南京市污水處理監(jiān)管信息平臺設(shè)計與應(yīng)用

馬丁山,楊 銳,馬智宸,田 芮,趙明進(jìn)

(1. 南京市供水節(jié)水指導(dǎo)中心,江蘇 南京 210004;2. 南京市水務(wù)設(shè)施管理中心,江蘇 南京 210036;3. 南京市測繪勘察研究院股份有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城鄉(xiāng)居民物質(zhì)生活水平不斷提高,環(huán)境問題日益突出。環(huán)境是人類賴以生存的空間,環(huán)境污染直接影響人類的生活和發(fā)展;因此,對環(huán)境污染的治理將是一項(xiàng)不可或缺的重要工作,而污水處理則是其中重要的組成部分。南京市作為國家重要中心城市和發(fā)達(dá)地區(qū)省會,截至2020年,城市常住人口931.97萬人,污水年排放量108 857萬噸,污水處理率97.9%[1]。污水處理廠出水水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)、污水管網(wǎng)“健康狀況”如何、污泥最終如何處置等,直接關(guān)系到城市水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的安全。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、新一代移動網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等智能信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,信息技術(shù)化發(fā)展正醞釀著重大變革和新的突破,更高階段的智慧化發(fā)展已成為必然趨勢[2-3]。信息技術(shù)水平的不斷提高,為解決南京市城市污水治理推進(jìn)過程中的問題提供了新的思路和途徑。城市污水處理監(jiān)管的信息化是當(dāng)前改善城市水環(huán)境的客觀需求,也是加強(qiáng)城市污水處理監(jiān)管的必要手段[4-5],但目前水務(wù)行業(yè)管理信息化建設(shè)中,仍存在監(jiān)測體系不完善、信息孤島問題突出、信息服務(wù)及監(jiān)管方式落后等問題[6]?；谖锫?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、地理信息等技術(shù),建立先進(jìn)的南京市污水處理監(jiān)管信息平臺,實(shí)現(xiàn)污水處理的實(shí)時與有效監(jiān)管,提高污水監(jiān)管工作的規(guī)范化、精細(xì)化、智能化管理水平。

1 需求分析

1.1 水務(wù)數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求

污水處理監(jiān)管業(yè)務(wù)繁雜、涉及信息面廣、各類信息分布零散,隨著南京市城市污水處理信息化的不斷推進(jìn),水務(wù)信息資源管理與系統(tǒng)利用面臨著信息資源分散、交換共享不暢、利用效率不高、系統(tǒng)間接口繁雜等問題,亟需構(gòu)建統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)中心,有效地收集污水處理廠運(yùn)營數(shù)據(jù)、污泥處置數(shù)據(jù)、再生水利用數(shù)據(jù)、排水管網(wǎng)及運(yùn)維數(shù)據(jù)、泵站運(yùn)維數(shù)據(jù)、排水戶數(shù)據(jù)等各類污水監(jiān)管數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)信息資源的匯聚、存儲、清洗、管理、分析和配置,為城市污水處理監(jiān)管信息平臺提供高效的數(shù)據(jù)服務(wù)管理功能,實(shí)現(xiàn)污水信息的“有序整合、高效共享”。

1.2 物聯(lián)感知體系建設(shè)需求

物聯(lián)感知體系是實(shí)現(xiàn)污水處理信息化監(jiān)管的必備前提。污水管線的運(yùn)行狀況主要靠人員巡檢、管道CCTV(Closed Circuit Television )檢測等手段獲取,對污水管線的養(yǎng)護(hù)工作也基于管線破損事故或者養(yǎng)護(hù)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù),為污水管線、提升泵站、污水處理廠實(shí)現(xiàn)“廠站網(wǎng)”一體化的運(yùn)行狀態(tài)感知和運(yùn)行分析,是當(dāng)前污水處理監(jiān)管工作的主要任務(wù)?；谀暇┦鞋F(xiàn)有基礎(chǔ)感知條件,根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求,在管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝流量、液位等監(jiān)測儀表,結(jié)合污水處理廠和泵站的監(jiān)測數(shù)據(jù),形成監(jiān)測類型豐富、監(jiān)測手段多樣、信息傳輸穩(wěn)定的物聯(lián)感知體系,為污水處理廠網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)以及污水處理業(yè)務(wù)監(jiān)管與排水監(jiān)管執(zhí)法,提供信息化輔助決策手段。

1.3 監(jiān)管業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)需求

面向污水處理廠監(jiān)管覆蓋面少、排水許可證后監(jiān)管難度大、缺乏實(shí)時有效的移動端監(jiān)管手段等問題,基于監(jiān)管業(yè)務(wù)實(shí)際應(yīng)用需求分析,建立集信息共享、運(yùn)行監(jiān)控、綜合態(tài)勢分析于一體的多功能監(jiān)管信息平臺,實(shí)現(xiàn)各類污水處理數(shù)據(jù)可視化管理、數(shù)據(jù)及時更新與維護(hù)、污水設(shè)施維護(hù)管理高效考核、各項(xiàng)業(yè)務(wù)監(jiān)管信息化提升,打造城市污水處理監(jiān)管信息平臺全功能體系,為污水治理提質(zhì)增效提供有效支撐。

2 總體設(shè)計

2.1 總體目標(biāo)

南京市污水處理監(jiān)管信息平臺總體目標(biāo)是充分利用新一代信息技術(shù),采用微服務(wù)架構(gòu)模式,構(gòu)建智能感知、數(shù)據(jù)融合和智慧應(yīng)用三大體系,實(shí)現(xiàn)污水智能感知、運(yùn)營、監(jiān)管及決策的全過程智能管控。

(1)一張圖覽全局

構(gòu)建污水設(shè)施數(shù)據(jù)底座,水務(wù)數(shù)字資產(chǎn)“一圖總覽”。匯聚排水戶、污水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠等基礎(chǔ)設(shè)施的空間信息一張圖,總覽城市污水設(shè)施全局,為規(guī)劃設(shè)計、工程改造、運(yùn)行管理、應(yīng)急搶險提供可靠依據(jù)和決策建議。

(2)一張網(wǎng)全感知

借助窄帶物聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù),建成全面感知污水處理“空天地”一體的智能感知網(wǎng)絡(luò)體系,更好地以信息化手段感知污水基礎(chǔ)信息及水情、雨情、工情等信息。

(3)一體系全監(jiān)管

緊扣水務(wù)管理實(shí)際業(yè)務(wù)需求,建成基于大數(shù)據(jù)和人工智能的監(jiān)管和決策輔助體系,提供可視化的污水處理廠監(jiān)管、排水許可批后監(jiān)管、泵站監(jiān)管等決策支持服務(wù),實(shí)現(xiàn)信息化、智能化的城市污水智慧化監(jiān)管。

(4)一APP聯(lián)業(yè)務(wù)

搭建“水務(wù)易”移動端應(yīng)用系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)污水監(jiān)管業(yè)務(wù)管理服務(wù)隨時、隨處可用,打造便捷高效的城市污水監(jiān)管服務(wù)應(yīng)用體系。

2.2 架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)對污水處理監(jiān)管業(yè)務(wù)需求的充分調(diào)研與工程應(yīng)用實(shí)際需求的理解,搭建系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心構(gòu)架,如圖1所示,總體系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計采用SOA的技術(shù)架構(gòu),形成“五橫兩縱”的體系結(jié)構(gòu)。其中,“五橫”包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和用戶層,“兩縱”包括安全保障與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、污水管理相關(guān)機(jī)制,形成以污水設(shè)施基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯聚和各感知監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ),平臺為核心,通過統(tǒng)一門戶實(shí)現(xiàn)對污水?dāng)?shù)據(jù)、應(yīng)用和服務(wù)的集成。全面提升南京市污水處理監(jiān)管信息平臺系統(tǒng)效能,實(shí)現(xiàn)污水管理的更全面的感知、更主動的服務(wù)、更整合的資源、更科學(xué)的決策、更主動的控制和更及時的應(yīng)對。

圖1 南京市污水處理監(jiān)管信息平臺總體架構(gòu)

(1)感知層

感知層通過各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供對各類污水設(shè)施監(jiān)測監(jiān)控信息的實(shí)時、動態(tài)感知與傳輸服務(wù)[7],是系統(tǒng)平臺各種實(shí)時數(shù)據(jù)的來源,包括視頻監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測、液位監(jiān)測、流量監(jiān)測、電氣控制等。

(2)網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層即指計算機(jī)硬件支撐中心,解決信息資源的硬件支撐問題,包括基礎(chǔ)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、機(jī)房環(huán)境、物聯(lián)網(wǎng)?；A(chǔ)環(huán)境包括計算、存儲、安全資源池,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境包括電子政務(wù)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等。

(3)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)資源層指明了數(shù)據(jù)的來源,包括各類數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的存儲內(nèi)容、組織方式和存儲機(jī)制。存儲方式可采用文件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫軟件相結(jié)合,滿足基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和文件、多媒體的不同存儲要求[8]。

(4)應(yīng)用層

應(yīng)用層針對污水管理部門用戶提供與污水管理相關(guān)的應(yīng)用服務(wù),包含智慧監(jiān)測、水務(wù)設(shè)施GIS一張圖、污水處理廠運(yùn)營監(jiān)管、排水許可證后監(jiān)管、泵站監(jiān)管、污泥處置監(jiān)管、水務(wù)易APP等。

(5)用戶層

滿足不同用戶在綜合監(jiān)管、智慧調(diào)度、態(tài)勢分析、輔助決策等方面的管理需求。

(6)平臺安全保障與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

涉及以上各層次的安全,同時需要建立安全支撐環(huán)境和安全管理制度以及建設(shè)和遵循的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(7)污水管理相關(guān)機(jī)制

包括污水管理涉及的監(jiān)督機(jī)制、處置機(jī)制以及考評機(jī)制。

3 應(yīng)用場景

南京市污水處理監(jiān)管信息平臺建設(shè)自2016年起啟動,經(jīng)過兩期的項(xiàng)目建設(shè),充分整合污水設(shè)施數(shù)據(jù)資源、物聯(lián)感知設(shè)備資源、信息化系統(tǒng)資源,實(shí)現(xiàn)全息化、集中化、實(shí)時化、智能化的污水運(yùn)營管理新模式。利用最新信息技術(shù)手段,基于已建的排水設(shè)施,為提質(zhì)增效、黑臭水體治理等水務(wù)重點(diǎn)業(yè)務(wù)的完成提供信息化保障,為城市污水行業(yè)監(jiān)管提供強(qiáng)有力的支撐。

3.1 污水設(shè)施精細(xì)管理

針對城市水務(wù)發(fā)展的現(xiàn)狀,建成基于戶(排水戶)、網(wǎng)(污水管網(wǎng))、站(泵站)、廠(污水處理廠)等設(shè)施“一張圖”的污水處理監(jiān)管信息平臺。實(shí)現(xiàn)源頭、管道末端、污水處理廠內(nèi)全方位的立體管控,為污水處理監(jiān)管工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐,同時構(gòu)建廠站三維模型、管網(wǎng)三維場景,實(shí)現(xiàn)設(shè)施的二三維一體化展示,如圖2所示,提供一個掌握設(shè)施總體情況的數(shù)據(jù)駕駛艙,滿足污水管理的精細(xì)化要求,提高了污水設(shè)施建設(shè)和發(fā)展過程中的管理水平。

圖2 排水設(shè)施二三維一體化展示圖

3.2 水質(zhì)水情智能預(yù)警

通過立體的物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò),實(shí)時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù),感知水質(zhì)、管網(wǎng)液位、雨量等信息。系統(tǒng)支持以污水處理廠納污范圍為單元查詢整個污水系統(tǒng)范圍內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時液位數(shù)據(jù),方便相關(guān)人員掌握該系統(tǒng)內(nèi)排水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量以及存在高水位運(yùn)行的點(diǎn)位,同時根據(jù)疊加在管網(wǎng)上的監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可對該集水區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估是否有溢流的風(fēng)險,為污水處理廠的運(yùn)行調(diào)度、滿管溢流整治以及管網(wǎng)的問題溯源提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 智慧物聯(lián)關(guān)聯(lián)分析

系統(tǒng)依據(jù)污水管網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系,通過監(jiān)測點(diǎn)與上游管井或下游管井的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián),可一鍵獲取監(jiān)測點(diǎn)的上游或下游監(jiān)測點(diǎn)的液位信息。通過管井上下游液位的變化情況,分析該管網(wǎng)的運(yùn)行狀況,分析是否存在管道堵塞、管道破裂等情況。

3.4 定量分析輔助規(guī)劃

針對污水管網(wǎng)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失問題,按照管網(wǎng)主干節(jié)點(diǎn)優(yōu)先、管網(wǎng)分支節(jié)點(diǎn)次之的原則,布設(shè)長期流量液位監(jiān)測點(diǎn),用于管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期獲取和定量化分析。通過對液位、管網(wǎng)、氣象等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c水力分析模型,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測期液位水量統(tǒng)計計算和變化分析、旱季管道外來水入滲分析、降雨期污水管道雨水流入分析、泵站及污水處理廠來水流量分析等方面的分析,支持污水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與運(yùn)營管理。

3.5 排水許可批后監(jiān)督

通過掌握南京市重點(diǎn)排水戶的基礎(chǔ)屬性與實(shí)時監(jiān)測信息,結(jié)合地圖管線數(shù)據(jù),輔助查看排水戶周邊可接入管網(wǎng)的情況,實(shí)現(xiàn)對新辦證的排水戶進(jìn)行掛接許可證、更新排水戶信息等功能,結(jié)合排水許可信息,實(shí)現(xiàn)許可證到期排水戶的系統(tǒng)自動報警提示。對已下發(fā)排水許可證的排水戶進(jìn)行批后監(jiān)管,在系統(tǒng)上可查看排水戶的現(xiàn)場核查結(jié)果,提高排水戶監(jiān)管能力。

3.6 水廠運(yùn)營立體管控

系統(tǒng)通過接入36家污水處理廠水質(zhì)水量的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),包括水質(zhì)、流量、氨氮、總氮、化學(xué)需氧量、總磷、懸浮物和pH等指標(biāo),有效地收集污水處理廠運(yùn)營數(shù)據(jù),監(jiān)管污水處理廠超標(biāo)排放。同步凈水公司建設(shè)的自動化控制管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),供移動端等系統(tǒng)使用。以動畫、專業(yè)圖表、專題地圖等形式展示水務(wù)感知信息,結(jié)合數(shù)據(jù)填報、臺賬報表、績效管理等業(yè)務(wù)功能,有效管理分析考核區(qū)域內(nèi)污水處理情況,形成立體管控機(jī)制,提高監(jiān)管工作的現(xiàn)代化管理水平。

3.7 污泥運(yùn)輸有效監(jiān)管

為了確保污泥運(yùn)輸作業(yè)合規(guī),根據(jù)污水處理廠污泥車運(yùn)輸監(jiān)管工作需要,建立污泥運(yùn)輸信息化監(jiān)管系統(tǒng),通過車輛監(jiān)管、運(yùn)輸監(jiān)管、報警管理、運(yùn)單管理等業(yè)務(wù)功能模塊,實(shí)現(xiàn)“車輛現(xiàn)在在哪里”“車輛從哪里出發(fā)去哪里”“倒斗報警查看與處置”“污泥運(yùn)輸臺賬”等應(yīng)用。根據(jù)車輛運(yùn)行速度和倒斗狀態(tài)持續(xù)時間的綜合分析,有效避免因污泥車監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行工況環(huán)境惡劣導(dǎo)致的重復(fù)報警問題,實(shí)現(xiàn)污泥運(yùn)輸過程中的及時報警與有效監(jiān)管。

3.8 水務(wù)信息高效共享

建立水務(wù)設(shè)施地理信息共享服務(wù)平臺,包括門戶子系統(tǒng)、服務(wù)目錄管理子系統(tǒng)、服務(wù)監(jiān)測子系統(tǒng)。門戶系統(tǒng)是各類水務(wù)設(shè)施空間數(shù)據(jù)資源、各種應(yīng)用系統(tǒng)的集中展示中心,實(shí)現(xiàn)一站式服務(wù),同時向政府、企事業(yè)單位提供排水專題空間數(shù)據(jù)服務(wù)。服務(wù)目錄管理子系統(tǒng)為分系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)服務(wù)提供統(tǒng)一的管理界面,保證用戶能實(shí)現(xiàn)對空間信息的在線獲取與應(yīng)用。提供服務(wù)監(jiān)測功能,發(fā)現(xiàn)問題或故障可及時告警,確保服務(wù)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境正常、安全運(yùn)行,保障平臺安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

4 結(jié) 語

南京市污水處理監(jiān)管信息平臺以集約化、綠色運(yùn)營為理念,具有硬件資源統(tǒng)一化、數(shù)據(jù)資源標(biāo)準(zhǔn)化、業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺化、執(zhí)法監(jiān)管可視化、業(yè)務(wù)決策大數(shù)據(jù)化等特點(diǎn)。通過監(jiān)管信息平臺的應(yīng)用,極大地減少了水務(wù)工作人員的業(yè)務(wù)工作量,讓信息化真正成為污水處理監(jiān)管業(yè)務(wù)工作的提升引擎,提高城市污水業(yè)務(wù)處置與應(yīng)急響應(yīng)能力,加快城市水務(wù)管理的現(xiàn)代化進(jìn)程。