污水管网远程数字化管理系统设计

刘嘉夫，齐　昕，张国利

（1.重庆水利电力职业技术学院，重庆402160；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，陕西西安710075）

经验交流

污水管网远程数字化管理系统设计

刘嘉夫1，齐昕1，张国利2

（1.重庆水利电力职业技术学院，重庆402160；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，陕西西安710075）

结合重庆市污水管理处对排水管网进行数字化管理的工程实例，介绍了基于虚拟专用网的污水管网数字化管理系统的设计方案和组成结构。由于管辖的污水管网覆盖面积大、流通里程长，因此采用逐级分区、区域分片和终端远传的分级分区监控布局设计。使用非对称数字用户线路挂载虚拟专用网的网络拓扑方案，实现对远程分散泵站的自动化控制和管理，同时实现对污水各项参数指标数据和图像的实时监控存储。测试结果表明，该污水管网数字化管理系统的数据传输实时性、可靠性较好，具备远程访问功能，达到了项目设计要求。

污水管网；远程数字化管理；分级分区布局；虚拟专用网

1　工程概况

重庆市污水处理工程关系着三峡库区的水质安全问题，为进一步提高污水管网监控管理的透明性、实时性和便捷性，在“十二五”期间对重庆市某排水管理处开始推动污水管网远程数字化管理系统的总体规划和试点工作。该排水管理处下辖4个污水处理厂，覆盖面积7 124 km2，管网长度合计约422 km，共有41个泵站。目前已完成该区域污水管网远程数字化管理系统总体规划和节能方案论证，目前已进行下辖的一座污水处理厂和周边区域排水管网的数字化管理试点工作。

2　总体规划

2.1总体设计

污水管网远程数字化管理系统以GIS地图和计算机数据库为依托，将污水管网的相关数据信息化、数字化后纳入到系统中，通过虚拟专用网（VPN）〔1〕将需要监控的数据上传到控制中心。由于管辖区域大，综合考虑VPN传输的资源配置，按照逐级分区、区域分片和终端远传的原则〔2〕，由排水管理处综合管理调度系统控制中心，向下以各污水管理厂为区域中心划分4个不同系统分区，各分区依照管网分布特征和复杂程度配合接入终端的管网参数测试装备和监控录像，实现各泵站的无人值守，并整合智能巡更系统对系统硬件进行定期检查登记，实现整个管网数字化管理系统的数据流通和综合调度机制〔3〕，其总体设计如图1所示（图中只列出一个污水处理厂和一个泵站及监控点的情况，其余污水处理厂、泵站、监控点设计情况类似）。

图1　　项目总体设计

2.2数字化基础工作

过去的污水管网相关的管理水平相对较低，主要依靠传统的以图纸为主要手段的模式〔4〕，要对整个管网系统进行数字化管理，依托计算机技术进行信息化深度处理是进行数字化管理的基础，主要面向3个方面：（1）基础资料管理的信息化；（2）检查维护信息化和经常化；（3）管网状态数据信息化。在资料管理信息化工作中，通过与重庆大学等高校合作，将污水管网的纸质图和CAD电子图转换存入系统数据库中，并使用GIS地图功能对CAD图矢量化处理，形成多个符合地理信息且定义明确的矢量化有序图层集合，在这种模式下可以在计算机中方便地进行管网数据的编辑和更新；虽然进行信息化管理，但定期的巡线检查必不可少，同时引入智能巡更体系，由维修人员定期对管网管理系统的硬件进行检查维护并录入系统；在此基础上使用测量装备如水质参数在线分析仪、流量计等监控工业污水排放量和参数指标，包括COD、氨氮和总磷等，当指标超过系统设定的上限时，系统将会自动声光告警，并在地图系统中显示上游的排放用户，根据超标的指标特征缩小非法排放用户范围，以进行下一步处理，并将日志数据存入数据库中。其数字化基础工作内容如图2所示。

图2　　数字化基础体系

2.3网络结构

污水管网远程数字化管理系统旨在以信息化代替传统的人力值守，以前的污水管网各泵站需要工作人员24 h值守，同时由于郊区地域范围大，造成人力、资金和管理上的投入较大，数字化管理系统着力于控制自动化、无人化，主要依靠网络进行远程管理，安全快速可靠的网络布局是实施数字化管理的基础。由于系统传输的数据包括图像、污水参数和泵状态参数，数据流量较大，前期考虑使用移动公司的GPRS通讯方式，该方式使用无线通信模块提供透明快速的数据传输，并可提供最大约120 K的传输速率，但经过论证发现当10个泵站同时传输数据时，即使在数据打包压缩的情况下峰值数据率也超过800 K，因此GPRS传输方式不可取，经比较使用VPN传输方式，VPN是在公众网络上建立的虚拟内部网络，数据使用“加密安全通道”在公众网络上传输，不仅成本低，并且通信速率高，适宜图像、数据整合的高速数据通讯〔5〕，而且便于扩展和管理，可以逐步将重庆市的污水管网纳入到数字化管理系统中。

由于该污水管理处管辖区域面积大、泵站多且分散，因此使用逐级分区、区域分片和终端远传的分级分区监控布局，在ADSL上挂载VPN网络实现数据传输，路由和网关使用公共的ADSL网络，通过配备交换机将各泵站和监测点的数据传入交换机中，通过VPN将数据包传输到区域中继再传输到控制中心，各泵站和监测点的交换机前端连接硬盘录相机、工业控制计算机和支持TCP/IP协议的可编程逻辑控制器（PLC）等，主要数据内容包括：（1）排放量和相关参数指标；（2）PLC数据；（3）监控录像数据；（4）定期巡检数据等。网络区域中继目前规划设置于污水处理厂，除将下辖监测点上传的数据上传给控制中心外，还需将自身的相关参数如排水口水质参数等上传给控制中心，在控制中心统一管控管网系统，并将相关数据存入数据库。其数据传输的网络结构如图3所示（其中的虚线框内网络结构由电信公司完成，项目组主要负责配置交换机，不同级别的交换机设置不同的VPN网关）。

图3　　网络结构

3　试点实施

由于该排水管理处管理的泵站和污水管网区域面积较大，项目工作量较大，但工作内容较为重复，因此在十二五期间先行进行试点推广，在试点的基础上优化改进后于十三五期间进行全面实施。试点选择重庆市郊的一个污水处理厂，该厂于2011年建成投产，进水中工业废水占60%，生活污水占40%，废水处理使用改良A2/O工艺，下有泵站14个，并于大型企业排水口处设置监控点7个，使用就近泵站的交换机接入VPN网络，其网络结构和图3介绍的相同。

3.1数据录取及传输

该污水处理厂下辖有14个泵站，进行数字化改造后将各设置一部监控摄像机进行无人值守，但其中半数泵站处于人流较为密集的交通要道，因此增设一部监控以加强泵站的安全性。泵站的监控图像和泵运行数据接入该泵站的交换机，通过VPN网络传输到污水处理厂。

由于该污水处理厂的管网区域内有7个大型排放企业，为加强排放管理，在企业排水口处设置流量计和在线分析仪进行排放监控以掌握企业排污情况。主要使用水量在线分析仪、COD在线分析仪、氨氮在线分析仪和总磷在线分析仪对排污处的排放参数指标如排量、COD、NH3-N、SS进行实时监测，这些监测装置通过就近的泵站接入到VPN网络中。

泵站和排污口共计21个监测点，相关设备共计约80个，对系统的管理带来挑战，为增强系统的可靠性和管理便捷性，必须加强巡视维护，因此设置1周1次硬件设备巡检，由专门的工程人员负责，并在各泵站设置智能巡更系统，同样接入到VPN网络中，当工程人员巡检硬件设备时需录入到巡更系统，如发现硬件故障征兆必须立即上报经批准后更换配件。

泵站等监测点通过VPN网络将数据传输到污水处理厂，污水处理厂同样进行自动化改造，可以实时监控自身的排放参数，同时收集自身的PLC系统参数，与监测点上报的数据打包后通过VPN网络传输到控制中心。

3.2节能技改

在数字化项目试点工程建设过程中，同时对各级水泵进行节能技改，主要集中在由前期统计数据得出的运行效率低下的水泵设备〔6〕。分析发现有两处水泵由于11：00～14：30时段内管网进水量较小同时水位较低，因此水泵会频繁地开关机，水泵电机损耗和电控元件老化加速，使用寿命只有其他水泵的70%，经研究分析使用水泵变频技术进行技改，主要方法是在水泵控制柜内增设智能数字仪表和变频启动装置，包括ATV61变频器、PMC型多功能智能数字仪表、150 kW变频柜等，经过变频改造后，这2个水泵的抽升水量可控制在有效范围内，在水位较低的时段内自动变频，不再频繁开关机，延长了设备的使用寿命。

同时将周巡检工作也纳入到节能考核工作规程中，对水泵和数字化配套设备建立电子台账，并按季度实施考核，重点对水泵、在线分析仪、交换机、变频设备、PLC等设备的结构、运行效能进行测量评估，及时发现设备故障预兆，保证各设备处于最佳运行状态从而达到降低能耗的目的。

3.3效果测试

试点工程项目完成后，对管网远程数字化管理系统的各项性能进行测试，测试结果为：

（1）系统具备继线续传功能，在VPN网络交换机人为断线1 h，重新连接后数据续传后读取正确。

（2）系统具备远程访问功能，由于VPN网络可远程登陆的特点，只需连接互联网再拨号到VPN网络上，可实现系统的远程访问和管理。

（3）系统的传输实时性合格，网络传输延时最大不超过2 s，满足设计要求。

（4）系统的传输可靠性合格，由于VPN网络能够进行错误包处理，系统的数据传输正确率达到99%以上，后经过软件插值校正，进一步提高了传输正确率，可达到99.9%。

（5）系统的传输带宽合格，通过数据压缩和打包在VPN网络中最大传输量达到1 Mb/s，为网络带来较大负担，为提高传输性能在软件中设置分时存储转发机制，将传输率降低至300 kb/s。

（6）系统的显示频率合格，监控中心可设置数据刷新时间为1、5、10、30、60 s，默认刷新时间为30 s。

在控制中心的软件系统中，可查看管网各监测点的各项参数，实时了解管网动态并及时发现企业超量排污。

4　结论

通过VPN网络和分级分区体制，排水管理处实现了对下属的污水处理厂和污水管网的动态实时监测，试点运行结果表明可大范围推广这种数字化、自动化、信息化的管理方式，解决污水管网监测点分散给整个管网管理带来的不便，实现集数据、图像于一体的大流量通讯，但仍有部分问题需要解决，如：各监测点的监测设备模块化建设，可集成各项设备于一体便于检查和维修；智能巡更系统的信息交互过于简陋，计划采用外协的方式开发更具针对性的巡更系统用于完善的巡检信息交互等，这些问题都将在下一步的工作中跟进解决并测试，以构造一个更趋完善实用的污水管网远程数字化管理系统。

［1］万科星.基于VPN的自来水管网无线监控系统设计［J］.自动化与仪表，2012，24（2）：27-29.

［2］许刚，朱子朋，刘文杰，等.大规模供水管网分级分区计量应用研究［J］.给水排水，2015，41（1）：96-98.

［3］陆国锋，李继松，方燕，等.污水管网的优化设计研究［J］.中国给水排水，2012，28（21）：99-102.

［4］邱鸿荣，罗建中，郑国辉.城镇污水管网现状调查及整改对策研究［J］.地下空间与工程学报，2011，7（6）：1258-1262.

［5］向小宇，周志雄，童成彪.小区自来水管网压力自动控制系统设计及性能分析［J］.给水排水，2015，41（1）：155-160.

［6］杨青娟，朱钢.雨水管网和城市绿地的协同优化设计研究［J］.中国给水排水，2014，30（7）：94-98.

Design of the remote digital management system for sewage pipeline networks

Liu Jiafu1，Qi Xin1，Zhang Guoli2
（1.Chongqing Vocational Technical College of Water Reservation and Electric Power，Chongqing 402160，China；2.CSCEC AECOM Consultants Co.，Ltd.，Xi'an 710075，China）

Combined with the case study on the digital management for drainage pipeline networks implemented by Chongqing Municipal Sewage Management Department，the design project and component structure of the digital management system of sewage pipeline network based on virtual specific networks are introduced.Since the coverage area of the sewage pipeline under control is large，and the circulation course is long，the topological design of grading and zoning monitoring via the stage division，regional division and terminal remote transmission has been used. Using the network topological project on the asymmetric digital subscriber line carried virtual specific network has realized the automatic control and management of the remote scattered pumping station，and realized the real-time monitoring and storage of all the parameters，indexes，data and images of the sewage.The detection results show that the real-time data transmission and the reliability of the sewage pipeline network digital management system are better，and have remote access function，meeting the requirements for the project design.

sewage pipeline network；remote digital management，grading and zoning arrangement，virtual specific network

X703

B

1005-829X（2016）01-0099-04

刘嘉夫（1981—），硕士，讲师。E-mail：liujiafu1981@126. com。

2015-11-28（修改稿）