传感器技术在智能化排水系统中的应用研究

摘  要：介绍一种基于传感器技术的排水智能化管理系统，用以提高排水设施的日常养护和管理效率。该系统采用物联网和传感器技术进行在线监测和数据采集，并应用数据挖掘和地理信息等技术开发智能化业务应用平台，实现对排水设施的日常养护和精细化管理，为排水设施管理提供了有效的解决方案，产生良好的社会效益和经济效益。文章以厦门市同安区排水智能化管理系统建设为例，展示一种可行的智慧城市建设方式。

关键词：GIS；智能化；大数据；物联网与传感器

中图分类号：TP212.9；TU992  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）19-0181-05

Research on Application of Sensor Technology in Intelligent Drainage Systems

YANG Baolan

（Xiamen Kingtop Information Technology Co.， Ltd.， Xiamen  361008， China）

Abstract： This paper introduces an intelligent drainage management system based on sensor technology to improve the efficiency of daily maintenance and management of drainage facilities. The system adopts Internet of Things and sensor technology for online monitoring and data collection， and applies technologies such as data mining and geographic information to develop an intelligent business application platform， achieving daily maintenance and refined management of drainage facilities， providing effective solutions for drainage facility management， and generating good social and economic benefits. The paper takes the construction of an intelligent drainage management system in Tong'an District， Xiamen City as an example to demonstrate a feasible way for building a smart city.

Keywords： GIS; intelligence; big data; Internet of Things and sensor

0  引  言

城市井盖和排水管线是现代化城市不可或缺的基础设施，对于城市的水污染防治、排涝、排渍和防洪等都起着重要作用。然而，原有的管理模式存在着效率低下、更新工作量大等问题，已经无法满足现代化管理的需求。为了提高排水设施的管理水平，需要利用现代技术手段，如GIS技术、传感器技术和大数据分析等，实现排水设施的智能化管理和大数据管理。

在此背景下，2019年4月29日，住建部、生态环境部和发改委联合印发了《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》（建城〔2019〕52號），要求建立市政排水管网地理信息系统（GIS），实现管网信息化、账册化管理，并落实排水管网周期性监测评估制度，建立和完善基于GIS系统的动态更新机制。同时，逐步建立以5～10年为一个排查周期的长效机制和费用保障机制。这些措施将有助于提升排水设施的管理水平，实现智能化管理和大数据管理。

总之，现代化城市的建设和管理需要依托先进的技术手段，将GIS技术、传感器技术和大数据分析等技术应用于城市基础设施的管理。通过实现设施的智能化管理和大数据管理，可以提高管理效率和水平，为城市的发展和环境的改善提供保障。

1  系统构建设计

1.1  体系架构设计

排水智能化管理系统是以计算机硬件与VPN网络通信平台为基础，以政策、法规、规范、标准、信息化机构以及安全体系为保障，以数据为核心，依托物联网、物探技术、北斗定位、导航定位技术等支撑构建而成的。在良好的支撑环境下，该系统为排水专业领域内的专业应用提供服务。其系统架构设计包括标准规范、外部系统、基础设施层、数据层、服务层、综合应用层和用户层7个不同层次：

1）法律法规和标准规范。建设项目需要遵循一系列政策法规和标准规范，这些法律法规和标准规范由国家、省、市颁布，旨在规范项目建设过程中的行为。在电子政务领域，还有各种开发建设标准和技术规范需要遵循。这些法律法规和标准规范的遵循对项目的顺利进行非常重要。

2）相关外部系统。本系统与其他相关外部系统存在数据交换等关系，例如市政园林局、政府现有各项信息化成果等。

3）基础设施层。基础设施层，包括网络环境、软硬件设施等，以保障系统顺利运行。在本项目建设中，需要严格遵循已制定的相关标准规范、协调机制以及管理办法，在充分利用现有资源基础上，进行项目系统开发建设。

4）数据层。数据层是系统的核心，以市政设施数据平台为基础，包括基础地形数据库、遥感影像图数据库、管线空间数据库、市政设施业务数据库、其他设施数据库、泵站和厂站信息数据库等。

5）应用支撑层。应用支撑层承上启下，主要包括工作流引擎和各类中间件，用于支持系统应用的研发。

6）应用服务层。综合应用层则构筑多层次的服务体系，是系统核心功能的外在体现，面向各级用户提供服务，包括排水管网数据管理子系统、排水管网共享应用子系统、PDA巡检上报子系统、附属设施管理子系统、泵站管理子系统等。通过各系统的协同应用，为用户提供数据可视服务、数据管理服务、动态标注服务、专业分析服务等一系列服务支持。

此外，系统提供统一数据集成及共享接口，以实现与厦门是综合管网系统和同安区现有业务系统（如同安区排水防涝应急指挥平台等）的数据共享应用。

7）用户层。用户指平台的直接用户，分为系统管理员、系统应用维护人员以及各级领导等几大类，如图1所示。

1.2  网络架构设计

系统物联网传感器通过APN网络上传数据，具体架构图如图2所示。

1.3  智能排水中物联网传感器

通过对液位计、水质、工作状态等参数信息进行监测，获取原始数据，将获取的数据通过互联网或移动互联网等途径进行上传，对上传的数据进行存储、分析整理，将结果呈现给用户。

1）低洼液位计：主要监测低洼地路面积水量监测。

2）水质检测仪：重点区域排口在线水质、流量监测等水质数据。

3）雨量计：雨量计是用于测量并记录各种雨量或水位信息的综合观测仪器。

4）液位计：对井内积水和淤泥的高度情况进行监测。

传感器监测示意图如图3所示。

1.4  以技术标准指导项目建设

项目建设启动之初，首先完成了相关技术标准的建设，特别是数据标准。在参考行标、地标的基础上，对于各类型市政设施的数据精度、属性字段等做出了明确要求，以此指导后续数据更新、数据建库等工作的开展，从源头保证了项目成果的质量。

1.5  数据库建设

数据建库工作，需要将地理空间数据与业务专题数据结合，将常态数据（基础地形图数据及排水管网专题数据）与非常态数据（视频图像数据、运行监测数据及巡检数据等）结合，将历史数据与现势数据相结合，建立全面、精确的市政数据平台。

排水管网空间信息数据是否全面、完整、准确、及时，将直接关系到项目的实施。因此，本项目建设应首先以数据为重点，严格进行数据质量控制，将此思路贯穿到数据处理、入库、数据库建设、应用系统开发、数据更新和分发等项目建设的每一个环节。

1.6  大数据云计算分析技术

排水管网监测上传频率较大，造成数据量巨大，需要应用大数据管理方法予以管理和应用，而大数据管理的重要方面就在于其响应速度。通过一系列技术研发工作，有效提升了大数据查询及展示的速度，从而更好地满足用户需求，所使用的技术方法包括两种：一是应用绑定变量循环查询的优化方式，优化查询速度；二是应用ECharts控件展示图表，优化渲染速度。各類管线、点及属性统计界面如图4所示。

1.7  大数据排水管网信息有效应用

将GIS技术、物联网结合传感器技术有效应用于排水设施信息化管理，将大数据排水管网的空间及属性信息准确、直观、多层次的显示输出给用户，同时结合用户的实际业务需要，提供管线设施属性数据查询、信息统计和多角度的空间分析操作，协助用户实现对大数据排水管网的信息化、动态化管理，为管理者提供充分的决策依据。传感器设备监测展示结果如图5所示。

1.8  多源大数据集成管理

系统提供市政排水管理“一张图”展示功能，通过对排水管网数据的归集整理，在当前地图上实现项目资料的多角度、多层次的展示，可以将多类型的排水设施以不同的符号展示在一张图上，全区市政排水设施的总体分布情况一目了然。多源数据一张图展示效果如图6所示。

1.9  对排水管网等的远程调度

根据大数据排水管网拓扑关系、污水厂和泵站位置分布等基础数据，建立厂、站、网智能调度分析模型，根据收集水量，结合上游管网实时监测数据和历史数据的监测结果，根据调度管理预案为排水优化调度提供辅助管理。

1.10  城市防洪预警处置分析

对大数据排水管网监测传感数据的状态告警、结合巡检运维工作开展综合管理与分析，针对城市内涝问题提供事故预警和排涝方案生成的流程化技术支持，一方面可以避免防洪排涝工作的盲目性，另一方面可以大大提高事故处置效率。

2  系统建设应用和效果

2.1  提高排水设施管理效率

加强城市排水设施信息化管理，可以有效提高排水设施日常管理效率，可以更好地发挥管网在城市规划、建设、管理工作中的基础地位和作用。在面对突发事件和灾害时，排水系统可以有助于辅助相关领导快速做出正确的决策和有效的救援响应，减少灾害造成的损失。项目建成后将有利于雨污分流工作开展，提高城市排水能力，改善城市景观，促进城市精细化管理，大大提高日常工作效率。

2.2  助力城市水污染治理工作

水污染不仅会影响市容市貌，还会降低城市居民的生活质量，水污染治理是各大城市亟须解决的重要问题之一。本次项目建设，不仅实现了同安区城区内部排水管线的管理，同时预留农村生活污水管道数据入库及管理功能，通过系统的应用，将有效改善水环境，进而提高城市整体形象。

2.3  提升城市公共服务能力

在《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》（发改高技〔2014〕1770号）中，智慧城市建设的基本原则是要以“为民、便民、惠民”为突出点，推动城市管理和公共服务方式的创新，为城市居民提供广泛覆盖、多层次、差异化、高质量的公共服务，避免强调建设而轻视实际效果，让公众分享智慧城市建设成果。厦门市政务服务战略部署的重要方针是构建服务型政府，其关键措施包括深化行政管理体制改革、完善公共服务体系、提高行政效能、提升基层政治民主建设水平、扩大人民群众民主参与、改善社会民生和健全社会管理，解决人民群众最关心、最直接、最现实的利益问题；同时，还需要优化升级城市系统，持续发展市政公用事业，不断提升城乡区域统筹一体化水平。

2.4  提升大数据决策分析能力

《厦门市推进新型基础设施建设三年行动计划（2020—2022年）》正式出台。标志厦门开启全面建设新型基础设施行动计划。在智慧化的城市管理阶段，市政管理要从问题“发现—解决—再发现—再解决”的循环中有突破，必须要实现管理关口前移，要实现被动处置向主动预防的转变，通过分析市政管理问题发生的规律，找出其中本质的原因，从根本上加以预防，提高决策的科学性和管理的水平，极大地降低政府管理成本。同时，建立“用数据说话、用数据决策、用数据管理、用数据创新”的管理机制，实现基于数据的科学决策，将推动政府管理理念和社会治理模式进步。

3  结  论

厦门市同安区排水智能化管理系统基于传感器技术在线监测排水数据，利用数据挖掘技术和地理信息等技术，开发了排水系统的各类智能化业务应用平台。该系统以排水设施的大数据信息管理需要为出发点，根据排水系统管理行业特征，将GIS技术、物联网与传感器技术有效应用于排水设施大数据信息化管理。系统运用的物联网结合传感器技术、大数据分析技术是未来产业竞争的核心动力。

近年来政府推出了扶持政策及保障措施，推动了物联网技术、大数据技术在各领域的应用。但在实际应用中，需要清醒认识到数据准确性和设备稳定性的重要性。需要综合利用性能稳定可靠的软硬件设备，熟悉掌握应用技巧，才能確保排水智能化管理系统在实际应用中产生良好的社会效益、环境效益和经济效益。该系统实现了对已建排水设施的日常养护，严格实施管网巡查、检测、清淤和维修等机制，切实落实日常养护、管理责任，为同安区排水设施管理提供有效的解决方案。

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作者简介：杨宝兰（1982.08—），女，汉族，福建漳

州人，软件工程师，本科，研究方向：大数据、智能化、GIS。

收稿日期：2023-04-05