傳感器技術在智能化排水系統中的應用研究

摘? 要：介紹一種基于傳感器技術的排水智能化管理系統，用以提高排水設施的日常養護和管理效率。該系統采用物聯網和傳感器技術進行在線監測和數據采集，并應用數據挖掘和地理信息等技術開發智能化業務應用平臺，實現對排水設施的日常養護和精細化管理，為排水設施管理提供了有效的解決方案，產生良好的社會效益和經濟效益。文章以廈門市同安區排水智能化管理系統建設為例，展示一種可行的智慧城市建設方式。

關鍵詞：GIS；智能化；大數據；物聯網與傳感器

中圖分類號：TP212.9；TU992? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）19-0181-05

Research on Application of Sensor Technology in Intelligent Drainage Systems

YANG Baolan

（Xiamen Kingtop Information Technology Co.， Ltd.， Xiamen? 361008， China）

Abstract： This paper introduces an intelligent drainage management system based on sensor technology to improve the efficiency of daily maintenance and management of drainage facilities. The system adopts Internet of Things and sensor technology for online monitoring and data collection， and applies technologies such as data mining and geographic information to develop an intelligent business application platform， achieving daily maintenance and refined management of drainage facilities， providing effective solutions for drainage facility management， and generating good social and economic benefits. The paper takes the construction of an intelligent drainage management system in Tong'an District， Xiamen City as an example to demonstrate a feasible way for building a smart city.

Keywords： GIS; intelligence; big data; Internet of Things and sensor

0? 引? 言

城市井蓋和排水管線是現代化城市不可或缺的基礎設施，對于城市的水污染防治、排澇、排漬和防洪等都起著重要作用。然而，原有的管理模式存在著效率低下、更新工作量大等問題，已經無法滿足現代化管理的需求。為了提高排水設施的管理水平，需要利用現代技術手段，如GIS技術、傳感器技術和大數據分析等，實現排水設施的智能化管理和大數據管理。

在此背景下，2019年4月29日，住建部、生態環境部和發改委聯合印發了《城鎮污水處理提質增效三年行動方案（2019—2021年）》（建城〔2019〕52號），要求建立市政排水管網地理信息系統（GIS），實現管網信息化、賬冊化管理，并落實排水管網周期性監測評估制度，建立和完善基于GIS系統的動態更新機制。同時，逐步建立以5～10年為一個排查周期的長效機制和費用保障機制。這些措施將有助于提升排水設施的管理水平，實現智能化管理和大數據管理。

總之，現代化城市的建設和管理需要依托先進的技術手段，將GIS技術、傳感器技術和大數據分析等技術應用于城市基礎設施的管理。通過實現設施的智能化管理和大數據管理，可以提高管理效率和水平，為城市的發展和環境的改善提供保障。

1? 系統構建設計

1.1? 體系架構設計

排水智能化管理系統是以計算機硬件與VPN網絡通信平臺為基礎，以政策、法規、規范、標準、信息化機構以及安全體系為保障，以數據為核心，依托物聯網、物探技術、北斗定位、導航定位技術等支撐構建而成的。在良好的支撐環境下，該系統為排水專業領域內的專業應用提供服務。其系統架構設計包括標準規范、外部系統、基礎設施層、數據層、服務層、綜合應用層和用戶層7個不同層次：

1）法律法規和標準規范。建設項目需要遵循一系列政策法規和標準規范，這些法律法規和標準規范由國家、省、市頒布，旨在規范項目建設過程中的行為。在電子政務領域，還有各種開發建設標準和技術規范需要遵循。這些法律法規和標準規范的遵循對項目的順利進行非常重要。

2）相關外部系統。本系統與其他相關外部系統存在數據交換等關系，例如市政園林局、政府現有各項信息化成果等。

3）基礎設施層。基礎設施層，包括網絡環境、軟硬件設施等，以保障系統順利運行。在本項目建設中，需要嚴格遵循已制定的相關標準規范、協調機制以及管理辦法，在充分利用現有資源基礎上，進行項目系統開發建設。

4）數據層。數據層是系統的核心，以市政設施數據平臺為基礎，包括基礎地形數據庫、遙感影像圖數據庫、管線空間數據庫、市政設施業務數據庫、其他設施數據庫、泵站和廠站信息數據庫等。

5）應用支撐層。應用支撐層承上啟下，主要包括工作流引擎和各類中間件，用于支持系統應用的研發。

6）應用服務層。綜合應用層則構筑多層次的服務體系，是系統核心功能的外在體現，面向各級用戶提供服務，包括排水管網數據管理子系統、排水管網共享應用子系統、PDA巡檢上報子系統、附屬設施管理子系統、泵站管理子系統等。通過各系統的協同應用，為用戶提供數據可視服務、數據管理服務、動態標注服務、專業分析服務等一系列服務支持。

此外，系統提供統一數據集成及共享接口，以實現與廈門是綜合管網系統和同安區現有業務系統（如同安區排水防澇應急指揮平臺等）的數據共享應用。

7）用戶層。用戶指平臺的直接用戶，分為系統管理員、系統應用維護人員以及各級領導等幾大類，如圖1所示。

1.2? 網絡架構設計

系統物聯網傳感器通過APN網絡上傳數據，具體架構圖如圖2所示。

1.3? 智能排水中物聯網傳感器

通過對液位計、水質、工作狀態等參數信息進行監測，獲取原始數據，將獲取的數據通過互聯網或移動互聯網等途徑進行上傳，對上傳的數據進行存儲、分析整理，將結果呈現給用戶。

1）低洼液位計：主要監測低洼地路面積水量監測。

2）水質檢測儀：重點區域排口在線水質、流量監測等水質數據。

3）雨量計：雨量計是用于測量并記錄各種雨量或水位信息的綜合觀測儀器。

4）液位計：對井內積水和淤泥的高度情況進行監測。

傳感器監測示意圖如圖3所示。

1.4? 以技術標準指導項目建設

項目建設啟動之初，首先完成了相關技術標準的建設，特別是數據標準。在參考行標、地標的基礎上，對于各類型市政設施的數據精度、屬性字段等做出了明確要求，以此指導后續數據更新、數據建庫等工作的開展，從源頭保證了項目成果的質量。

1.5? 數據庫建設

數據建庫工作，需要將地理空間數據與業務專題數據結合，將常態數據（基礎地形圖數據及排水管網專題數據）與非常態數據（視頻圖像數據、運行監測數據及巡檢數據等）結合，將歷史數據與現勢數據相結合，建立全面、精確的市政數據平臺。

排水管網空間信息數據是否全面、完整、準確、及時，將直接關系到項目的實施。因此，本項目建設應首先以數據為重點，嚴格進行數據質量控制，將此思路貫穿到數據處理、入庫、數據庫建設、應用系統開發、數據更新和分發等項目建設的每一個環節。

1.6? 大數據云計算分析技術

排水管網監測上傳頻率較大，造成數據量巨大，需要應用大數據管理方法予以管理和應用，而大數據管理的重要方面就在于其響應速度。通過一系列技術研發工作，有效提升了大數據查詢及展示的速度，從而更好地滿足用戶需求，所使用的技術方法包括兩種：一是應用綁定變量循環查詢的優化方式，優化查詢速度；二是應用ECharts控件展示圖表，優化渲染速度。各類管線、點及屬性統計界面如圖4所示。

1.7? 大數據排水管網信息有效應用

將GIS技術、物聯網結合傳感器技術有效應用于排水設施信息化管理，將大數據排水管網的空間及屬性信息準確、直觀、多層次的顯示輸出給用戶，同時結合用戶的實際業務需要，提供管線設施屬性數據查詢、信息統計和多角度的空間分析操作，協助用戶實現對大數據排水管網的信息化、動態化管理，為管理者提供充分的決策依據。傳感器設備監測展示結果如圖5所示。

1.8? 多源大數據集成管理

系統提供市政排水管理“一張圖”展示功能，通過對排水管網數據的歸集整理，在當前地圖上實現項目資料的多角度、多層次的展示，可以將多類型的排水設施以不同的符號展示在一張圖上，全區市政排水設施的總體分布情況一目了然。多源數據一張圖展示效果如圖6所示。

1.9? 對排水管網等的遠程調度

根據大數據排水管網拓撲關系、污水廠和泵站位置分布等基礎數據，建立廠、站、網智能調度分析模型，根據收集水量，結合上游管網實時監測數據和歷史數據的監測結果，根據調度管理預案為排水優化調度提供輔助管理。

1.10? 城市防洪預警處置分析

對大數據排水管網監測傳感數據的狀態告警、結合巡檢運維工作開展綜合管理與分析，針對城市內澇問題提供事故預警和排澇方案生成的流程化技術支持，一方面可以避免防洪排澇工作的盲目性，另一方面可以大大提高事故處置效率。

2? 系統建設應用和效果

2.1? 提高排水設施管理效率

加強城市排水設施信息化管理，可以有效提高排水設施日常管理效率，可以更好地發揮管網在城市規劃、建設、管理工作中的基礎地位和作用。在面對突發事件和災害時，排水系統可以有助于輔助相關領導快速做出正確的決策和有效的救援響應，減少災害造成的損失。項目建成后將有利于雨污分流工作開展，提高城市排水能力，改善城市景觀，促進城市精細化管理，大大提高日常工作效率。

2.2? 助力城市水污染治理工作

水污染不僅會影響市容市貌，還會降低城市居民的生活質量，水污染治理是各大城市亟須解決的重要問題之一。本次項目建設，不僅實現了同安區城區內部排水管線的管理，同時預留農村生活污水管道數據入庫及管理功能，通過系統的應用，將有效改善水環境，進而提高城市整體形象。

2.3? 提升城市公共服務能力

在《關于促進智慧城市健康發展的指導意見》（發改高技〔2014〕1770號）中，智慧城市建設的基本原則是要以“為民、便民、惠民”為突出點，推動城市管理和公共服務方式的創新，為城市居民提供廣泛覆蓋、多層次、差異化、高質量的公共服務，避免強調建設而輕視實際效果，讓公眾分享智慧城市建設成果。廈門市政務服務戰略部署的重要方針是構建服務型政府，其關鍵措施包括深化行政管理體制改革、完善公共服務體系、提高行政效能、提升基層政治民主建設水平、擴大人民群眾民主參與、改善社會民生和健全社會管理，解決人民群眾最關心、最直接、最現實的利益問題；同時，還需要優化升級城市系統，持續發展市政公用事業，不斷提升城鄉區域統籌一體化水平。

2.4? 提升大數據決策分析能力

《廈門市推進新型基礎設施建設三年行動計劃（2020—2022年）》正式出臺。標志廈門開啟全面建設新型基礎設施行動計劃。在智慧化的城市管理階段，市政管理要從問題“發現—解決—再發現—再解決”的循環中有突破，必須要實現管理關口前移，要實現被動處置向主動預防的轉變，通過分析市政管理問題發生的規律，找出其中本質的原因，從根本上加以預防，提高決策的科學性和管理的水平，極大地降低政府管理成本。同時，建立“用數據說話、用數據決策、用數據管理、用數據創新”的管理機制，實現基于數據的科學決策，將推動政府管理理念和社會治理模式進步。

3? 結? 論

廈門市同安區排水智能化管理系統基于傳感器技術在線監測排水數據，利用數據挖掘技術和地理信息等技術，開發了排水系統的各類智能化業務應用平臺。該系統以排水設施的大數據信息管理需要為出發點，根據排水系統管理行業特征，將GIS技術、物聯網與傳感器技術有效應用于排水設施大數據信息化管理。系統運用的物聯網結合傳感器技術、大數據分析技術是未來產業競爭的核心動力。

近年來政府推出了扶持政策及保障措施，推動了物聯網技術、大數據技術在各領域的應用。但在實際應用中，需要清醒認識到數據準確性和設備穩定性的重要性。需要綜合利用性能穩定可靠的軟硬件設備，熟悉掌握應用技巧，才能確保排水智能化管理系統在實際應用中產生良好的社會效益、環境效益和經濟效益。該系統實現了對已建排水設施的日常養護，嚴格實施管網巡查、檢測、清淤和維修等機制，切實落實日常養護、管理責任，為同安區排水設施管理提供有效的解決方案。

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作者簡介：楊寶蘭（1982.08—），女，漢族，福建漳

州人，軟件工程師，本科，研究方向：大數據、智能化、GIS。

收稿日期：2023-04-05