智慧排水系统设计与研究

贾华峰 马运成

（正元地理信息集团股份有限公司山东分公司，山东济南 250000）

1 智慧排水系统需求及主要建设内容

城市排水防涝是一个复杂关联的工作，涉及应急、建设、水利、市政等多个相关部门。在城市重点区域的排水管网安装在线监测设备，可以实时监测排水系统的运行数据，对长期运行的数据进行分析，通过量化分析城市积水风险，对城市易积水地点进行提前预警，降低城市内涝造成的损失，不断积累相关数据，为建立数学模型、科学评估内涝风险及应对措施奠定数据基础，大幅度提高城市应对排水内涝事件的信息化管理能力。系统主要通过排水监测设施建设、排水专题数据库建设、排水管网在线监测系统、排水设施远程监控系统、防汛应急调度系统、管网模型模拟系统等工作的建设实现排水管网的智能化监测以及城市排水的应急处理等，及时预警，防止城市内涝的发生。

2 系统的总体框架

系统总体框架如图1所示。

图1 系统的总体框架

感知层：主要是物联网感知设备，对排水管网各项参数进行实时的监测。

传输层：通过物联网专用网络、互联网等网络设施，对物联网设备数据进行远程传输。

平台层：通过统一的数据平台进行数据的管理和服务的调用。

应用层：各项功能应用，包括在线监测、预警信息、数据分析等。

统一门户：各应用系统，用户通过各应用系统对排水管网进行状态进行实时监测和管理。

3 系统建设方案

3.1 排水监测设备建设

窨井水位监测设备：在排水管网的关键位置的窨井安装部署在线水位监测仪，实时监测窨井水位情况，上报数据。

排水管网流量设备：在城市排水管网的关键节点部位安装排水流量设备，对排水管网的流量进行实时监测。

雨量站：部署数量站对降雨情况进行实时监测。

河道水位监测设备：实时监测河道的水位信息，通过数据上报功能将河道水位数据实时上报到平台。

易积水点水位监测设备：对城市重要积水点安装积水监测设备、无线通信设备（分为道路监测点、立交桥底部监测点），通过无线通信网络向监控中心传输积水水位信息。

3.2 排水专题数据库建设

（1）空间数据。

空间数据指具有空间信息的矢量、栅格数据，包括基础地形数据、排水管网及附属设施数据、遥感影像数据、监测点数据等。基础地形数据主要包括居民地及设施、交通、植被与地质、水系、地形地貌等数据。排水管网及附属设施数据主要包括排水管网管线、节点、附属物等数据。遥感影像数据主要为航空影像、卫星影像。监测点数据指部署的雨量站、积水点、河道水位、窨井液位、排水流量、河道水质设备点位数据。

（2）排水模型数据。

排水模型数据指排水管网模型模拟分析的参数数据、结果数据，对排水模型进行数据展示。

（3）排水监测数据。

排水监测数据主要为部署在城区中的雨量站、积水点液位仪、河道水位仪、窨井液位计、排水管道流量计、河道水位水质监测站传感器产生的历史监测数据、报警数据等，通过无线方式将监测设备的数据传输到物联网平台。物联网平台对数据进行相关处理，排水系统可以直接调用物联网平台的相关数据进行数据的展示和分析。

4 物联网平台建设

物联网建设涉及多种形式物联网设备，包括自建设备及已有设备，物联网平台将多种接入方式整合起来，提供多协议适配，统一互联接入网络。平台提供AMQP、JMS、REST/HTTP、COAP、DDS、MQTT等物联网通信协议对接能力，连接全渠道网络通信，多种网络、多地域、多种类设备快速接入，通信协议提供MQTT、CoAP、HTTP、DOS、AMQP、JMS等协议支持。平台实现排水监测设备的状态感知，保证采集数据的安全可靠传输，运用大数据技术实现对数据的协议解析、数据转换和提取，通过移动网络、泛在网和互联网，将各类数据安全、稳定、可靠传输至数据中心。

4.1 排水管网在线监测系统

排水管网在线监测系统采用B/S系统模式，主要对排水管网运行状态进行24 h连续监测，将智能在线监测设备的监测数据与GIS平台集成，实时展现管网关键节点液位、流量等在线监测信息，实现运行异常状况预警报警。支持监测信息的实时查询显示和历史监测数据统一存储管理，使管理人员能够准确掌握管网关键节点的液位、流量、水质等在线监测数据，并对数据进行统计分析。系统能够帮助管理人员随时掌握排水设施的动态运行情况，及时发现风险，有效降低内涝、淤积等现象的发生，为管理决策提供数据支持。

排水管网在线监测系统能够整体展示现有在线监测设备信息，包括监测设备类型、数量、设备报警情况、电量、通信情况等，对于较为关注的在线监测点位监测信息，可以查看其监测详情。通过设备地图实现对排水管网关键节点运行状态在线监测，掌握其流量、液位、异常报警等信息，支持地图浏览、设施地图查询展示、实时监测数据展示等多种显示模式。系统提供设备信息查看功能，针对每台监测设备，可查看其历史监测数据表及数据曲线，对报警限值进行自定义配置，支持历史报警详情查看。统计功能提供相应的设备日志信息包括设备运行状态、设备报警信息等数据的统计。

排水监测系统如图2所示。

图2 排水监测系统

4.2 排水设施远程监控系统

排水设施远程监控系统基于客户端的B/S架构开发，实现排水泵站的实时监控。管理人员可以对泵站的状态进行实时监测，出现内涝情况时，可以远程自动或人工启动排水泵站，提升城市的排水能力，减少内涝造成的损失。

4.3 排水防汛应急指挥系统

排水防汛应急指挥系统充分应用模型模拟、在线监测等技术手段，与防汛具体环节进行结合，实现高效防汛、科学防汛。系统包括防汛准备、指挥调度和汛后评估等模块，为防汛预警和应急调度工作提供有效的管理平台和决策依据。

排水防汛应急指挥系统应实现对汛前人员、物资和设备的管理以及警情点等信息的管理，支持查看相关的设备、物资准备情况，支持查看在线监测设备监测数据；对汛期发生的警情进行综合指挥调度管理，如预警发布以及发布预警后的防汛部署、派单处理等；汛期过后回顾全年防汛工作，对警情数据进行分析统计，为后续的工作提供数据支撑。

排水防汛应急指挥系统如图3所示。

图3 排水防汛应急指挥系统

4.4 排水管网模型模拟系统

城市排水管网模型模拟系统为模型构建提供工具和平台，系统提供管网数据的批量导入导出、方便快捷的属性及空间编辑功能，支持数据的查询统计、网络分析等，实现对各类排水设施的有序、高效和规范合理的综合管理，是各业务系统建立的基础。排水管网模型模拟系统能够实现不同情景分析和模拟，为城市的防止城市内涝提供参考依据，提前预防，降低城市内涝的影响，系统可以模拟5年、10年、20年一遇的洪水情况。内涝风险分析需要基于模拟结果，提供不同降雨模拟情景下区域的内涝风险可视化展示，包括城市积水位置、面积、深度等，为城市排水的改造提供依据。

5 结语

随着人口增多和城市规模的扩大，城市排水能力的过载造成城市雨季内涝的情况，对城市的发展产生不良影响。通过信息化和智慧化的手段可以为城市排水改造和提升提供科学的依据，提升排水工作的信息化和智能化水平。