源网厂河一体化智慧管控平台建设研究

罗志逢， 郭聪， 黄泽， 陈婷婷

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司）

1 引言

近年来，排水管理中水务资产底数不清、监测感知基础薄弱、数据共享通道不畅、运营管理信息化程度不高、协同调度能力不足等问题日益突出[1-2]，并逐渐成为制约水务企业高质量发展的难点、痛点[3-4]。因此，亟须依托新一代信息技术和“数字中国”“智慧城市”建设契机，围绕“精细管理、科学决策、节能降耗”的目标，构建“全要素覆盖、全周期管理、全链路打通”的源网厂河一体化智慧排水管理平台[5-6]。

2 建设思路

源网厂河一体化智慧管控平台运用GIS+BIM、物联网、数值模拟、大数据分析等技术，构建“水务一张图”“感知一张网”“数据一中心”“管控一平台”。

2.1 通过GIS+BIM建立源网厂河可视化模型，实现水务设施全可视

在充分收集排水户、管网、厂站、河湖等水务设施资料的基础上，通过统一标准对数据进行治理，确保各类水务设施基础数据精准入库。基于GIS+BIM技术，在基础地图上构建排水管网二维与三维GIS模型，建立污水处理厂、泵站及调蓄池等BIM模型，实现排水系统的二/三维融合的数字化展示，使水务设施资产一图可视、可查、可更新。

2.2 构建覆盖源网厂河的物联感知网络，实现水务动态全监控

利用物联网技术，构建涵盖源、网、厂、河的城市水务设施动态物联感知一张网，建成一体化监控体系，为排水环境管控提供实时的动态数据，实现排水户、管网、厂站、河湖等水务信息广泛物联。

2.3 构建数值模型及大数据分析模型，实现分析与调度全智能

以感知系统传输来的监测数据作为边界条件，通过管网、河道和地表数值模型，开展水动力与水质耦合模拟，动态模拟和预测排水系统运行状态，为水务设施规划、设计、改造、日常运维管理提供科学参考，为追踪污染路径、科学调度提供数据支持。

2.4 重视业务应用体系建设，实现水务业务精细管理全过程

建设满足设施设备资产管理、巡检养护、绩效考核、监测预警、综合调度的智慧水务系统，提高管理效率，实现排水系统运维与监管工作主动应对、智能自动系统管控、全要素全过程系统治理，实现精确析源、准确诊断、精明施策、精细管理、精益治理。

3 总体架构（见图1）

图1 平台总体架构图

3.1 感知层

感知层是平台实现其“智慧”的基本条件。感知层具有超强的环境感知能力和智能性，通过传感器、传感网等物联网技术实现对排水设施流量、液位、水质、运行状态等指标的监测和视频监视。

3.2 基础设施层

基础设施层为上层各个模块提供存储、计算和网络等实施资源，基础设施层采用云计算技术，实现实施资源的按需分配和弹性计算。

3.3 业务支撑层

业务支撑层包括一平台三中心。“一平台”指物联网平台，提供物联感知设备的统一管理和监测数据的标准化接入。“三中心”分别指基础能力中心、数据能力中心和模型能力中心，分别提供基础能力支撑、数据治理与服务支撑、模型模拟预测支撑。

3.4 业务应用层

业务应用层实现排水一张图、资产管理、运行监测、运维管理、一体化调度、水环境管理和决策支撑等功能，为用户提供源厂网河一体化智慧管控工具。

3.5 标准规范体系和信息安全体系

标准规范体系提供系统建设遵循的国家标准和行业标准，保障系统建设的标准化和规范化。信息安全体系提供系统的安全运行管理办法和流程，保障系统安全可靠运行。

4 建设任务

4.1 物联感知体系建设

4.1.1 污水系统感知体系

污水管网实时在线监测可做到对管网24h连续监测，使管理人员能够准确掌握管网中关键节点的液位、流量、水质等在线监测数据，及时发现污水管网的溢流、淤积、堵塞等风险。

污水系统监测点主要布置在治水提质相关重要点，重要一级排水户或污染源，施工工地，部分污水主干管，重要的污水小流域出口，部分高位溢流、雨、污管道错接及截污井、排口等位置。监测指标包括液位、流量、水质。水质指标包括化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）等指标。

4.1.2 雨水系统感知体系

雨水管网实时在线监测可做到对管网24h连续监测，使管理人员能够准确掌握管网中关键节点的液位、流量、水质等在线监测数据，及时发现雨水管网的混接、偷排漏排、淤积、堵塞等风险。

雨水系统监测点主要布置在雨水主干管、重点排水户出口、雨水排放口、排涝泵站前池、易涝点等关键节点位置。监测指标包括液位、流量、水质。水质指标包括化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）以及SS等指标。

4.1.3 河湖感知体系

河湖在线监测实现了对河湖渠沿线的实时监测和自动化管理，随时掌握河湖的水量、流速、水质等信息，为防洪防汛工作提供及时全面的数据支持。通过大范围、24h实时监测，有利于快速响应河湖水质异常波动，化解短期污染风险。

河湖监测点主要布置在河口、行政区交界面、考核断面、亲水平台、重要行洪断面等位置。监测指标包括水位、水质、流量。水质指标包括五参数、COD、氨氮、TP。

4.2 数值模型构建

数值模型是进行水动力与水质模拟分析的理想工具，是智慧化平台的计算、分析内核之一，对实现智慧排水平台的决策智能化非常必要。

模型建设内容包括：①一维污水管网模型；②一维雨水管网模型；③一二维耦合雨水系统模型；④一维河道模型；⑤管网与河道耦合模型。

模型的核心功能主要有两方面。

①以感知系统传输来的监测数据作为边界条件，通过管网、河道和地表数值模型，开展水动力与水质耦合模拟，动态模拟和预测管网、河道水位、流量、水质信息，以及易涝点水位信息，为水务设施规划、设计、改造、日常运维管理管理提供科学参考，为追踪污染路径，溯源污染提供数据支持。

②基于数值模型对历史数据的反演结果和物联网感知体系的监测数据，可为人工神经网络模型提供大量的训练样本，利用训练过的人工神经网络模型实现，对突发水污染事故发生后的水质进行实时动态预报预警，对暴雨期间的淹没水深、淹没范围、淹没历时、管道流量、河道水位进行实时动态预报预警，为应急调度提供决策依据。

4.3 支撑平台建设

4.3.1 物联网平台

物联网平台是物联感知设备接入与数据存储、分析的核心平台，该平台应协同各类前端设备建立全面的物联感知体系，支持多种设备接入，提供安全可靠的连接通信能力。

4.3.2 基础能力中心

基础能力中心包括GIS服务、报表服务、工作流引擎、规则引擎、任务调度引擎、用户中心引擎。基于基础服务引擎中的各种能力，能够快速支撑各层级、各部门、各应用的快速高效的搭建，有效降低应用构建成本，全局提高应用建设质量。

4.3.3 数据能力中心

数据能力中心结合水务数据采集和管理特点，按照业务数据、明细数据和主题数据库分层建立数据资源体系，采用维度建模和面向对象的数据设计方法，实施数据清洗、治理和融合，将分散的数据逐步整合为高质量、高价值的数据资产，并提供统一的数据共享服务，实现对数据的全生命周期管理。

4.3.4 模型能力中心

模型服务是以各类基础数据、监测数据为输入，通过数值计算和大数据分析，输出预测、调度、控制和评估结果，为水务管理部门在规划、设计、建设和运行管理中提供智慧化辅助决策。

4.4 业务应用系统建设

为实现排水系统全链路可视化、精细化、智慧化管理，以源、厂、网、河为管理对象，以物联网、GIS+BIM、数值模拟、大数据分析等技术为支撑，打造源网厂河一体化智慧管控平台。平台具备9大功能模块。

1）排水一张图

构建排水系统全要素一张图，将地理空间信息、源网厂河信息、实时监测数据、分析统计指标、人车运行轨迹、模型模拟结果、应急事件信息、业务专题图、BIM等进行可视化展示，实现“一图全感知”“一键全获取”。

2）排水户管理

从排水户基本信息出发，给每一个排水户分别建立档案，包括内部排水设施基本情况、证书办理情况、排水口数量和位置、排水量、排放污染物等信息。同时，通过在线监测设备，对典型排水户排水情况进行实时在线监控。

3）资产管理

对排水设施、监测设施、厂站设备、监测设备、备品备件、工器具、物料等水务资产进行统一标准化管理。通过该模块可以实现各类设备的全生命周期管理，以及备品备件、工器具、物料的仓储管理。

同时，通过对设施设备的使用年限、使用情况、维修养护记录等进行数据分析，结合运行状态评估算法，实现设施设备的健康度管理。

4）运行监测

平台集成源、厂、网、河的实时运行数据、监测数据、视频监控，将原始数据进行规整处理后分类录入数据库系统，并实现多种方式的监测数据查看。该模块还基于设定的告警规则实现区域内异常事件的报警与处理，对异常事件快速反应、快速处理。

5）运维管理

该模块应满足运维单位对于设施设备的日常巡检、维护保养、维护工单、缺陷处置、事件处理、交接班等运维任务的在线管理，并用后台的统一工单流程引擎实现各项任务的全过程监管。运维管理系统为源、厂、网、河巡查、养护、消缺、交接班及事件处理提供了全流程、精细化、标准化的管理模式。

6）一体化调度

平台对排水管网、河湖、污水厂、调蓄池等的水质、水位、流量等进行监控，将污水提升泵站、调蓄池、截流井、污水厂的运行状态信息、河湖水环境承载能力通过物联网平台进行收集、整合、分析和处理，建立各个环节的相互规约模型，分析各环节水质、水量、水文与管网、泵站、水处理厂、受纳水体之间的隐含关系，找到城市排水体系的优化调配方案，实现对厂站网河的一体化调度控制。

7）水环境管理

通过平台加强河湖水域环境动态监管，实现基础数据、涉河工程、水质监测、水域岸线管理信息化、系统化。整合各方资源，构建层级互连、横向兼容、要素齐全、高效联动的管理信息系统，以河湖管理、水质达标、问题处理为核心，将日常巡查、水污染防治、黑臭防治、水环境长效管理等重点工作一体化管理，提高工作效能，接受社会监督。

8）报表管理

为了满足排水系统“提质增效”相关运营单位的考核需求，平台采用国内先进且开发成熟的报表管理系统，满足源网厂河的管理部门以及监管单位对于各类报表的需求，实现自动报表、半自动报表以及手动报表的快速生成，提高生产办公效率。

9）决策支持系统

本平台的目标是借助信息化系统、利用智慧化工具，在整合多源水务数据的基础上，进行水务大数据的深度挖掘分析和数值模拟分析，将分析场景应用至源、厂、网、河全链路，最终实现决策支持系统对排水业务的决策支持。

5 结语

综上所述，源网厂河一体化智慧管控是实现排水系统运营工作从被动响应到主动应对，从传统人工管理到智能自动系统管控，从碎片化点状管理到全要素一体化管控转变的有效支撑工具。