排水泵站自動化改造助力優(yōu)化運行及科學(xué)調(diào)度

申 林，張東華，靳志軍

（1.鞍山市排水有限責(zé)任公司，遼寧鞍山 114000；2.遼寧同云科技有限公司，遼寧沈陽 110001；3.北京航天拓撲高科技有限責(zé)任公司，北京 100176）

0 引言

排水系統(tǒng)是城市市政基礎(chǔ)設(shè)施之一，擔負著城市日常污水排放（生活、工業(yè)等）、汛期防洪排澇等重要職能，是城市能夠穩(wěn)定及安全運行的重要保障。作為城市排水系統(tǒng)的動力樞紐，排水雨污泵站的穩(wěn)定運行是城市污水、雨水能夠及時排放的前置保障。近年來，隨著城市化進程的加速推進，城市排水系統(tǒng)的規(guī)模和運行壓力也相應(yīng)增大，但是由于泵站管理手段落后，使泵站的能力無法得到充分發(fā)揮，導(dǎo)致日常排水不及時、汛期內(nèi)澇、污水入河等問題發(fā)生的頻率越來越高。因此，急需通過排水泵站的自動化改造提高泵站技術(shù)管理水平，提升其安全運行能力、快速響應(yīng)能力、運行優(yōu)化能力以及科學(xué)調(diào)度能力。

1 現(xiàn)狀及問題

鞍山市的排水泵站建設(shè)年代較早，具有分布廣、站點分散的特點，多數(shù)泵站缺少自動化控制設(shè)備，即便部分泵站具有自動控制設(shè)備，但由于設(shè)備老舊基本無法正常運行。由于自動化水平低、技術(shù)手段落后，導(dǎo)致排水調(diào)度管理工作比較被動，很難做到調(diào)度的科學(xué)性、及時性，同時也無法實時掌握設(shè)備運行狀態(tài)，導(dǎo)致運行故障頻發(fā)。具體問題如下：

（1）控制手段落后，響應(yīng)效率低。目前泵站的運行控制主要以人工操作方式為主，日常調(diào)度工作只能采取電話通信的方式指揮現(xiàn)場人員完成設(shè)備啟停動作，泵站運行調(diào)度響應(yīng)效率低。

（2）運維手段落后，故障頻發(fā)。由于缺少泵站機組、格柵機、閘門等設(shè)備運行狀態(tài)（如電流、電壓、故障等）的實時數(shù)據(jù)，因此無法實現(xiàn)制定科學(xué)的設(shè)備養(yǎng)維計劃，導(dǎo)致設(shè)備故障頻發(fā)、發(fā)現(xiàn)滯后，無法保障泵站的運行安全。

（3）管理手段落后，運行優(yōu)化及科學(xué)調(diào)度能力弱。目前，泵站的水位、流量、機組運行狀態(tài)等信息通常只能通過與現(xiàn)場人員打電話的方式了解，但現(xiàn)場人員無法準確掌握水位、流量等很多數(shù)據(jù)，阻礙了日常排水運行管理和汛期的防汛調(diào)度等工作科學(xué)安排和決策。同時由于運行效率低，無法有效控制泵站運維成本，也無法實現(xiàn)泵站的“無人值守”管理。

通過泵站的自動化升級改造，不僅可以實現(xiàn)對泵站工況的動態(tài)掌握、智能告警，還可以實現(xiàn)對泵站設(shè)備進行遠程控制、智能控制，進一步通過技術(shù)大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段輔助制定泵站運行優(yōu)化策略和科學(xué)調(diào)度，從而提升泵站運行管理水平，降低運維成本，提高汛期應(yīng)急能力和日常運行調(diào)度能力。

2 技術(shù)路線

在鞍山市排水泵站的自動化升級改造設(shè)計中，充分借鑒其他城市排水信息化建設(shè)經(jīng)驗，不僅考慮到泵站現(xiàn)場的自動化升級改造，同時也要為未來的“智慧排水”建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。

2.1 通過自動化改造實現(xiàn)泵站運行狀態(tài)全面感知及智能控制

雖然原排水泵站的自動化水平低、信息化建設(shè)滯后，但是在自動化改造工作中應(yīng)盡量減少對原有自動化設(shè)備接入和信息平臺整合的工作量。改造工作遵從“統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一標準”的原則，根據(jù)泵站現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)管理需要對各個泵站進行自動化建設(shè)，實時采集泵站運行信息（如液位、流量）、設(shè)備狀態(tài)（如啟停、電流、故障）、環(huán)境狀態(tài)（氣體）、安防（如視頻、門禁）等，并支持泵站機組、格柵機、傳送帶、閘門等的現(xiàn)場及遠程控制、聯(lián)動智能控制。

2.2 借助專線或5G 專網(wǎng)，構(gòu)建泵站物聯(lián)感知“一張網(wǎng)”

鞍山市泵站建設(shè)具有泵站空間分布廣、采集信息多等特點，為實現(xiàn)對所有泵站的統(tǒng)一管理，必須滿足所有泵站的統(tǒng)一接入、現(xiàn)場信息（運行數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、安防信息、環(huán)境信息等）的實時采集、支持中心的遠程控制，因此對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、傳輸速率、安全性要求較高。在建設(shè)過程中采用專線或5G 專網(wǎng)可以滿足上述需求，構(gòu)建泵站物聯(lián)感知“一張網(wǎng)”。

2.3 搭建集中管控平臺，實現(xiàn)泵站一體化管理

結(jié)合排水泵站現(xiàn)場管理需求以及中心監(jiān)管需求，搭建泵站集中管控平臺（圖1）。該平臺具備以下功能：

圖1 某污水廠3#泵站自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)采集及存儲。通過平臺可以實現(xiàn)對泵站的水位、流量、設(shè)備（機組、格柵、傳送帶、閘門等）運行狀態(tài)、視頻、安防、環(huán)境等信息的實時采集，并根據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準存入數(shù)據(jù)庫，為泵站管理提供全面標準化的數(shù)據(jù)服務(wù)支撐。

（2）可視化監(jiān)控及智能報警。借助GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)手段，實現(xiàn)對所有接入泵站的統(tǒng)一可視化管理，支持實時查看泵站的空間位置、監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等各類信息資源，并根據(jù)設(shè)定的報警閾值對泵站運行工況、設(shè)備運行狀態(tài)等進行智能告警。

（3）本地及遠程智能控制。通過平臺可以實現(xiàn)泵站現(xiàn)場智能控制和遠程智能控制，支持根據(jù)泵站運行管理需求和實際工藝建立設(shè)備運行邏輯控制指令集，實現(xiàn)泵站可以根據(jù)當前的水位、流量、設(shè)備狀態(tài)等信息自動控制各個設(shè)備（如機組、格柵機、閘門等）的啟停狀態(tài)，實現(xiàn)智能聯(lián)動。

（4）數(shù)據(jù)分析及報表輸出。通過平臺可以實現(xiàn)對泵站運行的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的多維度統(tǒng)計，管理人員可以通過分析結(jié)果了解泵站運行數(shù)據(jù)的變化趨勢、掌握運行數(shù)據(jù)同期對比等，并支持運行數(shù)據(jù)查詢結(jié)果的報表輸出，輔助泵站運行優(yōu)化及決策。

2.4 構(gòu)建排水泵站信息化建設(shè)標準體系

標準化是信息化建設(shè)的重要核心，在鞍山市排水泵站自動化升級改造工作中，根據(jù)自身特點建立了泵站自動化升級改造建設(shè)工作的統(tǒng)一標準體系，涵蓋了監(jiān)測數(shù)據(jù)指標標準、數(shù)據(jù)傳輸標準、數(shù)據(jù)存儲標準、應(yīng)用系統(tǒng)標準等，為后續(xù)待改造或新建的排水泵站提出統(tǒng)一的要求，以便后期的平滑擴展以及統(tǒng)一管理。

3 未來工作重點

泵站自動化升級改造是“智慧排水”建設(shè)的重要組成部分，隨時排水信息化建設(shè)的不斷深入，未來公司計劃在現(xiàn)有建設(shè)的基礎(chǔ)上結(jié)合“智慧排水”建設(shè)需求持續(xù)完善泵站信息化建設(shè)，推進泵站業(yè)務(wù)管理和智能應(yīng)用的深度融合。

3.1 提升泵站運行精細化監(jiān)管能力

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、5G 網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算等新技術(shù)的不斷發(fā)展，泵站運行狀態(tài)信息的實時采集、智能分析以及數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性、準確性以及時效性越來越高，未來不僅能對泵站的水位、流量、設(shè)備基礎(chǔ)運行狀態(tài)進行快速采集分析，同時還可以采集更高頻次、更大量級的設(shè)備運轉(zhuǎn)信息，借助大數(shù)據(jù)分析、邊緣計算等技術(shù)手段，可以快速得到符合泵站自身運行特點的個性化分析結(jié)果。無論是現(xiàn)場人員還是中心管理人員，都可以根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整泵站運行策略，從而實現(xiàn)穩(wěn)定運行及降耗增效。

3.2 提升數(shù)據(jù)整合及智能分析能力

隨著“智慧排水”信息化建設(shè)的不斷推進，可以整合管網(wǎng)GIS 數(shù)據(jù)、泵站運行數(shù)據(jù)、管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)案資料數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等信息資源，借助大數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)模型來對城市排水系統(tǒng)的運行趨勢進行推演，通過將實時運行數(shù)據(jù)與預(yù)警閾值的對比研判，得到各類情況下的分析結(jié)果，并推薦合適預(yù)案，從而為城市排水系統(tǒng)的優(yōu)化運行和科學(xué)調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐和方案參考。

3.3 提升泵站環(huán)境監(jiān)管能力

泵站環(huán)境安全主要是包括兩個方面，一是泵站現(xiàn)場運行環(huán)境的安全，另一個是泵站排放水質(zhì)安全。隨著智能采集設(shè)備能力的不斷增強和視頻安防設(shè)備的不斷優(yōu)化，未來可以通過氣體采集設(shè)備、水質(zhì)采集設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備以及安防管理設(shè)備的增加來實現(xiàn)對這兩方面安全的實時監(jiān)管，從而提高環(huán)境安全，保障運行安全、人身安全及排放安全。

3.4 提升信息化安全標準

近年來，隨著信息化建設(shè)的不斷推進和深入，國家對信息的安全保障越加重視，等級保護標準體系建設(shè)越來越完善。同時，隨著智能設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷推進，工控物聯(lián)網(wǎng)的信息安全的保障工作也是信息化建設(shè)的重點工作環(huán)節(jié)，因此，未來需要對排水泵站自動化建設(shè)中的潛在的風(fēng)險及威脅、薄弱的管理環(huán)節(jié)、安全的防護措施等進行全面評估，從物理資源、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、服務(wù)主機、應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信息等方面加強信息安全技術(shù)保障，補充和完善系統(tǒng)相應(yīng)的等級保護建設(shè)和管理機制建設(shè)，保障信息化建設(shè)及應(yīng)用的安全可控以及有序高效。

4 總結(jié)

鞍山市泵站自動化升級改造工作充分利用GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、邊緣計算等技術(shù)，通過建立統(tǒng)一的管控平臺實現(xiàn)了對泵站所有信息的全面采集、統(tǒng)一管理以及共享應(yīng)用，幫助泵站現(xiàn)場管理工作人員和中心管理人員全面、透徹地掌握泵站的運行狀態(tài)，為泵站的優(yōu)化運行和科學(xué)調(diào)度提供了強大的數(shù)據(jù)及應(yīng)用支撐，并為未來“智慧排水”信息化建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。

排水泵站的運行管理是一個系統(tǒng)性的工作，在保證安全、實用和經(jīng)濟性的前提下，通過利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、邊緣計算、移動互聯(lián)等新型技術(shù)，加快完善泵站自動化升級改造，更進一步促進和推動“智慧排水”的信息化建設(shè)，為城市排水系統(tǒng)的智能化、精細化管理夯實基礎(chǔ)，有利于提升城市安全保障能力，提升居民生活滿意度，實現(xiàn)城市的宜居、宜商。