城市排水管網液位在線監測系統設計與實現

李志濤，張慧，印小軍

(鈦能科技股份有限公司，南京，211800)

引言

隨著我國經濟的高速發展，城市化進程也隨之不斷加快，城市規模不斷擴大、人口激增，城市地下管網的運行負荷逐步加重，內澇積水、管網堵塞等問題屢見不鮮，直接影響了城市居民的生活質量。隨著GIS技術、物聯網技術、智能傳感技術、移動互聯網通信技術等先進信息技術的不斷涌現和成熟，使得排水管網數字化、智慧化管理成為可能。通過構建排水管網在線監測預警系統，能夠有效地提高市政管理工作的效率及質量，大幅提升城市應急響應能力，實現城市排水管網系統的全方位可視化監控和全局化科學調度管理。

1 存在問題

(1)矛盾多：城市發展建設與排水設施需求建設不同步；管道規劃設計不合理，排水管網不通暢、設計容量不匹配，導致管網滿溢；重建設、輕養護，養護管理水平低下等。

(2)管道亂：雨水管網建設情況不容樂觀，雨水回收利用存在許多問題，城市內澇現象嚴重。

(3)監測難：城市排水設施監測能力薄弱，監測手段落后，遇到突發極端天氣導致內澇，管網缺乏有效預警措施。

(4)維護繁：排水管網深處地下，管線隱蔽、管材多樣、建設標準低，質量差，年久失修等。

2 總體設計

2.1 建設目標

通過在排水管網關鍵節點、低洼易澇積水點布設智能液位感知終端，實現管網液位在線監測、積水監測、多級預警、內澇分析和堵管分析等功能，滿足政府主管部門對管網的日常運維、運行調度、災情預警、防汛調度、應急搶險等管理需求。

2.2 設計原則

建成的排水管網液位在線監測系統必須遵循系統完整、技術領先、穩定可靠、易于實施等基本原則，有效保證系統所有軟件和硬件設備能夠安全、穩定、可靠運行。

(1)系統完整性原則

從感知層、網絡層、通信服務層、應用層進行設計，提供從物聯感知設備到系統應用軟件一體化的解決方案，保證系統安全、可靠地運行。

(2)技術領先性原則

系統采用當今物聯網技術發展的主流產品。在滿足基本使用需求的前提下，應充分考慮技術上的先進性，延長系統的生命周期，避免因技術落實過早而被淘汰。

(3)設備可靠性原則

設備選型應充分考慮其環境適應性的要求，所選擇設備必須具備防水、防塵、防爆、抗震和高精度、高穩定性的特性。設備優先選擇內置電池供電和無線傳輸方案，電池模塊應方便更換，無線傳輸方案應具備高穿透性和廣連接的特性。

(4)實施可行性原則

設備安裝簡單、方便，具備多種安裝方式，并確保后續維護方便，降低運維成本。系統平臺部署簡單、快捷，可兼容多種運行環境部署，具備簡單、實用、易用的移動監測軟件。

2.3 布點方案

收集市政排水設施管理單位和運營維護單位的相關業務需求，結合歷史經驗，液位監測布點方案主要遵循以下原則：

(1)選取具有代表性的監測點，能夠反映排水系統液位運行情況；

(2)選取歷史低洼易澇點進行液位監測；

(3)盡可能覆蓋監測區域范圍，避免出現監測盲區；

(4)選取的安裝點應滿足施工及后續運維保養需求；

(5)系統性布點，能夠有效指導閘泵站聯調聯控。

2.4 測量方式選擇

排水管網液位在線監測設備按照測量方式可分為接觸式和非接觸式兩種測量方式。接觸式測量方式中常見的監測設備主要是投入式壓力水位計；非接觸式測量方式主要是超聲波水位計和雷達水位計。

2.4.1 投入式壓力水位計(接觸式)

優勢：價格便宜，安裝簡單，測量精度高，量程寬，可測滿管與非滿管，管網溢流時仍能準確測量。

劣勢：排水管網水環境中含有大量的淤泥、油污、漂浮物等，淤泥、油污和漂浮物會將壓力傳感器探頭覆蓋，導致設備無法正常工作。

2.4.2 超聲波水位計(非接觸式)

優勢：體積小巧，耐腐蝕，與水體非接觸，不受水體中的雜物覆蓋、腐蝕等影響。

劣勢：在窨井內的有效監測量程較小，超聲波水位計采用的是聲波作為收發信號的，由于聲波容易受到溫度、濕度、壓力等環境影響，容易發生漂移，從而會導致監測精度較低。排水管道溢流狀態下，若該類型傳感器被淹沒，則該傳感器的監測值會跳變，無法準確測量。

2.4.3 雷達水位計(非接觸式)

優勢：在窨井內的有效監測量程較大，最大可達10m；雷達水位計采用的是電磁波作為收發信號，由于電磁波不受溫度、濕度、壓力等環境影響，所以雷達水位計監測精度很高；與水體非接觸，不受水體中的雜物覆蓋、腐蝕等影響。

劣勢：價格昂貴；安裝位置和角度對測量結果有影響，安裝工藝要求較高；排水管道溢流狀態下，若該類型傳感器被淹沒，則該傳感器的監測值會跳變，無法準確測量。

經綜合對比分析，方案建議選擇投入式壓力水位計，在投資預算允許的前提下，可考慮選擇壓力式水位計與雷達水位計的組合監測方式。

2.5 設備選型

地下排水管網水環境具有潮濕、滿管溢流、腐蝕、淤泥、漂浮物、水流速度較快、渾濁且有油污、管道內氣體有毒、管道內氣體易燃易爆等特點，在此環境下工作的液位監測傳感器須遵循以下原則：

(1)傳感器須具有防腐蝕性能；

(3)傳感器須具有防爆認證；

(4)傳感器宜采用電池供電，低功耗設計；

(5)傳感器精度受壓力、溫度、濕度的影響較小；

(6)傳感器可與無線傳輸設備通信，實現監測數據無線傳輸；

(7)傳感器易于安裝、維護方便；

(8)傳感器可在惡劣和復雜的工況下穩定工作。

2.6 總體架構

排水管網液位在線監測系統采用面向服務(SOA)的分層架構體系，總體架構分為智能感知層、網絡傳輸層、數據服務層、應用支撐層、綜合業務應用層、展示交互層以及標準規范體系和安全保障與運維體系，具體如圖1所示。

圖1 系統總體架構

智能感知層：應用各種液位傳感器、流量傳感器、水質監測傳感器及視頻監控，實現排水管網液位實時監測、內澇積水監測，并完成數據采集及遠程傳輸。

不僅一味贊頌、阿諛逢迎標榜是“正能量”，連《面相手相斷吉兇》《情人老婆哪個重要》《球員性感嬌妻排行榜》等封建迷信、雞毛蒜皮、文化垃圾也都標榜起了“正能量”標簽。而與此同時，一些犀利辛辣的針砭時弊之聲、月旦社會之語、激濁揚善之鳴以及給領導提個意見、諷喻邪惡丑陋等，反倒被某些人謬斥為負能量。

網絡傳輸層：將感知層采集到的液位數據傳輸到系統平臺，傳輸方式優選移動運營商的無線網絡，方案推薦選用4G網絡或NB網絡。

數據服務層：支持海量數據分類存儲、分析、調用、共享及數據維護更新。主要包括管網GIS數據、實時監測數據、運維數據、運營數據、視頻圖像、共享交換數據等非結構數據，實現多源海量異構數據的集成與統一。

應用支撐層：提供數據即時通信服務、管網數據管理、管網模型管理、運維模型管理、分析模型管理、預警模型管理、數據庫引擎、GIS引擎、消息引擎、規則引擎等功能，為上一層級服務提供支撐。

業務應用層：主要包括實時數據監測、管網綜合監測、報警信息管理、數據診斷分析、運維管理、資產管理、狀態評估等功能。

展示交互層：為市政主管部門、運維服務公司、市民提供系統應用功能展示和交互，主要展示方式包括電腦端、移動端和大屏展示。

兩個體系：標準規范體系為項目建設提供了標準化依據，能夠有效保證項目的順利實施以及提高項目實施的成功率。安全保障與運維體系的構建，保障了系統的硬件安全、軟件安全和信息安全。

3 系統功能實現

(1)綜合監控：基于GIS“一張圖”，在“一張圖”上能夠清晰顯示各測點位置信息、監測數據信息、實時告警信息，可在“一張圖”上通過點選，展示監測點的位置坐標、實時數據、視頻監控、歷史曲線等信息。

(2)實時報警預警：系統支持預警液位、報警液位、滿溢液位閾值的設定，通過液位監測傳感器的實時監測值與預設閾值比較，實現管網液位異常情況的多級告警，并完成告警信息的自動推送，通知相關部門人員采取措施。

(3)管網綜合調度：實時掌握排水管網的運行狀況，結合氣象數據和排水管網調度模型完成對排水泵站的控制，通過及時地調控，確保管網正常運行，有效預防城市內澇發生。

(4)數據診斷分析：數據分析診斷模塊支持數據的同比、環比、任意曲線對比等功能。通過液位數據的不斷積累，能夠實現實時數據與歷史數據的對比，通過對比可以評估管網的運行情況，及時發現管網淤堵、坍塌、內澇等問題。

(5)運維管理：可對告警內容進行建單、流轉、分配、反饋、評價等閉環操作，實現運維工作的數字化管理，提升管理效率，保證工作質量。同時，運維管理模塊還支持對運維人員的考勤管理和績效評估功能。

(6)資產信息管理：主要包括管網信息、監測設備信息、監測點位置信息、運維信息、備品備件庫存信息、圖紙資料等基礎數據信息，可手動修改和錄入。

(7)移動端APP：支持實時查看監測點液位信息及實時報警信息，能夠滿足運維人員工單排程派發、告警接收、事件上報、巡檢記錄、考勤打卡、數據查詢分析等需求。

(8)市民互動平臺：市民通過微信小程序將發現排水管網出現滿溢、淤堵、井蓋丟失等問題，以文字、語音、照片的形式上傳至平臺，經主管部門審核后發送養護單位或運維公司現場處理。

4 總結

城市排水管網液位在線監測系統是基于GIS技術和物聯網技術開發的城市排水管網數字化監管工具。系統通過長期穩定運行，可以積累大量管網監測數據，這些數據能夠直觀反映排水系統的運行規律，定量分析城市內澇積水風險，定性分析管網淤堵問題，為城市排水管網的養護提供數據支撐，輔助市政主管部門科學定制應急預案，提高城市內澇風險的抵御能力，做到及時發現風險，快速響應，避免內澇、堵管事件的發生或將影響范圍最小化。同時，液位監測數據亦是完善城市排水管網模型的基礎，通過排水模型的構建和完善，不斷推動排水行業由數字化向智慧化邁進。