城市智慧排水系統的建設與運營管理

胡臻 黃賢亮 武今巾 何巍偉

（1.長沙市城區排水事務中心 湖南長沙 410000；2.合肥中科國禹智能工程有限公司 安徽合肥 230031）

城市排水系統主要由排水管網、雨（污）水泵站及污水處理廠構成，對處理和排除雨（污）水發揮著重要作用。但是，隨著經濟的發展和城鎮化的不斷推進，城市排水系統的負荷大大增加，納污量大幅提升，污水管網老化淤堵嚴重，過流能力急速下降。此外，管網等排水設施因建造年代不同、分布范圍廣、設備類型多樣等因素，導致排水系統內部工藝水平和實際處理能力水平的差異，給人工監管帶來很大困難。為科學、高效地對排水設施進行管理，提高應急應變能力，保障城市排水系統穩定安全運行，亟需對排水設施（如市政管網、污水處理廠，以及雨、污泵站等）建立統一綜合管理平臺，即可實現實時預警、動態監測、智慧運維的排水系統管理體系。通過排水系統智慧化建設，轉變傳統排水系統管理思維及模式，提升運維及排水防澇能力，提高管理水平，提供決策支撐，保證排水系統良好運行。

1 排水系統智慧化建設的需求及意義

據有關部門統計，目前我國城鎮排水系統采用的設計標準較低、排水能力有限，管網滲漏、破損、雨污混接等狀況突出，存在很大的安全隱患，導致了黑臭水體下河污染河流、雨天極易形成內澇等城市病的存在。由于沒有建立統一的排水系統設施的運行監管平臺，無法對排水設施的規劃、建設、運行管理及養護做出科學決策，這讓城市排水管理部門“無能為力”，為了解決上述問題，提升城市排水系統的管理水平，可以結合感知設備，通過獲取排水業務數據實現排水系統智慧化建設，保障城市排水系統的安全穩定運行。智慧排水系統管控平臺建設具有如下重要的意義。

（1）無人值守，減少企業運行成本。通過排水系統智慧化建設，實時監控各排水設施，可依據設施、設備的運行狀況實現統一監控和調優，無需人員值班看守，從而節約大量人力資源成本，有效減少運行維護費用。

（2）運用物聯網技術，減少風險與隱患。通過匯總設備和業務數據，進行平臺實時展示與監控，對突發情況迅速響應，實時預警，當異常情況出現時，能夠及時進行干預和處置，保證安全。

（3）聯合調度，實現智慧決策。通過利用數學建模、物聯網、大數據、云計算、地理信息系統等技術，實現排水系統監測、巡查、調度、決策等過程的智慧化，實現從被動處置到主動作為的轉變，提高決策能力和管理水平，與此同時，通過智慧排水系統建設，探索研究管網、泵站等設施聯合調度及自動化改造，全面提升城市排水治理能力現代化，為智慧城市建設賦能。

2 關鍵技術

2.1 地理信息系統（GIS）技術

排水地理信息系統包含有管線、排水設施等的基礎信息數據，同時還可以實現對排水管網、污水處理廠等的網絡分析、空間可視化分析，這大大提高了市政排水管理部門對排水系統精細化管理的水平，為城市排水防澇、污水處理等工作提供了科學的決策支撐。在每年汛期來臨之前，有關部門可以借助GIS 分析時下的氣象災害信息，模擬計算出更為精細、準確的區域降水參數數據，這對城市防洪應急工作具有十分重要的意義。此外，利用地理信息系統的空間拓撲功能，并結合滲水、蓄水的統計數據，建立相關的模型，評價城市水域（河道、蓄水庫等）的儲水能力，綜合起來可預判城市發生內澇的概率。

2.2 物聯網技術

物聯網主要是利用智能傳感設備，按照一定的規則實現人和人之間、人和物之間、物和物之間的互聯互通，可采集、獲取物質世界的各種信息，同時借助互聯網、通信技術實現信息傳遞、管理、分析，從而達到實現對物質世界的智慧決策。

2.3 移動終端技術

隨著信息技術與集成電路技術的快速發展，移動終端的應用場景也變得越來越豐富，除了具有通信功能以外，還可以進行信息處理、分析與展示。其在排水系統管理方面具體表現為通過開發小程序、APP 等方式，實現在移動客戶端實現地理信息地圖、管網管理，對水質、水量及排水設施進行監控（如視頻監控、水位流量監控、污水廠、泵站監控）等功能。

2.4 雨洪模型分析技術

在城市地勢比較低的地方，尤其是下穿橋、立交橋橋洞、地鐵、地下人行通道、地下車庫等地段，在降水比較密集的時候，很容易發生內澇災害，而雨水管網承擔著迅速排水的重任，有效降低發生內澇的風險。通過構建雨洪模型，模擬區域的降水情況，預測發生內澇的可能性，還可以為雨水管網、城市排水體系的建設提供決策支撐。

3 智慧排水系統建設管理現狀

美國是第一個探索建立市政排水設施管理系統的國家，其利用GIS 技術設計了包括泵站的地理位置分布、管網的空間分布等內容的城市排水信息系統。反觀國內，2004年，李金平等科研人員采用Visual Basic為編程語言、MapX 為開發工具，進行市政排水管網信息系統的設計，并實現了地下管網科學化、信息化管理；2008年，周旭東等研究人員在蘇州市建立地下管線綜合系統，研究通過GIS應對管網突發情況的方法，主要包括原理、實現方法和過程；2017年，閆曉濤等研究人員提出運用物聯網等信息技術手段建立智慧排水的方法。

此外，我國部分較發達的城市也逐步建立了城市排水的管理系統。例如，上海建成的排水設施管理信息系統可以實現排水設施的信息查詢、實時動態監測、水情信息報訊、氣象災害信息的收集與處理以及數據制圖輸出。北京的排水公司經過多年的實踐，也摸索出一套完善、成熟的信息管理系統，主要由以下幾個部分組成：（1）核心指標數據的采集、處理；（2）信息基礎設施服務；（3）業務管理平臺展示。2011年，杭州市也開始排水信息業務管理系統的建設，搭建了相應的排水信息管理平臺，建立了排水信息的數據庫。這些城市的排水信息管理系統不僅可以實現對排水系統的數據查詢、檢測及獲取遠程監控系統回傳的語音等相關資料，還可以查詢和管理排水設施的運行情況。此外，一些排水管理系統平臺還可以進行計算模擬，如利用雨洪積水模型，對積水過程進行模擬，并計算出完全排除積水所需的時間。

4 智慧排水系統建設管理存在的問題

建立智慧排水系統，對于推動城市管理水平的提升及促進社會經濟的發展具有重要作用，然而現有的智慧排水系統仍在探索中，依然存在很多不足，主要集中在以下幾個方面。

4.1 信息化基礎設施建設明顯不足

現階段，信息化建設還不夠，相關基礎設施相對薄弱，信息資源不足，信息種類不全，內容不夠豐富，信息的數字化和規范化程度太低。排水工程自控建設還處于摸索階段，排水通信網絡覆蓋范圍還滿足不了需求，各類排水工程自動監控系統的建設還處于起步階段，排水通信網在覆蓋范圍和容量上還遠遠滿足不了需要，支撐水利各類業務應用的綜合性平臺不夠健全，安全保障不夠。

4.2 排水數據采集程度不高

排水數據的獲取主要是依靠智能感知設備的采集，而目前監測范圍、設備都很有限，導致基礎數據采集范圍覆蓋不夠全面，信息內容完整性不夠，此外，排水管網一般都在地下，布設的感知設備長期處于惡劣的環境中，地下的通信信號較弱，導致設備需要經常維護、更新，數據的實時動態展示能力也很差。

4.3 缺乏頂層設計

目前，排水信息化建設很少考慮統籌規劃，城鄉之間、各個部門之間分割現象明顯，導致建設體系和標準很難統一，無法開展業務協同。一方面，沒有從城市發展的整體出發，建立排水信息綜合管理系統，對信息化建設缺乏頂層設計，各自為政，孤立發展，服務對象單一。另一方面，排水管線數據來自設計、建設和管理部門，建立排水綜合管理平臺與各部門需求十分密切，而系統建設沒有考慮“一盤棋”的整體謀劃，隨著各種部門用戶的人數增多，相應的需求也在不斷增多和變化，系統變得雜亂無章，難以服務排水行業的發展。

4.4 數據孤島亟待消除

雖然，目前國內主要城市已建成一些排水管理系統，但是大都是獨立、分開的，彼此之間沒有建立數據資源共享機制。此外，網絡系統的軟硬件基礎設施還很不成熟，信息資源共享也缺乏技術支撐，導致大量基礎性業務數據無法被用來指導排水管理活動。

4.5 智慧決策水平不夠

排水系統建設重業務管理，導致大量的排水數據沒有得到充分利用與深入挖掘、分析，決策還是以人工經驗為主，數據對決策的支撐工作需要加強。

5 排水系統智慧化運營的優化思考

針對上述排水系統建設管理中存在的問題，本文從以下3個方面對排水系統智慧化建設進行分析。

5.1 加強頂層設計

排水水務企業和有關部門需要加強頂層設計和統籌謀劃。在智慧排水管理平臺建設過程中，需要統籌考慮企業運行、業務需求、軟硬件設施的關系，并注重提升排水業務問題的解決能力，注重對采集數據的深入挖掘和分析。在以上工作的基礎上，進行頂層設計和開展業務，同時使排水管理平臺具備更新換代能力。

5.2 消除“數據孤島”

針對目前數據孤島的問題，首先，需要建立統一的排水水務標準體系，包括規范統一的數據采集標準，各排水部門需要嚴格按照標準規范收集各類排水業務信息，形成數據庫中心。其次，需要構建標準化、規范化的數據結構與服務接口，這不僅可以提高數據采集的效率，還可以實現不同系統間的數據流通、融合、共享，實現業務聯動和協同。

5.3 智慧管理平臺升級

目前，很多地方已經建成排水系統管理平臺，并取得了一定的應用效果，但是，隨著用戶量的增加及需求的加大，需要升級現有的系統管理平臺，優化智慧排水總體架構體系，主要包括以下幾點內容。

第一，開發智能管網巡查系統。結合相關的水文數據及地質體模型，排查有安全風險區域的管線（如土壤松散、滲水的管段），并充分探究管道健康和排水管網水力模型系統的運行情況，自行確定巡檢養護范圍。此外，還可以通過“智慧井蓋管理系統”建設，完成井蓋等市政資產的在線監控和精細化管理，保障市民出行安全。

第二，升級流域截污治理系統。聚焦控源截污、管網提質增效。從現實情況出發，做好水環境污染現狀分析，識別流域污染特征，實現管線系統優化，以及廠、站、網、河四級聯合調度。通過建立相應的數學模型，評估排水設施的現狀情況等，進行模擬分析對比（包括排水系統的溢流風險及溢流量），對管線設計方案進行調整和優化，并利用模型開展常態化模擬，為管網截污提供全周期支持。

第三，整合防洪應急管理平臺。有效整合排水管理平臺內所有的視頻監控點位，通過三維洪水風險圖展現平臺，獲取洪水路徑（淹沒及退水），預先調動防汛物資，汛期后完成評估、完善及總結工作并錄入系統。構建“預警及時、調度有序、評估科學”的防洪體系，合理調度防洪資源。

6 結語

目前，智慧排水系統建設已經取得一定進展，西方國家在排水系統領域的研究已逐步從理論過渡到實踐應用階段，并取得良好的效果，在遭遇突發性事件時，可以及時參與應急響應和科學決策。國內智慧排水系統研究起步較晚，但是也取得一定的成果，部分東部城市通過建立城市排水管理系統，提高了業務能力和水平。與此同時，智慧排水系統建設管理也存在一些問題，如排水數據信息滯后、管理體制混亂、排水信息化頂層設計缺乏等。針對目前排水系統建設管理中存在的問題，未來需要進行優化升級，包括加強頂層設計、消除“數據孤島”以及排水系統管理平臺再升級等，最終實現城市排水系統智能化。