劉玉濤

（煙臺市城市排水服務中心，山東 煙臺 264000）

0 引言

住建部、生態(tài)環(huán)境部和國家發(fā)改委等三部委聯(lián)合發(fā)布《城鎮(zhèn)污水處理提質增效三年行動方案》（2019-2021 年）中強調“建立市政排水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）”，2021年4 月，國務院辦公廳印發(fā)《關于加強城市內澇治理的實施意見》中提出“加強智慧平臺建設”[1]。2021 年4 月，住建部發(fā)布GB50014-2021《室外排水設計標準》中新增了信息化、智能化等智慧排水系統(tǒng)的內容。

隨著城市規(guī)模高速發(fā)展，排水行業(yè)的傳統(tǒng)管理方式存在管理手段單一，運營技術落后，信息基礎設施建設不足，自動化程度不高，系統(tǒng)聯(lián)調能力差等一系列問題。對城市排水系統(tǒng)管理而言，通過信息化管理手段可以實現(xiàn)對運維單位的遠程監(jiān)控、生產(chǎn)調度、數(shù)據(jù)挖掘、信息統(tǒng)計等，使排水業(yè)務管理由分散轉向集中，由粗放轉向精細化和信息化，大幅提高核心競爭力。以信息化、智能化為代表的新技術，逐步在與城市治理、生態(tài)保護、環(huán)境治理等各個行業(yè)相融合。在排水管理領域，通過大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS技術的綜合應用，可實現(xiàn)對排水與污水處理信息的實時掌控，能有效解決監(jiān)管不及時的問題，對突發(fā)情況能及時作出處置。

1 建設目標

智慧排水的建設目標是以“排水設施管理精細化、事件處置精準化、應急決策可視化”為要求的3D+GIS 地理信息系統(tǒng)的智慧平臺。利用大數(shù)據(jù)服務能力，建設“智慧排水”基礎網(wǎng)絡、基礎數(shù)據(jù)、信息平臺，逐步打造“會思考”的“智慧排水”信息平臺。

2 智慧排水系統(tǒng)的基礎架構

圍繞構建排水標準規(guī)范體系、管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)、智能感知系統(tǒng)、綜合業(yè)務的應用系統(tǒng)，實現(xiàn)智慧排水平臺中的報警中心和調度中心的功能和相關業(yè)務應用，支撐城市排水業(yè)務向協(xié)同化、科學化、智能化方向發(fā)展。

智慧排水系統(tǒng)的基本架構如下：

2.1 感知層

感知層主要負責數(shù)據(jù)的采集，以液位計、雨量在線監(jiān)測終端、流量計、水質在線過程儀表、監(jiān)控攝像頭等監(jiān)測設備為基礎，集成在線監(jiān)測設備、視頻監(jiān)控設備、應急監(jiān)測設備、衛(wèi)星遙感監(jiān)測等科技手段，完成水量水質數(shù)據(jù)、氣象雨情、GIS 地理數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)的收集、整理、匯總和存儲管理[2]，為應用層提供信息服務。信息是決策的數(shù)據(jù)基礎，為預警預測、聯(lián)合調度提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 網(wǎng)絡層

智慧排水系統(tǒng)部署機房中心，采用內網(wǎng)專線內部，將轄內的泵站、污水處理廠與機房進行通信，前端流量液位、積水點、截流口等監(jiān)測設備數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式經(jīng)中國移動光纖網(wǎng)絡接入機房，經(jīng)過網(wǎng)閘、防火墻等安全設備后傳輸至服務器資源池，移動端APP 應用系統(tǒng)與機房進行通訊，機房通過嚴格的外網(wǎng)IP 管理及服務器分區(qū)隔離，在保證各類數(shù)據(jù)共享交互的情況下，保證了整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)安全。

網(wǎng)絡系統(tǒng)架構設計如圖2 所示。

圖1 智慧排水平臺架構圖Fig.1 Architecture of smart drainage platform

圖2 智慧排水平臺網(wǎng)絡拓撲圖Fig.2 Network topology of smart drainage platform

在符合網(wǎng)絡安全前提下，以廠站級為單元，就近原則接入交換機，以星型網(wǎng)絡結構為基礎，構成一個安全完整的網(wǎng)絡框架。以總體設計、分步實施為原則，能讓各種應用功能程序協(xié)調有序運行，并實現(xiàn)信息共享。通過分布式數(shù)據(jù)庫的架構在調度中心整合所有下級單元的數(shù)據(jù)庫，通過邏輯組態(tài)實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調控制。在現(xiàn)場安裝有數(shù)據(jù)采集器，采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場的數(shù)據(jù)庫，在歷史數(shù)據(jù)庫中抓取數(shù)據(jù)匯總至機房的數(shù)據(jù)服務器上，實現(xiàn)從控制中心協(xié)調控制整個排水系統(tǒng)業(yè)務。

2.3 應用層

應用層將泵站、排水管網(wǎng)、污水廠及相關信息匯總到數(shù)據(jù)中心，以實現(xiàn)廠、站、網(wǎng)一體化的排水業(yè)務N 個應用，實現(xiàn)遠程管理與控制一體化。通過泵站的控制系統(tǒng)優(yōu)化設計或改造，實現(xiàn)泵站全自動化運行。同時，實現(xiàn)排水設施的有效管理和實時監(jiān)控，掌握排水系統(tǒng)實時運行狀況。針對關鍵設備進行精細化管理，形成聯(lián)合巡檢、運維及應急預案聯(lián)動的管理模式，提高運行效率和管理水平。

圖3 智慧排水平臺架構步驟Fig.3 Architecture steps of smart drainage platform

通過智能算法、系統(tǒng)優(yōu)化方法，結合控制仿真模型，實現(xiàn)污水提升泵站群的聯(lián)合調度，充分發(fā)揮污水泵站、傳輸管網(wǎng)的功能及其互相配合的作用。為取得防澇、控制溢流最大效益為目標，滿足不同工況的聯(lián)合優(yōu)化調度方案，實現(xiàn)不同排水情況下合理動態(tài)地調配水量和負荷，為運營提供科學決策支持。泵站自控改造，主要包括PLC 改造及安防系統(tǒng)建設，構建泵站完善的自動化控制系統(tǒng)，有效降低人員成本和人為干擾，提高業(yè)務管理水平。

科學模型構建，選取轄區(qū)內內澇重要區(qū)域作為排水分區(qū)，進行模型建模分析，對重點設施區(qū)域進行控制仿真模型構建，支撐排水管網(wǎng)運行調度，積累排水設施聯(lián)合運行調度經(jīng)驗。

建設智慧排水系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集、存儲、管理、共享服務、查詢、數(shù)據(jù)分析和可視化展示，包括數(shù)據(jù)倉庫建設、數(shù)據(jù)治理工具建設、一張藍圖建設等內容。其中，通過一張藍圖的建設，實時掌握城市排水體系信息，輔助決策者全面掌控排水運行數(shù)據(jù)變化態(tài)勢，增強水務服務和管控的能力和水平。

兩個中心，報警中心作為整個平臺的神經(jīng)樞紐，可為防汛應急人員提供有效、精準的內澇和溢流預警預報服務；指揮調度中心，滿足應急指揮和決策支持的實體化運行需求。排水N 個應用包括聯(lián)合調度、防汛應急調度、排水設施資產(chǎn)運維、用戶權限、項目工程管理、實驗室信息管理系統(tǒng)、排水戶監(jiān)管管理系統(tǒng)、移動端應用等應用系統(tǒng)。

圖4 內澇模型Fig.4 Waterlogging model

3 工作路線

建設“一個平臺、一張藍圖、兩個中心和排水N 個應用”相結合的智慧排水綜合信息平臺，工作路線包含物聯(lián)網(wǎng)感知層建設、泵站自控改造、報警中心和調度中心、應用系統(tǒng)等內容的建設，依次對現(xiàn)狀調查及需求分析、管網(wǎng)普查、物聯(lián)網(wǎng)感知體系建設、泵站自控改造、與已建系統(tǒng)的對接集成、應用系統(tǒng)開發(fā)，以及長效運行維護工作。

4 新技術的應用

4.1 拓展GIS排水管網(wǎng)應用建設

將泵站、河道、排水管網(wǎng)等重要設施在一張GIS 地圖上統(tǒng)一展示，并提供查詢、統(tǒng)計分析等功能，可查看排水設施的詳細信息，如管線坐標、管線編號、管線高程、地面高程、埋深、地下排水管徑、材料、長度等數(shù)據(jù)信息，能夠整體展現(xiàn)主要排水與污水處理設施的GIS 分布，并為其他的應用提供基礎。

4.2 內澇預警預報模型建設

城市強降雨容易導致城市內澇發(fā)生，易暴露城市排水存在問題。城市整體市政排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用數(shù)字內澇模型來進行內澇情況評估，對城市排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和遠期規(guī)劃有針對性的分析和業(yè)務輔助指導[3]。

圖5 智慧污水處理廠架構圖Fig.5 Architecture of smart sewage treatment plant

根據(jù)氣象預報預警信息，調度模型對排水系統(tǒng)未來承受能力及分配方式進行計算評估，評估在汛期排水系統(tǒng)承受最大能力及運行方式。根據(jù)排水調度模型重點計算內澇防治地區(qū)的截流量和截流設施運行方式，并給出內澇防治區(qū)域的積水位置、積水面積、積水深度和積水時間的預測數(shù)據(jù)。

在降雨前，根據(jù)天氣預報信息，利用模型計算得出累計溢流水量、水質可能變化情況、內澇積水情況、水質恢復時間，以及整個排水系統(tǒng)運行情況；在降雨中通過感知層采集數(shù)據(jù)形成實時監(jiān)測結果，進行必要的數(shù)據(jù)預處理和數(shù)據(jù)篩選；根據(jù)采集準確數(shù)據(jù)支撐內澇預報模型的運行；降雨后，給出各調蓄池的放空方案和雨水泵站運行方案，避免增加污水處理廠運行負荷，影響污水處理廠的排水水質，并對整個模型的運算的過程后處理數(shù)據(jù)做統(tǒng)計分析工作，對重點區(qū)域出現(xiàn)內澇情況進行預警發(fā)布。排水系統(tǒng)調度模型監(jiān)控片區(qū)源、泵站、廠、雨水管網(wǎng)及泵站的實時狀態(tài)，管理部門根據(jù)情況指揮調度排水人力及物資資源，來安排防汛工作，解決城市內澇。

當原始數(shù)據(jù)達到一定程度積累時，排水系統(tǒng)調度模型平臺系統(tǒng)進行機器學習，利用計算機算法判斷雨情的變化趨勢，形成最佳匹配方案，實現(xiàn)高效收集雨水，預防內澇災害的發(fā)生，最大程度上發(fā)揮現(xiàn)有設施的運行效率。

4.3 智慧水廠建設

對污水處理廠內部實現(xiàn)智慧化平臺建設管理，在線預警預測、工藝方案模擬、工藝優(yōu)化運行、設備管理、智能加藥管理，及精確曝氣等功能。重點做好水質實時預測預警模塊、能耗管理模塊、藥耗管理模塊建設，通過精確曝氣實現(xiàn)對生化系統(tǒng)的按需曝氣；通過碳源投加采用數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)采用最小量的乙酸鈉投加，實現(xiàn)最佳的出水水質指標。

5 實施效果

在排水設施和城市關鍵位置水量、水位數(shù)據(jù)的在線采集和動態(tài)監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)排水系統(tǒng)運行中的突發(fā)問題?；诜抡婺M技術，結合潮汐數(shù)據(jù)、氣象預報數(shù)據(jù)，還可實現(xiàn)內澇和溢流預測，提供早期報警信息，為應急防汛工作爭取寶貴時間。

通過聯(lián)合調度技術，快速制定優(yōu)化策略，實現(xiàn)管網(wǎng)、泵站等設施的聯(lián)合運行調度，充分發(fā)揮排水設施的效能，有效提升城市內澇防治及溢流污染控制水平，從而最大限度地降低城市內澇、溢流污染、水環(huán)境污染等事故的影響和損失。

有利于提高日常工作效率，作為排水設施運行維護、城市防汛管理等業(yè)務的工作平臺，為管理者和工作人員提供有效的精細化運維、應急指揮、預報預警和智能調度平臺，能夠極大方便開展業(yè)務工作，將派人值守向少人值守，甚至無人值守轉變，人工監(jiān)測向自動化監(jiān)測轉變，降低工作成本。

充分利用地理信息系統(tǒng)、數(shù)學模型分析、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、聯(lián)合調度等技術，實現(xiàn)排水系統(tǒng)智慧監(jiān)測、智慧巡檢、智慧調度、智慧決策，從傳統(tǒng)的被動處置變?yōu)橹鲃禹憫?，提高運營管理和科學決策水平，從而降低排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠等設施的運行難度和管理成本。

6 結束語

通過智慧排水系統(tǒng)建設，實現(xiàn)排水設施運行實時監(jiān)控，實現(xiàn)廠、站、網(wǎng)聯(lián)合調度和汛期下合理動態(tài)地調配水量負荷，提高排水系統(tǒng)運行管理水平，為保障排水系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

通過在關鍵排水設施和城市關鍵位置安裝的在線監(jiān)測設備，可及時發(fā)現(xiàn)排水系統(tǒng)的異常情況，結合有效的巡查養(yǎng)護機制、應急響應機制，減少城市內澇、污水溢流等現(xiàn)象，提高了環(huán)境質量。特別是通過智慧排水建設，為探索排水設施自動化改造及聯(lián)合調度運行經(jīng)驗，形成先進的智能控制管理技術，為其他城市的智能排水提供有效的經(jīng)驗。