智慧水務(wù)在市政污水管網(wǎng)中的應(yīng)用

張施晗

廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000

污水管線是市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要組成部分之一。隨著城鎮(zhèn)化的加快，人口不斷增長，城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)排水負(fù)荷急劇增大，因此管網(wǎng)新建和改建的需求也在不斷增加。但是，由于污水管網(wǎng)設(shè)置在地下且構(gòu)造復(fù)雜，使污水管線設(shè)計(jì)和規(guī)劃變得更加困難，而傳統(tǒng)的運(yùn)行管理效率降低且漏洞較多[1]。在這種情況下，智慧水務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用成為解決現(xiàn)狀污水管網(wǎng)問題的一個(gè)重要途徑。智慧水務(wù)平臺(tái)不僅可以遠(yuǎn)程監(jiān)控重要節(jié)點(diǎn)的水量水質(zhì)，還可以分析和評(píng)估現(xiàn)狀污水管網(wǎng)，其對(duì)于城市管網(wǎng)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

文章以廣東省佛山市某城區(qū)的污水管網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目為例，分析了基于污水管網(wǎng)的智慧水務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)構(gòu)成，探討了智慧水務(wù)在污水管網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)維中的應(yīng)用，發(fā)掘了智慧水務(wù)平臺(tái)對(duì)于城市規(guī)劃乃至智慧城市構(gòu)建的重要意義。

1 項(xiàng)目概況

案例項(xiàng)目為污水主管網(wǎng)建設(shè)工程，位于廣東省佛山市某區(qū)，需新建約29km污水管網(wǎng)和1處泵站，流量為4.58萬m3/d。新建污水管網(wǎng)計(jì)劃服務(wù)范圍約為1200hm2，遠(yuǎn)期服務(wù)人口約6.06萬人。該項(xiàng)目的建設(shè)目的是從根本上解決當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)污水系統(tǒng)不完善導(dǎo)致的污水橫流、河涌水質(zhì)受損及水污染等問題。

雖然污水管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是解決該問題的必要方法，但是在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完成后，污水管網(wǎng)的運(yùn)營和維護(hù)也十分重要。因此，運(yùn)用合理的方法監(jiān)測(cè)污水管網(wǎng)是否完善、設(shè)計(jì)是否合理以及管網(wǎng)漏損率是否過高顯得尤為重要。精準(zhǔn)的排查分析可以指明維護(hù)的重點(diǎn)和方向，從而更高效地提高管網(wǎng)的覆蓋面并強(qiáng)化管網(wǎng)的系統(tǒng)調(diào)控和平衡能力。為此，該項(xiàng)目應(yīng)用基于污水管網(wǎng)的智慧水務(wù)平臺(tái)來進(jìn)行污水管網(wǎng)的運(yùn)維和監(jiān)控。

2 基于污水管網(wǎng)的智慧水務(wù)平臺(tái)應(yīng)用方案

2.1 總體思路

污水水質(zhì)和水量是影響污水管網(wǎng)的兩個(gè)重要因素，考慮到該項(xiàng)目所在區(qū)域管網(wǎng)尚未架構(gòu)完整以及建設(shè)資金的限制，該項(xiàng)目先以水量的監(jiān)測(cè)為主要目標(biāo)。由于該項(xiàng)目管網(wǎng)覆蓋面廣、長度較長，從經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性方面出發(fā)，優(yōu)先選取水量易發(fā)生波動(dòng)節(jié)點(diǎn)以及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)來設(shè)置監(jiān)測(cè)裝置。項(xiàng)目所處地區(qū)不僅水系較為豐富，導(dǎo)致污水管網(wǎng)需要多處下穿河涌，而且管網(wǎng)較為復(fù)雜，接入點(diǎn)多且分散。因此，主要在污水倒虹處、支管匯入處以及泵站前后設(shè)置多普勒超聲波流量計(jì)或DWI投入式液位計(jì)。智慧水務(wù)系統(tǒng)原理如圖1所示。除了配置相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器，還需構(gòu)建污水管網(wǎng)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，建立GIS管網(wǎng)信息平臺(tái)，應(yīng)用智能巡檢等輔助管理系統(tǒng)。

圖1 智慧水務(wù)系統(tǒng)原理圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）感知層。感知層是信息收集的基礎(chǔ)，主要通過感知設(shè)備將管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)信息傳入系統(tǒng)，因此感知層又稱為智慧水務(wù)系統(tǒng)的感官觸角[2]。在該工程中，感知層主要由監(jiān)測(cè)設(shè)備、視頻監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控和巡防數(shù)據(jù)組成，其中監(jiān)測(cè)設(shè)備包括多普勒超聲波流量計(jì)和DWI投入式液位計(jì)，而視頻監(jiān)控和設(shè)備監(jiān)控主要用于泵站管理系統(tǒng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。排水管網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過感知層收集后，在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)了互相關(guān)聯(lián)和共享[3]。根據(jù)傳遞數(shù)據(jù)的順序和層次，可以將智慧排水系統(tǒng)涉及的網(wǎng)絡(luò)劃分為三類：內(nèi)部以太網(wǎng)、GPRS/3G/4G/NB、外部以太網(wǎng)/政府專網(wǎng)/視頻專網(wǎng)。

（3）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層對(duì)各類排水相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和更新維護(hù)，不僅整合源于感知層的數(shù)據(jù)，而且包含基礎(chǔ)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)、各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和從其他渠道獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)。智慧水務(wù)系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)量龐大且種類復(fù)雜，因此運(yùn)用云計(jì)算的技術(shù)來增強(qiáng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和處理能力[4]。

（4）平臺(tái)層。平臺(tái)層以數(shù)據(jù)層內(nèi)的各類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用服務(wù)、web服務(wù)、文件服務(wù)等來支撐各類業(yè)務(wù)應(yīng)用。該設(shè)計(jì)的智慧排水系統(tǒng)包含GIS地圖服務(wù)平臺(tái)、水務(wù)時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫管理平臺(tái)

（5）應(yīng)用層。在應(yīng)用層，多種數(shù)據(jù)資源和業(yè)務(wù)信息在各類應(yīng)用服務(wù)的協(xié)助下被分析、統(tǒng)籌和管理，同時(shí)結(jié)合排水專家的經(jīng)驗(yàn)，為管理者提供有價(jià)值、直觀和統(tǒng)一的訪問界面。這一層包括實(shí)時(shí)定位、監(jiān)測(cè)服務(wù)、預(yù)案管理、管線管理等多個(gè)模塊的內(nèi)容，而這些模塊經(jīng)過組合可以形成五大業(yè)務(wù)系統(tǒng)，分別為遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、多維管網(wǎng)一張圖系統(tǒng)、智能巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)以及智慧水務(wù)App。

（6）門戶層。門戶層為展現(xiàn)成果的平臺(tái)，包括管控中心大屏、電腦瀏覽器端和手機(jī)App端。該設(shè)計(jì)的智慧排水系統(tǒng)設(shè)置了電腦瀏覽器端和手機(jī)App端為用戶提供應(yīng)用服務(wù)和相關(guān)信息，但不涉及管控中心大屏。

3 智慧水務(wù)平臺(tái)的功能和作用

3.1 信息采集、儲(chǔ)存和管理

智慧水務(wù)平臺(tái)不僅可以采集多種數(shù)據(jù)如水位數(shù)據(jù)、泵閘數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)等，而且采集頻率高、數(shù)據(jù)量大。以多普勒超聲波流量計(jì)為例，其測(cè)量和發(fā)送頻率最高可達(dá)1min/次，并且能儲(chǔ)存300d的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該平臺(tái)增加了管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的完整度，實(shí)現(xiàn)了信息的實(shí)時(shí)更新，這不但對(duì)于此次項(xiàng)目涉及管網(wǎng)自身的監(jiān)控管理至關(guān)重要，并且對(duì)于周邊甚至整個(gè)區(qū)的污水管網(wǎng)設(shè)計(jì)和新建至關(guān)重要。

3.2 多維管網(wǎng)系統(tǒng)圖的建立

智慧水務(wù)平臺(tái)可以根據(jù)錄入的管網(wǎng)信息對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行3D建模，如檢查井內(nèi)的水位和水量，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的三維化，從而更加直觀地展現(xiàn)信息。平臺(tái)內(nèi)的多維管網(wǎng)一張圖系統(tǒng)還可以將管網(wǎng)數(shù)據(jù)和各類地理信息底圖相結(jié)合，將建設(shè)區(qū)域內(nèi)所有管線信息展現(xiàn)在其實(shí)際地理位置上。通過多維管網(wǎng)系統(tǒng)圖，不僅可以根據(jù)管線屬性和位置等快速查詢管線的信息，還能夠測(cè)量管線之間或管線距離構(gòu)筑物的空間距離等。除了高效獲取管網(wǎng)的信息，多維管網(wǎng)一張圖系統(tǒng)還可以進(jìn)行更復(fù)雜的管線分析，包括生成任意兩點(diǎn)間的管線橫縱斷面圖以及管線之間的連同性分析等。

3.3 污水管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)、評(píng)估和預(yù)警

通過多維管網(wǎng)系統(tǒng)圖可以查看污水管網(wǎng)各監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，便于監(jiān)測(cè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)污水管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的異常。智慧水務(wù)平臺(tái)還能根據(jù)歷史數(shù)據(jù)形成報(bào)表和圖表，從而更直觀地反映管網(wǎng)的運(yùn)行情況，使工作人員更容易判斷是否有淤積、錯(cuò)接、偷排漏排等情況。此外，系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的報(bào)警條件以短信和網(wǎng)站等多種方式發(fā)送預(yù)警和報(bào)警信息，在很大程度上縮短了發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)故障的時(shí)間。

3.4 設(shè)備管理功能

該平臺(tái)在設(shè)備管理方面具備設(shè)備錄入、設(shè)備查詢、設(shè)備維護(hù)和權(quán)屬單位管理四個(gè)主要功能。在設(shè)備的數(shù)據(jù)被錄入系統(tǒng)后，其信息就能夠被隨時(shí)查詢，并且設(shè)備的增加和移除等變化也能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。此外，根據(jù)系統(tǒng)定期生成的數(shù)據(jù)報(bào)表，使用者可以清晰地了解設(shè)備一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行情況，并根據(jù)元件更換等建議進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

3.5 智能巡檢功能

該平臺(tái)的智能巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)污水管網(wǎng)巡檢管理的無紙化辦公，巡檢人員可將巡查過程中遇到的情況通過圖片和文字錄入系統(tǒng)中并顯示當(dāng)時(shí)的位置，管理人員可通過系統(tǒng)來查看巡檢內(nèi)容和結(jié)果。除了縮減紙質(zhì)文件，智能巡檢系統(tǒng)還能夠協(xié)助管理人員繪制合理的巡檢軌跡來預(yù)設(shè)巡檢人員的巡查路線，提高了管理效率和規(guī)范性。同時(shí)，管理人員還能通過智能巡檢系統(tǒng)追蹤巡查車輛和巡查人員的巡視軌跡，便于管理和監(jiān)督工作人員。

4 結(jié)束語

以污水管網(wǎng)為基礎(chǔ)的智慧水務(wù)平臺(tái)的建立使管網(wǎng)的運(yùn)維更加高效，在很大程度上削減了人力成本，提高了監(jiān)測(cè)精度。在智慧水務(wù)系統(tǒng)的支撐下，大量的管網(wǎng)數(shù)據(jù)被收集、歸納和應(yīng)用，對(duì)城市管網(wǎng)的規(guī)劃和新建也有至關(guān)重要的意義。但是，智慧水務(wù)在污水管網(wǎng)中的功能還有待進(jìn)一步發(fā)掘，在規(guī)范性和實(shí)用性上還需不斷探究，未來還需在更多案例中總結(jié)和摸索出完善的智慧水務(wù)系統(tǒng)，為構(gòu)建智慧城市打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。