城市智慧排水系统设计关键问题分析

黄一洲

摘要：城市建设高速发展促使人们对排水系统的质量需求不断提升，但城市基础设施普遍存在自然滞水、蓄水能力不足的缺点。在强降水环境下，市政道路存在行洪快速，积水难以有效排除等内涝情况。因此来说，如何科学合理地利用信息化监测控制技术进行城市智慧排水系统设计是城市可持续发展的关键。本文主要介绍了城市智慧排水系统功能及技术应用，并对排水系统泵站控制架构进行了要点分析，旨在为城市排水系统高效运行提供理论参考。

关键词：智慧排水；泵站控制；架构

城市排水设施是确保城市综合系统稳定运行的关键结构，城市排水系统具备随机性强、规模庞大、结构复杂的特点。对于人口承载能力较强、市政设施运营频繁的大中型城市而言，排水系统的优化控制能够有效提升城市区域产业发展。结合信息化技术的泵站及关联设备是构建先进性城市排水系统的关键内容，能够降低泵站设施故障率，缩短其故障响应时间，提升泵站调度及管理水平，这对于实现城市智慧化排水建设具有重要的现实意义。

一、城市智慧排水系统功能特点

（一）实时监测

城市智慧排水系统具备智能化标识作用，通过对供排水管道的标识，管理人员能够在监控中心对供排水情况进行实时动态分析，对工业废水、生活用水等进行及时区分及分阶段排放，避免不同类别污水造成生态环境二次污染。

（二）动态调控

智慧排水系统能够对内涝、溢流过程进行综合分析，依据采集的污水排放数据、降雨总量、泵站运转及管网输送数据等进行泵站、污水厂、管网之间的控制优化，从而达到最优化排水效果。

（三）及时排障

智慧排水系统能够充分利用信息化网络对由管道破损、管道老化、供排水终端设施损毁等造成的水体排放浪费情况进行及时解决，提供优化控制措施，在不断水情况下进行故障检修。

二、城市智慧排水系统设计关键

（一）技术应用

GIS技术是城市智慧排水系统中采取的主要应用手段，城市排水系统包括大量的地下设备空间信息数据，先进的GIS技术具备空间网络分析功能，能够实现地下排水管网的巡检和维护效果，为后续智慧化系统的设计提供重要的数据支撑。物联网技术能够对智慧排水系统的关联设备进行全方位数据衔接。基于物联网通信快速简便的优势，排水系统的数据信息能够准确传输和共享。智慧排水系统中采取的数据库技术主要为多源异构建库技术，包含数据仓库、联邦数据库、中间件结构三个方面，多源异构数据库技术能够充分优化数据溯源、查询的准确程度，有利于局部数据异构的添加。智慧排水系统中应用移动终端技术（小程序、软件App等）则能够进行动态化的GIS地图查看、视频监控、水质监控、水位流量及排水口的监控，促进管理人员工作效率提升。

（二）泵站自动化控制

泵站自动化控制是智慧排水系统设计的关键，智慧排水系统可依据不同水泵的水位、状态、闸门位置信息和电网情况优化泵站工作，且基于实际运转情况，达到系统高效节能目的。智慧系统泵站工作主要采取PLC控制系统，这有助于规避局部泵站出现闲置或过度使用的情况，泵站运行中也能够进行关键参数的动态上传，智慧系统监控中心则可以依据泵站参数进行及时优化调整，特殊情况下也可以通过技术人员的手动控制来稳定泵站运行状态。除此之外，泵站设备需要实现自动化控制保护。比如，阀门故障保护、电气故障保护、自动停机保护等功能需要配备完善，保证设备故障状态下及时停止，避免系统损坏；智慧化系统可以通过TCP/IP协议进行远处泵站的控制，通过视频监控功能对不同关键点位（闸口、地道、高低压室、前池）进行监控和录像，调度中心可以借助视频信号无线网络对关键点位的水位情况、设备运行状态进行查询。

三、智慧排水系统关键性设计

（一）层次结构

智慧排水系统能够结合雨洪水质模型开展在线数据监测分析，为城市水体的维护治理提供智慧化管控手段，如提供不同区域水体信息、污染源预警、水体治理情况、公众参与情况等。智慧化排水系统需要完善泵站调度运转功能，在不扩增排水设备的基础上，实现污水排放、能耗成本优化、远程控制。本文设计城市智慧排水系统层次结构如图1所示，整体结构可以分为感知层（与硬件进行交互）、网络层（进行通信联络）、应用层（与用户进行交互）三个层次结构，结构层级为有机化整体，能够灵活地对现场数据进行采集、分析和反馈。

1.感知层

感知层是智慧排水系统泵站运行控制和综合分析的基础，主要分布在智慧排水系统关键设备、仪器仪表等位置。常规感知设备主要包括流量传感器、水位传感器、视频监控设备及毒性传感器等，能够对泵站运行数据进行有效采集及处理，并且将信息数据进行多手段的上传至应用层关联功能模块，以供后续分析及决策处理。

2.网络层

网络层结构在智慧系统中发挥着数据衔接作用，负责将现场感知设备采集的数据向上级层次传输。网络层级需要借助完善的物联网，配备无线通信技术，且数据要有备份和补充，这能够确保信息数据传输的通畅性和完整性。其中，网络通信技术则可以采取WLAN、蓝牙、无载波通信技术、无线传感网络等通信手段，智慧系统设计中需要依据数据采集点位实际情况、设备特性合理选取适配性通信技术，对于数据采集点位相对集中的污水处理厂等区域，则可以采取廉价、简洁的有线WLAN通信手段；泵站、排水管网等数据采集点位分散程度较高的区域，则主要采取无线通信技术。

3.应用层

应用层是智慧排水系统的关键结构，主要包括业务功能模块，能够对采集到的相关数据进行筛选、模式识别、存储、建模分析等处理，获取的有用信息能够为设备状态制定决策策略，确保整体系统的稳定有序运行。城市排水系统多处于改扩建阶段，系统设计需要依据实际情况来满足不同业务需求，智慧排水系统也需要具备良好的可升级性及扩展性。应用层关联业务功能模块则需要具备开发潜能，良好的功能开发模式能够促进资源快速共享，规避软硬件资源浪费情况，优化系统运营成本。智慧排水系统软硬件功能开发平台需要包含网络、监测、运输、服务器、安全、控制、通信等多类型内容。

（二）总体架构

作为一个多结构、多层次、复杂化的综合性智慧排水系统，不仅要对不同泵站进行动态化监测，而且要对泵站运行数据信息进行自动化控制协调，才能实现最优化排水效果。智慧排水系统总体架构需要借助既有的通信网络，配备软硬件关联设备，无需建设专用网络，即可实现对排水系统进行自动化控制。通信网络在排水系统中起到设备关联、数据传输共享的基础功能，本文介绍的系统架构主要采取应用较为成熟的B/S模式，依据系统功能的不同，可具体分为客户端、监控端、服务器端三个部分，具体如图2所示。智慧排水系统正常运行时，不同泵站设置的传感器对开启泵组台数、进水池水位、机组运转频率进行数据动态采集，下位机对采集的数据进行初始处理之后上传至中心控制系统。中心控制系统依据获取的泵站污水量及目标控制水位进行决策处理，将控制指令传送至不同泵站。泵站下位机则需要将控制指令进行必要数据解析，继而将判断分配至相关执行设备及运行机泵组，最终达到智慧控制效果。系统网络出现故障，泵站下位机需要实现自动化控制，此时需要根据自身所具备的调度子系统进行控制指标计算，继而将判断结果传送至执行设备，对污水排放进行合理控制。

1.服务器端

总体架构中的服务器端是整个智慧排水系统控制的核心，服务器端主要包括优化决策控制模块、服务器数据库、服务器构成，需要实现系统排水的协调控制目标。服务器端功能主要是和不同泵站下位机进行数据互换，借助决策优化功能模块进行相关控制命令的生成，对客户端数据请求进行及时响应及反馈。服务器端需要根据泵站运行状态及时判断数据有效性来确保数据的可靠性，同时也需要对泵站的实时水位、污水流入流出量、目标水位、泵站运行台数及频率等进行计算模拟，对有价值的数据进行数据库存储。服务器端需要对不同泵站运行状态进行动态监测，依据不同运转频率进行调度控制。服务器端具体功能流程如图3所示。

2.监控端

监控端安置在排水系统泵站内部，由本地数据库、下位机、传感器、控制器、机泵组等构成，能够对现场数据信息进行及时采集，并且控制设备运行。监控端主要发挥对泵站内部构件的监控、相关控制指令的执行，且能够和服务器端实现数据传输和互换。监控端需要和服务器端连接，对服务器端传输数据及时处理，首先进行服务器端控制指令的识别和解析，继而对机泵组进行控制指令的下达。监控端也可以通过关键节点位置处的传感器采集数据进行下位机上传，服务器端接收相关数据过程中，下位机需要自动化控制泵站，遇到数据传输中断或者无法执行等情况，则能够及时发出警告。监控端具体功能如图4所示。

3.客户端

客户端主要包括客户端软件，主要是为了排水系统用管理人员进行泵站远程监控、养护维修等操作而进行设置。相关人员可以通过客户端软件对排水系统内部泵站运行状态、历史数据等进行查询监视，具体功能如图5所示。

四、小结

随着现代化信息技术的高速发展，排水系统智慧化控制模式的应用需求也在不断提升。相对于传统的城市排水管控方法，智慧化排水系统具备自动化程度高，数据监测可靠等优点，且能够极大地适应城市不断扩增的排水管网工程。智慧化的城市排水系统能够在不增加排水设备的基础上，确保排放污水效果的可靠性，避免城市出现内涝，极大降低排水成本。

参考文献：

[1]黄金林， 迟宝明， 路莹，等.地下储水空间雨洪资源调蓄技术研究进展 [J].灌溉排水报， 2008， 27（2）： 123-127.

[2]李旭， 张辉， 赵万民.统筹兼顾，因势利导：历史治水经验对城市内涝的启示[J].城市发展研究，2012，19（4）：113-117.

[3]戴慎志， 曹凯.我国城市防洪排涝对策研究[J].现代城市研究 ，2012（1）：21-22.

[4]万帆.美国暴雨管理经验探析及对城市排水规划设计的启示[J].城市规划学刊， 2009（7）：216-220.

[5]胡爱兵， 李子富， 张书函，等.模拟生物滞留池净化城市机动车道路雨水径流 [J].中国给水排水，2012，28（13）：75-79.

[6]周永波 翟光银.影响“城市内涝”的城市排水体系模型建立思路探索[J].科技创业月刊， 2015（13）：21-26.