在線監(jiān)測(cè)在城市排水?dāng)?shù)字化應(yīng)用中的要點(diǎn)分析

郭效琛，李 萌，杜鵬飛,*，趙冬泉

(1. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2. 北京清環(huán)智慧水務(wù)科技有限公司，北京 100085)

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市排水管理所面臨的問(wèn)題也日趨復(fù)雜，排水管理模式向數(shù)字化方向發(fā)展。排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在香港的應(yīng)用顯示，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排水的預(yù)測(cè)與管理對(duì)智慧城市的建設(shè)具有重要意義[1]。加強(qiáng)排水系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)，有利于推進(jìn)城市數(shù)字化、信息化管理，能夠減輕城市防洪壓力、保障城市水安全、緩解水資源短缺、改善城市水環(huán)境，還有助于對(duì)排水戶(hù)開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)管[2]。排水在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的研發(fā)及計(jì)算機(jī)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在城市排水管理中的應(yīng)用[3]，也為城市開(kāi)展排水在線監(jiān)測(cè)提供了必要的基礎(chǔ)條件。

國(guó)外開(kāi)展排水系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)的時(shí)間較早，日本于20世紀(jì)90年代在東京建立了大型排水系統(tǒng)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在中央控制室對(duì)系統(tǒng)的全過(guò)程監(jiān)管。英國(guó)2006年建設(shè)了城市洪水智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)微型傳感設(shè)備對(duì)城市易澇點(diǎn)的水位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[3]。Brzezińska等[4]利用在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)降雨期間合流制導(dǎo)致的污染進(jìn)行分析，識(shí)別排水系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律及污染情況；Ahm等[5]基于液位的在線監(jiān)測(cè)，結(jié)合模型模擬對(duì)合流制溢流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估；Martínez[6]利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)雨洪事件進(jìn)行回溯分析，從而避免事件的再次發(fā)生。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)排水系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)起步較晚[3]，目前相關(guān)研究主要集中在排水管網(wǎng)信息管理及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面。有些研究針對(duì)城市內(nèi)澇問(wèn)題，結(jié)合監(jiān)測(cè)和GIS技術(shù)，動(dòng)態(tài)展示了各點(diǎn)的淹沒(méi)情況[7-8]；更多研究主要側(cè)重互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，以如何實(shí)現(xiàn)管理平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)為核心[9-10]。

整體而言，國(guó)外的研究主要側(cè)重如何利用在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行排水的綜合管理，而我國(guó)則關(guān)注平臺(tái)建設(shè)。這些都需以準(zhǔn)確有效的排水監(jiān)測(cè)工作實(shí)施為基礎(chǔ)，然而目前在監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的確定、位置的選取上主要依賴(lài)人為主觀判斷，缺少科學(xué)的方法；對(duì)于如何利用有限的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排水系統(tǒng)的管理也缺少必要的研究。

數(shù)字化排水趨勢(shì)下，為實(shí)現(xiàn)智慧排水管理，對(duì)排水在線監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展提出了新的要求與挑戰(zhàn)，需充分關(guān)注自動(dòng)化與定量化，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，盡可能減少人為主觀臆斷和工作量，提高排水管理的效率。針對(duì)如何開(kāi)展排水在線監(jiān)測(cè)工作，本文從監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的確定、位置的篩選和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)3個(gè)方面建立排水在線監(jiān)測(cè)整體技術(shù)路線，基于科學(xué)的在線監(jiān)測(cè)對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行診斷分析。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程，提出合理化建議和研究工作重點(diǎn)方向，在完成方法學(xué)的建立和深入探索后，有效促進(jìn)城市數(shù)字化排水管理模式的建立。

1 排水在線監(jiān)測(cè)整體技術(shù)路線

對(duì)于城市特定區(qū)域排水在線監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展，首先需確定該區(qū)域應(yīng)設(shè)置的在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量能夠指導(dǎo)項(xiàng)目在線監(jiān)測(cè)預(yù)算的制定。在確定好最合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量后，根據(jù)數(shù)量要求，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置進(jìn)行篩選，只有保障監(jiān)測(cè)點(diǎn)的代表性，才能利用盡可能少的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，全面反映所監(jiān)測(cè)區(qū)域排水系統(tǒng)整體的特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)律。對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)開(kāi)展持續(xù)的監(jiān)測(cè)，收集數(shù)據(jù)后，由于排水系統(tǒng)環(huán)境本身的復(fù)雜性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)存在一些質(zhì)量問(wèn)題，需進(jìn)行質(zhì)量的評(píng)價(jià)與控制。在確保數(shù)據(jù)基本可靠的前提下，再開(kāi)展監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)需要，指導(dǎo)排水系統(tǒng)問(wèn)題的診斷，支持城市排水管理。整體技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的確定

1.1.1 分級(jí)監(jiān)測(cè)理論

不同城市區(qū)域的基礎(chǔ)條件不同，所面臨的問(wèn)題有所差異，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)目的也就存在較大的差別。有些城市排水系統(tǒng)基礎(chǔ)資料清晰且有一定的監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)，需解決的問(wèn)題比較具體，例如污染溯源分析、低影響開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的效果評(píng)價(jià)等；但也有一些城市的基礎(chǔ)條件非常差，缺少必要的基礎(chǔ)資料，即使開(kāi)展在線監(jiān)測(cè)也很難一步到位，需先了解城市排水的基本情況。因此，為了能夠針對(duì)不同城市的具體情況設(shè)定合理的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，需建立分層級(jí)的監(jiān)測(cè)體系。

將排水在線監(jiān)測(cè)分為整體監(jiān)測(cè)、分區(qū)監(jiān)測(cè)和精細(xì)監(jiān)測(cè)3個(gè)層級(jí)，如圖2所示。不同層級(jí)的監(jiān)測(cè)要素不同，所需的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量逐級(jí)增加。得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，整體監(jiān)測(cè)僅能支持基礎(chǔ)性工作的開(kāi)展，如信息化管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)、水環(huán)境質(zhì)量整體改善效果評(píng)估及區(qū)域排水概化模型的建立等；在分區(qū)監(jiān)測(cè)層級(jí)，可支持大部分排水管網(wǎng)問(wèn)題的診斷分析；達(dá)到精細(xì)監(jiān)測(cè)層級(jí)后，監(jiān)測(cè)涵蓋了最初的源頭排水戶(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單個(gè)排水單元的有效管理。

圖2 分層級(jí)的監(jiān)測(cè)Fig.2 Hierarchical Monitoring System

1.1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的定量設(shè)置

目前，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的確定缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，在數(shù)量確定方面存在很強(qiáng)的主觀性和不確定性。在分級(jí)監(jiān)測(cè)的體系下，應(yīng)設(shè)置最優(yōu)的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量，并制定統(tǒng)一的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，在無(wú)法達(dá)到最優(yōu)或推薦的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)數(shù)量時(shí)，應(yīng)能夠明確不同數(shù)量設(shè)置所能實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)效能。

在分級(jí)監(jiān)測(cè)體系下，各層級(jí)應(yīng)通過(guò)設(shè)置評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，充分體現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置的定量化，增強(qiáng)不同數(shù)量設(shè)置的可比性。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的篩選

對(duì)于城市排水系統(tǒng)，需開(kāi)展在線監(jiān)測(cè)的要素包括排水戶(hù)、管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、排水設(shè)施(包括泵站、污水廠、調(diào)蓄池等)以及排口。其中，排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，受監(jiān)測(cè)成本的限制，需篩選代表性節(jié)點(diǎn)開(kāi)展監(jiān)測(cè)。雖然目前對(duì)于監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方法已達(dá)成了一些共識(shí)，相關(guān)研究中也提出了一些通用原則[11]，但在實(shí)際工程項(xiàng)目中，具體的點(diǎn)位篩選仍主要依賴(lài)人為的主觀判斷。

已有研究中，排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置篩選與優(yōu)化主要分為依賴(lài)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和運(yùn)籌學(xué)的最優(yōu)化理論[8]。不同的理論方法有不同的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的依賴(lài)性都比較強(qiáng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，大數(shù)據(jù)分析與計(jì)算能力顯著提升，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的識(shí)別應(yīng)關(guān)注所有節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行規(guī)律。在數(shù)字化管理模式下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的篩選應(yīng)根據(jù)提出的原則，能夠利用模型模擬和軟件計(jì)算，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

首先，建立研究區(qū)域的排水模型，并在多種不同降雨情景下模擬，得到各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的時(shí)間序列曲線；之后，根據(jù)相似程度對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類(lèi)分析，與此同時(shí)，基于各分區(qū)節(jié)點(diǎn)的相似情況，還可分析對(duì)比不同片區(qū)的“管網(wǎng)復(fù)雜度”，并作為在不同分區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量分配的依據(jù)；最后，根據(jù)聚類(lèi)結(jié)果篩選具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置進(jìn)行檢驗(yàn)，如果監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案的可靠性指數(shù)過(guò)低，無(wú)論在不同分區(qū)如何進(jìn)行分配和布置，都無(wú)法客觀反映區(qū)域的排水情況，則需重新調(diào)整研究區(qū)域整體監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量布置目標(biāo)。整體的監(jiān)測(cè)布點(diǎn)思路如圖3所示。

圖3 排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)路線圖Fig.3 Overall Framework of the Methodology for Automatic Setting of Drainage Pipe Monitoring Points

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)與修正

對(duì)于排水在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而言，可能出現(xiàn)的問(wèn)題主要包括零值、缺失值、異常值和突變值等。但是，排水系統(tǒng)存在出現(xiàn)突發(fā)情況和偶然事故的可能性，如管網(wǎng)淤積、偷排漏排等，異常值和突變值的出現(xiàn)并不一定是問(wèn)題數(shù)據(jù)。因此，在問(wèn)題數(shù)據(jù)識(shí)別環(huán)節(jié)，主要針對(duì)零值和缺失值進(jìn)行識(shí)別和判斷，作為數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù)。

對(duì)于缺失值而言，若監(jiān)測(cè)設(shè)備按照分鐘級(jí)采集和傳輸數(shù)據(jù)，24 h共應(yīng)收集1 440個(gè)數(shù)據(jù)，某一時(shí)刻未收集到數(shù)據(jù)，則為缺失值。對(duì)于零值而言，當(dāng)排水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)零值，并不一定是數(shù)據(jù)問(wèn)題而有可能是真實(shí)零值數(shù)據(jù)，需將排水管網(wǎng)中的合理零值予以排除，以便能夠自動(dòng)識(shí)別問(wèn)題零值。合理的零值主要包括：監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身的水流量過(guò)小，低于設(shè)備最低閾值；排水管網(wǎng)內(nèi)確實(shí)無(wú)水流；在淤積等事故中流量的合理零值。

通過(guò)缺失值和問(wèn)題零值的識(shí)別，可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行整體的判別。1 d共1 440個(gè)數(shù)據(jù)，若都正常，則數(shù)據(jù)質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題；若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題數(shù)據(jù)，則需對(duì)問(wèn)題數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；若問(wèn)題數(shù)據(jù)量超過(guò)一定比例，則監(jiān)測(cè)點(diǎn)該時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量較低，不應(yīng)用于后續(xù)分析；若存在問(wèn)題數(shù)據(jù)，但相對(duì)較少，則可進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，再用于后續(xù)的分析診斷。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制部分的整體技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)與修正流程圖Fig.4 Flow Chart on Quality Evaluation and Correction of Monitoring Data

2 排水系統(tǒng)分析診斷

2.1 排水預(yù)測(cè)模式建立

對(duì)于日常出行而言，智慧交通圖能夠?qū)崟r(shí)顯示道路的擁堵情況，指導(dǎo)城市居民合理安排外出活動(dòng)。對(duì)于排水系統(tǒng)而言，利用典型節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合模型模擬及對(duì)排水系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的認(rèn)知，可實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)所有節(jié)點(diǎn)和管線的充滿(mǎn)度，并利用不同顏色予以表征，繪制排水系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷圖。結(jié)合排水綜合管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與使用，可以進(jìn)行直觀的實(shí)時(shí)在線展示。

2.2 負(fù)荷圖的應(yīng)用

利用實(shí)時(shí)更新的排水系統(tǒng)負(fù)荷圖，可對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行有效的預(yù)警和報(bào)警。內(nèi)澇積水、污水溢流可通過(guò)對(duì)液位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置閾值，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警；對(duì)于雨水排口的旱天排水，一旦監(jiān)測(cè)到水流，則很可能是污水直排；對(duì)于偷排漏排等事故，應(yīng)識(shí)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的異常數(shù)據(jù)，在無(wú)降雨情況下，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)歷史數(shù)據(jù)最大值則應(yīng)進(jìn)行報(bào)警。

除利用排水系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行負(fù)荷圖進(jìn)行事故預(yù)警報(bào)警，還可在積累一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)后，對(duì)運(yùn)行負(fù)荷圖進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)區(qū)域排水系統(tǒng)的水量平衡、雨污混接、入流入滲等問(wèn)題進(jìn)行分析評(píng)估。排水在線監(jiān)測(cè)可獲取大量數(shù)據(jù)，是城市建設(shè)數(shù)字化排水管理模式的基礎(chǔ)，充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與模型模擬功能相結(jié)合，還可進(jìn)一步支持排水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度及實(shí)時(shí)控制[12]。

2.3 應(yīng)用示例

隨著我國(guó)海綿城市建設(shè)的推進(jìn)，城市發(fā)展過(guò)程中愈加重視城市水安全問(wèn)題，并關(guān)注城市在降雨期間的內(nèi)澇積水事故。一般而言，當(dāng)路面積水深度達(dá)到15 cm時(shí)，行車(chē)道就可能因機(jī)動(dòng)車(chē)熄火而中斷，即對(duì)城市交通造成顯著影響?；陬A(yù)測(cè)模式建立區(qū)域的排水負(fù)荷圖，可以得到各個(gè)點(diǎn)位的實(shí)時(shí)液位信息，通過(guò)對(duì)各點(diǎn)位設(shè)置預(yù)警線、報(bào)警線和溢流線，即可對(duì)溢流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，如圖5所示[13]。

圖5 內(nèi)澇事故預(yù)警報(bào)警示意Fig.5 Schematics of Waterlogging Accidents Warning

在對(duì)重要節(jié)點(diǎn)設(shè)置液位限制之后，根據(jù)閾值設(shè)置，可以借鑒智慧交通圖的表達(dá)形式，利用不同顏色進(jìn)行表征。某場(chǎng)次降雨下，排水管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷情況如圖6所示，不僅可以直觀表示整體排水系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷情況，還可以反映負(fù)荷過(guò)載的節(jié)點(diǎn)和區(qū)域，從而及時(shí)采取調(diào)控措施，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的排水進(jìn)行干預(yù)。

圖6 排水管網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷示意圖Fig.6 Schematics Diagram of Operation Load of Drainage Pipe Network

3 小結(jié)

開(kāi)展排水系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)，是建立排水?dāng)?shù)字化管理模式的必要內(nèi)容，在大數(shù)據(jù)應(yīng)用的背景下，只有獲取有效、有用的數(shù)據(jù)，才能真正支持排水的管理。為了提高在線監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展的效率，減少人為主觀臆斷，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及分析的及時(shí)性，需從監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量確定、位置識(shí)別、數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)與修正3個(gè)方面建立在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的整體應(yīng)用路線，并對(duì)系統(tǒng)分析診斷方面的綜合應(yīng)用進(jìn)行分析與探索。

各方面工作的開(kāi)展具有很強(qiáng)的相關(guān)性，各環(huán)節(jié)都應(yīng)建立一定的方法和標(biāo)準(zhǔn)，既需考慮與傳統(tǒng)人為主觀判斷分析的統(tǒng)一性和延續(xù)性，也需充分關(guān)注自動(dòng)化與定量化。隨著排水在線監(jiān)測(cè)的普及性，排水管理所獲取的數(shù)據(jù)量日益增加，需為計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化的處理提供可能性。