管网卫士 智慧排水

■ 张雪华 祖彦方

随着城市的不断发展，中国城市内涝事件频发，城市灾害已经成为普遍性事件。越来越多的城市管理者开始重视和加强对地下管网等基础设施的管理。为此，国家推动海绵城市建设，在城市建设过程中系统地设置排水管渠排渍除险设施，旨在借助智能化、智慧化手段解决问题城市排水问题。

一、政策助推破解城市内涝

在2005年，习近平总书记提出“绿水青山就是金山银山”，并把保护环境作为国家的基本国策，国家治理水污染的力度逐渐加大，尤其是近5年来，国家针对城市排水和城市水环境治理等工作颁布了一系列配套管理政策，其中包括：

（1）2013年3月25日，国务院办公厅发布《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》。

（2）2013年9月18日，国务院常务会议审议通过《城镇排水与污水处理条例》，2014年1月1日起施行。

（3）2014年6月3日，国务院发布《关于加强城市地下管线建设和管理的指导意见》。

（4）2015年2月，中央政治局常务委员会会议审议通过《水污染防治行动计划》（《水十条》），同年4月16日正式发布。

（5）2015年9月21日，住房城乡建设部发布《住房城乡建设部办公厅关于开展城市排水防涝检查工作的通知》。

（6）2015年10月16日，发布《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》。

（7）2015年8月28日，住房城乡建设部、环保部、水利部、农业部联合印发《城市黑臭水体整治工作指南》。

（8）2016年8月16日，住房城乡建设部发布关于提高城市排水防涝能力推进城市地下综合管廊建设的通知。

（9）2016年9月5日，住房城乡建设部印发《城市黑臭水体整治—排水口、排水管道及检查井治理技术指南》。

（10）2016年9月5日，住房城乡建设部发布《城镇排水管渠与泵站运行、维护及安全规程》行业标准，2017年3月1日生效。

（11）2017年2月20日，住房城乡建设部发布关于行业标准《城市综合地下管线信息系统技术规范》的公告。

（12）2017年7月6日，住房城乡建设部印发关于《城镇污水处理工作考核暂行办法》的通知。

二、地下管网现存主要问题

城市现有排水管网普遍存在以下主要问题：

1．雨污混接，清污不分。老城区雨污合流、分流制地区雨污混接，导致雨水管中有污水，污水管中有雨水，雨水、污水不能“各行其道”。铺设在地下水水位以下的排水管道，由于各类结构性缺陷和排水口的不完善，导致地下水等外来水渗入管道，加之受纳水体水倒灌入管道，造成“清污不分”。

2．雨水管道养护不利造成突发性污染。雨水调蓄池不足以全部收集初期雨水、清通养护不及时造成雨水管道中存在淤泥，排污泵站又缺少污染物拦截手段，在强降雨或雨前放空时造成“一腔黑水”入河，对河道水体造成突发性污染。

3．管网缺陷导致无法验收使用。管道缺陷、地质条件变化、施工设计有缺陷、施工方案不合理、施工监管不健全等因素造成新建截污管网出现局部塌陷、接头错位、管道破损等情况，截污管网不能达到设计要求，不能验收使用。

4．管网基础数据缺失。管网地理信息档案不完整，管道位置与施工图不符合情况多见，管道走向、连通情况不明，造成养护处置困难。管网健康档案不完整，管道健康数据收集和处理困难。

5．管网维护机制不健全。管网维护工作量大，人力、物力和经费缺口较大。管网维护滞后，不能够及时发现管道中存在问题、缺陷。老城区管道养护治理困难，小区管道养护治理机制不健全。

图1 地下排水管道内的常见问题

三、智慧排水，系统决策

因缺少信息化养护工具和管理手段，绝大部分地方市政尚未掌握地下排水管网的GIS（地理信息）和DEM（数字高程模型）数据，对排水管网的走向、连通情况、健康状况、淤积情况等尚无准确的支撑数据，日常管养难度大、效率低，难以满足应急响应和处置的需求。

基于以上问题，在现有设施基础上加装智能机器人巡检监测系统和排水处置系统，构建智慧排水运维软件平台，建设智慧化排水综合治理体系，实现地下排水管网的常态化智能监测预警、智慧化决策和处置，已迫在眉睫。

基于以上分析，深圳市施罗德工业测控设备有限公司（后文简称施罗德）提出了系统化智慧排水方案，其主要内容包括：

（1）形成地下排水管网GIS数据库。开展地下排水管线勘测，获取GIS和DEM数据，接入所在地的管理信息系统，形成地下排水管网GIS数据库。

（2）建立高时效监控系统。建设排水管网智能机器人巡检监测和管道自净系统，使用智能巡检机器人（USR系统）、智能井盖、智能水闸等智能装备，实现机器人巡检、井口定点监测、管道自动拦蓄冲洗等，实现常态化的排水管道运行动态信息收集和管道自净处置，形成具有智慧化决策能力和一定处置能力的高时效性监控系统。

（3）建立智慧排水运维软件平台。接入智能机器人监测系统收集的管网动态监测数据以及人工养护数据，实现对管网设施的监控、预警、报警、仿真模拟与运行分析，实现管网精细化养护管理，为管网维护提供全流程、精细化、标准化的管理模式，保证排水调度的科学性与合理性，提高应急响应速度和处理能力。

施罗德提出的新一代智慧排水方案，在完成管网清淤工作的基础上，对地下管网进行勘察和排查，建立GIS数据库，初步掌握区域内的管道健康状况和积水成因，选定智能机器人巡检路线和监测点。针对各区域特点，设计和建造区域的智能巡检监测系统，对区域内的管线淤塞和积水情况进行长时间自动监测，为管道自净处置系统方案设计和实施提供依据。

下水管道区域情况很复杂，积水、管道淤积都很常见，如图2所示。现将智慧排水方案的具体工作流程详述如下。

图2 下水管道内部情况示例

（一）管线勘察

管线勘察工作主要是测定窨井口和管道口的水平坐标和标高、管道规格、材质、井室规格等，形成2D/3D测量图，并将测定结果录入地下排水管网GIS信息系统。对于存在走向变化的管道，可以精确测定整条管道的水平坐标和标高。

管线勘察作业主要借助管线勘察作业系统（见图3）完成。该系统是用于管线测绘、检测和调查的作业系统，能够在无水和少水管道中完成无人化作业任务，主要由CCTV管道检测机器人、水下机器人、惯性测绘仪、QV潜望镜、环扫声呐等组成。该系统通过精确测量机器人在管线内行进的位置对管线进行定位，能够达到2cm～20cm的水平和标高定位精度，实现对管线走位的精确测绘；使用环扫声呐（套水）和视频图像（无水）对管道进行检测，查找管道缺陷。

图3 管线勘察系统

系统主要包括以下设备：

1．CCTV管道检测机器人：它是在管道内爬行的机器人平台，用于无水或少水的管道内勘测。机器人平台能够搭载摄像头、定位装置、成像声呐、环扫声呐、机械臂等作业载荷，在地面人员操控下完成可视化管道内作业（声呐成像效果见图4、图5。）

2．QV潜望镜：它是一种便携式快速检测工具，用于在地面对检查井附近的直线管道进行快速排查，通常与管道内作业配合使用。

3．惯性测绘仪：它是由惯性测量单元和导向测速支架构成的惯性测量装置，用于测量管道中轴线的位置。

4．地理基准：它包括全站仪、RTK接收机等，用于测量和传递地面基准点地理坐标。

5．劳保防护装具：它包括呼吸器、气体监测仪等，用于管内人工作业防护。

6．操控计算机：运行地面操控软件，实时显示管道内的图像，操作机器人完成作业任务。

7．线缆车：释放和回收机器人供电和通信电缆，测量放线长度，也可以为机器人供电。

8．管线勘察车：运载工具，搭载吊臂、发电机等配套作业设备。

图4 成像声呐的前视成像效果

图5 环扫声呐的管道扫描结果

（二）智能机器人巡检监测系统

智能机器人巡检监测系统由智能巡检机器人系统和井口监测系统组成，智能巡检机器人（USR系统）用于干线管道巡检，井口仪表用于支线管道定点监测。USR巡检机器人样图见图6，系统构成见图7，USR系统在管道内的运行实景见图8。

图6 USR巡检机器人样图

图7 USR巡检机器人系统构成

图8 USR系统的管道内运行实景

干线巡检USR系统可以搭载多种传感器在管道内穿行，沿途收集图像、气体浓度、温湿度等环境数据，并将数据实时传送至使用者（管理中心或作业队），能够提供及时详尽的干线内部信息。配合使用井口仪表实时测量的支线管道水位、流速等信息，能够对管网情况进行智能判定，实现对管网设施的监控、预警、报警。

USR系统使用地面坞站作为机器人停靠和维护设施，坞站具有供电、充电、远程通信等功能。不巡检时，机器人停靠在坞站中充电；在需要巡检时，机器人从坞站出发沿轨道进入地下管线，自动完成巡检任务，实时回传管道内部图像。操作人员可以在中心站或手机上实时操控机器人，灵活实现行进、停车、定点观察、回收等操作。

USR系统使用耐腐蚀轨道，轨道自带高压清洗管路，能够耐受管道中的腐蚀性气体、水流冲击等恶劣环境。轨道系统在检查井附近设计为快拆轨段或绕行轨段，以方便人工下井作业。

在USR轨道所及处，井口监测仪表直接接入USR轨道系统，以供电和通信。在分散监测点，则采用公共物联网络接入。

图10 智慧排水运维软件平台的开放式应用架构

（三）智慧排水运维软件平台

智慧排水运维软件平台是根据现有城市信息化总体规划，按照资源集约的原则，综合考虑管理体制、业务布局、数据架构、应用架构和技术架构等因素，合理确定系统方案，采取集中控制、分布部署的软件平台系统，包含城市GIS系统、智慧排水系统等排水管网基本应用。此外，平台还可扩展出城市地表水实时监测、暴雨预警与水系统智慧反应、管网在线监控系统、城市用水管理和处置、水环境监测和处置等子系统，形成完整的城市水资源监控管理平台，并最终接入智慧城市大平台。

图9 智慧排水运维软件平台及其开放性

智慧排水运维软件平台具有以下基本功能（参见图10）：

1．前端感知信息接入和控制：能够接入雨量、水位、流量、视频等管道内部信息，控制前端设备和设施的运行。

2．数据交换与服务共享：实现存储和交换各种运维和管理数据，进行大数据清洗和分析，提供人工智能决策支持，形成各种报表。

3．应用定制化的业务模块：例如在2D/3D场景下，提供地下管网数据的浏览、查询、统计、分析功能，快速、真实、准确地获取城市地下管线信息，为管理、运营和规划提供决策依据。

提供精细化、标准化的作业管理流程支持，实现巡检任务分发、外业巡查、隐患上报、隐患处置调度的流程化管理，保证外业巡查人员与管网监控中心、养护人员之间的即时通讯，实现管网精细化养护管理；对管网设施进行监控、预警、报警、仿真模拟与运行分析，保证城市排水调度的科学性与合理性，提高应急响应速度和处理能力。

将管网数据与基础地图数据进行整合，实现管网设施的信息发布、浏览查询、统计分析等功能，方便管理部门及时掌握管网整体运行情况，实现不同管线权属单位之间的数据共享，以及多种管线数据的融合分析。

智慧排水是体现城市管理智能化水平的重要标志之一，是排水事业发展、行业管理与服务的重要支撑和保障，也是支撑民生的重要技术手段。

施罗德系统化智慧排水方案的建设，属于智慧排水建设的一部分，通过信息化养护工具和管理手段，实时监控排水管网的走向、连通情况、健康状况、淤积情况等基础数据，更容易进行日常管养，提升工作效率，为城市排水管网智慧化管理和科学决策提供详尽及时的准确信息，实现城市排水管网水资源的精细化管理。