基于GIS 的排水管道流量监测管理信息系统设计与实现——以山东省某市为例

戎亚芳 刘甲军 高涌 管恩升 尚星星

(山东正元地球物理信息技术有限公司,山东济南 250000)

0 引言

城市排水管网工程设施是重要的城市基础设施,排水管网是城市的地下生命线,是城市旱天转输污水和雨天排涝的骨干工程[1]。近年来,随着我国整体发展水平的逐步提升,我国城市排(污)水治理工作已经取得了一定成效,但行业监督管理信息化建设仍相对滞后,存在监测体系不完善、信息孤岛问题突出、信息服务及监管方式落后等问题[2]。综合运用GIS、在线检测、物联网、自动化控制、数据模型等先进技术手段,建设设施完整、拓扑清晰、位置准确的排水设施“一张图”,实现排水设施的精细管理、实时监测和智能控制。本文以山东省某市为例,在掌握全市范围内排水管网基础信息、排查排水管道雨污混接基础上,对排水管道关键点进行流量监测(长期在线),建立流量监测信息管理系统,辅助监管部门实时掌握污水排放数据,加强污水排放企业监管。

1 排水管道关键点流量监测方案

1.1 排水管道监测点选取

为便于甄别小区域流量异常,本项目分别在生活区域及工业园区(含大型工业企业、排水大户的区域)选取管径大、流量大的主干管道及河两岸主排水沟重点地段且便于外接电源,便于保存保护处进行监测点布设。经过实际踏勘,确定30个关键点布设。根据监测数据综合分析、对比,自南向北流入污水管道总水量平均值8.72万m3/日。一是南部生活区域总体污水流量约为4万m3/日左右,二是城区北部工业区污水排放量约为4～5万m3/日,通过近段时间的平均流量监测数据计算,全城区排水约8～9万m3/日。

1.2 智能监测站构成

智能监测站主要由数据采集设备、数据处理发送设备、供电设备和设备箱组成,设备之间通过电源线和数据线连接。在监测点管道内部安装传感器流量监测仪和水位监测仪,实时获取污水的流量和水位高度;管道流量监测测控终端对传感器数据进行初步处理采集;通信模块多集成于采集器之中,可以与各类通信供应商进行数据传输,通信商提供传输链路连接到服务器,后台服务器将数据进行存储;根据监测点环境供电情况进行灵活的供电选择,市电、太阳能供电、蓄电池供电等;河道排水口采用视频监控设备对实时视频进行摄像、传输、控制、显示和存储,完成现场图像、视频等数据采集,在实现排污点数据监测的同时进行更为直观的排污点实时视频浏览和排污点监控录像调用,从业务上帮助相关部门有力地提升监督能力和监管效率。

2 系统设计

2.1 总体架构

排水管道流量监测管理信息系统按照面向服务的架构思想和分层设计的原则,将系统整个结构分为感知层、传输层、数据层、平台层、应用层及展示层等六层,如图1所示。为保证系统具备良好的扩展能力和集成能力,在设计中采用面向服务(SOA)的设计思路,以便能方便地实现系统间以及系统内模块间的通讯。通过感知层的水位、摄像头、流速/流量、接入水质、污水厂、泵站等传感器获取实时运行状态信息,通过传输层把传感器采集的数据传输到数据中心管理;数据层作为数据的存储和管理中心,用来存储各种黑臭水体数据。利用物联网接入平台、运维支撑平台、ArcGIS平台共同组建基础支撑平台层,提供统一的基础管理服务,同时提供权限管理、资源分配等功能,并通过平台层为应用层提供基础支撑;根据具体业务需要,在应用层建立排水管道流量监测管理信息系统并提供手机、电脑、监控大屏等多种展示途径。

图1 系统架构Fig.1 System architecture

2.2 数据架构

本项目数据库按数据来源由基础空间地理数据、排水基础数据及排水监测数据三部分组成。基础空间地理数据库包括基础地形数据、索引数据及影像数据。本系统基础地形数据采用1∶500全要素现势地形库并利用1∶1000正射影像数据作为分析背景图;索引数据由图幅索引、道路索引、地名索引、基础索引组成,用于海量数据快速索引及定位。排水基础数据库由点表和线表组成,包括各类管点、管线及附属设施的空间位置和几何形状、属性信息,以及要素间的空间关系和相关属性信息。排水监测数据库由排水管网监测数据、河道监测数据及视频监控数据组成,包括监测项标签属性及位置信息、监测点信息、监测类型数据以及流量、水位等具体监测物理测量值数据等。

2.3 关键技术

排水管道流量监测管理系统采用物联网技术与WebGIS技术相结合的技术思路。WebGIS(网络地理信息系统)是指工作在Web网上的GIS,是传统的GIS在网络上的延伸和发展,具有传统GIS的特点,可以实现空间数据的检索、查询、制图输出、编辑等GIS 基本功能,同时也是Internet上地理信息发布、共享和交流协作的基础[3]。本系统采用ArcGIS Server和ArcGIS API for JavaScript进行WebGIS的开发,利用ArcGIS API for JavaScript 特性,实现了排水管道空间数据展示、统计查询、符号渲染及监测信息预警、数据挖掘等应用。

3 系统应用

系统提供视图操作、地图定位、实时监测、监测查询、数据分析、管网信息查询与统计、辅助工具等功能,实现黑臭水体地理信息管理,动态更新维护黑臭水体信息,做到对排水管线家底清、情况明,管理维护措施准确得当。

3.1 数据采集

通过系统的GIS 地图能够清晰查看设备、污水厂、泵站、井下、排水户等的分布状况和实时状态,如图2所示。利用实时监测及查询模块,可获得各个监测点的实时监测数据,包括管网监测点的流量信息,排水户的用水量信息、排水量信息、泵站流量信息、污水厂的进水流量信息等;可查询设备的名称、类型、编号等基本属性信息,安装区域、坐标等位置信息,安装井编号、安装井深度等安装信息。

图2 实时监测Fig.2 Real-time monitoring

3.2 监测预警

系统根据监测设备状态和监测数据自动判断预警报警状态,显示当前各类监测点流量监控的报警信息,对报警情况进行统一管理与查询。利用监测预警模块可以统计过去不同的时间范围内不同监测点的监测数据;可查询出不同的监测点在一定的时间范围内,不同的监测项目出现报警信息的数据;可对单个、管段及所有监测点不同时间段排水量进行查询统计。

3.3 分析挖掘

利用系统分析挖掘模块可对选定管段进行流量变化分析即将同一监测点不同时期数据或不同监测点同一时期的数据进行叠加对比显示,对比结果以曲线图形式展示,如图3所示;可对选定管段进行用水排水分析即对所有汇入污水厂的进水总量和各排水户的排水量进行计算并对比分析,可有效发现相关单位的排水问题;还可对选定管段进行上下游监测分析、连通性分析及排水流向分析等。

图3 同点多时段分析Fig.3 Multi-period analysis at the same point

3.4 数据查询统计

利用系统查询统计模块可以在指定区域对管线的材质、管径、建设年代、所在道路、权属单位等多种条件进行查询统计;可以根据不同时间段,不同监测点等多种条件统计各类监测点的监测历史运行数据并通过柱状图、曲线图、饼状图等多种形式进行展示。

4 结语

本项目建立了主干管网流量监测数据库,通过基于GIS的城区排水管道流量监测管理系统,结合排水管道排查及流量监测分析,查明了各区域内实际排水量,并可实时监测,为下一步布控污水来源,进一步查明各区域内的重点排水户的流量打下了基础。