)、污水處理廠，以及雨、污泵站等）建立統(tǒng)一綜合管理平臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、智慧運(yùn)維的排水系統(tǒng)管理體系。通過(guò)排水系統(tǒng)智慧化建設(shè)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)排水系統(tǒng)管理思維及模式，提升運(yùn)維及排水防澇能力，提高管理水平，提供決策支撐，保證排水系統(tǒng)良好運(yùn)行。

1 排水系統(tǒng)智慧化建設(shè)的需求及意義

據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、排水能力有限，管網(wǎng)滲漏、破損、雨污混接等狀況突出，存在很大的安全隱患，導(dǎo)致了黑臭水體下河污染河流、雨天極易形成內(nèi)澇等城市病的存在。由于沒(méi)有建立統(tǒng)一的排水系統(tǒng)設(shè)施的運(yùn)行監(jiān)管平臺(tái)，無(wú)法對(duì)排水設(shè)施的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行管理及養(yǎng)護(hù)做出科學(xué)決策，這讓城市排水管理部門(mén)“無(wú)能為力”，為了解決上述問(wèn)題，提升城市排水系統(tǒng)的管理水平，可以結(jié)合感知設(shè)備，通過(guò)獲取排水業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)智慧化建設(shè)，保障城市排水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。智慧排水系統(tǒng)管控平臺(tái)建設(shè)具有如下重要的意義。

（1）無(wú)人值守，減少企業(yè)運(yùn)行成本。通過(guò)排水系統(tǒng)智慧化建設(shè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各排水設(shè)施，可依據(jù)設(shè)施、設(shè)備的運(yùn)行狀況實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控和調(diào)優(yōu)，無(wú)需人員值班看守，從而節(jié)約大量人力資源成本，有效減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

（2）運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，減少風(fēng)險(xiǎn)與隱患。通過(guò)匯總設(shè)備和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行平臺(tái)實(shí)時(shí)展示與監(jiān)控，對(duì)突發(fā)情況迅速響應(yīng)，實(shí)時(shí)預(yù)警，當(dāng)異常情況出現(xiàn)時(shí)，能夠及時(shí)進(jìn)行干預(yù)和處置，保證安全。

（3）聯(lián)合調(diào)度，實(shí)現(xiàn)智慧決策。通過(guò)利用數(shù)學(xué)建模、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、巡查、調(diào)度、決策等過(guò)程的智慧化，實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)處置到主動(dòng)作為的轉(zhuǎn)變，提高決策能力和管理水平，與此同時(shí)，通過(guò)智慧排水系統(tǒng)建設(shè)，探索研究管網(wǎng)、泵站等設(shè)施聯(lián)合調(diào)度及自動(dòng)化改造，全面提升城市排水治理能力現(xiàn)代化，為智慧城市建設(shè)賦能。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)

排水地理信息系統(tǒng)包含有管線、排水設(shè)施等的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排水管網(wǎng)、污水處理廠等的網(wǎng)絡(luò)分析、空間可視化分析，這大大提高了市政排水管理部門(mén)對(duì)排水系統(tǒng)精細(xì)化管理的水平，為城市排水防澇、污水處理等工作提供了科學(xué)的決策支撐。在每年汛期來(lái)臨之前，有關(guān)部門(mén)可以借助GIS 分析時(shí)下的氣象災(zāi)害信息，模擬計(jì)算出更為精細(xì)、準(zhǔn)確的區(qū)域降水參數(shù)數(shù)據(jù)，這對(duì)城市防洪應(yīng)急工作具有十分重要的意義。此外，利用地理信息系統(tǒng)的空間拓?fù)涔δ?，并結(jié)合滲水、蓄水的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立相關(guān)的模型，評(píng)價(jià)城市水域（河道、蓄水庫(kù)等）的儲(chǔ)水能力，綜合起來(lái)可預(yù)判城市發(fā)生內(nèi)澇的概率。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)主要是利用智能傳感設(shè)備，按照一定的規(guī)則實(shí)現(xiàn)人和人之間、人和物之間、物和物之間的互聯(lián)互通，可采集、獲取物質(zhì)世界的各種信息，同時(shí)借助互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳遞、管理、分析，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)世界的智慧決策。

2.3 移動(dòng)終端技術(shù)

隨著信息技術(shù)與集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，移動(dòng)終端的應(yīng)用場(chǎng)景也變得越來(lái)越豐富，除了具有通信功能以外，還可以進(jìn)行信息處理、分析與展示。其在排水系統(tǒng)管理方面具體表現(xiàn)為通過(guò)開(kāi)發(fā)小程序、APP 等方式，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)地理信息地圖、管網(wǎng)管理，對(duì)水質(zhì)、水量及排水設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控（如視頻監(jiān)控、水位流量監(jiān)控、污水廠、泵站監(jiān)控）等功能。

2.4 雨洪模型分析技術(shù)

在城市地勢(shì)比較低的地方，尤其是下穿橋、立交橋橋洞、地鐵、地下人行通道、地下車(chē)庫(kù)等地段，在降水比較密集的時(shí)候，很容易發(fā)生內(nèi)澇災(zāi)害，而雨水管網(wǎng)承擔(dān)著迅速排水的重任，有效降低發(fā)生內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)構(gòu)建雨洪模型，模擬區(qū)域的降水情況，預(yù)測(cè)發(fā)生內(nèi)澇的可能性，還可以為雨水管網(wǎng)、城市排水體系的建設(shè)提供決策支撐。

3 智慧排水系統(tǒng)建設(shè)管理現(xiàn)狀

美國(guó)是第一個(gè)探索建立市政排水設(shè)施管理系統(tǒng)的國(guó)家，其利用GIS 技術(shù)設(shè)計(jì)了包括泵站的地理位置分布、管網(wǎng)的空間分布等內(nèi)容的城市排水信息系統(tǒng)。反觀國(guó)內(nèi)，2004年，李金平等科研人員采用Visual Basic為編程語(yǔ)言、MapX 為開(kāi)發(fā)工具，進(jìn)行市政排水管網(wǎng)信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了地下管網(wǎng)科學(xué)化、信息化管理；2008年，周旭東等研究人員在蘇州市建立地下管線綜合系統(tǒng)，研究通過(guò)GIS應(yīng)對(duì)管網(wǎng)突發(fā)情況的方法，主要包括原理、實(shí)現(xiàn)方法和過(guò)程；2017年，閆曉濤等研究人員提出運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)手段建立智慧排水的方法。

此外，我國(guó)部分較發(fā)達(dá)的城市也逐步建立了城市排水的管理系統(tǒng)。例如，上海建成的排水設(shè)施管理信息系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)排水設(shè)施的信息查詢(xún)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水情信息報(bào)訊、氣象災(zāi)害信息的收集與處理以及數(shù)據(jù)制圖輸出。北京的排水公司經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，也摸索出一套完善、成熟的信息管理系統(tǒng)，主要由以下幾個(gè)部分組成：（1）核心指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集、處理；（2）信息基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)；（3）業(yè)務(wù)管理平臺(tái)展示。2011年，杭州市也開(kāi)始排水信息業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)的建設(shè)，搭建了相應(yīng)的排水信息管理平臺(tái)，建立了排水信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。這些城市的排水信息管理系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢(xún)、檢測(cè)及獲取遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)回傳的語(yǔ)音等相關(guān)資料，還可以查詢(xún)和管理排水設(shè)施的運(yùn)行情況。此外，一些排水管理系統(tǒng)平臺(tái)還可以進(jìn)行計(jì)算模擬，如利用雨洪積水模型，對(duì)積水過(guò)程進(jìn)行模擬，并計(jì)算出完全排除積水所需的時(shí)間。

4 智慧排水系統(tǒng)建設(shè)管理存在的問(wèn)題

建立智慧排水系統(tǒng)，對(duì)于推動(dòng)城市管理水平的提升及促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要作用，然而現(xiàn)有的智慧排水系統(tǒng)仍在探索中，依然存在很多不足，主要集中在以下幾個(gè)方面。

4.1 信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)明顯不足

現(xiàn)階段，信息化建設(shè)還不夠，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)薄弱，信息資源不足，信息種類(lèi)不全，內(nèi)容不夠豐富，信息的數(shù)字化和規(guī)范化程度太低。排水工程自控建設(shè)還處于摸索階段，排水通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍還滿(mǎn)足不了需求，各類(lèi)排水工程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)還處于起步階段，排水通信網(wǎng)在覆蓋范圍和容量上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了需要，支撐水利各類(lèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用的綜合性平臺(tái)不夠健全，安全保障不夠。

4.2 排水?dāng)?shù)據(jù)采集程度不高

排水?dāng)?shù)據(jù)的獲取主要是依靠智能感知設(shè)備的采集，而目前監(jiān)測(cè)范圍、設(shè)備都很有限，導(dǎo)致基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集范圍覆蓋不夠全面，信息內(nèi)容完整性不夠，此外，排水管網(wǎng)一般都在地下，布設(shè)的感知設(shè)備長(zhǎng)期處于惡劣的環(huán)境中，地下的通信信號(hào)較弱，導(dǎo)致設(shè)備需要經(jīng)常維護(hù)、更新，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示能力也很差。

4.3 缺乏頂層設(shè)計(jì)

目前，排水信息化建設(shè)很少考慮統(tǒng)籌規(guī)劃，城鄉(xiāng)之間、各個(gè)部門(mén)之間分割現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致建設(shè)體系和標(biāo)準(zhǔn)很難統(tǒng)一，無(wú)法開(kāi)展業(yè)務(wù)協(xié)同。一方面，沒(méi)有從城市發(fā)展的整體出發(fā)，建立排水信息綜合管理系統(tǒng)，對(duì)信息化建設(shè)缺乏頂層設(shè)計(jì)，各自為政，孤立發(fā)展，服務(wù)對(duì)象單一。另一方面，排水管線數(shù)據(jù)來(lái)自設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理部門(mén)，建立排水綜合管理平臺(tái)與各部門(mén)需求十分密切，而系統(tǒng)建設(shè)沒(méi)有考慮“一盤(pán)棋”的整體謀劃，隨著各種部門(mén)用戶(hù)的人數(shù)增多，相應(yīng)的需求也在不斷增多和變化，系統(tǒng)變得雜亂無(wú)章，難以服務(wù)排水行業(yè)的發(fā)展。

4.4 數(shù)據(jù)孤島亟待消除

雖然，目前國(guó)內(nèi)主要城市已建成一些排水管理系統(tǒng)，但是大都是獨(dú)立、分開(kāi)的，彼此之間沒(méi)有建立數(shù)據(jù)資源共享機(jī)制。此外，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施還很不成熟，信息資源共享也缺乏技術(shù)支撐，導(dǎo)致大量基礎(chǔ)性業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無(wú)法被用來(lái)指導(dǎo)排水管理活動(dòng)。

4.5 智慧決策水平不夠

排水系統(tǒng)建設(shè)重業(yè)務(wù)管理，導(dǎo)致大量的排水?dāng)?shù)據(jù)沒(méi)有得到充分利用與深入挖掘、分析，決策還是以人工經(jīng)驗(yàn)為主，數(shù)據(jù)對(duì)決策的支撐工作需要加強(qiáng)。

5 排水系統(tǒng)智慧化運(yùn)營(yíng)的優(yōu)化思考

針對(duì)上述排水系統(tǒng)建設(shè)管理中存在的問(wèn)題，本文從以下3個(gè)方面對(duì)排水系統(tǒng)智慧化建設(shè)進(jìn)行分析。

5.1 加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)

排水水務(wù)企業(yè)和有關(guān)部門(mén)需要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌謀劃。在智慧排水管理平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，需要統(tǒng)籌考慮企業(yè)運(yùn)行、業(yè)務(wù)需求、軟硬件設(shè)施的關(guān)系，并注重提升排水業(yè)務(wù)問(wèn)題的解決能力，注重對(duì)采集數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析。在以上工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)和開(kāi)展業(yè)務(wù)，同時(shí)使排水管理平臺(tái)具備更新?lián)Q代能力。

5.2 消除“數(shù)據(jù)孤島”

針對(duì)目前數(shù)據(jù)孤島的問(wèn)題，首先，需要建立統(tǒng)一的排水水務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系，包括規(guī)范統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，各排水部門(mén)需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范收集各類(lèi)排水業(yè)務(wù)信息，形成數(shù)據(jù)庫(kù)中心。其次，需要構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與服務(wù)接口，這不僅可以提高數(shù)據(jù)采集的效率，還可以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流通、融合、共享，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)和協(xié)同。

5.3 智慧管理平臺(tái)升級(jí)

目前，很多地方已經(jīng)建成排水系統(tǒng)管理平臺(tái)，并取得了一定的應(yīng)用效果，但是，隨著用戶(hù)量的增加及需求的加大，需要升級(jí)現(xiàn)有的系統(tǒng)管理平臺(tái)，優(yōu)化智慧排水總體架構(gòu)體系，主要包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

第一，開(kāi)發(fā)智能管網(wǎng)巡查系統(tǒng)。結(jié)合相關(guān)的水文數(shù)據(jù)及地質(zhì)體模型，排查有安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的管線（如土壤松散、滲水的管段），并充分探究管道健康和排水管網(wǎng)水力模型系統(tǒng)的運(yùn)行情況，自行確定巡檢養(yǎng)護(hù)范圍。此外，還可以通過(guò)“智慧井蓋管理系統(tǒng)”建設(shè)，完成井蓋等市政資產(chǎn)的在線監(jiān)控和精細(xì)化管理，保障市民出行安全。

第二，升級(jí)流域截污治理系統(tǒng)。聚焦控源截污、管網(wǎng)提質(zhì)增效。從現(xiàn)實(shí)情況出發(fā)，做好水環(huán)境污染現(xiàn)狀分析，識(shí)別流域污染特征，實(shí)現(xiàn)管線系統(tǒng)優(yōu)化，以及廠、站、網(wǎng)、河四級(jí)聯(lián)合調(diào)度。通過(guò)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，評(píng)估排水設(shè)施的現(xiàn)狀情況等，進(jìn)行模擬分析對(duì)比（包括排水系統(tǒng)的溢流風(fēng)險(xiǎn)及溢流量），對(duì)管線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，并利用模型開(kāi)展常態(tài)化模擬，為管網(wǎng)截污提供全周期支持。

第三，整合防洪應(yīng)急管理平臺(tái)。有效整合排水管理平臺(tái)內(nèi)所有的視頻監(jiān)控點(diǎn)位，通過(guò)三維洪水風(fēng)險(xiǎn)圖展現(xiàn)平臺(tái)，獲取洪水路徑（淹沒(méi)及退水），預(yù)先調(diào)動(dòng)防汛物資，汛期后完成評(píng)估、完善及總結(jié)工作并錄入系統(tǒng)。構(gòu)建“預(yù)警及時(shí)、調(diào)度有序、評(píng)估科學(xué)”的防洪體系，合理調(diào)度防洪資源。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，智慧排水系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)取得一定進(jìn)展，西方國(guó)家在排水系統(tǒng)領(lǐng)域的研究已逐步從理論過(guò)渡到實(shí)踐應(yīng)用階段，并取得良好的效果，在遭遇突發(fā)性事件時(shí)，可以及時(shí)參與應(yīng)急響應(yīng)和科學(xué)決策。國(guó)內(nèi)智慧排水系統(tǒng)研究起步較晚，但是也取得一定的成果，部分東部城市通過(guò)建立城市排水管理系統(tǒng)，提高了業(yè)務(wù)能力和水平。與此同時(shí)，智慧排水系統(tǒng)建設(shè)管理也存在一些問(wèn)題，如排水?dāng)?shù)據(jù)信息滯后、管理體制混亂、排水信息化頂層設(shè)計(jì)缺乏等。針對(duì)目前排水系統(tǒng)建設(shè)管理中存在的問(wèn)題，未來(lái)需要進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，包括加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、消除“數(shù)據(jù)孤島”以及排水系統(tǒng)管理平臺(tái)再升級(jí)等，最終實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)智能化。