石延龍

（南京市市政管理處，江蘇 南京 210036）

當(dāng)前國(guó)內(nèi)各大中城市的排水系統(tǒng)在信息化方面已經(jīng)取得較大的突破，一些發(fā)達(dá)城市的排水信息系統(tǒng)建設(shè)逐步完善。但是，各大中城市的排水信息系統(tǒng)很少涉及到遠(yuǎn)程控制方面的功能與內(nèi)容，這與當(dāng)前的編制體制、就業(yè)壓力、責(zé)任承擔(dān)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等問(wèn)題是分不開(kāi)的。若對(duì)泵站實(shí)行無(wú)人值守和遠(yuǎn)程控制，在控制系統(tǒng)發(fā)生故障而不能及時(shí)排水，從而造成一定的危害后果時(shí)，相關(guān)的政府部門與管理單位將面臨承擔(dān)責(zé)任的風(fēng)險(xiǎn)。但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著技術(shù)水平的發(fā)展、設(shè)備性能的提高以及人們思想認(rèn)識(shí)的逐漸解放，城市排水系統(tǒng)智慧化已成為必然趨勢(shì)。

1 城市智慧排水系統(tǒng)泵站控制原理

在城市智慧排水系統(tǒng)中各泵站的實(shí)時(shí)水位、污水流入量與流出量、機(jī)泵運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)及運(yùn)轉(zhuǎn)頻率等相關(guān)數(shù)據(jù)均由智慧排水中心進(jìn)行全局監(jiān)控。智慧排水中心能夠計(jì)算出各泵站的最佳目標(biāo)水位，通過(guò)決策調(diào)度子系統(tǒng)生成優(yōu)化調(diào)度指令對(duì)所有泵站進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各泵站能夠根據(jù)自身的最佳目標(biāo)水位Hi，通過(guò)控制器合理調(diào)節(jié)機(jī)泵組的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，在保證整個(gè)城區(qū)污水排放暢通及避免本泵站內(nèi)部污水溢出的情況下，使所有泵站運(yùn)行效率達(dá)到最優(yōu)化，減少資源損耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的。當(dāng)突遇大（暴）雨時(shí)，泵站進(jìn)水池水位將會(huì)急劇上升，此時(shí)就需要對(duì)相關(guān)聯(lián)的多個(gè)泵站進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)控制，保證整個(gè)城區(qū)不出現(xiàn)積水內(nèi)澇災(zāi)害，污水溢出等嚴(yán)重問(wèn)題。其調(diào)度原理如圖1所示。

2 城市智慧排水系統(tǒng)控制模式

在圖1中，假設(shè)在某一時(shí)間段洪峰到達(dá)泵站A，根據(jù)傳統(tǒng)方法，一般是增加泵站A內(nèi)部機(jī)泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，同時(shí)提高機(jī)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，這樣就可以最大化地提高泵站A的污水流出量從而降低進(jìn)水池水位。但是此方法雖然能夠解決泵站A的污水排放問(wèn)題，卻會(huì)引起泵站B的污水進(jìn)水量進(jìn)一步加大，如果泵站B進(jìn)水池中的污水不能及時(shí)排出，將會(huì)造成污水溢出的危險(xiǎn)。為了解決此類連鎖問(wèn)題發(fā)生，在城市智慧排水系統(tǒng)中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)泵站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)控制。

控制原理為：當(dāng)智慧排水中心檢測(cè)到洪峰到達(dá)泵站A時(shí)，首先通過(guò)開(kāi)啟更多的機(jī)泵臺(tái)數(shù)和提高機(jī)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率來(lái)加快排出泵站A內(nèi)的污水量；然后根據(jù)泵站A與泵站B之間的排水管線長(zhǎng)度計(jì)算出洪峰從泵站A到達(dá)泵站B的流動(dòng)時(shí)間。以此時(shí)間跨度為依據(jù)遠(yuǎn)程控制泵站B提前開(kāi)啟相應(yīng)的機(jī)泵臺(tái)數(shù)排出泵站B自身的污水量，提高泵站B內(nèi)污水容納量以此迎接來(lái)自泵站A的洪峰。若泵站B的下級(jí)擁有多個(gè)泵站，例如擁有泵站C和泵站D，如果泵站C的進(jìn)水池水位較高，而泵站D的進(jìn)水池水位較低，此時(shí)可調(diào)節(jié)泵站B排出的污水送往泵站D，從而避免泵站C污水溢出的危險(xiǎn)。

城市智慧排水系統(tǒng)對(duì)泵站的監(jiān)視控制功能旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)城市排水系統(tǒng)中所有泵站的協(xié)調(diào)配合、無(wú)人值守、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與處理等目標(biāo)。但是，城市排水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)一些無(wú)法預(yù)測(cè)的、隨機(jī)的情況，比如突然掉電、突遇大暴雨、網(wǎng)絡(luò)不暢、機(jī)器本身故障等因素。為了使系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)諸多突發(fā)情況，滿足不同的協(xié)調(diào)控制需求，保證排水系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保、安全可靠、持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。在城市智慧排水系統(tǒng)中，對(duì)泵站的協(xié)調(diào)控制設(shè)置了四種不同的控制模式：綜合協(xié)調(diào)模式、遠(yuǎn)程遙控模式、自動(dòng)運(yùn)行模式和手動(dòng)控制模式。

2.1 綜合協(xié)調(diào)模式

綜合協(xié)調(diào)模式是城市智慧排水系統(tǒng)的主要控制模式。在綜合協(xié)調(diào)模式下，服務(wù)器接收各下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行決策運(yùn)算，并將產(chǎn)生的優(yōu)化指令通過(guò)下位機(jī)送到控制器，由控制器執(zhí)行指令。如果網(wǎng)絡(luò)連接正常，沒(méi)有特殊情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)基本在此模式下進(jìn)行運(yùn)行。綜合協(xié)調(diào)模式應(yīng)盡可能保證泵站排水效率的最優(yōu)化、能耗的最小化和排水效果最佳化。

2.2 遠(yuǎn)程遙控模式

為了方便智慧排水中心的值班人員、檢修人員以及相關(guān)管理人員在泵站因出現(xiàn)特殊情況而無(wú)法自動(dòng)運(yùn)行的狀況下也能對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行管理與控制而設(shè)置了遠(yuǎn)程遙控模式。相關(guān)人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄到智慧排水中心，根據(jù)自身的管理權(quán)限，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)能夠查看到泵站內(nèi)的報(bào)警信號(hào)、實(shí)時(shí)畫面、聲音、視頻等超媒體信號(hào)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行查看、檢修、診斷、故障復(fù)位以及對(duì)相關(guān)泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程的啟停與變頻等控制操作。在此模式下，由于是對(duì)泵站內(nèi)部相關(guān)的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行人為的遠(yuǎn)程遙控，可能會(huì)發(fā)生誤操作等情況，所以需要對(duì)相關(guān)設(shè)備性能非常熟悉、具有較高技能的操作人員，同時(shí)還需要對(duì)操作人員進(jìn)行嚴(yán)格的權(quán)限控制。

2.3 自動(dòng)運(yùn)行模式

自動(dòng)運(yùn)行模式的設(shè)置是為了滿足即使在某些特殊情況發(fā)生時(shí)，也能保證泵站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。譬如網(wǎng)絡(luò)失效與維護(hù)、服務(wù)器故障等情況，此時(shí)泵站無(wú)法接收到智慧排水中心所發(fā)送的控制指令，客觀上要求泵站能夠根據(jù)當(dāng)前降雨情況以及自身的目標(biāo)水位、進(jìn)水池水位等相關(guān)情況，通過(guò)內(nèi)部決策調(diào)度子系統(tǒng)進(jìn)行決策運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制泵站內(nèi)部機(jī)泵組的運(yùn)行數(shù)量與頻率，從而避免了因泵站失控而導(dǎo)致污水溢出等一系列問(wèn)題發(fā)生，同時(shí)也為泵站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守提供可靠基礎(chǔ)。在自動(dòng)運(yùn)行模式下，完全由本地協(xié)調(diào)調(diào)度子系統(tǒng)根據(jù)泵站污水流入量與流出量、本地控制策略來(lái)控制本泵站內(nèi)機(jī)泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率來(lái)控制泵站內(nèi)進(jìn)水池水位，在無(wú)需人工干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)單個(gè)泵站自動(dòng)運(yùn)行效率最優(yōu)化與排水效果最佳化的目標(biāo)。

2.4 手動(dòng)控制模式

正常情況下，城市智慧排水系統(tǒng)擁有綜合協(xié)調(diào)模式、遠(yuǎn)程遙控模式和自動(dòng)運(yùn)行模式后基本能夠?qū)崿F(xiàn)污水的合理排放與統(tǒng)籌調(diào)度，達(dá)到智慧化的排水目的。但考慮到存在某些不可控原因、特殊操作需求以及發(fā)生緊急事件等（如對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、對(duì)機(jī)泵的應(yīng)急啟停、對(duì)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢修、故障恢復(fù)、人員落水等）臨時(shí)的操作控制需求，同時(shí)也保證對(duì)整個(gè)城市排水系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的全面性與完備性，在系統(tǒng)中還設(shè)置了手動(dòng)控制模式。

手動(dòng)控制模式主要在泵站內(nèi)部完成相關(guān)操作，設(shè)置有傳統(tǒng)的手動(dòng)按鈕控制和高科技的觸摸屏控制兩種手段。手動(dòng)按鈕控制通過(guò)操作控制柜上的按鈕完成對(duì)泵站內(nèi)部相關(guān)設(shè)備的控制，具有操作簡(jiǎn)單，通俗易懂等特點(diǎn)。觸摸屏控制通過(guò)可編程控制器完成對(duì)相關(guān)設(shè)備的控制，具有操作視覺(jué)化，直觀明了，方便簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，在進(jìn)行復(fù)雜的控制時(shí)具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。手動(dòng)控制模式屬于傳統(tǒng)的控制方法，在四種控制模式中具有最高的控制權(quán)限。但是此模式過(guò)于依賴值班人員的工作經(jīng)驗(yàn)和工作責(zé)任心，操作稍有不慎就可能會(huì)有事故發(fā)生，存在一定的安全隱患，需要對(duì)操作管理人員進(jìn)行嚴(yán)格的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)和思想教育，提高操作人員的技能水平和安全意識(shí)。

3 控制模式的轉(zhuǎn)換

在城市智慧排水系統(tǒng)中，為了保證在任何情況下都能保持對(duì)污水的合理排放與協(xié)調(diào)控制，要求能在綜合協(xié)調(diào)、自動(dòng)運(yùn)行、遠(yuǎn)程遙控和手動(dòng)控制四種控制模式之間進(jìn)行平滑的模式轉(zhuǎn)換，以應(yīng)對(duì)各種不同的控制需求。

在四種控制模式中，根據(jù)不同控制模式所需完成的功能以及實(shí)際操作的需要，設(shè)定其優(yōu)先級(jí)由高到低分別為：手動(dòng)控制模式、自動(dòng)運(yùn)行模式、遠(yuǎn)程遙控模式和綜合協(xié)調(diào)模式。手動(dòng)控制模式具有最高的優(yōu)先級(jí)，主要為了滿足現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試或維修時(shí)，可以屏蔽所有的自動(dòng)運(yùn)行指令和遠(yuǎn)程遙控指令；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法建立連接時(shí)，為了完成污水排放任務(wù)，相關(guān)泵站運(yùn)行于自動(dòng)運(yùn)行模式，故自動(dòng)運(yùn)行模式具有次優(yōu)先級(jí)；當(dāng)泵站處于無(wú)人值守并且網(wǎng)絡(luò)連接通暢時(shí)，泵站根據(jù)接收指令是否為遠(yuǎn)程遙控請(qǐng)求，判斷是否運(yùn)行于遠(yuǎn)程遙控模式，不過(guò)通常只有當(dāng)泵站內(nèi)部發(fā)出報(bào)警或故障信號(hào)時(shí)，值班人員或管理人員才會(huì)請(qǐng)求遠(yuǎn)程遙控操作，故將其優(yōu)先級(jí)設(shè)置為第三級(jí)；在正常情況下，整個(gè)城市智慧排水系統(tǒng)運(yùn)行于綜合協(xié)調(diào)模式，各泵站接收智慧排水中心的協(xié)調(diào)控制指令并根據(jù)指令完成全局的最優(yōu)化運(yùn)行，故綜合協(xié)調(diào)模式屬于最低優(yōu)先級(jí)。

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