智慧排水系統建設創新思考

梁向鋒 黃飛 孫希法 司博章 王洪鋒

摘 要：結合目前城市排水系統現狀，吸收國內外城市排水信息化建設的成熟案例和優秀經驗，充分利用物聯網、移動互聯網、大數據、云計算、地理信息集成（GIS）、建筑信息建模技術（BIM）、人工智能等新一代信息技術，以大數據理念、“互聯網+”思維建設一套城市智慧排水系統。本文主要介紹了智慧排水需求與建設目標，并分析了智慧排水的基礎架構及在城市中的實際應用。

關鍵詞：智慧排水;物聯網;邊云協同;數據融合;人工智能

中圖分類號：TU990.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0089-03

Abstract： This paper combined the current situation of urban drainage system， absorbs mature cases and excellent experience of city drainage informatization construction at home and abroad， and made full use of Internet， mobile Internet， big data， cloud computing， geographic information integration （GIS）， building information modeling technology （BIM）， AI and other new generation of information technology， and built a city with the idea of big data and Internet plus. This paper mainly introduced the demand and construction goal of smart drainage， and analyzed the infrastructure of smart drainage and its practical application in the city.

Keywords： intelligent drainage;Internet of things;edge cloud collaboration;data fusion;artificial intelligence

1 智慧排水需求分析

城市排水系統是處理和排除城市污水和雨水的工程設施系統，是城市公用設施的重要組成部分。因此，城市排水系統規劃是城市總體規劃的組成部分。城市排水系統通常由排水管道和污水處理廠組成。

傳統的數據收集、分析、評估手段難以滿足當前污染防治攻堅戰，特別是城鎮污水處理提質增效的需求。智慧排水是為了解決“源、廠、網、河（湖）”水循環系統的審批、規劃、建設、運維及管理中的“痛點”。智慧排水系統可提供決策支持，提高管理水平，挖掘設施潛力，保證排水系統的良好運行。

2 城市智慧排水系統建設目標

城市智慧排水系統應對標國內外各大城市最先進的智慧排水系統建設標準，通過全面摸清城市排水系統底賬，設置必要的在線監測設備，建設總調中心及數據中心等措施，建成覆蓋全城市的智慧排水系統，即建成一套可統一各業務板塊、各個系統之間互聯互通、信息共享的標準規范體系，一張全面監測排水系統狀況的物聯感知網，一個集地理信息、實時信息、設施信息、業務信息等于一體的排水系統大數據庫，一個整合所有排水系統靜態信息和動態信息以及分析統計結果的排水系統“一張圖”，一個“一網統管”的排水全過程調度管理平臺，為城市的污水處理提質增效提供新動力，為城市防洪排澇和水環境綜合整治發揮長效工程效益提供重要支撐。

2.1 建立全面的物聯網感知體系，增強感知能力

建立健全實時在線、全面感知、準確可靠執行的立體物聯感知執行網絡，包括建立健全物聯感知網絡和物聯執行網絡。物聯感知網絡實現對各類排水設施，包括雨污水管網、污水廠、泵站、城市易澇點、湖泊等的水情/雨情、水質、視頻等數據的在線監測;物聯執行網絡實現對泵閘（泵站及閘門站）、污水處理廠等設施設備運行工況遠程實時監視與控制等。

2.2 建設一套標準體系，加強互聯互通、信息共享

編制一套可統一各業務板塊、各個系統之間的互聯互通、信息共享的標準規范體系。

2.3 建立一個水務數據中心，發揮數據要素價值

數據是城市智慧排水系統的心臟，因此，要實現對排水系統所有信息資源的采集、存儲、管理及查詢應用，為應用系統層提供數據支撐。需要注意的是，不僅要對已有的數據資源體系以及排水數據資源進行擴充，而且要整合城市相關政務部門的信息資源和共享資源，包括城管、國規委、環保等信息資源以及地理信息圖層數據等共享資源，構建更加豐富、更加全面、更加靈敏的智慧排水數據要素體系，賦能排水業務，發揮數據要素最大價值。

2.4 建立四大業務板塊智慧應用，提升精細化管理水平

以城市排水一網統管的管理和管控體系為中心，構建智慧運維、智慧調度、智慧管理、智慧服務四大業務板塊及N個應用模塊，以實現全市統一的一體化、規范化、精細化、智慧化的“智慧排水”管理體系的發展目標。

2.5 建設排水系統“一張圖”，可視化統一管理

建設“GIS一張圖”“監管一張圖”“在線監測一張圖”“排水規劃一張圖”“建設工程一張圖”“污水監管一張圖”“應急處置一張圖”“防汛一張圖”等多種場景和“監測對象的一張圖”，并整合所有排水系統的靜態信息和動態信息，實現排水管網系統綜合展示、實時監控、風險預警、輔助決策等的可視化統一管理功能[1]。

3 智慧排水系統的基礎架構

利用互聯網、物聯網、云計算和大數據分析及人工智能等新一代信息技術，采用松耦合、服務化架構模式，在全面智能感知的基礎上，構建智慧排水“1+2+3+4+N”的總體框架，即1套排水標準體系、2大基礎設施（ICT基礎設施、物聯感知基礎設施）、3個中心（排水數據中心、排水運營管理中心、排水應急指揮中心）、4個業務板塊（智慧運維、智慧調度、智慧管理、智慧服務）、N個應用模塊，實現涉及排水業務感知、運維、調度及決策支持的一體化全程智能管控。

智慧排水系統的架構涵蓋物聯網感知、數據接入、數據傳輸、數據利用及共享、基礎設施、應用支撐平臺及展示平臺等內容。同時，通過建立貫穿各個層次的規范標準體系、運維保障體系等技術規程和機制體制規范，保障系統運行安全穩定。

智慧排水系統總體架構包括“感知執行層、ICT基礎設施層、數據層、中臺層、應用層、用戶層”6個層次及“安全保障體系、規范標準體系、運維保障體系、實施規范體系”4個體系的“6層+4縱”架構，具體見圖1。

4 智慧排水系統建設創新思考

4.1 感知執行層

感知執行層是智慧排水系統的基礎。建立健全物聯感知網絡，能實現對各類排水設施，包括雨污水管網、污水廠、泵站、閘門站、城市易澇點、湖泊等的水情/雨情、水質、視頻等數據的在線監測;建立健全物聯執行網絡，能實現對泵閘（泵站及閘門站）、污水處理廠等設施設備運行工況的遠程實時監視與控制。此外，通過有線（光纖等）、無線網絡（NB-IoT、5G、WiFi等）將監測數據傳輸到數據層，為排水管理提供基礎數據支撐。

對于本層數據，除了物聯網實時傳輸外，還需要共享交換排水管理部門內部數據，以及城市綜合運營管理中心、環保部門、水務部門、水文部門、氣象部門、公安部門、路政管理部門等外部數據。

4.2 ICT基礎設施

ICT基礎設施層是支撐平臺應用的軟硬件環境，包括物聯網設備、機房、服務器、存儲設備、互聯網設備、調度中心等基礎硬件設施。城市智慧排水系統的ICT基礎設施主要包括網絡基礎設施、計算存儲基礎設施、展示硬件基礎設施，為業務應用系統提供基礎運行環境資源。

4.3 數據層

數據層是城市智慧排水系統的心臟，實現對排水系統所有信息資源的采集、存儲、管理及查詢應用，為應用系統層提供數據支撐。數據層主要包括信息資源規劃管理、數據采集加工、數據權限管理、數據分析應用等功能。

4.4 中臺層

中臺層是智慧排水系統共用的中間件的集合，是城市智慧排水系統運行的中間支撐，包括數據中臺、業務中臺、AI中臺和開發中臺。

4.5 應用層

應用層是城市智慧排水系統的大腦。應以城市排水一網統管的管理和管控體系為中心，構建智慧運維、智慧調度、智慧管理、智慧服務四大業務板塊及N個應用模塊，以實現全市統一的一體化、規范化、精細化、智慧化的“智慧排水”管理體系的發展目標。

4.6 用戶層

用戶層是城市智慧排水系統的臉面，為排水系統管理部門及公眾提供PC端、移動端、微信端、大屏幕多屏聯動端等的“一張圖”全景展現智慧排水系統的建設成效，將所有資產信息和動態信息整合到同一個系統中，實現可視化的統一管理，徹底改變傳統用紙質圖紙、電子版圖紙和表格等碎片化的管理方式，能隨時查詢、隨時調用。二維+三維展示效果能實現對真實場景的精準還原，打造一個透明的城市數字排水系統。

5 探索性試驗

本研究以某城區最復雜的工況為例，介紹智慧排水平臺在防汛中的運行方式。

調度結構采用模型計算-技術會商-決策指揮的三層結構。智慧排水平臺發展分為兩個階段：第一階段以量為主，第二階段結合大數據分析及機器學習實現“量質并重”。

根據氣象預報預警信息（降雨等），設置初雨截流規模，污水系統調度模型對污水系統（初雨截流及調蓄）未來時期的承受能力及分配方式進行計算評估，評估污水系統在降雨事件中的承受能力及運行方式。

內澇實時預報預警模塊根據污水系統調度模型計算的截流量和截流設施運行方式，計算該方案下片區未來的積水4要素信息，即積水位置、積水面積、積水深度、積水時間[2]。

河、湖水動力、水質及補水模型根據污水系統調度模型計算的溢流水量及其他氣象水文信息，計算可能造成水位上漲情況，溢流造成的水質變化情況，計算水質恢復用時。如有水位預降，則給出預降方案的設施、操作方案。

降雨前，會商形成不同的決策方案，將方案與結果發各單位以征求意見，主要計算反饋指標如下：累計溢流水量，河湖水質可能變化情況，內澇積水情況，河、湖水質恢復時間，污水系統運行情況。

降雨中，根據實時監測結果，對方案進行必要的修正;降雨后，給出各調蓄池的放空方案，避免影響污水系統運行。對會商形成的不同決策方案進行最終決策。監控片區河、湖、污水管網、泵站、廠、雨水管網及泵站的實時狀態。指揮調度排水人力及物資資源，進行三防指揮。主要實現“決策—監控—指揮”功能。

第二階段，首先根據數據庫積累的數據進行機器學習，判斷本次降雨時間的初雨濃度的可能變化趨勢，制訂相對應的截流方案，實現高效收集“濃度最高的降雨徑流污染”，然后結合監控的反饋信息，量質并舉，最大程度上發揮現有設施的運行效率，做到智慧截流。

6 結語

隨著未來城鎮化發展的不斷深化，城市排水系統建設的信息化與智能化逐漸受到重視，智慧排水系統的建設不僅能優化城市管理與服務，而且能提升城市應急響應能力，增強人民群眾的生活幸福感。

參考文獻：

[1]王榮曉.淺談城市給水管網存在問題及建議[J].中國新技術新產品，2016（9）：148-149.

[2]李博.移動抄表及城市需水量預測系統的設計與實現[D].北京：北京交通大學，2018：12.