劉寧 曹兵 黃瑩瑩

(1.柳州市市政設施維護管理處；2.奧格科技股份有限公司)

1.研究背景與意義

在我國經濟高速發(fā)展的背景下，城市化建設快速發(fā)展，城市排水基礎設施得到較大完善，但隨著城市化快速擴張，也逐漸出現(xiàn)一些城市病，在極端暴雨天氣情況下，發(fā)現(xiàn)許多城市對抵抗暴雨等自然災害時仍存在短板，體現(xiàn)在面對城市內澇積水問題時，未能提前預警預知，反映速度不夠及時等問題，以及在水環(huán)境安全風險方面也存在不足，未能實時監(jiān)控監(jiān)測污水管網(wǎng)運行狀況，特別是偷排污水、污水溢流等問題較難監(jiān)控，容易出現(xiàn)污染水環(huán)境事件。因此，通過排水設施智能化管理可在現(xiàn)狀基礎上進一步提升管理水平，及時獲取相關信息，快速處置，降低安全風險。當前社會建設整體數(shù)字化及網(wǎng)絡化水平雖不斷完善，但排水行業(yè)管理精細化能力、協(xié)同化水平、智慧化程度、強監(jiān)管能力仍有待增強提升。主要表現(xiàn)在：排水資產數(shù)據(jù)種類繁多、各類數(shù)據(jù)分散；城市三維空間數(shù)字底板尚未形成；排水設施多頭建設導致數(shù)據(jù)難集成；缺乏對現(xiàn)狀排水設施的可視化管理與系統(tǒng)分析等。在此背景下，傳統(tǒng)的排水管理模式難以達到精準預判、快速響應工作要求，急需尋找到新的思路和方向解決排水系統(tǒng)當前面臨的問題。

近年來，國家、各部委陸續(xù)出臺了一系列政策法規(guī)，為排水設施智能化改造提供了參考依據(jù)，并奠定了堅實的建設基礎?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和 2035 年遠景目標綱要》《國務院辦公廳關于加強城市內澇治理的實施意見》《關于加快推進新型城市基礎設施建設的指導意見》等文件指出，加強智能化市政基礎設施建設和改造[2]，建立基于CIM 平臺的市政基礎設施智能化管理平臺，推動智慧水務行業(yè)發(fā)展，提升城市治理能力和現(xiàn)代化水平。另一方面，智慧排水和城市規(guī)劃之間有著緊密的關系，智慧排水為城市規(guī)劃建設提供了大量的數(shù)據(jù)和信息，輔助城市更好地進行規(guī)劃、設計、建設和監(jiān)管等工作。同時，通過CIM 平臺的建設，能以更加精細、動態(tài)、靈活、高效的方式對城市排水進行規(guī)劃、設計和管理。

為響應國家政策部署要求、解決當前排水系統(tǒng)實際需求，亟待采用CIM、BIM、IOT、OT 等新一代信息技術，還原真實的城市排水系統(tǒng)情況，更加便捷直觀傳遞城市排水系統(tǒng)信息，了解城市排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，實現(xiàn)排水設施資產管理、運行狀態(tài)全面感知、業(yè)務應用協(xié)同以及智能決策分析，解決城市排水系統(tǒng)現(xiàn)存不足和問題，提高城市排水基礎設施智能化水平，為城市發(fā)展轉型帶來新的機遇。

2.國內外相關研究

圖1 東京排水系統(tǒng)管道VR 現(xiàn)場圖

針對排水系統(tǒng)智能化改造問題，國內外已有大量的學者開展了相關的研究。國內研究主要從BIM、GIS、IOT 等技術在智慧排水中的應用開展研究，說明了在排水行業(yè)發(fā)展已由單一技術的應用發(fā)展至多技術應用，新一代信息技術在排水行業(yè)中逐漸占據(jù)主導地位。例如，北京[3]、深圳[4]、廣州[5]等國內城市充分利用CIM、BIM、GIS、IOT 等技術手段開展智慧排水建設，向著城市排水“智慧化決策”邁進。而國外研究主要從數(shù)據(jù)整合、智慧平臺建設、智能算法應用等方面開展智慧水務應用研究，結合計算機輔助（IT）和業(yè)務技術支持（OT），實現(xiàn)高效智能的自動化管理模式[6]。例如，東京、加拿大[6]、英國[6]等國外城市運用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化、VR 等技術開展智慧排水建設，實現(xiàn)排水設施信息化管理。

國內外針對排水智能化問題的研究已經非常豐富，通過對比分析國內外先進智慧排水的建設模式與內容得出結論，大量研究已經提出了新一代信息技術可以促進排水智慧化的建設，但是較少從CIM 技術側對排水設施智能化改造的應用進行深入分析和研究。因此本文將以CIM 技術為基礎，結合BIM、IOT、OT 等技術，分析CIM 技術在排水設施智能化改造中的應用，以期得出CIM 如何推動排水智能化管理的結論。

3.關鍵技術研究與應用

政策的推進也加速了技術的發(fā)展，逐步成熟的智慧技術為實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)管理目標提供了重要的保障。因此，本文以CIM 技術為基礎，結合BIM、IOT、OT 等新型技術在CIM 中的應用，滿足排水設施智能化改造需求，實現(xiàn)排水精細化管理[2]。

3.1 CIM 技術

根據(jù)《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》，CIM 可簡單定義為：以BIM、GIS、IOT 等技術為基礎，整合多維多尺度信息模型數(shù)據(jù)和城市感知數(shù)據(jù)，構建三維數(shù)字空間的城市信息有機綜合體[7]。

CIM 是一種新型技術，它的核心技術分別為城市信息模型組織存儲、計算分析與可視化表達。其中，CIM 儲存包括不規(guī)則實體和規(guī)則實體等；CIM 計算分析包括空間沖突分析、空間連通分析、空間可視分析、空間模擬分析等；CIM 可視化表達包括3D Tiles、高仿真模型、概化模型等。

3.2 BIM 技術在CIM 中的應用

CIM 是對城市實體進行精細化表達，屬于宏觀表現(xiàn)，而BIM 更多的是展示模型內部信息，BIM 的靈魂是以模型為載體的信息[8]。在市政基礎設施建設中，BIM 側重于城市三維模型和微觀環(huán)境模擬[9]，展示城市建筑信息。例如，應用BIM 技術展示排水管線分布、構筑物以及內部信息，幫助城市管理者快速了解排水管線運行情況。

圖2 CIM 核心技術圖

3.3 IOT 技術在CIM 中的應用

海量的數(shù)據(jù)和信息是支撐CIM 的基礎，而IOT 技術就是CIM 獲取數(shù)據(jù)和信息的主要途徑[10]。結合IOT 技術，通過布設智能化感知終端設備，實現(xiàn)設備、空間信息的采集和傳輸，對物理實體進行全方位的監(jiān)控，完成CIM 中物理實體的動態(tài)信息和靜態(tài)信息的關聯(lián)，利用可視化方式讓數(shù)據(jù)變得更直觀和容易理解，為決策提供依據(jù)。

3.4 OT 技術在CIM 中的應用

OT 技術就是“專門用于直接監(jiān)控或控制物理設備 (諸如閥門、泵等)來檢測物理過程，或使物理過程發(fā)生變化的硬件和軟件。[11]”在CIM 場景中，利用OT 技術對物理實體進行監(jiān)控或改變系統(tǒng)的物理狀態(tài)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動化、智能化、精確化控制[2]，在虛擬空間中完成映射。

3.5 多源異構數(shù)據(jù)融合技術在CIM 中的應用

多源異構數(shù)據(jù)融合技術推進單數(shù)據(jù)深化應用和多數(shù)據(jù)間的數(shù)據(jù)融合應用，基于高效安全的三維引擎，通過融合視頻、圖片、矢量、柵格、表格、BIM 數(shù)據(jù)、基礎地理數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、基礎設施數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、三維GIS 數(shù)據(jù)（包括地形地質數(shù)據(jù)、三維傾斜攝影數(shù)據(jù)）等各類多源異構數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)全要素、全過程的集成與展示，構建多源異構CIM 數(shù)據(jù)體系。

4.CIM 在排水設施智能化改造中的應用

以往排水設施智能化改造中多采用GIS 技術對排水設施進行管理，借助 GIS 的空間分析、空間操作和空間可視化等方式，促進排水設施信息化管理。但此方式主要為二維平面管理模式，多數(shù)存在缺乏城市地形地貌模型數(shù)據(jù)、排水設施數(shù)據(jù)完整度不高、管理手段智能化不足、業(yè)務能力賦能不足、可視化程度不高等問題。

本文以CIM 為核心，結合BIM、IOT、OT 等新一代信息技術，以排水設施智能化改造需求為導向，創(chuàng)建城市排水系統(tǒng)管理體系，實現(xiàn)排水資產數(shù)字化、排水設施操作流程化、排水設施管理精細化，突破傳統(tǒng)排水設施管理模式的局限性。

4.1 排水設施資產管理

城市排水設施主要包括排水管網(wǎng)、排水閘門、排水泵站、檢查井、截流井、溢流井、雨水調蓄池、污水處理廠等。城市排水設施具備基數(shù)大、種類繁多、涉及范圍廣、空間分布不均等特點[2]，在傳統(tǒng)的二維管理模式下，往往存在排水設施基礎信息不完善和不準確、可視化程度不高等問題，導致排水設施資產管理難，故有必要借助新型測繪、CIM、GIS、BIM 等技術，對排水設施進行數(shù)據(jù)采集、BIM 建模、數(shù)據(jù)匯聚、融合建庫等操作，實現(xiàn)設施信息化、賬冊化管理，提升排水設施資產管理精細化水平。

（1）排水設施BIM 建模

圖3 管網(wǎng)剖切示意圖

通過外業(yè)采集、測量、傾斜攝影等方式，獲取排水設施數(shù)據(jù)，以BIM 技術為基礎，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準，對污水廠、排水管網(wǎng)、閘門泵站等重點排水設施進行BIM 建模，建立排水設施BIM 檔案，直觀反映排水設施幾何現(xiàn)狀、接駁情況以及排水規(guī)則等情況，支撐排水業(yè)務系統(tǒng)的可視化展示和綜合分析。例如，基于已有GIS 數(shù)據(jù)生產BIM 數(shù)據(jù)或基于排水管網(wǎng)普查紙質數(shù)據(jù)構建排水管網(wǎng)BIM 模型，對排水管網(wǎng)進行流向分析、埋深分析、混接分析、高程邏輯、大管接小管等管網(wǎng)分析，形成空間關系清楚、拓撲關系明確的排水管網(wǎng)資產數(shù)據(jù)[2]，直觀展示排水管網(wǎng)地下空間位置情況，實現(xiàn)排水管網(wǎng)精細化管理。

（2）排水設施數(shù)據(jù)治理

利用CIM 技術，將海量多類、多維、多尺度、多時態(tài)要素的BIM 模型數(shù)據(jù)進行匯聚和融合，對排水設施二三維數(shù)據(jù)進行處理，并基于統(tǒng)一的服務標準與規(guī)范，實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務的發(fā)布與管理。

（3）排水設施數(shù)據(jù)建庫

對排水設施資產數(shù)據(jù)進行分類、清洗、融合，形成基礎數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫以及模型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)排水全業(yè)務數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與維護，為排水業(yè)務應用提供支撐。

4.2 排水設施運行管理

為滿足城市排水系統(tǒng)監(jiān)管業(yè)務需求，展示排水系統(tǒng)實時動態(tài)信息，需要借助IOT 技術完成CIM 中物理實體的動態(tài)信息和靜態(tài)信息的關聯(lián)，為平臺提供數(shù)據(jù)支撐。因此，將IOT技術和CIM技術進行融合，實現(xiàn)排水設施運行情況監(jiān)管，分析預警排水系統(tǒng)潛在問題，提升排水系統(tǒng)運營管理水平。

（1）物聯(lián)感知監(jiān)測網(wǎng)布設

構建一張物聯(lián)感知監(jiān)測網(wǎng)，為業(yè)務系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)支撐，監(jiān)測對象包括排水管網(wǎng)、排水閘門、排水泵站、檢查井、截流井、溢流井、雨水調蓄池、污水處理廠、易積水點、低洼下穿通道、河湖排口等重要排水設施關鍵位置，監(jiān)測指標涵蓋水位、水質、流量、雨量、視頻和結構安全運行工況等，在片區(qū)老舊排水干渠溝墻結構上安裝位移監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)控重要排水干渠薄弱結構部位安全狀況，實時掌握排水系統(tǒng)運行狀況。

（2）IOT 數(shù)據(jù)接入

在BIM 模型的基礎上集成物聯(lián)感知監(jiān)測數(shù)據(jù)、設備等運行信息，對排水設施運行狀態(tài)進行監(jiān)控和直觀呈現(xiàn)，構建排水設施靜態(tài)與動態(tài)資產管理體系，輔助管理者掌握排水設施運行狀況。

（3）視頻融合

接入監(jiān)控視頻，基于啟發(fā)式算法的多路視頻與CIM 場景自動融合技術，將視頻與CIM 模型進行融合，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實整合。例如，利用CIM 技術模擬內澇場景過程中，結合視頻與CIM 場景自動融合技術，實現(xiàn)真實內澇場景與虛擬內澇場景的整合重現(xiàn)。

4.3 排水設施智能化改造

基于BIM 模型和OT 技術，直觀展示排水閘泵站各個設備的空間位置情況，通過對排水系統(tǒng)中的排水閘泵站運行工況監(jiān)控和自動化控制系統(tǒng)改造，實現(xiàn)排水閘泵站“智能化管理”和自動化調度，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和調控，減少人工投入，降低排水閘泵站運行管理和企業(yè)運營成本，提升工作效率。

（1）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

對排水系統(tǒng)中的排水閘泵站加裝水位計、視頻、智能儀器儀表等設備，結合CIM 技術，集成展示排水閘泵視頻監(jiān)控、工況信息（電壓、電流、機組狀態(tài)等）、監(jiān)測信息等運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，為排水設施的日常安全管理、運營管理、科學決策提供依據(jù)。

（2）遠程控制與自動化

圖4 視頻融合示意圖

圖5 閘門遠程控制示意圖

對排水系統(tǒng)中的排水閘泵站進行自動化控制系統(tǒng)改造，將CIM 技術、OT 技術運用到排水閘泵站遠程控制中，利用BIM 模型清楚地展現(xiàn)整個排水閘泵站各個設備的空間布局以及邏輯情況，結合視頻監(jiān)控、工況監(jiān)測等信息，實現(xiàn)對排水閘泵站在安全網(wǎng)絡隔離下的遠程自動控制，完成物理空間實體和真實世界的交互映射，實現(xiàn)排水閘泵站設施“智能化管理”、遠程操控及安全操作自動化、智能化，保障排水設施安全運行。

4.4 基于CIM 業(yè)務應用

以CIM 技術為基礎，結合BIM、IOT 等新一代信息技術，圍繞排水設施管理、排水防澇應急等業(yè)務主線，建設具備業(yè)務協(xié)調聯(lián)動、實時監(jiān)控預警、模型決策分析、事件應急處置能力的業(yè)務應用系統(tǒng)，實現(xiàn)排水設施業(yè)務全覆蓋，輔助城市管理者提升排水管理水平。

（1）一張圖管理

基于CIM、BIM、GIS、IOT 融合可視化技術，集成城市基礎地形、排水設施資產、排水設施運行、排水防澇應急等數(shù)據(jù)，構建可表達城市排水設施信息等三維空間全要素綜合數(shù)據(jù)的底圖，通過二三維地圖、BIM 模型、CIM 場景、統(tǒng)計圖表、屬性彈窗、列表等顯示方式將排水數(shù)據(jù)進行可視化展示，便于用戶簡便、直觀地了解轄區(qū)范圍的排水概況。

（2）排水防澇管理

建設基于CIM 的排水防澇應用，構建“事前預警、事中調度、事后統(tǒng)計分析”三位一體的防內澇處置流程，在城市防洪排澇工作過程中，氣象、水利、水文、交警等多部門實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，強化各相關部門之間工作聯(lián)動，資源銜接，共同響應城市內澇積水處置，科學統(tǒng)一調度，提高排水防澇指揮決策效率，最大限度減少災害損失。

（3）模型決策分析

結合排水管網(wǎng)、下墊面結構、暴雨強度、地表徑流系統(tǒng)等信息，依托CIM 技術，建立內澇分析模型等，模擬城市真實內澇淹沒場景，分析模擬災情演變態(tài)勢，提前預警潛在的內澇積水風險，輔助城市管理者在應急搶險過程中決策更加科學、高效、合理，以及為后續(xù)城市排水設施改造提供數(shù)據(jù)支持。

5.具體案例應用

按照國家和地方政策文件的要求，柳州市根據(jù)當前城市排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀[12]，基于IOT、大數(shù)據(jù)、AI、水動力模型、BIM、CIM、微服務、GIS、OT 等先進技術，啟動柳州市排水防澇信息化平臺（一期）項目建設，并得到了一定的應用成效。

5.1 BIM 技術在柳州項目中的應用

項目對柳州市13 座排水泵站進行智能化管理改造，并構建了排水設施BIM 模型，通過融合物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對排水泵站運行態(tài)勢實時感知。通過BIM 模型泵站的可視化呈現(xiàn)，直觀反映排水泵站的運行工況（電壓、電流、機組狀態(tài)、溫度、振幅、流量、前池水位、視頻等），精準定位問題并及時處理，日常管理實現(xiàn)了排水泵站的“無人值守”，平時通過手機端可隨時掌握了解泵房設備運行狀況，極大提高運維、檢修效率，減低了運維成本。

5.2 IOT、IT、OT 融合技術在柳州市防洪排澇工作中的應用

在柳州市排水設施智能化改造中，利用IOT、IT、OT三種技術的融合，通過物聯(lián)網(wǎng)感知水位變化，平臺發(fā)出預警與指令，泵站智能化管理系統(tǒng)自動開啟排水泵站進行排水，最終實現(xiàn)柳州市排水設施智能化管理，及時掌握城市排水設施運行狀況，提前采取措施應對城市積水問題，降低了道路交通安全風險。

圖6 柳州項目系統(tǒng)頁面圖

以排水泵站為例，首先，通過物聯(lián)網(wǎng)（IOT）感知水位變化，對上游排水管網(wǎng)水位、流量及排水泵站進水前池水位進行實時監(jiān)測；然后，平臺（IT）將監(jiān)測數(shù)據(jù)、泵站抽排量以及泵站進水前池當前水存量進行運算，判斷是否需要提前將進水前池進行預騰空以及機組抽排的時長，自動生成指令轉發(fā)到排水泵站智能化管理系統(tǒng)（OT）中；最后，泵站智能化管理系統(tǒng)（OT）按照指令進行自動開啟排水泵站進行排水，實現(xiàn)遠程獲取運行狀況，實時科學操控泵房運行。

5.3 CIM 技術在柳州市防洪排澇工作中的應用

在柳州市排水防澇工作中，項目依托CIM 技術，根據(jù)柳州市地形地貌、降雨、管網(wǎng)等數(shù)據(jù)，在魚峰區(qū)柳石干渠流域構建柳州市試點排水防澇區(qū)域的內澇分析模型，自動分析研判內澇過程，實現(xiàn)應急指揮智能化、科學化，做好提前布防準備，保障城市排水設施正常運行。具體思路為：

首先，摸清柳州市歷史內澇點對應的排水設施狀況（雨水口、窨井、管線、泵站、排水口、河道）及對應拓撲關系，構建內澇點排水通道；然后，根據(jù)內澇點排水通道開展物聯(lián)監(jiān)測設備（雨量、水位、流量、泵站工況、閥門工況等）布設，同時構建監(jiān)測設備與排水通道的關聯(lián)關系，梳理出地面標高、降雨量、河道水位、道路積水、管網(wǎng)上下游水位之間的平衡關系；最后，建立內澇分析模型。當發(fā)生暴雨天氣時，依托CIM 技術，調用水動力模型的計算成果，預測柳石干渠排水分區(qū)排水管網(wǎng)的當前運行態(tài)勢，展示內澇點、淹沒面積、積水時長以及影響區(qū)域，模擬內澇風險的態(tài)勢，分析出當前內澇點的內澇成因，做好預警并提醒相關單位提前對下游抽排泵站進行科學調度，統(tǒng)籌調控的排水管網(wǎng)、排水泵站、檢查井等排水設施，最大化提高現(xiàn)狀排水系統(tǒng)運行效率，盡量減輕城市內澇積水風險，并給出應急搶險的措施和建議，同時為后續(xù)城市排水內澇改造提供數(shù)據(jù)支撐。

6.結語

在排水行業(yè)高質量發(fā)展的愿景下，CIM 技術在排水設施智能化改造中凸顯的優(yōu)勢越來越顯著。通過本文的介紹，CIM 技術的應用可以提高城市排水系統(tǒng)的效率、可靠性和安全性，提高城市排水設施智能化水平，增強防災減災能力，提升城市的韌性和可持續(xù)發(fā)展能力，因此其應用也必然越來越廣泛。排水行業(yè)發(fā)展至今，CIM 技術已在國內多個城市中進行應用，并取得一定的成效，例如本文提到的柳州市排水防澇信息化平臺項目建設。CIM 技術是新興技術，雖然CIM 技術在排水行業(yè)中逐漸占據(jù)主導地位，但當前技術發(fā)展水平和實際經驗不足，建立和完善城市地形地貌模型數(shù)據(jù)、城市排水普查數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)仍需投入大量資金，排水應用需求復雜也是當前研究領域亟須解決的重要矛盾，需在信息化技術發(fā)展的推動下進一步研究CIM 技術在排水設施智能化改造中的應用，打造排水行業(yè)發(fā)展的新理念和新模式，為城市治理提供數(shù)字賦能、智慧賦能。