黃一洲

摘要：城市建設(shè)高速發(fā)展促使人們對排水系統(tǒng)的質(zhì)量需求不斷提升，但城市基礎(chǔ)設(shè)施普遍存在自然滯水、蓄水能力不足的缺點。在強降水環(huán)境下，市政道路存在行洪快速，積水難以有效排除等內(nèi)澇情況。因此來說，如何科學(xué)合理地利用信息化監(jiān)測控制技術(shù)進(jìn)行城市智慧排水系統(tǒng)設(shè)計是城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。本文主要介紹了城市智慧排水系統(tǒng)功能及技術(shù)應(yīng)用，并對排水系統(tǒng)泵站控制架構(gòu)進(jìn)行了要點分析，旨在為城市排水系統(tǒng)高效運行提供理論參考。

關(guān)鍵詞：智慧排水；泵站控制；架構(gòu)

城市排水設(shè)施是確保城市綜合系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，城市排水系統(tǒng)具備隨機性強、規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點。對于人口承載能力較強、市政設(shè)施運營頻繁的大中型城市而言，排水系統(tǒng)的優(yōu)化控制能夠有效提升城市區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展。結(jié)合信息化技術(shù)的泵站及關(guān)聯(lián)設(shè)備是構(gòu)建先進(jìn)性城市排水系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容，能夠降低泵站設(shè)施故障率，縮短其故障響應(yīng)時間，提升泵站調(diào)度及管理水平，這對于實現(xiàn)城市智慧化排水建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

一、城市智慧排水系統(tǒng)功能特點

（一）實時監(jiān)測

城市智慧排水系統(tǒng)具備智能化標(biāo)識作用，通過對供排水管道的標(biāo)識，管理人員能夠在監(jiān)控中心對供排水情況進(jìn)行實時動態(tài)分析，對工業(yè)廢水、生活用水等進(jìn)行及時區(qū)分及分階段排放，避免不同類別污水造成生態(tài)環(huán)境二次污染。

（二）動態(tài)調(diào)控

智慧排水系統(tǒng)能夠?qū)?nèi)澇、溢流過程進(jìn)行綜合分析，依據(jù)采集的污水排放數(shù)據(jù)、降雨總量、泵站運轉(zhuǎn)及管網(wǎng)輸送數(shù)據(jù)等進(jìn)行泵站、污水廠、管網(wǎng)之間的控制優(yōu)化，從而達(dá)到最優(yōu)化排水效果。

（三）及時排障

智慧排水系統(tǒng)能夠充分利用信息化網(wǎng)絡(luò)對由管道破損、管道老化、供排水終端設(shè)施損毀等造成的水體排放浪費情況進(jìn)行及時解決，提供優(yōu)化控制措施，在不斷水情況下進(jìn)行故障檢修。

二、城市智慧排水系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵

（一）技術(shù)應(yīng)用

GIS技術(shù)是城市智慧排水系統(tǒng)中采取的主要應(yīng)用手段，城市排水系統(tǒng)包括大量的地下設(shè)備空間信息數(shù)據(jù)，先進(jìn)的GIS技術(shù)具備空間網(wǎng)絡(luò)分析功能，能夠?qū)崿F(xiàn)地下排水管網(wǎng)的巡檢和維護效果，為后續(xù)智慧化系統(tǒng)的設(shè)計提供重要的數(shù)據(jù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)χ腔叟潘到y(tǒng)的關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行全方位數(shù)據(jù)銜接?；谖锫?lián)網(wǎng)通信快速簡便的優(yōu)勢，排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息能夠準(zhǔn)確傳輸和共享。智慧排水系統(tǒng)中采取的數(shù)據(jù)庫技術(shù)主要為多源異構(gòu)建庫技術(shù)，包含數(shù)據(jù)倉庫、聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫、中間件結(jié)構(gòu)三個方面，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫技術(shù)能夠充分優(yōu)化數(shù)據(jù)溯源、查詢的準(zhǔn)確程度，有利于局部數(shù)據(jù)異構(gòu)的添加。智慧排水系統(tǒng)中應(yīng)用移動終端技術(shù)（小程序、軟件App等）則能夠進(jìn)行動態(tài)化的GIS地圖查看、視頻監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)控、水位流量及排水口的監(jiān)控，促進(jìn)管理人員工作效率提升。

（二）泵站自動化控制

泵站自動化控制是智慧排水系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，智慧排水系統(tǒng)可依據(jù)不同水泵的水位、狀態(tài)、閘門位置信息和電網(wǎng)情況優(yōu)化泵站工作，且基于實際運轉(zhuǎn)情況，達(dá)到系統(tǒng)高效節(jié)能目的。智慧系統(tǒng)泵站工作主要采取PLC控制系統(tǒng)，這有助于規(guī)避局部泵站出現(xiàn)閑置或過度使用的情況，泵站運行中也能夠進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)上傳，智慧系統(tǒng)監(jiān)控中心則可以依據(jù)泵站參數(shù)進(jìn)行及時優(yōu)化調(diào)整，特殊情況下也可以通過技術(shù)人員的手動控制來穩(wěn)定泵站運行狀態(tài)。除此之外，泵站設(shè)備需要實現(xiàn)自動化控制保護。比如，閥門故障保護、電氣故障保護、自動停機保護等功能需要配備完善，保證設(shè)備故障狀態(tài)下及時停止，避免系統(tǒng)損壞；智慧化系統(tǒng)可以通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)處泵站的控制，通過視頻監(jiān)控功能對不同關(guān)鍵點位（閘口、地道、高低壓室、前池）進(jìn)行監(jiān)控和錄像，調(diào)度中心可以借助視頻信號無線網(wǎng)絡(luò)對關(guān)鍵點位的水位情況、設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行查詢。

三、智慧排水系統(tǒng)關(guān)鍵性設(shè)計

（一）層次結(jié)構(gòu)

智慧排水系統(tǒng)能夠結(jié)合雨洪水質(zhì)模型開展在線數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，為城市水體的維護治理提供智慧化管控手段，如提供不同區(qū)域水體信息、污染源預(yù)警、水體治理情況、公眾參與情況等。智慧化排水系統(tǒng)需要完善泵站調(diào)度運轉(zhuǎn)功能，在不擴增排水設(shè)備的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)污水排放、能耗成本優(yōu)化、遠(yuǎn)程控制。本文設(shè)計城市智慧排水系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)可以分為感知層（與硬件進(jìn)行交互）、網(wǎng)絡(luò)層（進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)）、應(yīng)用層（與用戶進(jìn)行交互）三個層次結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層級為有機化整體，能夠靈活地對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和反饋。

1.感知層

感知層是智慧排水系統(tǒng)泵站運行控制和綜合分析的基礎(chǔ)，主要分布在智慧排水系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備、儀器儀表等位置。常規(guī)感知設(shè)備主要包括流量傳感器、水位傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)備及毒性傳感器等，能夠?qū)Ρ谜具\行數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集及處理，并且將信息數(shù)據(jù)進(jìn)行多手段的上傳至應(yīng)用層關(guān)聯(lián)功能模塊，以供后續(xù)分析及決策處理。

2.網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)在智慧系統(tǒng)中發(fā)揮著數(shù)據(jù)銜接作用，負(fù)責(zé)將現(xiàn)場感知設(shè)備采集的數(shù)據(jù)向上級層次傳輸。網(wǎng)絡(luò)層級需要借助完善的物聯(lián)網(wǎng)，配備無線通信技術(shù)，且數(shù)據(jù)要有備份和補充，這能夠確保信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞承院屯暾?。其中，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)則可以采取WLAN、藍(lán)牙、無載波通信技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等通信手段，智慧系統(tǒng)設(shè)計中需要依據(jù)數(shù)據(jù)采集點位實際情況、設(shè)備特性合理選取適配性通信技術(shù)，對于數(shù)據(jù)采集點位相對集中的污水處理廠等區(qū)域，則可以采取廉價、簡潔的有線WLAN通信手段；泵站、排水管網(wǎng)等數(shù)據(jù)采集點位分散程度較高的區(qū)域，則主要采取無線通信技術(shù)。

3.應(yīng)用層

應(yīng)用層是智慧排水系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，主要包括業(yè)務(wù)功能模塊，能夠?qū)Σ杉降南嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、模式識別、存儲、建模分析等處理，獲取的有用信息能夠為設(shè)備狀態(tài)制定決策策略，確保整體系統(tǒng)的穩(wěn)定有序運行。城市排水系統(tǒng)多處于改擴建階段，系統(tǒng)設(shè)計需要依據(jù)實際情況來滿足不同業(yè)務(wù)需求，智慧排水系統(tǒng)也需要具備良好的可升級性及擴展性。應(yīng)用層關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)功能模塊則需要具備開發(fā)潛能，良好的功能開發(fā)模式能夠促進(jìn)資源快速共享，規(guī)避軟硬件資源浪費情況，優(yōu)化系統(tǒng)運營成本。智慧排水系統(tǒng)軟硬件功能開發(fā)平臺需要包含網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測、運輸、服務(wù)器、安全、控制、通信等多類型內(nèi)容。

（二）總體架構(gòu)

作為一個多結(jié)構(gòu)、多層次、復(fù)雜化的綜合性智慧排水系統(tǒng)，不僅要對不同泵站進(jìn)行動態(tài)化監(jiān)測，而且要對泵站運行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動化控制協(xié)調(diào)，才能實現(xiàn)最優(yōu)化排水效果。智慧排水系統(tǒng)總體架構(gòu)需要借助既有的通信網(wǎng)絡(luò)，配備軟硬件關(guān)聯(lián)設(shè)備，無需建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)，即可實現(xiàn)對排水系統(tǒng)進(jìn)行自動化控制。通信網(wǎng)絡(luò)在排水系統(tǒng)中起到設(shè)備關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)傳輸共享的基礎(chǔ)功能，本文介紹的系統(tǒng)架構(gòu)主要采取應(yīng)用較為成熟的B/S模式，依據(jù)系統(tǒng)功能的不同，可具體分為客戶端、監(jiān)控端、服務(wù)器端三個部分，具體如圖2所示。智慧排水系統(tǒng)正常運行時，不同泵站設(shè)置的傳感器對開啟泵組臺數(shù)、進(jìn)水池水位、機組運轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)動態(tài)采集，下位機對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始處理之后上傳至中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)依據(jù)獲取的泵站污水量及目標(biāo)控制水位進(jìn)行決策處理，將控制指令傳送至不同泵站。泵站下位機則需要將控制指令進(jìn)行必要數(shù)據(jù)解析，繼而將判斷分配至相關(guān)執(zhí)行設(shè)備及運行機泵組，最終達(dá)到智慧控制效果。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，泵站下位機需要實現(xiàn)自動化控制，此時需要根據(jù)自身所具備的調(diào)度子系統(tǒng)進(jìn)行控制指標(biāo)計算，繼而將判斷結(jié)果傳送至執(zhí)行設(shè)備，對污水排放進(jìn)行合理控制。

1.服務(wù)器端

總體架構(gòu)中的服務(wù)器端是整個智慧排水系統(tǒng)控制的核心，服務(wù)器端主要包括優(yōu)化決策控制模塊、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器構(gòu)成，需要實現(xiàn)系統(tǒng)排水的協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。服務(wù)器端功能主要是和不同泵站下位機進(jìn)行數(shù)據(jù)互換，借助決策優(yōu)化功能模塊進(jìn)行相關(guān)控制命令的生成，對客戶端數(shù)據(jù)請求進(jìn)行及時響應(yīng)及反饋。服務(wù)器端需要根據(jù)泵站運行狀態(tài)及時判斷數(shù)據(jù)有效性來確保數(shù)據(jù)的可靠性，同時也需要對泵站的實時水位、污水流入流出量、目標(biāo)水位、泵站運行臺數(shù)及頻率等進(jìn)行計算模擬，對有價值的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲。服務(wù)器端需要對不同泵站運行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，依據(jù)不同運轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行調(diào)度控制。服務(wù)器端具體功能流程如圖3所示。

2.監(jiān)控端

監(jiān)控端安置在排水系統(tǒng)泵站內(nèi)部，由本地數(shù)據(jù)庫、下位機、傳感器、控制器、機泵組等構(gòu)成，能夠?qū)ΜF(xiàn)場數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時采集，并且控制設(shè)備運行。監(jiān)控端主要發(fā)揮對泵站內(nèi)部構(gòu)件的監(jiān)控、相關(guān)控制指令的執(zhí)行，且能夠和服務(wù)器端實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和互換。監(jiān)控端需要和服務(wù)器端連接，對服務(wù)器端傳輸數(shù)據(jù)及時處理，首先進(jìn)行服務(wù)器端控制指令的識別和解析，繼而對機泵組進(jìn)行控制指令的下達(dá)。監(jiān)控端也可以通過關(guān)鍵節(jié)點位置處的傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行下位機上傳，服務(wù)器端接收相關(guān)數(shù)據(jù)過程中，下位機需要自動化控制泵站，遇到數(shù)據(jù)傳輸中斷或者無法執(zhí)行等情況，則能夠及時發(fā)出警告。監(jiān)控端具體功能如圖4所示。

3.客戶端

客戶端主要包括客戶端軟件，主要是為了排水系統(tǒng)用管理人員進(jìn)行泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控、養(yǎng)護維修等操作而進(jìn)行設(shè)置。相關(guān)人員可以通過客戶端軟件對排水系統(tǒng)內(nèi)部泵站運行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行查詢監(jiān)視，具體功能如圖5所示。

四、小結(jié)

隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的高速發(fā)展，排水系統(tǒng)智慧化控制模式的應(yīng)用需求也在不斷提升。相對于傳統(tǒng)的城市排水管控方法，智慧化排水系統(tǒng)具備自動化程度高，數(shù)據(jù)監(jiān)測可靠等優(yōu)點，且能夠極大地適應(yīng)城市不斷擴增的排水管網(wǎng)工程。智慧化的城市排水系統(tǒng)能夠在不增加排水設(shè)備的基礎(chǔ)上，確保排放污水效果的可靠性，避免城市出現(xiàn)內(nèi)澇，極大降低排水成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃金林， 遲寶明， 路瑩，等.地下儲水空間雨洪資源調(diào)蓄技術(shù)研究進(jìn)展 [J].灌溉排水報， 2008， 27（2）： 123-127.

[2]李旭， 張輝， 趙萬民.統(tǒng)籌兼顧，因勢利導(dǎo)：歷史治水經(jīng)驗對城市內(nèi)澇的啟示[J].城市發(fā)展研究，2012，19（4）：113-117.

[3]戴慎志， 曹凱.我國城市防洪排澇對策研究[J].現(xiàn)代城市研究 ，2012（1）：21-22.

[4]萬帆.美國暴雨管理經(jīng)驗探析及對城市排水規(guī)劃設(shè)計的啟示[J].城市規(guī)劃學(xué)刊， 2009（7）：216-220.

[5]胡愛兵， 李子富， 張書函，等.模擬生物滯留池凈化城市機動車道路雨水徑流 [J].中國給水排水，2012，28（13）：75-79.

[6]周永波 翟光銀.影響“城市內(nèi)澇”的城市排水體系模型建立思路探索[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊， 2015（13）：21-26.