智慧城市背景下排水工程智能化的探索

王普磊 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230032）

1 引言

隨著人類社會的不斷發展，未來城市將承擔越來越多的人口。我國處于城鎮化加速發展的時期，“城市病”問題凸顯。為解決城市發展難題，實現城市的健康可持續發展，建設智慧城市已成為當今各國城市發展的主流。智慧水務、智慧排水作為智慧城市的組成部分，也必須要同時建設與發展。

2 智慧排水的基本框架

2.1 智慧排水基本架構

2.1.1 感知層

水位數據、流量數據、雨量數據、水質數據、地理數據、視頻監控、工況數據等。

2.1.2 執行層

槽閘啟閉機構、電動執行機構、PLC控制柜等。

2.1.3 網絡層

移動網絡、政務專網、控制專網、采集專網、公共以太網。

2.1.4 平臺層

統一數據監控平臺、數據交換平臺、數據服務平臺、GIS服務平臺、模型管理平臺。

2.1.5 應用層

在線監測、預警信息、數據分析、地圖GIS、模型分析、智慧運行。具體的應用系統：排水管網巡查系統、城市內澇預警預報系統、視頻監控系統、排水綜合指揮調度系統。

2.1.6 用戶

外網用戶、內網用戶、移動端用戶。具體的用戶：信息審核員、維保人員、IT運維、決策領導、指揮中心、科研機構、公眾。

3 智慧排水的應用

3.1 數據采集與監控系統

將管網、中水站、雨污泵站、河道等SCADA數據及多種硬件采集數據整合納入系統中統一管理，并根據用戶需求進行統計分析，為應急指揮決策提供科學依據。

3.2 城市內澇預警預報系統

通過中心站和遙測站（監測站）的協同工作，提供城市道路、下沉式立交橋、地下停車場、排水管道、渠道、檢查井、排水口、城市河流水系等監測點的實時信息，又能夠為市政排水調度管理機構提供數據支持。

3.3 排水管網巡查系統

排水管網巡查系統以手持移動設備與Web系統相結合的方式，為管網巡查提供了全流程、精細化、標準化的管理模式。開發移動巡檢系統，實現地下管線應急服務管理：采用GPS、GSM/GPRS/NBIOT、GIS和計算機網絡通信與數據處理技術，在GSM/GPRS通信平臺上開發管線巡檢系統，提高巡查效率，最大限度地節約人力、物力資源，實現地下管線的數字化、信息化、智慧化管理，提高緊急故障處理的能力和協調水平。

3.4 視頻監控系統

基于網絡化的視頻監控技術，依托視頻監控中心，視頻監控系統為防汛預警系統及監控決策系統提供各類視頻監控站點的視頻信息。

4 系統設計與關鍵技術

4.1 排水管網巡查系統

完整的管線信息包括管線空間位置信息（X坐標、Y坐標、高程、埋深等）、管線基本屬性信息（材質、管徑、附屬物、權屬單位、埋設年限等）和管線實時的運行狀態信息（壓力、流量、液位等），管線空間位置信息和基本屬性信息通過管線普查或竣工驗收測量獲取，管線的實時運行狀態信息則通過物聯網和相應的管線傳感器獲取，在物聯網數據層、檢測層、感知層、傳輸層等體系架構研究的基礎上，通過在管線及其附屬設施上預先嵌入的相關傳感器，定時或實時獲取地下管線自身及運行情況的狀態參數，開發基于物聯網的管線實時監測預警系統，并與管線二三維系統集成，從而為管線的現場監測、預警預報等提供技術支撐。

4.2 城市內澇預警預報系統

構建城市內澇水力模型，結合監測站的實時數據，測算內澇風險指數，全面評估城市排水管網排水能力并提供預警預報。

4.3 視頻監控系統

充分利用城鎮公共視頻監控，補充主要道路、城市低洼區域視頻監控，多平臺多部門視頻監控系統共享共通，同時結合城市水力模型，選取代表性監控點。

4.4 排水綜合指揮調度系統

結合排水管網巡查系統、內澇預警預報系統、視頻監控系統構建“一張圖”可視化管理系統，利用專業模型軟件模擬測算驗證，并設置相應指揮調度權限，系統與社會安全平臺聯絡通信。

4.5 關鍵技術

4.5.1 物聯網傳感器的感知技術

①傳感器技術：計算機應用中的關鍵技術，到目前為止絕大部分計算機處理的都是數字信號，自從有計算機以來就需要傳感器把模擬信號轉換成數字信號計算機才能處理。

②標簽：也是一種傳感器技術，RFID技術是融了無限射頻技術和嵌入式技術為一體的綜合技術，RFID在自動識別、物品物流管理有著廣闊的應用前景。

③嵌入式系統技術：綜合了計算機軟硬件、傳感器技術、集成電路技術、電子應用技術為一體的復雜技術。

4.5.2 通信和融合技術

通信和融合技術主要實現管網感知數據和控制信息的雙向路由傳遞和接入控制，包括無線傳感器網絡構建、無線傳感器網絡與有線寬帶網絡互連、管網終端及傳感設備的接入控制。

4.5.3 評估和預警技術

針對管網運行的健康狀況及實時傳輸狀況數據，結合專業模型分析評估、發現潛在故障隱患及運行風險，及時做出預警和應對措施，實現管線運維及突發事件的“高效、節能、安全、環?！钡摹肮堋⒖亍I”一體化。

4.5.4 地下管線自動化三維建模技術

隨著計算機軟硬件、三維可視化技術的快速發展，地下管線的三維可視化建模、空間分析與輔助決策技術已廣泛應用于規劃、設計、審批、施工、運維等日常管理工作中。常用的建模軟件：3DMax、Sketchup、Autodesk Revit、Stamp、Skyline、CityMaker。

5 感知層與執行層具體布置

感知層的傳感器通訊上游均設置RTU，執行層的執行機構通訊上游設置RTU或者工業路由器（帶SIM卡）。傳感器及執行機構根據運維條件選擇搭配GPS終端。

5.1 感知層布置

①管網

a.排水干管主要節點設置流量計、壓力計。

b.排水干管排口設置流量計。

c.溢流井設置流量計、液位計。

d.截流井設置流量計、濁度儀。

e.水泵出水管設置流量計、壓力計。

f.污水處理廠站排口設置流量計、濁度儀、水質傳感一體儀。

②匯流區域內設置雨量計。

③河道設置流量計、液位計。

④調節池、調節塘、蓄水池、濕塘、濕地等設置液位計。

⑤主要道路、城市低洼區域設置視頻監控。

5.2 執行層布置。

①管網

a.槽閘井啟閉機。

b.截流井電動執行機構。

②泵站

a.污水泵站PLC控制柜。

b.雨水泵站PLC控制柜。

c.中水泵站PLC控制柜。

③調節池、調節塘、蓄水池、濕塘、濕地等具有調蓄作用的設施的槽閘起閉機構。

④道路視頻監控。

6 綜合管理與智能化有機結合

6.1 信息推送

預警、報警信息通過微信或者短信的形式自動推送至用戶手機上，可以第一時間做出調度響應，避免事故的發生。

6.2 系統登錄

既可通過PC端登錄系統也可以通過手機APP登錄系統。手機APP同樣具有遠程監視、控制排水系統的功能。

6.3 自動運行

根據城市安全級別的不同，排水綜合調度指揮系統設置為人工與自動。在一定安全范圍內，經過評估論證，采用自動運行模式，即智能化的排水綜合指揮調度系統解決城市排水調度。

6.4 物聯網

城市排水智能化基于物聯網理念，采用信息化手段，結合GIS展示，全面掌握排水系統的運行情況如管網水位、流量、水質、有害氣體濃度、泵站運行狀態等，保證排水系統安全高效運行；通過構建安全預警平臺，提高應急指揮及快速處置能力；提供科學、先進的城市級水力分析模型，全面評估城市排水管網能力；以城市排水設施數據為基礎，結合管網監控數據、氣象預報、雨情信息，為城市排水規劃、防澇預測提供決策依據。

7 結語

以時空信息為基礎，充分利用感知監測網、物聯網、云計算、移動互聯網、工業控制和水力模型等新一代信息技術，全方位感知市政排水運行工況，通過“一張圖”可視化管理模式，最終形成支撐排水管理部門各業務單元運行、管理和決策分析于一體的“智慧排水”信息平臺。