傳感器技術(shù)在智能化排水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘? 要：介紹一種基于傳感器技術(shù)的排水智能化管理系統(tǒng)，用以提高排水設(shè)施的日常養(yǎng)護(hù)和管理效率。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，并應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘和地理信息等技術(shù)開發(fā)智能化業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺，實(shí)現(xiàn)對排水設(shè)施的日常養(yǎng)護(hù)和精細(xì)化管理，為排水設(shè)施管理提供了有效的解決方案，產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。文章以廈門市同安區(qū)排水智能化管理系統(tǒng)建設(shè)為例，展示一種可行的智慧城市建設(shè)方式。

關(guān)鍵詞：GIS；智能化；大數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)與傳感器

中圖分類號：TP212.9；TU992? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）19-0181-05

Research on Application of Sensor Technology in Intelligent Drainage Systems

YANG Baolan

（Xiamen Kingtop Information Technology Co.， Ltd.， Xiamen? 361008， China）

Abstract： This paper introduces an intelligent drainage management system based on sensor technology to improve the efficiency of daily maintenance and management of drainage facilities. The system adopts Internet of Things and sensor technology for online monitoring and data collection， and applies technologies such as data mining and geographic information to develop an intelligent business application platform， achieving daily maintenance and refined management of drainage facilities， providing effective solutions for drainage facility management， and generating good social and economic benefits. The paper takes the construction of an intelligent drainage management system in Tong'an District， Xiamen City as an example to demonstrate a feasible way for building a smart city.

Keywords： GIS; intelligence; big data; Internet of Things and sensor

0? 引? 言

城市井蓋和排水管線是現(xiàn)代化城市不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，對于城市的水污染防治、排澇、排漬和防洪等都起著重要作用。然而，原有的管理模式存在著效率低下、更新工作量大等問題，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化管理的需求。為了提高排水設(shè)施的管理水平，需要利用現(xiàn)代技術(shù)手段，如GIS技術(shù)、傳感器技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析等，實(shí)現(xiàn)排水設(shè)施的智能化管理和大數(shù)據(jù)管理。

在此背景下，2019年4月29日，住建部、生態(tài)環(huán)境部和發(fā)改委聯(lián)合印發(fā)了《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019—2021年）》（建城〔2019〕52號），要求建立市政排水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS），實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)信息化、賬冊化管理，并落實(shí)排水管網(wǎng)周期性監(jiān)測評估制度，建立和完善基于GIS系統(tǒng)的動態(tài)更新機(jī)制。同時，逐步建立以5～10年為一個排查周期的長效機(jī)制和費(fèi)用保障機(jī)制。這些措施將有助于提升排水設(shè)施的管理水平，實(shí)現(xiàn)智能化管理和大數(shù)據(jù)管理。

總之，現(xiàn)代化城市的建設(shè)和管理需要依托先進(jìn)的技術(shù)手段，將GIS技術(shù)、傳感器技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)應(yīng)用于城市基礎(chǔ)設(shè)施的管理。通過實(shí)現(xiàn)設(shè)施的智能化管理和大數(shù)據(jù)管理，可以提高管理效率和水平，為城市的發(fā)展和環(huán)境的改善提供保障。

1? 系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計

1.1? 體系架構(gòu)設(shè)計

排水智能化管理系統(tǒng)是以計算機(jī)硬件與VPN網(wǎng)絡(luò)通信平臺為基礎(chǔ)，以政策、法規(guī)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、信息化機(jī)構(gòu)以及安全體系為保障，以數(shù)據(jù)為核心，依托物聯(lián)網(wǎng)、物探技術(shù)、北斗定位、導(dǎo)航定位技術(shù)等支撐構(gòu)建而成的。在良好的支撐環(huán)境下，該系統(tǒng)為排水專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)應(yīng)用提供服務(wù)。其系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、外部系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、綜合應(yīng)用層和用戶層7個不同層次：

1）法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。建設(shè)項(xiàng)目需要遵循一系列政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這些法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范由國家、省、市頒布，旨在規(guī)范項(xiàng)目建設(shè)過程中的行為。在電子政務(wù)領(lǐng)域，還有各種開發(fā)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范需要遵循。這些法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的遵循對項(xiàng)目的順利進(jìn)行非常重要。

2）相關(guān)外部系統(tǒng)。本系統(tǒng)與其他相關(guān)外部系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)交換等關(guān)系，例如市政園林局、政府現(xiàn)有各項(xiàng)信息化成果等。

3）基礎(chǔ)設(shè)施層?；A(chǔ)設(shè)施層，包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、軟硬件設(shè)施等，以保障系統(tǒng)順利運(yùn)行。在本項(xiàng)目建設(shè)中，需要嚴(yán)格遵循已制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、協(xié)調(diào)機(jī)制以及管理辦法，在充分利用現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上，進(jìn)行項(xiàng)目系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)。

4）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的核心，以市政設(shè)施數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)，包括基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)庫、遙感影像圖數(shù)據(jù)庫、管線空間數(shù)據(jù)庫、市政設(shè)施業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、其他設(shè)施數(shù)據(jù)庫、泵站和廠站信息數(shù)據(jù)庫等。

5）應(yīng)用支撐層。應(yīng)用支撐層承上啟下，主要包括工作流引擎和各類中間件，用于支持系統(tǒng)應(yīng)用的研發(fā)。

6）應(yīng)用服務(wù)層。綜合應(yīng)用層則構(gòu)筑多層次的服務(wù)體系，是系統(tǒng)核心功能的外在體現(xiàn)，面向各級用戶提供服務(wù)，包括排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、排水管網(wǎng)共享應(yīng)用子系統(tǒng)、PDA巡檢上報子系統(tǒng)、附屬設(shè)施管理子系統(tǒng)、泵站管理子系統(tǒng)等。通過各系統(tǒng)的協(xié)同應(yīng)用，為用戶提供數(shù)據(jù)可視服務(wù)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)、動態(tài)標(biāo)注服務(wù)、專業(yè)分析服務(wù)等一系列服務(wù)支持。

此外，系統(tǒng)提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)集成及共享接口，以實(shí)現(xiàn)與廈門是綜合管網(wǎng)系統(tǒng)和同安區(qū)現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)（如同安區(qū)排水防澇應(yīng)急指揮平臺等）的數(shù)據(jù)共享應(yīng)用。

7）用戶層。用戶指平臺的直接用戶，分為系統(tǒng)管理員、系統(tǒng)應(yīng)用維護(hù)人員以及各級領(lǐng)導(dǎo)等幾大類，如圖1所示。

1.2? 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器通過APN網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)，具體架構(gòu)圖如圖2所示。

1.3? 智能排水中物聯(lián)網(wǎng)傳感器

通過對液位計、水質(zhì)、工作狀態(tài)等參數(shù)信息進(jìn)行監(jiān)測，獲取原始數(shù)據(jù)，將獲取的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或移動互聯(lián)網(wǎng)等途徑進(jìn)行上傳，對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析整理，將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。

1）低洼液位計：主要監(jiān)測低洼地路面積水量監(jiān)測。

2）水質(zhì)檢測儀：重點(diǎn)區(qū)域排口在線水質(zhì)、流量監(jiān)測等水質(zhì)數(shù)據(jù)。

3）雨量計：雨量計是用于測量并記錄各種雨量或水位信息的綜合觀測儀器。

4）液位計：對井內(nèi)積水和淤泥的高度情況進(jìn)行監(jiān)測。

傳感器監(jiān)測示意圖如圖3所示。

1.4? 以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)項(xiàng)目建設(shè)

項(xiàng)目建設(shè)啟動之初，首先完成了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，特別是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。在參考行標(biāo)、地標(biāo)的基礎(chǔ)上，對于各類型市政設(shè)施的數(shù)據(jù)精度、屬性字段等做出了明確要求，以此指導(dǎo)后續(xù)數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)建庫等工作的開展，從源頭保證了項(xiàng)目成果的質(zhì)量。

1.5? 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)建庫工作，需要將地理空間數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)結(jié)合，將常態(tài)數(shù)據(jù)（基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)及排水管網(wǎng)專題數(shù)據(jù)）與非常態(tài)數(shù)據(jù)（視頻圖像數(shù)據(jù)、運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)及巡檢數(shù)據(jù)等）結(jié)合，將歷史數(shù)據(jù)與現(xiàn)勢數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立全面、精確的市政數(shù)據(jù)平臺。

排水管網(wǎng)空間信息數(shù)據(jù)是否全面、完整、準(zhǔn)確、及時，將直接關(guān)系到項(xiàng)目的實(shí)施。因此，本項(xiàng)目建設(shè)應(yīng)首先以數(shù)據(jù)為重點(diǎn)，嚴(yán)格進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，將此思路貫穿到數(shù)據(jù)處理、入庫、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)更新和分發(fā)等項(xiàng)目建設(shè)的每一個環(huán)節(jié)。

1.6? 大數(shù)據(jù)云計算分析技術(shù)

排水管網(wǎng)監(jiān)測上傳頻率較大，造成數(shù)據(jù)量巨大，需要應(yīng)用大數(shù)據(jù)管理方法予以管理和應(yīng)用，而大數(shù)據(jù)管理的重要方面就在于其響應(yīng)速度。通過一系列技術(shù)研發(fā)工作，有效提升了大數(shù)據(jù)查詢及展示的速度，從而更好地滿足用戶需求，所使用的技術(shù)方法包括兩種：一是應(yīng)用綁定變量循環(huán)查詢的優(yōu)化方式，優(yōu)化查詢速度；二是應(yīng)用ECharts控件展示圖表，優(yōu)化渲染速度。各類管線、點(diǎn)及屬性統(tǒng)計界面如圖4所示。

1.7? 大數(shù)據(jù)排水管網(wǎng)信息有效應(yīng)用

將GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合傳感器技術(shù)有效應(yīng)用于排水設(shè)施信息化管理，將大數(shù)據(jù)排水管網(wǎng)的空間及屬性信息準(zhǔn)確、直觀、多層次的顯示輸出給用戶，同時結(jié)合用戶的實(shí)際業(yè)務(wù)需要，提供管線設(shè)施屬性數(shù)據(jù)查詢、信息統(tǒng)計和多角度的空間分析操作，協(xié)助用戶實(shí)現(xiàn)對大數(shù)據(jù)排水管網(wǎng)的信息化、動態(tài)化管理，為管理者提供充分的決策依據(jù)。傳感器設(shè)備監(jiān)測展示結(jié)果如圖5所示。

1.8? 多源大數(shù)據(jù)集成管理

系統(tǒng)提供市政排水管理“一張圖”展示功能，通過對排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的歸集整理，在當(dāng)前地圖上實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目資料的多角度、多層次的展示，可以將多類型的排水設(shè)施以不同的符號展示在一張圖上，全區(qū)市政排水設(shè)施的總體分布情況一目了然。多源數(shù)據(jù)一張圖展示效果如圖6所示。

1.9? 對排水管網(wǎng)等的遠(yuǎn)程調(diào)度

根據(jù)大數(shù)據(jù)排水管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系、污水廠和泵站位置分布等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立廠、站、網(wǎng)智能調(diào)度分析模型，根據(jù)收集水量，結(jié)合上游管網(wǎng)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果，根據(jù)調(diào)度管理預(yù)案為排水優(yōu)化調(diào)度提供輔助管理。

1.10? 城市防洪預(yù)警處置分析

對大數(shù)據(jù)排水管網(wǎng)監(jiān)測傳感數(shù)據(jù)的狀態(tài)告警、結(jié)合巡檢運(yùn)維工作開展綜合管理與分析，針對城市內(nèi)澇問題提供事故預(yù)警和排澇方案生成的流程化技術(shù)支持，一方面可以避免防洪排澇工作的盲目性，另一方面可以大大提高事故處置效率。

2? 系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用和效果

2.1? 提高排水設(shè)施管理效率

加強(qiáng)城市排水設(shè)施信息化管理，可以有效提高排水設(shè)施日常管理效率，可以更好地發(fā)揮管網(wǎng)在城市規(guī)劃、建設(shè)、管理工作中的基礎(chǔ)地位和作用。在面對突發(fā)事件和災(zāi)害時，排水系統(tǒng)可以有助于輔助相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)快速做出正確的決策和有效的救援響應(yīng)，減少災(zāi)害造成的損失。項(xiàng)目建成后將有利于雨污分流工作開展，提高城市排水能力，改善城市景觀，促進(jìn)城市精細(xì)化管理，大大提高日常工作效率。

2.2? 助力城市水污染治理工作

水污染不僅會影響市容市貌，還會降低城市居民的生活質(zhì)量，水污染治理是各大城市亟須解決的重要問題之一。本次項(xiàng)目建設(shè)，不僅實(shí)現(xiàn)了同安區(qū)城區(qū)內(nèi)部排水管線的管理，同時預(yù)留農(nóng)村生活污水管道數(shù)據(jù)入庫及管理功能，通過系統(tǒng)的應(yīng)用，將有效改善水環(huán)境，進(jìn)而提高城市整體形象。

2.3? 提升城市公共服務(wù)能力

在《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改高技〔2014〕1770號）中，智慧城市建設(shè)的基本原則是要以“為民、便民、惠民”為突出點(diǎn)，推動城市管理和公共服務(wù)方式的創(chuàng)新，為城市居民提供廣泛覆蓋、多層次、差異化、高質(zhì)量的公共服務(wù)，避免強(qiáng)調(diào)建設(shè)而輕視實(shí)際效果，讓公眾分享智慧城市建設(shè)成果。廈門市政務(wù)服務(wù)戰(zhàn)略部署的重要方針是構(gòu)建服務(wù)型政府，其關(guān)鍵措施包括深化行政管理體制改革、完善公共服務(wù)體系、提高行政效能、提升基層政治民主建設(shè)水平、擴(kuò)大人民群眾民主參與、改善社會民生和健全社會管理，解決人民群眾最關(guān)心、最直接、最現(xiàn)實(shí)的利益問題；同時，還需要優(yōu)化升級城市系統(tǒng)，持續(xù)發(fā)展市政公用事業(yè)，不斷提升城鄉(xiāng)區(qū)域統(tǒng)籌一體化水平。

2.4? 提升大數(shù)據(jù)決策分析能力

《廈門市推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動計劃（2020—2022年）》正式出臺。標(biāo)志廈門開啟全面建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施行動計劃。在智慧化的城市管理階段，市政管理要從問題“發(fā)現(xiàn)—解決—再發(fā)現(xiàn)—再解決”的循環(huán)中有突破，必須要實(shí)現(xiàn)管理關(guān)口前移，要實(shí)現(xiàn)被動處置向主動預(yù)防的轉(zhuǎn)變，通過分析市政管理問題發(fā)生的規(guī)律，找出其中本質(zhì)的原因，從根本上加以預(yù)防，提高決策的科學(xué)性和管理的水平，極大地降低政府管理成本。同時，建立“用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新”的管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的科學(xué)決策，將推動政府管理理念和社會治理模式進(jìn)步。

3? 結(jié)? 論

廈門市同安區(qū)排水智能化管理系統(tǒng)基于傳感器技術(shù)在線監(jiān)測排水?dāng)?shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和地理信息等技術(shù)，開發(fā)了排水系統(tǒng)的各類智能化業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺。該系統(tǒng)以排水設(shè)施的大數(shù)據(jù)信息管理需要為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)排水系統(tǒng)管理行業(yè)特征，將GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)有效應(yīng)用于排水設(shè)施大數(shù)據(jù)信息化管理。系統(tǒng)運(yùn)用的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)是未來產(chǎn)業(yè)競爭的核心動力。

近年來政府推出了扶持政策及保障措施，推動了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中，需要清醒認(rèn)識到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和設(shè)備穩(wěn)定性的重要性。需要綜合利用性能穩(wěn)定可靠的軟硬件設(shè)備，熟悉掌握應(yīng)用技巧，才能確保排水智能化管理系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生良好的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對已建排水設(shè)施的日常養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格實(shí)施管網(wǎng)巡查、檢測、清淤和維修等機(jī)制，切實(shí)落實(shí)日常養(yǎng)護(hù)、管理責(zé)任，為同安區(qū)排水設(shè)施管理提供有效的解決方案。

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作者簡介：楊寶蘭（1982.08—），女，漢族，福建漳

州人，軟件工程師，本科，研究方向：大數(shù)據(jù)、智能化、GIS。

收稿日期：2023-04-05