智慧化趨勢下的上海排水行業(yè)信息化建設(shè)

時(shí)珍寶，莊敏捷，嚴(yán) 寒

(1.上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海 200233；2. 上海市排水管理處，上海 200001);3.上海碧波水務(wù)設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上海 200233)

隨著城市化進(jìn)程的加快，市政公用基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不斷完善，排水系統(tǒng)的建設(shè)也日趨成熟。近年來，“智慧城市”、“智慧水網(wǎng)”、“物聯(lián)網(wǎng)”等新的信息化建設(shè)目標(biāo)和建設(shè)理念不斷涌現(xiàn)，對城市排水信息化建設(shè)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步提高排水行業(yè)管理的科技水平，增強(qiáng)應(yīng)急排水能力，越來越多的信息化技術(shù)運(yùn)用于排水領(lǐng)域。在城市智慧化發(fā)展的大趨勢下，本文分析上海排水行業(yè)核心數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)重點(diǎn)，并對排水管網(wǎng)模型構(gòu)建的主要任務(wù)進(jìn)行討論。

1 信息化技術(shù)在排水領(lǐng)域的應(yīng)用

城市排水管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與專題數(shù)據(jù)是排水管網(wǎng)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)，確保市政信息資源能夠被充分的整合，進(jìn)而能夠有效地獲取、傳遞、處理、再生、利用這些信息。排水在線監(jiān)測、排水模型和地理信息系統(tǒng)的建設(shè)是城市排水管網(wǎng)信息化的重要組成部分，為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，越來越多的信息化技術(shù)運(yùn)用到排水領(lǐng)域。

目前，很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建立了城市排水管網(wǎng)信息化系統(tǒng)，用GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)庫將排水管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)(屬性數(shù)據(jù))結(jié)合在一起，憑借GIS軟件的空間可視化功能對城市管網(wǎng)進(jìn)行管理、維護(hù)和決策。我國專業(yè)的管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)始建于20世紀(jì)80年代，近年來隨著數(shù)字化城市計(jì)劃的提出，管網(wǎng)系統(tǒng)信息化越來越受到重視，許多城市建立了自己的城市管網(wǎng)信息系統(tǒng)[3]。

遙感技術(shù)作為排水設(shè)施監(jiān)測的“智能感知”信息技術(shù)，為數(shù)據(jù)的獲取提供了科學(xué)手段。利用SCADA系統(tǒng)可在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控排水管線液位、流量、流速等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線故障報(bào)警，提升了整個(gè)城市排水管網(wǎng)的安全運(yùn)行。此外，無人機(jī)遙感、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)和GPS差分定位技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、智能化、專用化快速獲取空間感數(shù)據(jù)，并可完成遙感數(shù)據(jù)的處理、建模和應(yīng)用分析[4]。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云技術(shù)是在建立一系列網(wǎng)絡(luò)平臺的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信和交易，以及相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳播和共享的一種技術(shù)模式，為實(shí)現(xiàn)排水監(jiān)測數(shù)據(jù)的“智能傳輸”奠定了基礎(chǔ)，也為信息資源和硬件資源共享提供了可能。從世界范圍來看，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云技術(shù)應(yīng)用于城市排水信息化建設(shè)是必然趨勢之一。

排水管網(wǎng)模型為實(shí)現(xiàn)“智能分析”提供了技術(shù)手段，其是采用數(shù)學(xué)建模與計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合的方法研究城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制、維護(hù)管理等工程環(huán)節(jié)的技術(shù)工具，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)環(huán)節(jié)的最優(yōu)化。

此外，建筑信息模型技術(shù)(BIM)、虛擬現(xiàn)實(shí)和排水設(shè)施資產(chǎn)管理系統(tǒng)等組成了“智能管理”。BIM與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，可使排水設(shè)施展示三維化，生動具體表達(dá)空間布局，還可對排水管道中的水流進(jìn)行模擬，進(jìn)行復(fù)雜的水力計(jì)算。在排水設(shè)施運(yùn)行維護(hù)過程中，利用GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Web技術(shù)等管理排水系統(tǒng)的海量資產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)長期化、精細(xì)化與周期化的資產(chǎn)管理。

2 排水行業(yè)發(fā)展對智慧化信息系統(tǒng)的需求分析

信息化是當(dāng)今世界社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢，是推動社會經(jīng)濟(jì)變革的重要力量，大力推進(jìn)信息化是實(shí)現(xiàn)我國現(xiàn)代化建設(shè)的重要戰(zhàn)略舉措。上海市排水行業(yè)信息化建設(shè)，需結(jié)合排水行業(yè)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢，針對當(dāng)前存在的突出問題，著重把握以下幾方面工作。

(1)滿足排水行業(yè)現(xiàn)代化管理要求

在排水行業(yè)整合優(yōu)勢更加突出的背景下，圍繞經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)、行業(yè)監(jiān)管、社會管理和公共服務(wù)的基本職能，提高排水行業(yè)管理的現(xiàn)代化水平。通過加強(qiáng)排水行業(yè)信息資源的共享和利用，提升工作效率；通過加大智慧應(yīng)用和智能決策系統(tǒng)建設(shè)，提升排水行業(yè)科學(xué)決策能力；通過電子政務(wù)系統(tǒng)的深入應(yīng)用，提升行政管理的效能；通過便捷高效的現(xiàn)代化服務(wù)方式，提升排水公共服務(wù)水平。

(2)推進(jìn)排水系統(tǒng)核心計(jì)算引擎的應(yīng)用

上海排水行業(yè)需緊密圍繞“水安全”和“水環(huán)境”目標(biāo)，以排水信息化帶動排水現(xiàn)代化，充分利用排水管網(wǎng)模型技術(shù)的核心計(jì)算引擎作用，作為整個(gè)信息化系統(tǒng)的大腦，提升排水行業(yè)調(diào)度決策的快速應(yīng)對能力，全面實(shí)現(xiàn)智能感知、精細(xì)化預(yù)報(bào)、預(yù)警聯(lián)動和智能處置。

(3)排水業(yè)務(wù)應(yīng)用與新興技術(shù)相融合

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、遙測技術(shù)日益成熟，更多新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，深刻影響著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在響應(yīng)國家網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國戰(zhàn)略和大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、大力推動信息化建設(shè)的背景下，排水信息化發(fā)展環(huán)境隨之發(fā)生深刻變化，上海排水信息化建設(shè)需充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，不斷將排水業(yè)務(wù)應(yīng)用與新興技術(shù)進(jìn)行深度融合。

3 智慧化趨勢下的上海排水行業(yè)信息化建設(shè)主要任務(wù)

3.1 優(yōu)化完善行業(yè)核心數(shù)據(jù)庫與業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)

在智能水網(wǎng)框架下，上海市排水行業(yè)信息化建設(shè)基本完成了資源整合、信息共享和系統(tǒng)集成等工作，排水智能感知能力和智慧管理水平得到明顯提高[5]。“十四五”期間，需根據(jù)行業(yè)發(fā)展的需求，不斷優(yōu)化完善行業(yè)核心數(shù)據(jù)庫與業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)。

(1)完善數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺，包括上海市排水行業(yè)核心數(shù)據(jù)庫和多級排水信息化系統(tǒng)等。

(2)優(yōu)化完善多級網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)架，充分利用外聯(lián)區(qū)、核心樞紐區(qū)與接入?yún)^(qū)組成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，依托水務(wù)局共建共用的“共建共用分布式數(shù)據(jù)庫群，進(jìn)一步全天候?qū)崿F(xiàn)與市水務(wù)局、各區(qū)主管部門(防辦)、排水設(shè)施運(yùn)行調(diào)度企業(yè)之間的數(shù)據(jù)交換共享，如圖1所示。

圖1 上海市排水?dāng)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Data Transmission of Shanghai Drainage Network

(3)加大業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的投入，以提升業(yè)務(wù)管理水平為目標(biāo)導(dǎo)向，不斷將信息化技術(shù)融入排水業(yè)務(wù)管理，提升排水設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)和管理的效率，如排水管道檢測、排水泵站監(jiān)管、污水廠監(jiān)管、積水點(diǎn)監(jiān)測、排水模型建立、數(shù)據(jù)信息維護(hù)等。

(4)強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全管理，進(jìn)一步規(guī)范上海排水行業(yè)地理信息數(shù)據(jù)維護(hù)機(jī)制，加大對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)接入、設(shè)備安全、機(jī)房安全、用戶安全、應(yīng)急處理的管理力度。

3.2 構(gòu)建以排水管網(wǎng)模型為核心計(jì)算引擎的智慧化運(yùn)調(diào)體系

經(jīng)過16年的探索，以上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、上海碧波水務(wù)設(shè)計(jì)研發(fā)中心模型團(tuán)隊(duì)為代表的技術(shù)人員，已將計(jì)算機(jī)排水管網(wǎng)模型仿真技術(shù)應(yīng)用于排水系統(tǒng)的能力評估、設(shè)計(jì)優(yōu)化、運(yùn)行管理等領(lǐng)域，為排水系統(tǒng)的精細(xì)化管理提供了一條行之有效、科學(xué)可靠的手段和途徑，已成為重要的技術(shù)發(fā)展趨勢。上海市排水行業(yè)運(yùn)行調(diào)度平臺建設(shè)可在信息化的基礎(chǔ)上引入模型，以仿真技術(shù)為核心的計(jì)算引擎，以業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)為中樞神經(jīng)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)管理的智慧化。

3.2.1 構(gòu)建中心城五大外排干線運(yùn)行調(diào)度模型

上海市中心城的污水集中外排處理格局包含5條已建污水外排總管：西干線、南干線、合流一期工程總管、污水二期工程總管、污水三期工程總管等，它們在上海市中心城區(qū)污水治理中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，而確保干線系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行是上海污水治理的首要任務(wù)，如圖2所示。

圖2 上海市中心城區(qū)污水外排干線示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Wastewater Discharge Main Lines in Downtown Shanghai

利用InfoWorks ICM等模型軟件，構(gòu)建上述5大外排干線的主干管網(wǎng)模型，接入各支線泵站、中途泵站和末端污水廠的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)以下3種工況的仿真演算。

(1)旱天通過優(yōu)化調(diào)度，均化各干線的逐時(shí)輸送水量，避免局部產(chǎn)生高水位而帶來的污水冒溢風(fēng)險(xiǎn)，并實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)總體節(jié)能減排。

(2)暴雨時(shí)，結(jié)合可視化的系統(tǒng)調(diào)度預(yù)案庫，根據(jù)水力學(xué)分析結(jié)果對支線泵站的運(yùn)行工況進(jìn)行干預(yù)，同時(shí)加強(qiáng)干線間的流量調(diào)度，確保全網(wǎng)高峰流量、最高水位處于可控狀態(tài)，保障干線的運(yùn)行安全。

(3)結(jié)合連通管規(guī)劃方案，通過對事故時(shí)污水外排干線的應(yīng)急調(diào)度進(jìn)行仿真演算，制定各污水干線之間的應(yīng)急調(diào)度方案，將對環(huán)境可能造成的損害降到最低。

3.2.2 構(gòu)建中心城排水防澇運(yùn)行調(diào)度模型

上海市中心城規(guī)劃強(qiáng)排系統(tǒng)245個(gè)，服務(wù)面積為564 km2。雨天通過對各排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，可降低初期雨水放江和暴雨積水的風(fēng)險(xiǎn)，有利于兩水平衡的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)發(fā)生中小雨量時(shí)，雨水排水系統(tǒng)服務(wù)邊界相對清晰，通過優(yōu)化單個(gè)泵站的運(yùn)行調(diào)度方案，即可減免初期雨水的放江量，保護(hù)水環(huán)境。當(dāng)發(fā)生超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)降雨時(shí)，各排水系統(tǒng)的服務(wù)范圍相互交錯(cuò)，以排水模型為計(jì)算引擎，通過分析下墊面豎向高程和管網(wǎng)系統(tǒng)間的高程關(guān)系，可將一定范圍內(nèi)的排水系統(tǒng)作為一個(gè)整體，通過泵站群的一體化優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域防汛安全受益的最大化，這種受益可以是區(qū)域整體風(fēng)險(xiǎn)最小，也可以是重點(diǎn)地塊的優(yōu)先保障。在夏季發(fā)生不均降雨時(shí)，泵站群的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度對保障城市局部地區(qū)的防汛安全具有顯著意義。

根據(jù)國家要求，上海排水系統(tǒng)提標(biāo)改造已列入工作計(jì)劃。在“綠、灰、藍(lán)、管”多措并舉的規(guī)劃理念下，需借助已構(gòu)建的排水系統(tǒng)管網(wǎng)模型，對改造方案進(jìn)行效果評估和再優(yōu)化。以上海市黃浦區(qū)老西門街道和豫園街道為試點(diǎn)，上海碧波水務(wù)設(shè)計(jì)研發(fā)中心通過構(gòu)建排水管網(wǎng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，制訂了綠色排水設(shè)施建設(shè)與局部排水管道擴(kuò)建相結(jié)合的多系統(tǒng)聯(lián)合提標(biāo)方案，取得了較好的效果。

3.2.3 構(gòu)建重點(diǎn)地區(qū)積水實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)試點(diǎn)模型

近年來，氣象科學(xué)方興未艾，對臺風(fēng)暴雨和短時(shí)強(qiáng)降雨的預(yù)報(bào)參數(shù)越來越豐富和準(zhǔn)確，為排水管網(wǎng)模型提前介入演算創(chuàng)造了條件。通過提前仿真演算，可推演出預(yù)報(bào)降雨工況下，排水系統(tǒng)在整個(gè)降雨歷時(shí)的水力學(xué)狀態(tài)，提前預(yù)知可能發(fā)生積水的具體位置、發(fā)生時(shí)間、積水深度以及積退水時(shí)長等技術(shù)參數(shù)，為減少災(zāi)害損失創(chuàng)造條件。上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院和上海碧波水務(wù)設(shè)計(jì)研發(fā)中心在徐家匯肇家浜地區(qū)進(jìn)行了積水災(zāi)害實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)的研發(fā)，取得了較好的成效(圖3)，下一步可在氣象雷達(dá)

圖3 研究區(qū)域典型降雨、地形及三維積水示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Typical Rainfall, Topography and Three-Dimensional Waterlogging in the Study Area

數(shù)據(jù)解析、管網(wǎng)和下墊面數(shù)據(jù)精密度提升以及大數(shù)據(jù)耦合方面進(jìn)一步開展工作，為未來構(gòu)建更高水平的智慧化運(yùn)調(diào)平臺做好技術(shù)儲備。

4 結(jié)語

排水系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度管理是一個(gè)集工程學(xué)、管理學(xué)、信息學(xué)為一體的復(fù)雜過程，雖然信息化可以給調(diào)度人員提供較好的系統(tǒng)展示，但長久以來調(diào)度經(jīng)驗(yàn)和人工理論推算仍然是排水系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的主要手段，這顯然制約了上海這樣一個(gè)世界級超大城市排水系統(tǒng)的精細(xì)化管理。隨著智慧城市建設(shè)的開展，以模型仿真技術(shù)為核心計(jì)算引擎的排水系統(tǒng)一體化運(yùn)調(diào)平臺的建設(shè)迫在眉睫。通過不斷完善行業(yè)核心數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)化應(yīng)用系統(tǒng)，借助模型仿真技術(shù)，上海排水行業(yè)管理部門可在污水外排調(diào)度、初期雨水治理、暴雨避險(xiǎn)減災(zāi)以及資產(chǎn)優(yōu)化管理等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)管理水平的提升。