基于物联网等技术的城市智慧排水系统建设应用研究

刘玉涛

（烟台市城市排水服务中心，山东 烟台 264000）

0 引言

住建部、生态环境部和国家发改委等三部委联合发布《城镇污水处理提质增效三年行动方案》（2019-2021 年）中强调“建立市政排水管网地理信息系统（GIS）”，2021年4 月，国务院办公厅印发《关于加强城市内涝治理的实施意见》中提出“加强智慧平台建设”[1]。2021 年4 月，住建部发布GB50014-2021《室外排水设计标准》中新增了信息化、智能化等智慧排水系统的内容。

随着城市规模高速发展，排水行业的传统管理方式存在管理手段单一，运营技术落后，信息基础设施建设不足，自动化程度不高，系统联调能力差等一系列问题。对城市排水系统管理而言，通过信息化管理手段可以实现对运维单位的远程监控、生产调度、数据挖掘、信息统计等，使排水业务管理由分散转向集中，由粗放转向精细化和信息化，大幅提高核心竞争力。以信息化、智能化为代表的新技术，逐步在与城市治理、生态保护、环境治理等各个行业相融合。在排水管理领域，通过大数据、物联网、GIS技术的综合应用，可实现对排水与污水处理信息的实时掌控，能有效解决监管不及时的问题，对突发情况能及时作出处置。

1 建设目标

智慧排水的建设目标是以“排水设施管理精细化、事件处置精准化、应急决策可视化”为要求的3D+GIS 地理信息系统的智慧平台。利用大数据服务能力，建设“智慧排水”基础网络、基础数据、信息平台，逐步打造“会思考”的“智慧排水”信息平台。

2 智慧排水系统的基础架构

围绕构建排水标准规范体系、管网信息管理系统、智能感知系统、综合业务的应用系统，实现智慧排水平台中的报警中心和调度中心的功能和相关业务应用，支撑城市排水业务向协同化、科学化、智能化方向发展。

智慧排水系统的基本架构如下：

2.1 感知层

感知层主要负责数据的采集，以液位计、雨量在线监测终端、流量计、水质在线过程仪表、监控摄像头等监测设备为基础，集成在线监测设备、视频监控设备、应急监测设备、卫星遥感监测等科技手段，完成水量水质数据、气象雨情、GIS 地理数据、视频监控等数据的收集、整理、汇总和存储管理[2]，为应用层提供信息服务。信息是决策的数据基础，为预警预测、联合调度提供数据支持。

2.2 网络层

智慧排水系统部署机房中心，采用内网专线内部，将辖内的泵站、污水处理厂与机房进行通信，前端流量液位、积水点、截流口等监测设备数据通过无线传输方式经中国移动光纤网络接入机房，经过网闸、防火墙等安全设备后传输至服务器资源池，移动端APP 应用系统与机房进行通讯，机房通过严格的外网IP 管理及服务器分区隔离，在保证各类数据共享交互的情况下，保证了整个网络的数据安全。

网络系统架构设计如图2 所示。

图1 智慧排水平台架构图Fig.1 Architecture of smart drainage platform

图2 智慧排水平台网络拓扑图Fig.2 Network topology of smart drainage platform

在符合网络安全前提下，以厂站级为单元，就近原则接入交换机，以星型网络结构为基础，构成一个安全完整的网络框架。以总体设计、分步实施为原则，能让各种应用功能程序协调有序运行，并实现信息共享。通过分布式数据库的架构在调度中心整合所有下级单元的数据库，通过逻辑组态实现区域协调控制。在现场安装有数据采集器，采集数据传输到现场的数据库，在历史数据库中抓取数据汇总至机房的数据服务器上，实现从控制中心协调控制整个排水系统业务。

2.3 应用层

应用层将泵站、排水管网、污水厂及相关信息汇总到数据中心，以实现厂、站、网一体化的排水业务N 个应用，实现远程管理与控制一体化。通过泵站的控制系统优化设计或改造，实现泵站全自动化运行。同时，实现排水设施的有效管理和实时监控，掌握排水系统实时运行状况。针对关键设备进行精细化管理，形成联合巡检、运维及应急预案联动的管理模式，提高运行效率和管理水平。

图3 智慧排水平台架构步骤Fig.3 Architecture steps of smart drainage platform

通过智能算法、系统优化方法，结合控制仿真模型，实现污水提升泵站群的联合调度，充分发挥污水泵站、传输管网的功能及其互相配合的作用。为取得防涝、控制溢流最大效益为目标，满足不同工况的联合优化调度方案，实现不同排水情况下合理动态地调配水量和负荷，为运营提供科学决策支持。泵站自控改造，主要包括PLC 改造及安防系统建设，构建泵站完善的自动化控制系统，有效降低人员成本和人为干扰，提高业务管理水平。

科学模型构建，选取辖区内内涝重要区域作为排水分区，进行模型建模分析，对重点设施区域进行控制仿真模型构建，支撑排水管网运行调度，积累排水设施联合运行调度经验。

建设智慧排水系统，对数据统一收集、存储、管理、共享服务、查询、数据分析和可视化展示，包括数据仓库建设、数据治理工具建设、一张蓝图建设等内容。其中，通过一张蓝图的建设，实时掌握城市排水体系信息，辅助决策者全面掌控排水运行数据变化态势，增强水务服务和管控的能力和水平。

两个中心，报警中心作为整个平台的神经枢纽，可为防汛应急人员提供有效、精准的内涝和溢流预警预报服务；指挥调度中心，满足应急指挥和决策支持的实体化运行需求。排水N 个应用包括联合调度、防汛应急调度、排水设施资产运维、用户权限、项目工程管理、实验室信息管理系统、排水户监管管理系统、移动端应用等应用系统。

图4 内涝模型Fig.4 Waterlogging model

3 工作路线

建设“一个平台、一张蓝图、两个中心和排水N 个应用”相结合的智慧排水综合信息平台，工作路线包含物联网感知层建设、泵站自控改造、报警中心和调度中心、应用系统等内容的建设，依次对现状调查及需求分析、管网普查、物联网感知体系建设、泵站自控改造、与已建系统的对接集成、应用系统开发，以及长效运行维护工作。

4 新技术的应用

4.1 拓展GIS排水管网应用建设

将泵站、河道、排水管网等重要设施在一张GIS 地图上统一展示，并提供查询、统计分析等功能，可查看排水设施的详细信息，如管线坐标、管线编号、管线高程、地面高程、埋深、地下排水管径、材料、长度等数据信息，能够整体展现主要排水与污水处理设施的GIS 分布，并为其他的应用提供基础。

4.2 内涝预警预报模型建设

城市强降雨容易导致城市内涝发生，易暴露城市排水存在问题。城市整体市政排水管网数据，采用数字内涝模型来进行内涝情况评估，对城市排水系统的现状和远期规划有针对性的分析和业务辅助指导[3]。

图5 智慧污水处理厂架构图Fig.5 Architecture of smart sewage treatment plant

根据气象预报预警信息，调度模型对排水系统未来承受能力及分配方式进行计算评估，评估在汛期排水系统承受最大能力及运行方式。根据排水调度模型重点计算内涝防治地区的截流量和截流设施运行方式，并给出内涝防治区域的积水位置、积水面积、积水深度和积水时间的预测数据。

在降雨前，根据天气预报信息，利用模型计算得出累计溢流水量、水质可能变化情况、内涝积水情况、水质恢复时间，以及整个排水系统运行情况；在降雨中通过感知层采集数据形成实时监测结果，进行必要的数据预处理和数据筛选；根据采集准确数据支撑内涝预报模型的运行；降雨后，给出各调蓄池的放空方案和雨水泵站运行方案，避免增加污水处理厂运行负荷，影响污水处理厂的排水水质，并对整个模型的运算的过程后处理数据做统计分析工作，对重点区域出现内涝情况进行预警发布。排水系统调度模型监控片区源、泵站、厂、雨水管网及泵站的实时状态，管理部门根据情况指挥调度排水人力及物资资源，来安排防汛工作，解决城市内涝。

当原始数据达到一定程度积累时，排水系统调度模型平台系统进行机器学习，利用计算机算法判断雨情的变化趋势，形成最佳匹配方案，实现高效收集雨水，预防内涝灾害的发生，最大程度上发挥现有设施的运行效率。

4.3 智慧水厂建设

对污水处理厂内部实现智慧化平台建设管理，在线预警预测、工艺方案模拟、工艺优化运行、设备管理、智能加药管理，及精确曝气等功能。重点做好水质实时预测预警模块、能耗管理模块、药耗管理模块建设，通过精确曝气实现对生化系统的按需曝气；通过碳源投加采用数据模型，实现采用最小量的乙酸钠投加，实现最佳的出水水质指标。

5 实施效果

在排水设施和城市关键位置水量、水位数据的在线采集和动态监控，及时发现排水系统运行中的突发问题。基于仿真模拟技术，结合潮汐数据、气象预报数据，还可实现内涝和溢流预测，提供早期报警信息，为应急防汛工作争取宝贵时间。

通过联合调度技术，快速制定优化策略，实现管网、泵站等设施的联合运行调度，充分发挥排水设施的效能，有效提升城市内涝防治及溢流污染控制水平，从而最大限度地降低城市内涝、溢流污染、水环境污染等事故的影响和损失。

有利于提高日常工作效率，作为排水设施运行维护、城市防汛管理等业务的工作平台，为管理者和工作人员提供有效的精细化运维、应急指挥、预报预警和智能调度平台，能够极大方便开展业务工作，将派人值守向少人值守，甚至无人值守转变，人工监测向自动化监测转变，降低工作成本。

充分利用地理信息系统、数学模型分析、物联网、大数据、联合调度等技术，实现排水系统智慧监测、智慧巡检、智慧调度、智慧决策，从传统的被动处置变为主动响应，提高运营管理和科学决策水平，从而降低排水管网、泵站、污水处理厂等设施的运行难度和管理成本。

6 结束语

通过智慧排水系统建设，实现排水设施运行实时监控，实现厂、站、网联合调度和汛期下合理动态地调配水量负荷，提高排水系统运行管理水平，为保障排水系统稳定运行。

通过在关键排水设施和城市关键位置安装的在线监测设备，可及时发现排水系统的异常情况，结合有效的巡查养护机制、应急响应机制，减少城市内涝、污水溢流等现象，提高了环境质量。特别是通过智慧排水建设，为探索排水设施自动化改造及联合调度运行经验，形成先进的智能控制管理技术，为其他城市的智能排水提供有效的经验。