雄安新區孝義河河口濕地水質凈化工程物聯網系統設計

李登峰

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

為了踐行黨中央“生態優先、綠色發展”的核心理念，打造“藍綠交織、清新明亮、水城共融”的生態之城，雄安新區正在大力開展環境整治工程建設。孝義河河口濕地水質凈化工程位于雄安新區安新縣安州鎮境內馬棚淀孝義河入淀口處，處理水量20 萬m3/d，工程占地總面積2.11km2。工程建設內容主要包括水質凈化、生態修復、物聯網平臺、配套設施及公共工程等。

作為信息科技產業的第三次革命，物聯網技術能夠把傳感器、控制器、機器設備、人員等生產環節聯系在一起，實現信息的智能監控管理。本項目物聯網平臺通過打造數字濕地CIM 平臺和物聯服務支撐平臺兩大基礎支撐平臺，建設水雨情監測、水質監測、泵閥監控、視頻監視、通信和運維六大業務系統，實現對濕地工程智慧化管控。

1 總體設計

（1）系統架構。物聯網平臺的系統架構由感知層、網絡層、數據層、支撐層和應用層等共同組成：①感知層。感知層是獲取信息的基礎，通過相關硬件實現信息的感知，包括傳感、識別、圖像獲取、GPS 定位和數據傳輸等技術。傳感、識別、圖像獲取、GPS 定位等技術主要用在IoT 數據的監測感知上，借助各類傳感器、視頻攝像頭來實現。②網絡層。網絡層是信息傳輸的載體，主要包括專網、公網和遠程控制等技術。專網部署在泵閥監控系統中；公網用于水雨情、水質數據傳輸的輔助網絡；遠程控制技術是指在控制專網環境下，對泵站、閘門以及視頻攝像頭等各類設備進行遠程控制。③數據層。數據層主要包括數據存儲、數據管理、數據集群、數據挖掘、數據分析等功能。通過分類、預測、聚類等方法，挖掘對濕地運行具有價值的信息。④支撐層。支撐層主要包括SOA、Web Service、REST、系統集成、三維渲染、三維模型編輯等技術。SOA 是面向具體業務系統提供服務的架構。Web Service 是SOA 的一種實現方式，表現為REST 風格。系統集成指將各類業務應用系統集成于到基礎平臺。三維渲染技術可在主流計算機配置環境中穩定、流暢運行。三維模型編輯技術可實現多源異構數據的快速整合。⑤應用層。應用層是面向用戶的系統界面，主要包括水雨情監測、水質監測、泵閥監控、視頻監控等業務管理系統。通過應用模塊和端口，滿足工程管理的各項應用。系統預留接口，為后期其他系統關聯互通打下了基礎。

（2）業務流程。總體業務流程共設計為三類應用場景，分別為前端感知層、現場監測站和管理中心。在前端感知層，業務流程主要側重于前端監測設備的數據采集與接收控制指令。現場監測站側重于前端感知數據的匯聚和管理處控制指令的接收，管理中心側重于各業務應用系統的數據匯集、數據整理、可視化展示以及相關業務的聯動管理。

（3）數據庫。數據庫設計分為兩大類：公共數據庫和專用數據庫。公共數據庫存儲的是各個業務系統都需要用到的數據，包括項目規劃、設計等信息、組織結構、用戶權限、BIM、GIS 等數據。公共數據均存儲在公共數據庫中，統一建設數據庫，不需要在各系統使用到這些數據時重復建設，實現了數據的共享。專用數據庫存儲的是業務系統在管理過程中產生的數據，與業務流程緊密相關，數據量持續增加，主要包括水質在線監測數據、人工檢測數據、巡檢數據、設備數據、能耗數據、視頻監控、統計分析、監測預警等各類數據。各個系統的業務應用數據庫在自身業務中生成，根據業務生成情況單獨建設，也可以供其他系統讀取使用。

依據相關標準規范，結合管理的實際需求，建設工程監測數據庫、水質監測數據庫、業務管理數據庫等八個數據庫。

2 基礎平臺設計

基礎平臺為各業務系統提供基礎支撐服務，保證業務系統按照各自的管理邏輯流暢運轉。

（1）數字濕地CIM 平臺。數字濕地CIM 平臺以GIS、BIM 技術為核心，為濕地凈化、生態修復相關業務提供宏觀分析層面的信息服務，實現業務的宏觀信息與三維數字化相關模型的聯動展示分析，為工程提供全生命周期的數據支撐和輔助決策。數字濕地CIM 平臺設計了四大功能模塊，分別為智慧決策模塊、數據管理模塊、資源服務模塊和三維展示模塊，為各業務系統提供基礎和拓展服務。

（2）物聯服務支撐平臺。物聯服務支撐平臺通過建設統一的物聯網數據采集接口，對各類感知層監測設備數據進行統一采集和管理，通過數據整理和清洗，為各業務系統提供數據支撐，同時，遵循相關數據規范標準，向外部系統開放數據接口，提供數據服務。物聯服務支撐平臺根據物聯設備接入、管理、數據分發的工作需求，結合系統提供的協議適配、數據分析、數據交換、系統權限進行設計，分為監測設備接入與管理、數據分析共享、平臺運營運維與安全管理四部分內容。

3 業務系統設計

（1）水雨情監測系統。水雨情監測系統通過對水位的監測和流量的測算，掌握監測點水資源的利用情況及趨勢，方便濕地整治效果考核，同時，為河道防洪調度和水資源優化配置提供基礎數據和服務。系統采用自動監測的方式，利用自動化監測設備對所有監測點水體水位、流量、流速等水文數據信息進行采集，并能夠通過光纜有線網絡及無線2G/4G 網絡自動將數據發送到水雨情系統監控中心，實現對數據的存儲、分析處理。達到數據采集、數據通訊、數據管理、數據分析和報警等功能。

（2）水質監測系統。水質監測系統能夠及時了解水質變化情況、監測修復效果、實現水質污染應急處理。系統采用自動監測、人工監測兩種方式，實時在線監控河道水質情況。在河道進出水等位置布設自動化檢測儀，可快速獲得水體的PH 值、濁度、COD、總磷、總氮、氨氮、SS 等指標，數據實時回傳至水質監測中心，自動分析評價相關數據，分析各河道斷面出水水質是否低于河道進水水質，確保整個濕地水質達到規范要求，為預防和及時發現污染事故提供輔助決策。

（3）泵閥監控系統。泵閥監控系統實現泵站以及閥門的集中控制和調度，減輕運維負擔、滿足實時聯合調度需求，最終達到無人值班運行效果。項目共設計5 個提升泵站，各現場站控制室內均設有1 臺集中PLC 控制屏，通過電纜與現場各類傳感器、儀表、執行器等設備進行信號采集傳輸，完成信息上傳至管理中心進行數據處理、存儲和分析。

（4）視頻監控系統。視頻監控系統由監控中心、傳輸網絡、現場監控點三大部分構成。主要包括視頻監視、視頻控制、視頻服務、管理維護、視頻編碼、視頻查詢、視頻存儲、報警、智能分析報警功能、可視化管控、監控中心等功能。有效監控濕地運行情況，保障人機料運行安全，為濕地的運維管理提供信息化支撐。

（5）通信系統。通信系統負責將前端感知層設備采集的數據回傳至管理處各系統，傳達管理處控制、調度指令傳至各系統感知層設備，實現各管理處與雄安云之間的數據通信。傳輸網絡采用自建光纜為主、公網為輔的方式進行通訊。

（6）運維系統。運維系統為工程運維階段的各項業務提供便利，保證項目正常生產運行。系統主要包括七大功能模塊，分別為巡查維護、維修養護、管理考核、值班管理、設備管理、工單管理、突發事件響應，實現工程的智慧化運維。

4 結語

采用GIS 技術、IoT 技術、BIM 技術、三維模型編輯等技術搭建的物聯網平臺，實現對濕地水雨情、水質、泵閥運行等相關數據的采集、分析、挖掘和應用，對孝義河濕地凈化工程的規劃、建設、運營治理全過程管控，為各類業務提供實時監控和輔助決策。平臺還預留足夠的接口，為開發完成后接入雄安新區其他相關管理對象或功能擴展打好基礎，實現雄安新區層面的統一管理和業務應用。