智慧水务在市政污水管网中的应用

张施晗

广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510000

污水管线是市政基础设施建设中的重要组成部分之一。随着城镇化的加快，人口不断增长，城镇污水管网排水负荷急剧增大，因此管网新建和改建的需求也在不断增加。但是，由于污水管网设置在地下且构造复杂，使污水管线设计和规划变得更加困难，而传统的运行管理效率降低且漏洞较多[1]。在这种情况下，智慧水务系统的应用成为解决现状污水管网问题的一个重要途径。智慧水务平台不仅可以远程监控重要节点的水量水质，还可以分析和评估现状污水管网，其对于城市管网的设计和规划有很强的指导意义。

文章以广东省佛山市某城区的污水管网建设项目为例，分析了基于污水管网的智慧水务平台的设计思路和系统构成，探讨了智慧水务在污水管网的规划、设计和运维中的应用，发掘了智慧水务平台对于城市规划乃至智慧城市构建的重要意义。

1 项目概况

案例项目为污水主管网建设工程，位于广东省佛山市某区，需新建约29km污水管网和1处泵站，流量为4.58万m3/d。新建污水管网计划服务范围约为1200hm2，远期服务人口约6.06万人。该项目的建设目的是从根本上解决当地村镇污水系统不完善导致的污水横流、河涌水质受损及水污染等问题。

虽然污水管网基础设施的建设是解决该问题的必要方法，但是在基础设施建设完成后，污水管网的运营和维护也十分重要。因此，运用合理的方法监测污水管网是否完善、设计是否合理以及管网漏损率是否过高显得尤为重要。精准的排查分析可以指明维护的重点和方向，从而更高效地提高管网的覆盖面并强化管网的系统调控和平衡能力。为此，该项目应用基于污水管网的智慧水务平台来进行污水管网的运维和监控。

2 基于污水管网的智慧水务平台应用方案

2.1 总体思路

污水水质和水量是影响污水管网的两个重要因素，考虑到该项目所在区域管网尚未架构完整以及建设资金的限制，该项目先以水量的监测为主要目标。由于该项目管网覆盖面广、长度较长，从经济性和可实施性方面出发，优先选取水量易发生波动节点以及复杂节点来设置监测装置。项目所处地区不仅水系较为丰富，导致污水管网需要多处下穿河涌，而且管网较为复杂，接入点多且分散。因此，主要在污水倒虹处、支管汇入处以及泵站前后设置多普勒超声波流量计或DWI投入式液位计。智慧水务系统原理如图1所示。除了配置相关监测仪器，还需构建污水管网相关的数据库，建立GIS管网信息平台，应用智能巡检等辅助管理系统。

图1 智慧水务系统原理图

2.2 系统设计

（1）感知层。感知层是信息收集的基础，主要通过感知设备将管网的动态信息传入系统，因此感知层又称为智慧水务系统的感官触角[2]。在该工程中，感知层主要由监测设备、视频监控、设备监控和巡防数据组成，其中监测设备包括多普勒超声波流量计和DWI投入式液位计，而视频监控和设备监控主要用于泵站管理系统。

（2）网络层。排水管网相关数据经过感知层收集后，在网络层实现了互相关联和共享[3]。根据传递数据的顺序和层次，可以将智慧排水系统涉及的网络划分为三类：内部以太网、GPRS/3G/4G/NB、外部以太网/政府专网/视频专网。

（3）数据层。数据层对各类排水相关数据进行汇总和更新维护，不仅整合源于感知层的数据，而且包含基础的管网数据、各类业务数据和从其他渠道获取的相关数据。智慧水务系统涉及的数据量庞大且种类复杂，因此运用云计算的技术来增强数据储存和处理能力[4]。

（4）平台层。平台层以数据层内的各类数据为基础，通过应用服务、web服务、文件服务等来支撑各类业务应用。该设计的智慧排水系统包含GIS地图服务平台、水务时空大数据云平台和数据库管理平台

（5）应用层。在应用层，多种数据资源和业务信息在各类应用服务的协助下被分析、统筹和管理，同时结合排水专家的经验，为管理者提供有价值、直观和统一的访问界面。这一层包括实时定位、监测服务、预案管理、管线管理等多个模块的内容，而这些模块经过组合可以形成五大业务系统，分别为远程设备监测预警系统、多维管网一张图系统、智能巡检养护系统、作战指挥系统以及智慧水务App。

（6）门户层。门户层为展现成果的平台，包括管控中心大屏、电脑浏览器端和手机App端。该设计的智慧排水系统设置了电脑浏览器端和手机App端为用户提供应用服务和相关信息，但不涉及管控中心大屏。

3 智慧水务平台的功能和作用

3.1 信息采集、储存和管理

智慧水务平台不仅可以采集多种数据如水位数据、泵闸数据、流量数据等，而且采集频率高、数据量大。以多普勒超声波流量计为例，其测量和发送频率最高可达1min/次，并且能储存300d的原始监测数据。该平台增加了管网运行数据的完整度，实现了信息的实时更新，这不但对于此次项目涉及管网自身的监控管理至关重要，并且对于周边甚至整个区的污水管网设计和新建至关重要。

3.2 多维管网系统图的建立

智慧水务平台可以根据录入的管网信息对管网进行3D建模，如检查井内的水位和水量，实现管网的三维化，从而更加直观地展现信息。平台内的多维管网一张图系统还可以将管网数据和各类地理信息底图相结合，将建设区域内所有管线信息展现在其实际地理位置上。通过多维管网系统图，不仅可以根据管线属性和位置等快速查询管线的信息，还能够测量管线之间或管线距离构筑物的空间距离等。除了高效获取管网的信息，多维管网一张图系统还可以进行更复杂的管线分析，包括生成任意两点间的管线横纵断面图以及管线之间的连同性分析等。

3.3 污水管网的监测、评估和预警

通过多维管网系统图可以查看污水管网各监测设备的实时数据和历史数据，便于监测人员及时发现污水管网关键节点的异常。智慧水务平台还能根据历史数据形成报表和图表，从而更直观地反映管网的运行情况，使工作人员更容易判断是否有淤积、错接、偷排漏排等情况。此外，系统能够根据预设的报警条件以短信和网站等多种方式发送预警和报警信息，在很大程度上缩短了发现管网故障的时间。

3.4 设备管理功能

该平台在设备管理方面具备设备录入、设备查询、设备维护和权属单位管理四个主要功能。在设备的数据被录入系统后，其信息就能够被随时查询，并且设备的增加和移除等变化也能根据实际情况进行修正。此外，根据系统定期生成的数据报表，使用者可以清晰地了解设备一段时间内的运行情况，并根据元件更换等建议进行设备维护。

3.5 智能巡检功能

该平台的智能巡检养护系统可实现污水管网巡检管理的无纸化办公，巡检人员可将巡查过程中遇到的情况通过图片和文字录入系统中并显示当时的位置，管理人员可通过系统来查看巡检内容和结果。除了缩减纸质文件，智能巡检系统还能够协助管理人员绘制合理的巡检轨迹来预设巡检人员的巡查路线，提高了管理效率和规范性。同时，管理人员还能通过智能巡检系统追踪巡查车辆和巡查人员的巡视轨迹，便于管理和监督工作人员。

4 结束语

以污水管网为基础的智慧水务平台的建立使管网的运维更加高效，在很大程度上削减了人力成本，提高了监测精度。在智慧水务系统的支撑下，大量的管网数据被收集、归纳和应用，对城市管网的规划和新建也有至关重要的意义。但是，智慧水务在污水管网中的功能还有待进一步发掘，在规范性和实用性上还需不断探究，未来还需在更多案例中总结和摸索出完善的智慧水务系统，为构建智慧城市打下坚实的基础。