邸文正 高 菲

（1．北控水務(wù)（中國）投資有限公司，北京 100102；2．中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120）

為了避免河道遭受污染，提高水資源利用率，我國提出了海綿城市建設(shè)理念，以“蓄水、凈水和排水”作為重要指標，制定了一系列管理策略[1]。隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，人工管理模式逐漸向智慧監(jiān)管模式方向轉(zhuǎn)變。通過搭建監(jiān)控管理系統(tǒng)，借助網(wǎng)絡(luò)查詢相關(guān)信息，下達管控命令，從而真正實現(xiàn)智慧監(jiān)管[2]。該文通過分析海綿城市管理需求，提出智慧監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計研究。

1 信息化發(fā)展背景下的海綿城市智慧監(jiān)管發(fā)展趨勢

近年來，我國信息化水平不斷提升，借助互聯(lián)網(wǎng)平臺可以為某些問題的研究提供充足的數(shù)據(jù)。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了問題深入挖掘，這些研究成果為海綿城市智慧監(jiān)管發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[3]。目前，雖然提出了智慧管理理念，但是未能將信息化植入其中，仍然采用傳統(tǒng)管理模式開展海綿城市監(jiān)管工作[4]。真正的智慧監(jiān)管是借助信息化管理手段，對大量數(shù)據(jù)信息進行整理分析，從中挖掘存在的規(guī)律，以此作為監(jiān)管工作部署的參考依據(jù)。另外，根據(jù)項目服務(wù)需求，建立城市項目資源開發(fā)管理邏輯，擬定管理流程，合理分配人力資源及其他類型資源[5]。為了掌握海綿城市建設(shè)情況，未來發(fā)展中還會增加監(jiān)管模塊，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線的監(jiān)督管理。

2 海綿城市智慧監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

2.1 地理信息數(shù)據(jù)中心

海綿城市的建設(shè)需要建立在有足夠城市水澇數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過分析城市的基本地理環(huán)境，結(jié)合本地氣候，從而設(shè)計出海綿城市水資源管理的決策方案。為了滿足開發(fā)需求，建設(shè)地理信息數(shù)據(jù)中心顯得尤為必要，將該中心作為地理信息數(shù)據(jù)的支撐點，借助系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)整理分析，明確下一步海綿城市資源調(diào)度的決策方案。

2.2 海綿系統(tǒng)管控指揮模型

該系統(tǒng)的開發(fā)需要設(shè)置一個總管控中心，主要負責(zé)判斷當(dāng)前海綿城市水質(zhì)和水體變化情況是否會對城市生活造成影響，并生成相應(yīng)管控策略。因此，建設(shè)一個管控指揮模型十分重要。該模型需要監(jiān)控端實時收集城市水體及水質(zhì)等指標變化情況信息，根據(jù)城市建設(shè)標準，分別統(tǒng)計偏離程度，按照偏離層次不同，分別采取不同處理措施，以此提高工作效率。

2.3 調(diào)度決策管理系統(tǒng)

調(diào)度決策管理系統(tǒng)是海綿城市建設(shè)執(zhí)行的重要功能模塊，該模塊需要考慮資源分配、問題嚴重程度和城市水資源需求等因素決定調(diào)度方案，從而在第一時間解決問題，并且耗用較少的資源。該文在開發(fā)系統(tǒng)時，將管控指揮模塊與調(diào)度決策管理系統(tǒng)融為一體，構(gòu)建智慧建設(shè)系統(tǒng)。

2.4 在線監(jiān)控系統(tǒng)

因為海綿城市建設(shè)對城市基本概況數(shù)據(jù)的實時性要求較高，所以需要添加在線信息采集模塊。該系統(tǒng)在開發(fā)期間，應(yīng)該增加在線監(jiān)控子系統(tǒng)，利用在線監(jiān)控子系統(tǒng)隨時采集城市水澇和水質(zhì)等數(shù)據(jù)信息，通過信息發(fā)送裝置返回監(jiān)控中心，以此作為調(diào)度決策管理的參考依據(jù)。

3 基于信息化技術(shù)的海綿城市智慧監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)海綿城市智慧監(jiān)管發(fā)展趨勢，引入信息化建設(shè)理念，選取網(wǎng)絡(luò)平臺作為開發(fā)環(huán)境，提出城市智慧監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計方案。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

如圖1所示，按照不同層次將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層3部分。其中，數(shù)據(jù)層作為系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)支撐，通過分析模型數(shù)據(jù)、在線數(shù)據(jù)、項目數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)掌握城市當(dāng)前建設(shè)情況，按照幅度需求，分別制定各項服務(wù)流程，并將其投入應(yīng)用層。而應(yīng)用層則是系統(tǒng)與用戶的對接，該層次以用戶為系統(tǒng)作業(yè)的導(dǎo)向，為滿足用戶需求，下達城市監(jiān)管命令。

3.2 功能模塊設(shè)計

該系統(tǒng)以海綿系統(tǒng)模型作為系統(tǒng)控制中心，根據(jù)地理信息數(shù)據(jù)中心發(fā)送的海綿城市建設(shè)相關(guān)數(shù)據(jù)，啟動調(diào)度決策管理模塊，生成問題處理策略，為海綿城市建設(shè)工作的開展提供參考依據(jù)。為了規(guī)范海綿城市建設(shè)工作的實施，系統(tǒng)添加了在線監(jiān)控模塊，對當(dāng)前海綿城市建設(shè)工作布設(shè)進行監(jiān)測。另外，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計則是為系統(tǒng)運行提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2.1 地理信息數(shù)據(jù)中心

因為海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵工作是管理城市排水防澇，為了做好此項工作，必須掌握城市所處地區(qū)地理信息數(shù)據(jù)，所以該系統(tǒng)建立了地理信息數(shù)據(jù)中心。該功能模塊利用數(shù)據(jù)庫開發(fā)軟件創(chuàng)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，將城市基本地理信息存儲其中，經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘分析，獲取一些城市排水和旱澇等相關(guān)信息，將其作為調(diào)度決策管理的參考依據(jù)。為了得到精準信息，本系統(tǒng)每間隔1個月就會更新一次數(shù)據(jù)，從而滿足海綿城市建設(shè)對地理信息數(shù)據(jù)的需求。

3.2.2 海綿系統(tǒng)模型

該文利用最大日負荷總量（Total Maximum Daily Load，簡稱“TMDL”）建立海綿城市系統(tǒng)模型，該模型主要用于監(jiān)控水質(zhì)、內(nèi)澇預(yù)警和排水控制等管理工作的部署。其中，監(jiān)控水質(zhì)管理工作是通過收集城市各個地區(qū)水質(zhì)基本信息，將其與標準水質(zhì)進行對比，從而判斷該城市水質(zhì)是否達到標準。為了實現(xiàn)全面管理，該模型布設(shè)了多個監(jiān)測點，分布在海綿城市各個徑流，監(jiān)測源頭、水體、末端和過程，如果水質(zhì)未能達到標準，將此相應(yīng)信息立即發(fā)送到監(jiān)管中心，引起城市建設(shè)管理人員的重視。關(guān)于內(nèi)澇預(yù)警模塊的開發(fā)，是通過分析最近一段時間的城市天氣信息，預(yù)測城市各個地區(qū)是否可能出現(xiàn)內(nèi)澇情況。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，下達排水控制工作部署的命令。

3.2.3 調(diào)度決策管理模塊

為了加快處理城市內(nèi)澇和水質(zhì)不達標等問題，該系統(tǒng)從資源調(diào)度的角度出發(fā)，提出調(diào)度決策管理模塊的設(shè)計方案。該方案根據(jù)城市當(dāng)前儲備的資源、資源分配情況、問題產(chǎn)生情況及資源需求為基礎(chǔ)，修改資源分配管理方案，即將部分資源從其他地區(qū)調(diào)入該地區(qū)，解決了污染治理等問題。

3.2.4 在線監(jiān)控模塊

該功能模塊是對當(dāng)前海綿城市建設(shè)工作布設(shè)進行監(jiān)測，借助互聯(lián)網(wǎng)將工作部署信息發(fā)送至管理中心，將其與設(shè)定規(guī)范對比，調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫完成信息核查，從而得到監(jiān)測結(jié)果。如果某項數(shù)據(jù)未能達到標準，系統(tǒng)將自動開啟報警模式，并將相關(guān)信息發(fā)送到管理人員的移動設(shè)備上，從而實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。與此同時，管理人員利用系統(tǒng)下發(fā)管理命令，即針對當(dāng)前問題的解決方案。在實際應(yīng)用中，該模塊會向現(xiàn)場管理終端發(fā)送一個緊急調(diào)度命令，實現(xiàn)資源利用最大化。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫按照功能不同，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫拆分為4個部分，分別是基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控系統(tǒng)和模型。其中，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫用于管理專題數(shù)據(jù)、地名信息、電子地圖數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)等；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫用于管理文檔數(shù)據(jù)、模型模擬數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)等；監(jiān)控系統(tǒng)用于管理所有在線監(jiān)測數(shù)據(jù)；模型作為城市資源評估、調(diào)用等決策的分析工具。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

為了滿足系統(tǒng)運行下的數(shù)據(jù)需求，該研究設(shè)置了數(shù)據(jù)庫更新功能，設(shè)置更新時間為1 h。每過1 h數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)就會更新一次，從而方便用戶調(diào)用和查詢數(shù)據(jù)。另外，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)接口建立數(shù)據(jù)庫與用戶端之間的通信連接，依據(jù)數(shù)據(jù)管理需求，設(shè)定入庫、接收、分類、發(fā)送、存儲和預(yù)處理等數(shù)據(jù)處理功能，以滿足系統(tǒng)的數(shù)據(jù)操作基本需求。

3.4 基于系統(tǒng)軟件開發(fā)的系統(tǒng)功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)利用B/S架構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，以用戶操作需求作為軟件開發(fā)的導(dǎo)向，利用MEAN（MongoDB、ExpressJS、AngularJS和Node.js，指的是開發(fā)工具）框架完成軟件開發(fā)，形成系統(tǒng)前端、后端和數(shù)據(jù)庫3個板塊，如圖3所示。

系統(tǒng)前端的開發(fā)指的是安卓客戶端的開發(fā)，在用戶操作界面布設(shè)系統(tǒng)功能模塊，并為用戶提供系統(tǒng)使用指南，根據(jù)提示操作各項功能。其中，信息查詢功能模塊，包括城市建設(shè)項目信息、水質(zhì)等指標監(jiān)測信息和考核指標。在該結(jié)構(gòu)中，AngularJS是一種JS框架結(jié)構(gòu)，支持自動化數(shù)據(jù)雙向綁定，建立數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模塊和控制模塊的雙向數(shù)據(jù)流通。Bootstrap是前端開發(fā)的開源工具包，屬于HTML框架結(jié)構(gòu)，通過編寫腳本語言，從而實現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)器前端的動畫界面生成，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時，前端顯示屏便會自動更新界面。

關(guān)于系統(tǒng)后端的開發(fā)，借助Node.js、Express、Sequelize為用戶提供各項服務(wù)，與此同時，還可以根據(jù)客戶的需求，為其推送服務(wù)，按照服務(wù)類別的不同，生成不同的數(shù)據(jù)類型，為系統(tǒng)運行提供數(shù)據(jù)支撐。其中，Node.js是JavaScript運行環(huán)境，通過驅(qū)動事件，實現(xiàn)云端連接，使得系統(tǒng)后端與服務(wù)器建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。Express是Node.js運行環(huán)境中程度開發(fā)架構(gòu)，功能比較強大，支持多種操作功能開發(fā)，在短時間內(nèi)創(chuàng)建API。Sequelize指的是類，利用該工具獲取對象的引用，在該系統(tǒng)中起到獲取海綿城市數(shù)據(jù)類對象的引用功效，便于數(shù)據(jù)類的劃分及數(shù)據(jù)調(diào)用。

圖3 基于系統(tǒng)軟件開發(fā)的系統(tǒng)功能實現(xiàn)架構(gòu)

數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的匯總部分，系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)都存儲在結(jié)構(gòu)中，作為海綿城市建設(shè)工作部署及管理參考的依據(jù)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要由分布式數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)2個部分組成，其中，分布式數(shù)據(jù)庫主要負責(zé)管理各類型數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)負責(zé)對數(shù)據(jù)進行整理，根據(jù)監(jiān)測標準，判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否異常，包括排水泵站數(shù)據(jù)、污水廠數(shù)據(jù)和排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)管理決策生成的數(shù)據(jù)支撐結(jié)構(gòu)。

4 應(yīng)用經(jīng)濟效益分析

目前，智慧監(jiān)管系統(tǒng)在海綿城市建設(shè)領(lǐng)域，對城市水質(zhì)監(jiān)管和資源部署等工作的開展幫助較大。該文從水質(zhì)管理及水資源利用率2個角度出發(fā)，探究智慧監(jiān)管系統(tǒng)在海綿城市建設(shè)中發(fā)揮的作用。為了避免實驗期間系統(tǒng)遭受干擾，出現(xiàn)偶然數(shù)據(jù)影響系統(tǒng)作業(yè)效果判斷的情況，該次應(yīng)用測試設(shè)置了3組實驗。見表1、表2。

表1 智慧監(jiān)管系統(tǒng)在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用情況

表2 系統(tǒng)應(yīng)用前后海綿城市水質(zhì)治理成本及水資源開發(fā)利用經(jīng)濟效益

從表1中整理的數(shù)據(jù)來看，3組實驗中，應(yīng)用系統(tǒng)后比應(yīng)用系統(tǒng)前的水資源利用率有顯著提升，提升數(shù)值分別為17%、15%和16%。經(jīng)過水質(zhì)檢測可知，應(yīng)用該文開發(fā)的系統(tǒng)后，城市水質(zhì)有了明顯的改善，并且數(shù)值治理成本下降，經(jīng)濟效益有所提升。因此，智慧監(jiān)管系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，可以有效提高水質(zhì)管理的水平和水資源的利用率。

5 結(jié)語

該文圍繞海綿城市建設(shè)問題展開研究，以信息化技術(shù)的手段，探究智慧監(jiān)管系統(tǒng)開發(fā)方案。通過分析海綿城市建設(shè)管理需求，設(shè)計系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，并將系統(tǒng)拆分為多個模塊，圍繞海綿城市建設(shè)監(jiān)管開發(fā)相應(yīng)功能。另外，利用MEAN框架完成軟件開發(fā)，形成系統(tǒng)前端、后端和數(shù)據(jù)庫3層系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)。應(yīng)用結(jié)果表明，智慧監(jiān)管系統(tǒng)可以改善海綿城市治理水質(zhì)的問題，同時達到提高水資源利用率的效果。