智慧化趋势下的上海排水行业信息化建设

时珍宝，庄敏捷，严 寒

(1.上海市水务规划设计研究院，上海 200233；2. 上海市排水管理处，上海 200001);3.上海碧波水务设计研发中心，上海 200233)

随着城市化进程的加快，市政公用基础设施的建设不断完善，排水系统的建设也日趋成熟。近年来，“智慧城市”、“智慧水网”、“物联网”等新的信息化建设目标和建设理念不断涌现，对城市排水信息化建设提出了新的要求和挑战。为进一步提高排水行业管理的科技水平，增强应急排水能力，越来越多的信息化技术运用于排水领域。在城市智慧化发展的大趋势下，本文分析上海排水行业核心数据库和业务化应用系统的建设重点，并对排水管网模型构建的主要任务进行讨论。

1 信息化技术在排水领域的应用

城市排水管网基础数据、业务数据与专题数据是排水管网信息化建设的基础，确保市政信息资源能够被充分的整合，进而能够有效地获取、传递、处理、再生、利用这些信息。排水在线监测、排水模型和地理信息系统的建设是城市排水管网信息化的重要组成部分，为实现上述目标，越来越多的信息化技术运用到排水领域。

目前，很多发达国家已经建立了城市排水管网信息化系统，用GIS强大的空间数据库将排水管网空间数据和非空间数据(属性数据)结合在一起，凭借GIS软件的空间可视化功能对城市管网进行管理、维护和决策。我国专业的管网地理信息系统始建于20世纪80年代，近年来随着数字化城市计划的提出，管网系统信息化越来越受到重视，许多城市建立了自己的城市管网信息系统[3]。

遥感技术作为排水设施监测的“智能感知”信息技术，为数据的获取提供了科学手段。利用SCADA系统可在监控中心实时监控排水管线液位、流量、流速等数据，实现系统的在线故障报警，提升了整个城市排水管网的安全运行。此外，无人机遥感、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术和GPS差分定位技术，能够实现自动化、智能化、专用化快速获取空间感数据，并可完成遥感数据的处理、建模和应用分析[4]。

计算机网络技术和云技术是在建立一系列网络平台的基础上，实现远距离通信和交易，以及相关数据信息传播和共享的一种技术模式，为实现排水监测数据的“智能传输”奠定了基础，也为信息资源和硬件资源共享提供了可能。从世界范围来看，计算机网络技术和云技术应用于城市排水信息化建设是必然趋势之一。

排水管网模型为实现“智能分析”提供了技术手段，其是采用数学建模与计算机模拟相结合的方法研究城市排水管网系统的规划设计、运行控制、维护管理等工程环节的技术工具，可实现多个环节的最优化。

此外，建筑信息模型技术(BIM)、虚拟现实和排水设施资产管理系统等组成了“智能管理”。BIM与虚拟现实相结合，可使排水设施展示三维化，生动具体表达空间布局，还可对排水管道中的水流进行模拟，进行复杂的水力计算。在排水设施运行维护过程中，利用GIS技术、数据库技术、Web技术等管理排水系统的海量资产数据，实现长期化、精细化与周期化的资产管理。

2 排水行业发展对智慧化信息系统的需求分析

信息化是当今世界社会经济发展的大趋势，是推动社会经济变革的重要力量，大力推进信息化是实现我国现代化建设的重要战略举措。上海市排水行业信息化建设，需结合排水行业特点及发展趋势，针对当前存在的突出问题，着重把握以下几方面工作。

(1)满足排水行业现代化管理要求

在排水行业整合优势更加突出的背景下，围绕经济调节、行业监管、社会管理和公共服务的基本职能，提高排水行业管理的现代化水平。通过加强排水行业信息资源的共享和利用，提升工作效率；通过加大智慧应用和智能决策系统建设，提升排水行业科学决策能力；通过电子政务系统的深入应用，提升行政管理的效能；通过便捷高效的现代化服务方式，提升排水公共服务水平。

(2)推进排水系统核心计算引擎的应用

上海排水行业需紧密围绕“水安全”和“水环境”目标，以排水信息化带动排水现代化，充分利用排水管网模型技术的核心计算引擎作用，作为整个信息化系统的大脑，提升排水行业调度决策的快速应对能力，全面实现智能感知、精细化预报、预警联动和智能处置。

(3)排水业务应用与新兴技术相融合

当前，物联网、云技术、遥测技术日益成熟，更多新兴技术不断涌现，深刻影响着社会经济的发展。在响应国家网络强国战略和大数据战略、大力推动信息化建设的背景下，排水信息化发展环境随之发生深刻变化，上海排水信息化建设需充分利用现有基础和经验基础，不断将排水业务应用与新兴技术进行深度融合。

3 智慧化趋势下的上海排水行业信息化建设主要任务

3.1 优化完善行业核心数据库与业务化应用系统

在智能水网框架下，上海市排水行业信息化建设基本完成了资源整合、信息共享和系统集成等工作，排水智能感知能力和智慧管理水平得到明显提高[5]。“十四五”期间，需根据行业发展的需求，不断优化完善行业核心数据库与业务化应用系统。

(1)完善数据系统平台，包括上海市排水行业核心数据库和多级排水信息化系统等。

(2)优化完善多级网络平台构架，充分利用外联区、核心枢纽区与接入区组成的网络构架，依托水务局共建共用的“共建共用分布式数据库群，进一步全天候实现与市水务局、各区主管部门(防办)、排水设施运行调度企业之间的数据交换共享，如图1所示。

图1 上海市排水数据网络传输示意图Fig.1 Schematic Diagram of Data Transmission of Shanghai Drainage Network

(3)加大业务应用系统的投入，以提升业务管理水平为目标导向，不断将信息化技术融入排水业务管理，提升排水设施规划、设计、运行、维护和管理的效率，如排水管道检测、排水泵站监管、污水厂监管、积水点监测、排水模型建立、数据信息维护等。

(4)强化网络安全管理，进一步规范上海排水行业地理信息数据维护机制，加大对网络建设、网络接入、设备安全、机房安全、用户安全、应急处理的管理力度。

3.2 构建以排水管网模型为核心计算引擎的智慧化运调体系

经过16年的探索，以上海市水务规划设计研究院、上海碧波水务设计研发中心模型团队为代表的技术人员，已将计算机排水管网模型仿真技术应用于排水系统的能力评估、设计优化、运行管理等领域，为排水系统的精细化管理提供了一条行之有效、科学可靠的手段和途径，已成为重要的技术发展趋势。上海市排水行业运行调度平台建设可在信息化的基础上引入模型，以仿真技术为核心的计算引擎，以业务化应用系统为中枢神经，实现行业管理的智慧化。

3.2.1 构建中心城五大外排干线运行调度模型

上海市中心城的污水集中外排处理格局包含5条已建污水外排总管：西干线、南干线、合流一期工程总管、污水二期工程总管、污水三期工程总管等，它们在上海市中心城区污水治理中发挥了关键作用，而确保干线系统的安全高效运行是上海污水治理的首要任务，如图2所示。

图2 上海市中心城区污水外排干线示意图Fig.2 Schematic Diagram of Wastewater Discharge Main Lines in Downtown Shanghai

利用InfoWorks ICM等模型软件，构建上述5大外排干线的主干管网模型，接入各支线泵站、中途泵站和末端污水厂的实时运行数据，可实现以下3种工况的仿真演算。

(1)旱天通过优化调度，均化各干线的逐时输送水量，避免局部产生高水位而带来的污水冒溢风险，并实现全网总体节能减排。

(2)暴雨时，结合可视化的系统调度预案库，根据水力学分析结果对支线泵站的运行工况进行干预，同时加强干线间的流量调度，确保全网高峰流量、最高水位处于可控状态，保障干线的运行安全。

(3)结合连通管规划方案，通过对事故时污水外排干线的应急调度进行仿真演算，制定各污水干线之间的应急调度方案，将对环境可能造成的损害降到最低。

3.2.2 构建中心城排水防涝运行调度模型

上海市中心城规划强排系统245个，服务面积为564 km2。雨天通过对各排水系统的运行状况进行监控和调度，可降低初期雨水放江和暴雨积水的风险，有利于两水平衡的实现。当发生中小雨量时，雨水排水系统服务边界相对清晰，通过优化单个泵站的运行调度方案，即可减免初期雨水的放江量，保护水环境。当发生超设计标准降雨时，各排水系统的服务范围相互交错，以排水模型为计算引擎，通过分析下垫面竖向高程和管网系统间的高程关系，可将一定范围内的排水系统作为一个整体，通过泵站群的一体化优化调度实现整个区域防汛安全受益的最大化，这种受益可以是区域整体风险最小，也可以是重点地块的优先保障。在夏季发生不均降雨时，泵站群的联合优化调度对保障城市局部地区的防汛安全具有显著意义。

根据国家要求，上海排水系统提标改造已列入工作计划。在“绿、灰、蓝、管”多措并举的规划理念下，需借助已构建的排水系统管网模型，对改造方案进行效果评估和再优化。以上海市黄浦区老西门街道和豫园街道为试点，上海碧波水务设计研发中心通过构建排水管网模型进行仿真计算，制订了绿色排水设施建设与局部排水管道扩建相结合的多系统联合提标方案，取得了较好的效果。

3.2.3 构建重点地区积水实时预警预报试点模型

近年来，气象科学方兴未艾，对台风暴雨和短时强降雨的预报参数越来越丰富和准确，为排水管网模型提前介入演算创造了条件。通过提前仿真演算，可推演出预报降雨工况下，排水系统在整个降雨历时的水力学状态，提前预知可能发生积水的具体位置、发生时间、积水深度以及积退水时长等技术参数，为减少灾害损失创造条件。上海市水务规划设计研究院和上海碧波水务设计研发中心在徐家汇肇家浜地区进行了积水灾害实时预警预报技术的研发，取得了较好的成效(图3)，下一步可在气象雷达

图3 研究区域典型降雨、地形及三维积水示意图Fig.3 Schematic Diagram of Typical Rainfall, Topography and Three-Dimensional Waterlogging in the Study Area

数据解析、管网和下垫面数据精密度提升以及大数据耦合方面进一步开展工作，为未来构建更高水平的智慧化运调平台做好技术储备。

4 结语

排水系统的运行调度管理是一个集工程学、管理学、信息学为一体的复杂过程，虽然信息化可以给调度人员提供较好的系统展示，但长久以来调度经验和人工理论推算仍然是排水系统运行调度的主要手段，这显然制约了上海这样一个世界级超大城市排水系统的精细化管理。随着智慧城市建设的开展，以模型仿真技术为核心计算引擎的排水系统一体化运调平台的建设迫在眉睫。通过不断完善行业核心数据库和业务化应用系统，借助模型仿真技术，上海排水行业管理部门可在污水外排调度、初期雨水治理、暴雨避险减灾以及资产优化管理等领域实现管理水平的提升。