摘要：隨著城市規(guī)模的不斷擴大和現(xiàn)代化程度的日益提高，城市排水管網(wǎng)越來越復雜，一些城市相繼發(fā)生大雨內(nèi)澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷等事件，嚴重影響了人民群眾生命財產(chǎn)安全和城市運行秩序...
隨著城市規(guī)模的不斷擴大和現(xiàn)代化程度的日益提高，城市排水管網(wǎng)越來越復雜，一些城市相繼發(fā)生大雨內(nèi)澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷等事件，嚴重影響了人民群眾生命財產(chǎn)安全和城市運行秩序。因此，摸清排水管網(wǎng)設施資產(chǎn)家底、建立排水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，用現(xiàn)代化的技術(shù)手段對排水系統(tǒng)進行科學管理顯得迫在眉睫。以時空信息為基礎，充分利用感知監(jiān)測網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制和水力模型等新一代信息技術(shù)，全方位感知市政排水運行工況，通過“一張圖”可視化管理模式，最終形成支撐排水管理部門各業(yè)務單元運行、管理和決策分析于一體的“智慧排水”信息平臺。
一、智慧排水管理系統(tǒng)方案介紹
智慧排水解決方案綜合應用了包括GIS地圖、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、在線監(jiān)測、工業(yè)自動化控制、網(wǎng)絡通信及排水管網(wǎng)模擬在內(nèi)的技術(shù)手段，建立起了一個能夠長期、有效、動態(tài)管理排水管網(wǎng)大量空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的基礎平臺，并融合排水管網(wǎng)數(shù)字化管理過程中所需的各種業(yè)務處理和專業(yè)分析模塊，最終形成一個具有連接排水管理部門各業(yè)務單元信息、數(shù)據(jù)存儲管理和決策分析等多種功能于一體的“智慧排水綜合管理信息平臺”。智慧排水管理系統(tǒng)減輕、減少管線災害事故發(fā)生的經(jīng)濟損失。提高城市排水管網(wǎng)信息現(xiàn)代化管理水平，保障城市智慧排水管理系統(tǒng)高效率，高質(zhì)量的運轉(zhuǎn)。降低城市規(guī)劃設計、管理決策的成本。為城市管線規(guī)劃、建設和管理提供依據(jù)，實現(xiàn)管線信息多元化應用。為城市的優(yōu)化設計和科學決策服務。
二、智慧排水管理系統(tǒng)方案優(yōu)點
智慧排水解決方案是城市防汛排澇和日常污水排放、處理的綜合監(jiān)管平臺。借助該系統(tǒng)，排水公司可全面掌握城市排水現(xiàn)狀、及時采取防汛排澇措施，可實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)的全方位監(jiān)控和全局化調(diào)度管理。
1、高效管理多源可視化數(shù)據(jù)
智慧排水管理系統(tǒng)是一個包含海量數(shù)據(jù)的復雜系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)庫用以存儲和管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，不僅包括管網(wǎng)數(shù)據(jù)，還集成了不同來源、不同數(shù)據(jù)格式和不同空間尺度的基礎地理信息數(shù)據(jù)，如：地形數(shù)據(jù)、航空影像、DEM等，改善了傳統(tǒng)管網(wǎng)數(shù)據(jù)單一、記錄分散、不完整的局面，為市政管理部門的業(yè)務應用、決策分析和數(shù)據(jù)共享奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎。通過多種數(shù)據(jù)的疊加和可視化顯示，可以更加直觀地了解排水管網(wǎng)周邊的交通、居民地、水系、植被和地形等分布情況。數(shù)據(jù)庫能有效管理不同歷史時期的排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過對比顯示能夠較清楚地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的差異和聯(lián)系，這對于城市未來的發(fā)展規(guī)劃有著重要意義。隨著三維仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的日漸成熟，對管線點、管線線數(shù)據(jù)進行自動三維建模并疊加道路、建筑物等三維模型，實現(xiàn)管線數(shù)據(jù)任意角度的三維瀏覽，還原管網(wǎng)地上和地下的三維立體場景，建設規(guī)劃部門即便不到現(xiàn)場，也能真實地感受排水管網(wǎng)之間以及管網(wǎng)與周邊地物的空間位置關(guān)系。
2、提升巡檢、養(yǎng)護工作的效率和管理水平
智慧排水管理系統(tǒng)采用手持設備與Web相結(jié)合的方式，現(xiàn)場巡查、養(yǎng)護人員通過手持設備將巡檢信息和養(yǎng)護進展及時上傳到監(jiān)控中心，而監(jiān)控中心的市政管理人員通過登錄Web系統(tǒng)及時了解巡查和養(yǎng)護現(xiàn)場的詳細信息，便于對巡查和養(yǎng)護工作進行動態(tài)監(jiān)管，對發(fā)現(xiàn)的排水管網(wǎng)問題進行人員的科學調(diào)度。通過自動化監(jiān)管實現(xiàn)了巡檢養(yǎng)護工作的高效執(zhí)行，降低了管網(wǎng)養(yǎng)護的成本，提高了人員對緊急事件的響應速度，保障了管網(wǎng)的安全高效運行。
3、輔助決策分析
GIS強大的空間分析功能完全依賴于地理空間數(shù)據(jù)庫，排水管網(wǎng)完整的數(shù)據(jù)體系為查詢分析、緩沖區(qū)分析、拓撲分析提供了強大的支撐，通過深層次的信息挖掘，解決用戶關(guān)心的涉及地理空間的實際問題，為智慧排水管理系統(tǒng)規(guī)劃、城市建設、防災減災等提供輔助決策分析的合理性建議數(shù)據(jù)。
4、實時數(shù)據(jù)提高應急處置能力
城市排水管網(wǎng)承擔著收集輸送污水和天然降水的功能，排水管理信息系統(tǒng)能夠充分整合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源、硬件網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)資源的高效節(jié)約。以在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)為基礎，充分利用管網(wǎng)水力計算模型及其他有關(guān)模型，結(jié)合GIS的數(shù)據(jù)管理和空間分析能力，對管網(wǎng)的運行狀況進行分析評估，為管網(wǎng)的日常維護提供數(shù)據(jù)支持。當流量、流速、液位或壓力等運行參數(shù)出現(xiàn)異常甚至超出警戒值時，市政管理人員可快速反應、快速診斷、快速行動，提高對管網(wǎng)突發(fā)緊急事件的處理能力，保障公共利益和人民生命財產(chǎn)安全，保證排水設施正常運轉(zhuǎn)。
5、排水情景模擬和預測
城市下墊面的非滲透面積隨著城市建設的飛速發(fā)展急劇增加，城市內(nèi)澇等事故頻繁發(fā)生，給城市排水系統(tǒng)提出了嚴峻的考驗。排水管網(wǎng)系統(tǒng)在排水模型的支持下，結(jié)合現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)，通過分析智慧排水管理系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)(水深、流速、流量、降雨量、徑流量等)和管線數(shù)據(jù)中的每個要素(節(jié)點、管線和匯水區(qū))，科學計算并模擬城市地下智慧排水管理系統(tǒng)的實際運行情況。排水模型的強大功能還在于通過模擬一定降雨條件下城市排水的演進情況，發(fā)現(xiàn)排水的薄弱點和可能溢水的檢查井，預測將會出現(xiàn)積水或發(fā)生洪災的地點，甚至積水開始時間和積水退去時間等，為各級領(lǐng)導制定減災決策、快速開展搶險工作提供依據(jù)和參考，為市民合理防御暴雨災害爭取寶貴的時間。
三、智慧排水管理系統(tǒng)方案功能
智慧排水信息平臺系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，建設設施完整、拓撲清晰、位置準確的排水設施“一張圖”，實現(xiàn)市、區(qū)、街鎮(zhèn)三級排水設施精細管理、動態(tài)更新、實時監(jiān)測和智能控制，實現(xiàn)污水流向和雨水流向全過程可視化查詢、追溯與分析，為處置污水溢流、暴雨內(nèi)澇等應急事件提供有效支撐，為排水空間規(guī)劃、設計、排水設施改造與接駁提供決策支持。
1、排水綜合管理平臺
排水綜合管理平臺是一套排水設施信息展示與管理平臺，采用成熟的BS系統(tǒng)架構(gòu)，以監(jiān)測點的信息展示為重心，集成視頻監(jiān)控、GIS系統(tǒng)、GPS公車管理等信息進行集中展示，逐步實現(xiàn)全市排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠等排水設施資源統(tǒng)一管理、統(tǒng)一監(jiān)測，系統(tǒng)支持Oracle、SQL等主流數(shù)據(jù)庫應用。平臺首頁以門戶形式展示平臺logo、用戶登錄信息、報警信息、發(fā)布信息、常用鏈接等相關(guān)內(nèi)容，平臺支持溫州排水公司原有GIS系統(tǒng)接入，實現(xiàn)單點登錄功能。
該子系統(tǒng)可以實現(xiàn)排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠等監(jiān)測信息的實時狀態(tài)、歷史狀態(tài)和報警狀態(tài)的形象化展示和簡單分析。所有監(jiān)測信息需基于GIS地圖服務上展示，并滿足虛擬全國地圖的方式和三維地圖服務的擴展開發(fā)應用。系統(tǒng)支持的測點數(shù)量沒有限制，允許根據(jù)工程的規(guī)模任意擴展，數(shù)據(jù)監(jiān)測點與設備檔案信息庫之間應建立鏈接關(guān)系。
該系統(tǒng)包含了管網(wǎng)管理(GIS)、水位監(jiān)測(數(shù)字排水的數(shù)據(jù)整合)、井蓋監(jiān)測、氣體監(jiān)測、管網(wǎng)及河道流量監(jiān)測、閘門監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、管道沉降監(jiān)測、淤積監(jiān)測等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合。同時，涵蓋了業(yè)務管理子系統(tǒng)的所有內(nèi)容，包括：污水廠及泵站的設施/設備的臺賬管理、維修養(yǎng)護管理、巡查管理、工程及安全臺賬管理、防汛監(jiān)測和管理、案卷管理(社會應急聯(lián)動等)、報表管理、模型模擬及管網(wǎng)決策等十多個業(yè)務子系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了一個集成平臺上的綜合無縫管理。
2、排水生產(chǎn)監(jiān)控平臺
排水生產(chǎn)監(jiān)控平臺主要滿足“監(jiān)”和“控”的功能，對于實時性要求較高，同時要配合無人值守泵站的改造，全面實現(xiàn)廠站的監(jiān)控，主要完成了28座泵站數(shù)據(jù)，實現(xiàn)泵站供電系統(tǒng)電量參數(shù)、液位(進水池、格柵池、泵池)、出水流量、氣體、工藝運行設備(開停狀態(tài)、軸溫、電量參數(shù)、保護裝置、故障信息、臺時)、溫濕度等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。同時，根據(jù)調(diào)度需求，監(jiān)控中心人員可實現(xiàn)對水泵、格柵機、進出水閘門、除臭設備、空壓機等工藝設備的遠程控制，實現(xiàn)對關(guān)鍵性設備的歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、趨勢圖分析、打印、導出等常規(guī)功能。
3、移動終端應用
移動終端的應用提高了管理人員的日常巡檢及監(jiān)控管理能力，公司領(lǐng)導、管理人員在移動終端上可以隨時、隨地查詢系統(tǒng)信息，對于公司日常業(yè)務開展及突發(fā)性、應急性事件的處理具有重要意義。其中包括：
1)管網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢。隨著手持移動端用戶的移動，系統(tǒng)自動定位并搜索附近的排水管網(wǎng)于地圖上顯示，方便管理人員查看。
2)生產(chǎn)監(jiān)測。將排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠等排水設施的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至移動端進行查詢。
3)設備二維碼掃描。系統(tǒng)支持現(xiàn)場設備條形碼掃描，自動彈出對應設備的檔案信息，針對權(quán)限許可用戶可提供轉(zhuǎn)存、編輯、上報等功能。
4)巡檢軌跡。系統(tǒng)自動記錄巡檢人員的GPS軌跡信息，并發(fā)送到服務器端。管理人員可以隨時查看巡檢人員的實時位置及歷史巡檢軌跡。
5)巡檢報告。手持移動端用戶可瀏覽上報的各類報告，也可將現(xiàn)場照片、問題反饋、巡檢記錄、語音留言等信息上傳。
6)數(shù)據(jù)報警。將各類報警信息推送到移動終端，方便手持移動端用戶及時掌握各種風險。
四、智慧排水管理系統(tǒng)方案特點
智慧排水管理系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)理念，采用信息化手段，結(jié)合GIS展示，實現(xiàn)對管網(wǎng)運行指標的實時監(jiān)測，包括管網(wǎng)液位、流量、水質(zhì)、氣體、泵站運行狀態(tài)等信息，保證管網(wǎng)安全高效地發(fā)揮作用，通過構(gòu)建安全預警平臺，提高應急指揮及快速處置能力，保障城市排水管線的安全運行，使得整個城市排水管線的安全運行可把握、可控制、可預測，提供科學、先進的城市級水力分析能力，更全面評估城市排水管網(wǎng)能力。
1、準確全面反映排水管網(wǎng)運行現(xiàn)狀
參照或制定數(shù)據(jù)標準，以現(xiàn)有排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎，進行數(shù)據(jù)現(xiàn)場核查與補充測繪，進行數(shù)據(jù)標準化與整理入庫工作，對數(shù)據(jù)進行標準化處理，進行拓撲檢查與修正，構(gòu)建能基本反映現(xiàn)狀的排水GIS數(shù)據(jù)庫，同時建立有效的排水管網(wǎng)在線監(jiān)測網(wǎng)絡，準確反映排水管網(wǎng)運行動態(tài)，為規(guī)劃管理提供可靠依據(jù)。
2、系統(tǒng)診斷與評估排水管網(wǎng)規(guī)劃改造方案
以數(shù)學模型為基礎，建立專業(yè)化的分析評估模式，進行排水系統(tǒng)模擬綜合評估，對排水管網(wǎng)的運行情況進行系統(tǒng)診斷，分析排水系統(tǒng)功能缺陷，診斷排水管網(wǎng)現(xiàn)狀問題及風險，為規(guī)劃改造、運行調(diào)度、防汛應急、智能控制等提供決策支持。基于在線監(jiān)測和模型的聯(lián)合應用，可以輔助管理人員對給排水系統(tǒng)的負荷和運行狀況進行及時的評估計算，充分發(fā)揮排水管網(wǎng)數(shù)字化管理系統(tǒng)的模擬預測能力，對排水管網(wǎng)規(guī)劃改造方案進行評估，提高方案的實施效益。
3、提高排水系統(tǒng)大型工程運行效率與優(yōu)化投資
基于復雜系統(tǒng)優(yōu)化方法，以提升排水系統(tǒng)總體運行效率為目標，建立新型規(guī)劃設計評估優(yōu)化流程，通過模型輔助排水系統(tǒng)的問題診斷、方案制定、工程決策等，系統(tǒng)級優(yōu)化巨額建設資金的投入，改善管網(wǎng)運營效果，節(jié)約排水管網(wǎng)建設運營資金投入。同時，構(gòu)建在線控制系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)級整體在線優(yōu)化調(diào)度，大幅提高排水系統(tǒng)整體運行的可靠性及有效性，充分挖掘管網(wǎng)及污水廠潛能，最大限度發(fā)揮設施已有能力，減少不必要或低效的建設資金投入。
4、提升傳統(tǒng)排水管網(wǎng)管理與維護水平
能否實現(xiàn)高效的排水管理、提升決策水平，很大程度上取決于排水管網(wǎng)運營過程中是否真實完整記錄了管網(wǎng)日常運營過程中產(chǎn)生的相關(guān)業(yè)務信息、系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從而真實反映排水管網(wǎng)運行狀態(tài)，為決策分析和管理提供數(shù)據(jù)支撐。智慧排水系統(tǒng)應完備的管理軟件、必要的硬件支撐、標準的管理模式，以幫助業(yè)主盡可能詳細而全面地記錄排水管網(wǎng)管理與維護的全過程信息，借助科學先進的管理手段，全面評估系統(tǒng)運行情況，進行相關(guān)環(huán)節(jié)、細節(jié)的優(yōu)化和改進，并為大數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，提高排水管網(wǎng)運營管理與維護水平。
5、構(gòu)建技術(shù)和管理結(jié)合的長期動態(tài)運營支撐模式
排水管網(wǎng)系統(tǒng)的復雜性、不確定性決定了排水管網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)是動態(tài)復雜變化的，本方案構(gòu)建了技術(shù)和管理層面的長期動態(tài)運營支撐模式，一方面建立在線監(jiān)測預警系統(tǒng)，形成排水監(jiān)測一張網(wǎng)，對排水管網(wǎng)進行動態(tài)監(jiān)測和在線預警，及時掌握系統(tǒng)運行狀況;另一方面建立多種規(guī)劃管理的決策支持模式，不定期對業(yè)務數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)進行分析并給出管理建議;同時，利用在線監(jiān)測、模型模擬、大數(shù)據(jù)分析等手段，對未來排水管網(wǎng)狀況進行預測和分析，及時做出判斷和預警。從而能準確排水管網(wǎng)系統(tǒng)的歷史、當前和未來發(fā)展狀況。
五、智慧排水管理系統(tǒng)組成架構(gòu)
智慧排水解決方案采用集散式設計理念，按照多級監(jiān)控中心設計。排水公司內(nèi)建立總監(jiān)控中心，各排水管理處、污水處理廠、中水處理廠內(nèi)建立二級分控中心。監(jiān)控總中心負責對整個城區(qū)排水系統(tǒng)進行全面的監(jiān)控和管理，各二級分控中心負責轄區(qū)內(nèi)排水設施的監(jiān)控和管理。
1、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)
將中水站、泵站、河道等SCADA數(shù)據(jù)及多種硬件采集數(shù)據(jù)整合納入系統(tǒng)中統(tǒng)一管理，并根據(jù)用戶需求進行統(tǒng)計分析，為應急指揮決策提供科學依據(jù)。
2、城市內(nèi)澇預警預報系統(tǒng)
通過中心站和遙測站(監(jiān)測站)的協(xié)同工作，提供城市道路、下沉式立交橋、地下停車場、排水管道、渠道、檢查井、排水口、城市河流水系等監(jiān)測點的實時信息，又能夠為市政排水調(diào)度管理機構(gòu)提供數(shù)據(jù)支持。
3、排水管網(wǎng)巡查系統(tǒng)
排水管網(wǎng)巡查系統(tǒng)以手持移動設備與Web系統(tǒng)相結(jié)合的方式，為管網(wǎng)巡查提供了全流程、精細化、標準化的管理模式。
4、視頻監(jiān)控系統(tǒng)
基于網(wǎng)絡化的視頻監(jiān)控技術(shù)，依托視頻監(jiān)控中心，視頻監(jiān)控系統(tǒng)為防汛預警系統(tǒng)及監(jiān)控決策系統(tǒng)提供各類視頻監(jiān)控站點的視頻信息。
六、智慧排水管理系統(tǒng)建設方案
傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)往往不能和污水處理設施實現(xiàn)一體化聯(lián)動控制，即廠網(wǎng)一體化，并主要以基于流量的控制方法為主，缺少對水質(zhì)的建模和優(yōu)化，導致城市內(nèi)澇在許多發(fā)展中國家成為雨季的常態(tài)事件，同時也導致水體污染得不到有效控制。現(xiàn)在的智慧排水系統(tǒng)在城市雨水、污水輸送，控制水體污染和內(nèi)澇溢流方面發(fā)揮著重要作用。智慧排水圍繞信息采集自動化、傳輸網(wǎng)絡化、管理智慧化、決策科學化的目標，主要完成以下幾方面內(nèi)容：
1、在建立數(shù)據(jù)中心的基礎上，所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)、業(yè)務信息無縫整合并實現(xiàn)全面可視化。例如：在排水綜合管理平臺上可同時查閱地理信息數(shù)據(jù)、視頻安防數(shù)據(jù)和生產(chǎn)運行管理數(shù)據(jù)，同時，還可以查閱設備運行情況、故障情況，與該設備關(guān)聯(lián)的所有業(yè)務數(shù)據(jù)，包括臺賬數(shù)據(jù)、維修養(yǎng)護數(shù)據(jù)，工單數(shù)據(jù)等。
2、實時動態(tài)掌握全市排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠的運行情況，迅速有效地發(fā)揮調(diào)度中心的指揮作用，排水泵站正在實施“無人值守”改造，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測的同時還能實現(xiàn)遠程控制，為保障城市道路通暢，排水管網(wǎng)正常運行等方面提供了強有力的輔助決策作用。
3、圍繞排水行業(yè)的不同業(yè)務領(lǐng)域，運用建模仿真技術(shù)，建立相關(guān)的數(shù)學模型，并通過模擬來獲得相應的決策調(diào)度方案，從而具備決策支持能力，實現(xiàn)防汛調(diào)度、汛情或排放預警、工藝優(yōu)化等目的，完成從數(shù)字排水向智慧排水的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型。
4、結(jié)合最新的“移動和互聯(lián)網(wǎng)+”的理念，可以實現(xiàn)整個智慧排水管控“盡在掌握”，可以將整個調(diào)度中心和日常業(yè)務管理的各種應用通過手機移動端實現(xiàn)。
七、智慧排水管理系統(tǒng)發(fā)展前景
智慧排水管理系統(tǒng)作為城市市政設施的重要組成部分，肩負著城市雨水、污水排放的重要功能，各級市政已從城市發(fā)展的戰(zhàn)略高度來認識地下智慧排水管理系統(tǒng)在城市規(guī)劃和建設管理中的作用與地位。各地市政管理部門充分利用地下管線普查成果，積極探索創(chuàng)新地下智慧排水管理系統(tǒng)的管理方式。在市政和企業(yè)的運作下，智慧排水管理系統(tǒng)的功能日益強大且日臻完善，充分體現(xiàn)了其在維護城市“生命線”正常運行上的優(yōu)勢。由此可見，排水管網(wǎng)的信息化建設能大大提升排水管網(wǎng)的管理水平，不過這種管理方法需要不斷的更新和完善才能得以應用，因此需要投入大量的人力、物力和財力。目前，整個行業(yè)對信息化的認知度不高且人才缺乏，所以其發(fā)展受到很大的制約。但是相信隨著城市化管理水平的提升，城市排水安全不斷得到重視，加強排水管網(wǎng)的信息化建設將成為排水管網(wǎng)管理行業(yè)的一種趨勢。