張志華 繆 平 薛露肖

(上海汀瀅環(huán)?？萍加邢薰荆虾?201707)

1 河道養(yǎng)護要求及存在的問題

2015年至今，上海水務管理系統(tǒng)在河道黑臭治理、消除劣Ⅴ類水體問題上已采取了一系列水利工程和水生態(tài)措施，并取得了顯著成效。為了穩(wěn)固治理成果，上海市政府成立了河長制辦公室，落實河道日常養(yǎng)護管理責任，維持良好的水生態(tài)環(huán)境。河道養(yǎng)護主要包括生態(tài)維護、水質保護、綠化養(yǎng)護、岸線管護、河面清護、河床修護六方面內(nèi)容。而傳統(tǒng)河道養(yǎng)護管理過程中，由于河道岸線長、巡檢范圍廣、人員投入不到位，發(fā)現(xiàn)問題不及時等問題，導致了水質惡化、居民投訴、應急突發(fā)狀況較多，這給河道養(yǎng)護管理帶來了一定的難度。因此，在傳統(tǒng)水利養(yǎng)護管理模式下，開發(fā)一種數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護系統(tǒng)，提高專業(yè)化管理水平，維持河道水質不惡化，為居民創(chuàng)造綠色生態(tài)的水環(huán)境空間十分必要。

2 數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護系統(tǒng)設計

2.1 數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護系統(tǒng)特點

隨著互聯(lián)網(wǎng)的盛行，各種APP、小程序得以廣泛應用。根據(jù)河道養(yǎng)護要求和日常工作任務，開發(fā)設計一種數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護系統(tǒng)，可以使傳統(tǒng)養(yǎng)護管理更加高效化、便捷化和數(shù)字化。相比傳統(tǒng)河道養(yǎng)護模式，新數(shù)字系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)和解決以下幾方面問題：

a.在關鍵節(jié)點位置安裝監(jiān)控設施，實現(xiàn)河道監(jiān)控全覆蓋，可以高效完成日常養(yǎng)護過程中的巡檢工作。

b.在河道考核斷面、河道交匯處、重要排放口安裝水質在線監(jiān)測儀表，可以通過APP隨時查看水質指標，對河道污染情況作出預判，及時掌握水質狀況。

c.根據(jù)巡檢系統(tǒng)信息匯總，分析發(fā)現(xiàn)問題，可以隨時推送給運維人員，派發(fā)工單，及時解決整改。

d.可以根據(jù)日常巡檢、問題整改及消除情況、水質變化情況形成數(shù)字化檔案報表，實現(xiàn)養(yǎng)護檔案數(shù)字化。

e.可以定期向上級主管部門推送養(yǎng)護管理報告，實現(xiàn)上下級管理互通功能。

2.2 系統(tǒng)組成及操作流程

2.2.1 系統(tǒng)組成

河道數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護系統(tǒng)由在線儀表、攝像頭、PLC控制器、路由器、4G數(shù)據(jù)網(wǎng)關、現(xiàn)場觸摸屏等硬件系統(tǒng)和遠程河道數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護軟件系統(tǒng)組成，詳見圖1。其工作原理如圖2所示：通過現(xiàn)場在線儀表、攝像頭等硬件設施采集水質、流量、液位、能耗等基礎數(shù)據(jù)，傳輸給PLC控制器，PLC控制器將現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析計算、整理后， 通過4G數(shù)據(jù)網(wǎng)關上傳到云端服務器。同時，網(wǎng)絡攝像頭獲取河道現(xiàn)場實時畫面，由SD卡存儲歷史畫面，并上傳到云端服務器。最終，在數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護軟件系統(tǒng)中分類呈現(xiàn)，并根據(jù)日常河道養(yǎng)護管理需要，在軟件系統(tǒng)中開發(fā)設計監(jiān)控、巡檢、統(tǒng)計、報警、工單派放等多個功能單元，實現(xiàn)智慧化養(yǎng)護管理。

圖1 系統(tǒng)框架組成

圖2 數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護系統(tǒng)原理

2.2.2 日常養(yǎng)護管理架構和流程

河道日常養(yǎng)護管理工作以項目經(jīng)理為第一負責人，下設日常巡視組、運維組和應急搶險3個組，見圖3。日常巡視組根據(jù)養(yǎng)護管理涵蓋范圍，按照專業(yè)不同分為設備設施巡視組、電氣儀表巡視組、水面綠化巡視組、水工建筑巡視組。根據(jù)日常巡視狀況在智慧化管理系統(tǒng)中填報巡視記錄，上傳巡視照片，對巡視情況進行描述，發(fā)現(xiàn)問題進行故障上報。系統(tǒng)自動推送消息至運維組。根據(jù)不同專業(yè)運維組對設備設施、電氣儀表、水面綠化、水工建筑進行維修養(yǎng)護，消除報警故障，并填報維修日志、上傳照片。應急搶修組負責對報警中突發(fā)的水質惡化、偷排、安全故障等事件及時組織搶險，消除故障，填報應急日志并記錄歸檔。項目經(jīng)理作為第一責任人負責相關工作組統(tǒng)一協(xié)調安排，并對養(yǎng)護情況定期考核，將養(yǎng)護日常管理工作上報至上級主管部門。

圖3 日常養(yǎng)護構架

2.3 主要界面功能描述

根據(jù)河道養(yǎng)護需求，本系統(tǒng)主要開發(fā)了遠程監(jiān)控、巡檢系統(tǒng)、巡檢記錄、統(tǒng)計分析、河道狀態(tài)、工單系統(tǒng)、報警記錄和現(xiàn)場視頻8個模塊，完成河道日常養(yǎng)護需要巡查日志填報、關注河道養(yǎng)護事件、任務分發(fā)和辦理、查看消息通知、水質狀況等，并形成數(shù)字檔案報表。

2.3.1 遠程監(jiān)控

遠程監(jiān)控包括數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和視頻畫面實施監(jiān)測。數(shù)據(jù)監(jiān)測包括水質考核指標(pH值、DO、NH3、TP、高錳酸鹽指數(shù))、電耗、流量、液位等；視頻畫面覆蓋主要考核斷面、排口、河道交匯處等關鍵位置，可實現(xiàn)參數(shù)和畫面實時同步至遠程客戶端，隨時查看在線監(jiān)測參數(shù)和實時巡檢畫面。

2.3.2 巡檢系統(tǒng)

巡檢系統(tǒng)設置和錄入了不同設備、設施、植物等養(yǎng)護管理知識要點和型號參數(shù)、分布位置等，便于工作人員及時掌握巡檢要點、巡檢頻次、巡檢要求、安全應急預案養(yǎng)護維修方法等，進行精準化管理，提高管理水平。

2.3.3 巡檢記錄

巡檢記錄主要用于巡檢人員填報巡檢日志，查看往期巡檢記錄，故障解決方案等。可根據(jù)實時巡檢情況上傳照片文件、編輯和更新巡檢情況。建立數(shù)字化巡檢檔案，定期推送給上級主管部門。

2.3.4 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析模塊除具有對水質參數(shù)、運行能耗電量、日均流量水位、水生動植物品種進行統(tǒng)計和變化趨勢分析等功能外，還可以對不同的統(tǒng)計報表單獨進行導出、下載和打印，形式數(shù)字化信息報表，提高工作效率。

2.3.5 河道狀態(tài)

河道狀態(tài)中可單獨查看單條河道基本參數(shù)、治理措施、設備設施數(shù)量、水質監(jiān)測斷面位置、河道的特征統(tǒng)計、巡檢歷史、報警維修記錄、視頻監(jiān)控等。多條河道中如有存在異常狀況需要維修檢修、加強巡視的河道，則予以提醒。

2.3.6 工單系統(tǒng)

工單系統(tǒng)主要用于處理日常巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的問題，通過工單形式發(fā)送給相應的維修人員，對巡檢故障進行處理，并且上傳維修狀態(tài)照片等，記錄維修故障消除方法。該系統(tǒng)會根據(jù)事件的類型自動推送工單給相應的責任人。

2.3.7 報警記錄

當河道水質出現(xiàn)超標、設備運行出現(xiàn)突發(fā)故障、設備設施達到日常保養(yǎng)時限、水生植物需要收割等問題時，系統(tǒng)會作出報警提醒，將信息推送給相應養(yǎng)護管理人員，便于及時作出響應，消除故障。在該模塊單元中可以查閱故障歷史報警記錄，對報警頻率進行統(tǒng)計。

2.3.8 現(xiàn)場視頻

由于河道養(yǎng)護范圍較廣，需要巡檢內(nèi)容較多，日常巡檢強度較大。通過網(wǎng)絡攝像頭可以隨時隨地查看每個站點的實時畫面，也可查看1個月內(nèi)(與SD卡大小有關)的歷史視頻。及時把握巡檢重點，大大提升巡檢效率，及時發(fā)現(xiàn)問題，消除故障。

3 系統(tǒng)應用效果

將上述開發(fā)設計的河道數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護管理系統(tǒng)，用于上海奉賢管三條河道進行試點應用。根據(jù)2021年1—12月系統(tǒng)報表中的日常巡檢情況及數(shù)據(jù)分析，研究該系統(tǒng)是否具備應用推廣性。

3.1 日常巡檢情況分析

圖4、圖5為生態(tài)養(yǎng)護系統(tǒng)數(shù)字化報表導出的2021年1—12月的巡檢情況匯總變化趨勢圖。從圖4可以看出，水面保潔和垃圾清理主要工作量集中在5—8月，隨著氣溫上升，水生植物生長茂盛，則夏季需要增加水生植物養(yǎng)護人員和水面保潔人員，以免帶來水質二次污染。從圖5可以看出，5—10月隨著汛期到來，養(yǎng)護管理人員需要加強沉降及護岸滲漏性監(jiān)測，同時加強水質監(jiān)測，減少居民投訴問題。

圖4 日常巡檢情況

3.2 河道水質情況分析

主要水質指標變化趨勢從圖5可以看出，全年85%水質指標可以穩(wěn)定達到地表Ⅴ類水標準。7—8月水質不穩(wěn)定，兩條河道出現(xiàn)氨氮超標現(xiàn)象。從一年的系統(tǒng)使用情況得知，在養(yǎng)護管理中7—8月需要特別重視河道養(yǎng)護管理、水質變化情況。由于7—8月汛期排澇情況較多，可能會存在擋墻滲漏、水生植物清理不及時的二次污染問題，因此要特別關注巡檢系統(tǒng)水質變化情況，加強河道養(yǎng)護維修清理力度。

圖5 水質變化情況

3.3 養(yǎng)護運行成本分析

該數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護管理系統(tǒng)開發(fā)后經(jīng)過在上海某區(qū)管河道一年的試點應用，日常養(yǎng)護巡視人員由原來投入的35人減少為16人，節(jié)約人員投入55%。設備設施維修響應時間大幅提高，基本可在2h內(nèi)完成故障排除，實現(xiàn)了設備設施的穩(wěn)定運行。水質指標更加平穩(wěn)，突發(fā)水質惡化事件為原來的80%，日常運行管理成本節(jié)約了35%，居民投訴率大幅降低。

4 結論與展望

相較于傳統(tǒng)河道養(yǎng)護，采用數(shù)字化生態(tài)養(yǎng)護系統(tǒng)后，可以根據(jù)巡檢記錄對河道養(yǎng)護情況、變化趨勢進行科學預判，保證養(yǎng)護人員的有效投入，更加精準化做到養(yǎng)護管理全覆蓋，有效保障河道水質不惡化；發(fā)現(xiàn)和解決問題的響應時間大大提高，有效減少了居民投訴事件；采用科學化數(shù)字管理系統(tǒng)一次性投入大，但是節(jié)約了日常養(yǎng)護管理中無效人員投入費用；實現(xiàn)了多級有效監(jiān)管養(yǎng)護管理水平，在上海河道生態(tài)養(yǎng)護管理中具有創(chuàng)新性和可推廣性。后續(xù)可以增加更多監(jiān)測設施，共享信息端口，打造區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)養(yǎng)護管理平臺，提高河道養(yǎng)護長效管理水平。