基于GIS 的排水管道流量監測管理信息系統設計與實現
——以山東省某市為例

戎亞芳 劉甲軍 高涌 管恩升 尚星星

(山東正元地球物理信息技術有限公司,山東濟南 250000)

0 引言

城市排水管網工程設施是重要的城市基礎設施,排水管網是城市的地下生命線,是城市旱天轉輸污水和雨天排澇的骨干工程[1]。近年來,隨著我國整體發展水平的逐步提升,我國城市排(污)水治理工作已經取得了一定成效,但行業監督管理信息化建設仍相對滯后,存在監測體系不完善、信息孤島問題突出、信息服務及監管方式落后等問題[2]。綜合運用GIS、在線檢測、物聯網、自動化控制、數據模型等先進技術手段,建設設施完整、拓撲清晰、位置準確的排水設施“一張圖”,實現排水設施的精細管理、實時監測和智能控制。本文以山東省某市為例,在掌握全市范圍內排水管網基礎信息、排查排水管道雨污混接基礎上,對排水管道關鍵點進行流量監測(長期在線),建立流量監測信息管理系統,輔助監管部門實時掌握污水排放數據,加強污水排放企業監管。

1 排水管道關鍵點流量監測方案

1.1 排水管道監測點選取

為便于甄別小區域流量異常,本項目分別在生活區域及工業園區(含大型工業企業、排水大戶的區域)選取管徑大、流量大的主干管道及河兩岸主排水溝重點地段且便于外接電源,便于保存保護處進行監測點布設。經過實際踏勘,確定30個關鍵點布設。根據監測數據綜合分析、對比,自南向北流入污水管道總水量平均值8.72萬m3/日。一是南部生活區域總體污水流量約為4萬m3/日左右,二是城區北部工業區污水排放量約為4～5萬m3/日,通過近段時間的平均流量監測數據計算,全城區排水約8～9萬m3/日。

1.2 智能監測站構成

智能監測站主要由數據采集設備、數據處理發送設備、供電設備和設備箱組成,設備之間通過電源線和數據線連接。在監測點管道內部安裝傳感器流量監測儀和水位監測儀,實時獲取污水的流量和水位高度;管道流量監測測控終端對傳感器數據進行初步處理采集;通信模塊多集成于采集器之中,可以與各類通信供應商進行數據傳輸,通信商提供傳輸鏈路連接到服務器,后臺服務器將數據進行存儲;根據監測點環境供電情況進行靈活的供電選擇,市電、太陽能供電、蓄電池供電等;河道排水口采用視頻監控設備對實時視頻進行攝像、傳輸、控制、顯示和存儲,完成現場圖像、視頻等數據采集,在實現排污點數據監測的同時進行更為直觀的排污點實時視頻瀏覽和排污點監控錄像調用,從業務上幫助相關部門有力地提升監督能力和監管效率。

2 系統設計

2.1 總體架構

排水管道流量監測管理信息系統按照面向服務的架構思想和分層設計的原則,將系統整個結構分為感知層、傳輸層、數據層、平臺層、應用層及展示層等六層,如圖1所示。為保證系統具備良好的擴展能力和集成能力,在設計中采用面向服務(SOA)的設計思路,以便能方便地實現系統間以及系統內模塊間的通訊。通過感知層的水位、攝像頭、流速/流量、接入水質、污水廠、泵站等傳感器獲取實時運行狀態信息,通過傳輸層把傳感器采集的數據傳輸到數據中心管理;數據層作為數據的存儲和管理中心,用來存儲各種黑臭水體數據。利用物聯網接入平臺、運維支撐平臺、ArcGIS平臺共同組建基礎支撐平臺層,提供統一的基礎管理服務,同時提供權限管理、資源分配等功能,并通過平臺層為應用層提供基礎支撐;根據具體業務需要,在應用層建立排水管道流量監測管理信息系統并提供手機、電腦、監控大屏等多種展示途徑。

圖1 系統架構Fig.1 System architecture

2.2 數據架構

本項目數據庫按數據來源由基礎空間地理數據、排水基礎數據及排水監測數據三部分組成。基礎空間地理數據庫包括基礎地形數據、索引數據及影像數據。本系統基礎地形數據采用1∶500全要素現勢地形庫并利用1∶1000正射影像數據作為分析背景圖;索引數據由圖幅索引、道路索引、地名索引、基礎索引組成,用于海量數據快速索引及定位。排水基礎數據庫由點表和線表組成,包括各類管點、管線及附屬設施的空間位置和幾何形狀、屬性信息,以及要素間的空間關系和相關屬性信息。排水監測數據庫由排水管網監測數據、河道監測數據及視頻監控數據組成,包括監測項標簽屬性及位置信息、監測點信息、監測類型數據以及流量、水位等具體監測物理測量值數據等。

2.3 關鍵技術

排水管道流量監測管理系統采用物聯網技術與WebGIS技術相結合的技術思路。WebGIS(網絡地理信息系統)是指工作在Web網上的GIS,是傳統的GIS在網絡上的延伸和發展,具有傳統GIS的特點,可以實現空間數據的檢索、查詢、制圖輸出、編輯等GIS 基本功能,同時也是Internet上地理信息發布、共享和交流協作的基礎[3]。本系統采用ArcGIS Server和ArcGIS API for JavaScript進行WebGIS的開發,利用ArcGIS API for JavaScript 特性,實現了排水管道空間數據展示、統計查詢、符號渲染及監測信息預警、數據挖掘等應用。

3 系統應用

系統提供視圖操作、地圖定位、實時監測、監測查詢、數據分析、管網信息查詢與統計、輔助工具等功能,實現黑臭水體地理信息管理,動態更新維護黑臭水體信息,做到對排水管線家底清、情況明,管理維護措施準確得當。

3.1 數據采集

通過系統的GIS 地圖能夠清晰查看設備、污水廠、泵站、井下、排水戶等的分布狀況和實時狀態,如圖2所示。利用實時監測及查詢模塊,可獲得各個監測點的實時監測數據,包括管網監測點的流量信息,排水戶的用水量信息、排水量信息、泵站流量信息、污水廠的進水流量信息等;可查詢設備的名稱、類型、編號等基本屬性信息,安裝區域、坐標等位置信息,安裝井編號、安裝井深度等安裝信息。

圖2 實時監測Fig.2 Real-time monitoring

3.2 監測預警

系統根據監測設備狀態和監測數據自動判斷預警報警狀態,顯示當前各類監測點流量監控的報警信息,對報警情況進行統一管理與查詢。利用監測預警模塊可以統計過去不同的時間范圍內不同監測點的監測數據;可查詢出不同的監測點在一定的時間范圍內,不同的監測項目出現報警信息的數據;可對單個、管段及所有監測點不同時間段排水量進行查詢統計。

3.3 分析挖掘

利用系統分析挖掘模塊可對選定管段進行流量變化分析即將同一監測點不同時期數據或不同監測點同一時期的數據進行疊加對比顯示,對比結果以曲線圖形式展示,如圖3所示;可對選定管段進行用水排水分析即對所有匯入污水廠的進水總量和各排水戶的排水量進行計算并對比分析,可有效發現相關單位的排水問題;還可對選定管段進行上下游監測分析、連通性分析及排水流向分析等。

圖3 同點多時段分析Fig.3 Multi-period analysis at the same point

3.4 數據查詢統計

利用系統查詢統計模塊可以在指定區域對管線的材質、管徑、建設年代、所在道路、權屬單位等多種條件進行查詢統計;可以根據不同時間段,不同監測點等多種條件統計各類監測點的監測歷史運行數據并通過柱狀圖、曲線圖、餅狀圖等多種形式進行展示。

4 結語

本項目建立了主干管網流量監測數據庫,通過基于GIS的城區排水管道流量監測管理系統,結合排水管道排查及流量監測分析,查明了各區域內實際排水量,并可實時監測,為下一步布控污水來源,進一步查明各區域內的重點排水戶的流量打下了基礎。