智慧城市背景下排水工程智能化的探索

王普磊 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230032）

1 引言

随着人类社会的不断发展，未来城市将承担越来越多的人口。我国处于城镇化加速发展的时期，“城市病”问题凸显。为解决城市发展难题，实现城市的健康可持续发展，建设智慧城市已成为当今各国城市发展的主流。智慧水务、智慧排水作为智慧城市的组成部分，也必须要同时建设与发展。

2 智慧排水的基本框架

2.1 智慧排水基本架构

2.1.1 感知层

水位数据、流量数据、雨量数据、水质数据、地理数据、视频监控、工况数据等。

2.1.2 执行层

槽闸启闭机构、电动执行机构、PLC控制柜等。

2.1.3 网络层

移动网络、政务专网、控制专网、采集专网、公共以太网。

2.1.4 平台层

统一数据监控平台、数据交换平台、数据服务平台、GIS服务平台、模型管理平台。

2.1.5 应用层

在线监测、预警信息、数据分析、地图GIS、模型分析、智慧运行。具体的应用系统：排水管网巡查系统、城市内涝预警预报系统、视频监控系统、排水综合指挥调度系统。

2.1.6 用户

外网用户、内网用户、移动端用户。具体的用户：信息审核员、维保人员、IT运维、决策领导、指挥中心、科研机构、公众。

3 智慧排水的应用

3.1 数据采集与监控系统

将管网、中水站、雨污泵站、河道等SCADA数据及多种硬件采集数据整合纳入系统中统一管理，并根据用户需求进行统计分析，为应急指挥决策提供科学依据。

3.2 城市内涝预警预报系统

通过中心站和遥测站（监测站）的协同工作，提供城市道路、下沉式立交桥、地下停车场、排水管道、渠道、检查井、排水口、城市河流水系等监测点的实时信息，又能够为市政排水调度管理机构提供数据支持。

3.3 排水管网巡查系统

排水管网巡查系统以手持移动设备与Web系统相结合的方式，为管网巡查提供了全流程、精细化、标准化的管理模式。开发移动巡检系统，实现地下管线应急服务管理：采用GPS、GSM/GPRS/NBIOT、GIS和计算机网络通信与数据处理技术，在GSM/GPRS通信平台上开发管线巡检系统，提高巡查效率，最大限度地节约人力、物力资源，实现地下管线的数字化、信息化、智慧化管理，提高紧急故障处理的能力和协调水平。

3.4 视频监控系统

基于网络化的视频监控技术，依托视频监控中心，视频监控系统为防汛预警系统及监控决策系统提供各类视频监控站点的视频信息。

4 系统设计与关键技术

4.1 排水管网巡查系统

完整的管线信息包括管线空间位置信息（X坐标、Y坐标、高程、埋深等）、管线基本属性信息（材质、管径、附属物、权属单位、埋设年限等）和管线实时的运行状态信息（压力、流量、液位等），管线空间位置信息和基本属性信息通过管线普查或竣工验收测量获取，管线的实时运行状态信息则通过物联网和相应的管线传感器获取，在物联网数据层、检测层、感知层、传输层等体系架构研究的基础上，通过在管线及其附属设施上预先嵌入的相关传感器，定时或实时获取地下管线自身及运行情况的状态参数，开发基于物联网的管线实时监测预警系统，并与管线二三维系统集成，从而为管线的现场监测、预警预报等提供技术支撑。

4.2 城市内涝预警预报系统

构建城市内涝水力模型，结合监测站的实时数据，测算内涝风险指数，全面评估城市排水管网排水能力并提供预警预报。

4.3 视频监控系统

充分利用城镇公共视频监控，补充主要道路、城市低洼区域视频监控，多平台多部门视频监控系统共享共通，同时结合城市水力模型，选取代表性监控点。

4.4 排水综合指挥调度系统

结合排水管网巡查系统、内涝预警预报系统、视频监控系统构建“一张图”可视化管理系统，利用专业模型软件模拟测算验证，并设置相应指挥调度权限，系统与社会安全平台联络通信。

4.5 关键技术

4.5.1 物联网传感器的感知技术

①传感器技术：计算机应用中的关键技术，到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号，自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。

②标签：也是一种传感器技术，RFID技术是融了无限射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。

③嵌入式系统技术：综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。

4.5.2 通信和融合技术

通信和融合技术主要实现管网感知数据和控制信息的双向路由传递和接入控制，包括无线传感器网络构建、无线传感器网络与有线宽带网络互连、管网终端及传感设备的接入控制。

4.5.3 评估和预警技术

针对管网运行的健康状况及实时传输状况数据，结合专业模型分析评估、发现潜在故障隐患及运行风险，及时做出预警和应对措施，实现管线运维及突发事件的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。

4.5.4 地下管线自动化三维建模技术

随着计算机软硬件、三维可视化技术的快速发展，地下管线的三维可视化建模、空间分析与辅助决策技术已广泛应用于规划、设计、审批、施工、运维等日常管理工作中。常用的建模软件：3DMax、Sketchup、Autodesk Revit、Stamp、Skyline、CityMaker。

5 感知层与执行层具体布置

感知层的传感器通讯上游均设置RTU，执行层的执行机构通讯上游设置RTU或者工业路由器（带SIM卡）。传感器及执行机构根据运维条件选择搭配GPS终端。

5.1 感知层布置

①管网

a.排水干管主要节点设置流量计、压力计。

b.排水干管排口设置流量计。

c.溢流井设置流量计、液位计。

d.截流井设置流量计、浊度仪。

e.水泵出水管设置流量计、压力计。

f.污水处理厂站排口设置流量计、浊度仪、水质传感一体仪。

②汇流区域内设置雨量计。

③河道设置流量计、液位计。

④调节池、调节塘、蓄水池、湿塘、湿地等设置液位计。

⑤主要道路、城市低洼区域设置视频监控。

5.2 执行层布置。

①管网

a.槽闸井启闭机。

b.截流井电动执行机构。

②泵站

a.污水泵站PLC控制柜。

b.雨水泵站PLC控制柜。

c.中水泵站PLC控制柜。

③调节池、调节塘、蓄水池、湿塘、湿地等具有调蓄作用的设施的槽闸起闭机构。

④道路视频监控。

6 综合管理与智能化有机结合

6.1 信息推送

预警、报警信息通过微信或者短信的形式自动推送至用户手机上，可以第一时间做出调度响应，避免事故的发生。

6.2 系统登录

既可通过PC端登录系统也可以通过手机APP登录系统。手机APP同样具有远程监视、控制排水系统的功能。

6.3 自动运行

根据城市安全级别的不同，排水综合调度指挥系统设置为人工与自动。在一定安全范围内，经过评估论证，采用自动运行模式，即智能化的排水综合指挥调度系统解决城市排水调度。

6.4 物联网

城市排水智能化基于物联网理念，采用信息化手段，结合GIS展示，全面掌握排水系统的运行情况如管网水位、流量、水质、有害气体浓度、泵站运行状态等，保证排水系统安全高效运行；通过构建安全预警平台，提高应急指挥及快速处置能力；提供科学、先进的城市级水力分析模型，全面评估城市排水管网能力；以城市排水设施数据为基础，结合管网监控数据、气象预报、雨情信息，为城市排水规划、防涝预测提供决策依据。

7 结语

以时空信息为基础，充分利用感知监测网、物联网、云计算、移动互联网、工业控制和水力模型等新一代信息技术，全方位感知市政排水运行工况，通过“一张图”可视化管理模式，最终形成支撑排水管理部门各业务单元运行、管理和决策分析于一体的“智慧排水”信息平台。