智慧排水系統(tǒng)建設(shè)創(chuàng)新思考

梁向鋒 黃飛 孫希法 司博章 王洪鋒

摘 要：結(jié)合目前城市排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，吸收國內(nèi)外城市排水信息化建設(shè)的成熟案例和優(yōu)秀經(jīng)驗，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、地理信息集成（GIS）、建筑信息建模技術(shù)（BIM）、人工智能等新一代信息技術(shù)，以大數(shù)據(jù)理念、“互聯(lián)網(wǎng)+”思維建設(shè)一套城市智慧排水系統(tǒng)。本文主要介紹了智慧排水需求與建設(shè)目標(biāo)，并分析了智慧排水的基礎(chǔ)架構(gòu)及在城市中的實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智慧排水;物聯(lián)網(wǎng);邊云協(xié)同;數(shù)據(jù)融合;人工智能

中圖分類號：TU990.3文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0089-03

Abstract： This paper combined the current situation of urban drainage system， absorbs mature cases and excellent experience of city drainage informatization construction at home and abroad， and made full use of Internet， mobile Internet， big data， cloud computing， geographic information integration （GIS）， building information modeling technology （BIM）， AI and other new generation of information technology， and built a city with the idea of big data and Internet plus. This paper mainly introduced the demand and construction goal of smart drainage， and analyzed the infrastructure of smart drainage and its practical application in the city.

Keywords： intelligent drainage;Internet of things;edge cloud collaboration;data fusion;artificial intelligence

1 智慧排水需求分析

城市排水系統(tǒng)是處理和排除城市污水和雨水的工程設(shè)施系統(tǒng)，是城市公用設(shè)施的重要組成部分。因此，城市排水系統(tǒng)規(guī)劃是城市總體規(guī)劃的組成部分。城市排水系統(tǒng)通常由排水管道和污水處理廠組成。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、分析、評估手段難以滿足當(dāng)前污染防治攻堅戰(zhàn)，特別是城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效的需求。智慧排水是為了解決“源、廠、網(wǎng)、河（湖）”水循環(huán)系統(tǒng)的審批、規(guī)劃、建設(shè)、運維及管理中的“痛點”。智慧排水系統(tǒng)可提供決策支持，提高管理水平，挖掘設(shè)施潛力，保證排水系統(tǒng)的良好運行。

2 城市智慧排水系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

城市智慧排水系統(tǒng)應(yīng)對標(biāo)國內(nèi)外各大城市最先進的智慧排水系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，通過全面摸清城市排水系統(tǒng)底賬，設(shè)置必要的在線監(jiān)測設(shè)備，建設(shè)總調(diào)中心及數(shù)據(jù)中心等措施，建成覆蓋全城市的智慧排水系統(tǒng)，即建成一套可統(tǒng)一各業(yè)務(wù)板塊、各個系統(tǒng)之間互聯(lián)互通、信息共享的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，一張全面監(jiān)測排水系統(tǒng)狀況的物聯(lián)感知網(wǎng)，一個集地理信息、實時信息、設(shè)施信息、業(yè)務(wù)信息等于一體的排水系統(tǒng)大數(shù)據(jù)庫，一個整合所有排水系統(tǒng)靜態(tài)信息和動態(tài)信息以及分析統(tǒng)計結(jié)果的排水系統(tǒng)“一張圖”，一個“一網(wǎng)統(tǒng)管”的排水全過程調(diào)度管理平臺，為城市的污水處理提質(zhì)增效提供新動力，為城市防洪排澇和水環(huán)境綜合整治發(fā)揮長效工程效益提供重要支撐。

2.1 建立全面的物聯(lián)網(wǎng)感知體系，增強感知能力

建立健全實時在線、全面感知、準(zhǔn)確可靠執(zhí)行的立體物聯(lián)感知執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)，包括建立健全物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對各類排水設(shè)施，包括雨污水管網(wǎng)、污水廠、泵站、城市易澇點、湖泊等的水情/雨情、水質(zhì)、視頻等數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測;物聯(lián)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對泵閘（泵站及閘門站）、污水處理廠等設(shè)施設(shè)備運行工況遠程實時監(jiān)視與控制等。

2.2 建設(shè)一套標(biāo)準(zhǔn)體系，加強互聯(lián)互通、信息共享

編制一套可統(tǒng)一各業(yè)務(wù)板塊、各個系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通、信息共享的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

2.3 建立一個水務(wù)數(shù)據(jù)中心，發(fā)揮數(shù)據(jù)要素價值

數(shù)據(jù)是城市智慧排水系統(tǒng)的心臟，因此，要實現(xiàn)對排水系統(tǒng)所有信息資源的采集、存儲、管理及查詢應(yīng)用，為應(yīng)用系統(tǒng)層提供數(shù)據(jù)支撐。需要注意的是，不僅要對已有的數(shù)據(jù)資源體系以及排水?dāng)?shù)據(jù)資源進行擴充，而且要整合城市相關(guān)政務(wù)部門的信息資源和共享資源，包括城管、國規(guī)委、環(huán)保等信息資源以及地理信息圖層數(shù)據(jù)等共享資源，構(gòu)建更加豐富、更加全面、更加靈敏的智慧排水?dāng)?shù)據(jù)要素體系，賦能排水業(yè)務(wù)，發(fā)揮數(shù)據(jù)要素最大價值。

2.4 建立四大業(yè)務(wù)板塊智慧應(yīng)用，提升精細(xì)化管理水平

以城市排水一網(wǎng)統(tǒng)管的管理和管控體系為中心，構(gòu)建智慧運維、智慧調(diào)度、智慧管理、智慧服務(wù)四大業(yè)務(wù)板塊及N個應(yīng)用模塊，以實現(xiàn)全市統(tǒng)一的一體化、規(guī)范化、精細(xì)化、智慧化的“智慧排水”管理體系的發(fā)展目標(biāo)。

2.5 建設(shè)排水系統(tǒng)“一張圖”，可視化統(tǒng)一管理

建設(shè)“GIS一張圖”“監(jiān)管一張圖”“在線監(jiān)測一張圖”“排水規(guī)劃一張圖”“建設(shè)工程一張圖”“污水監(jiān)管一張圖”“應(yīng)急處置一張圖”“防汛一張圖”等多種場景和“監(jiān)測對象的一張圖”，并整合所有排水系統(tǒng)的靜態(tài)信息和動態(tài)信息，實現(xiàn)排水管網(wǎng)系統(tǒng)綜合展示、實時監(jiān)控、風(fēng)險預(yù)警、輔助決策等的可視化統(tǒng)一管理功能[1]。

3 智慧排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)

利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)分析及人工智能等新一代信息技術(shù)，采用松耦合、服務(wù)化架構(gòu)模式，在全面智能感知的基礎(chǔ)上，構(gòu)建智慧排水“1+2+3+4+N”的總體框架，即1套排水標(biāo)準(zhǔn)體系、2大基礎(chǔ)設(shè)施（ICT基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)感知基礎(chǔ)設(shè)施）、3個中心（排水?dāng)?shù)據(jù)中心、排水運營管理中心、排水應(yīng)急指揮中心）、4個業(yè)務(wù)板塊（智慧運維、智慧調(diào)度、智慧管理、智慧服務(wù)）、N個應(yīng)用模塊，實現(xiàn)涉及排水業(yè)務(wù)感知、運維、調(diào)度及決策支持的一體化全程智能管控。

智慧排水系統(tǒng)的架構(gòu)涵蓋物聯(lián)網(wǎng)感知、數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)利用及共享、基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用支撐平臺及展示平臺等內(nèi)容。同時，通過建立貫穿各個層次的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系、運維保障體系等技術(shù)規(guī)程和機制體制規(guī)范，保障系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定。

智慧排水系統(tǒng)總體架構(gòu)包括“感知執(zhí)行層、ICT基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、中臺層、應(yīng)用層、用戶層”6個層次及“安全保障體系、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系、運維保障體系、實施規(guī)范體系”4個體系的“6層+4縱”架構(gòu)，具體見圖1。

4 智慧排水系統(tǒng)建設(shè)創(chuàng)新思考

4.1 感知執(zhí)行層

感知執(zhí)行層是智慧排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)。建立健全物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)，能實現(xiàn)對各類排水設(shè)施，包括雨污水管網(wǎng)、污水廠、泵站、閘門站、城市易澇點、湖泊等的水情/雨情、水質(zhì)、視頻等數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測;建立健全物聯(lián)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)，能實現(xiàn)對泵閘（泵站及閘門站）、污水處理廠等設(shè)施設(shè)備運行工況的遠程實時監(jiān)視與控制。此外，通過有線（光纖等）、無線網(wǎng)絡(luò)（NB-IoT、5G、WiFi等）將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層，為排水管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

對于本層數(shù)據(jù)，除了物聯(lián)網(wǎng)實時傳輸外，還需要共享交換排水管理部門內(nèi)部數(shù)據(jù)，以及城市綜合運營管理中心、環(huán)保部門、水務(wù)部門、水文部門、氣象部門、公安部門、路政管理部門等外部數(shù)據(jù)。

4.2 ICT基礎(chǔ)設(shè)施

ICT基礎(chǔ)設(shè)施層是支撐平臺應(yīng)用的軟硬件環(huán)境，包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、機房、服務(wù)器、存儲設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、調(diào)度中心等基礎(chǔ)硬件設(shè)施。城市智慧排水系統(tǒng)的ICT基礎(chǔ)設(shè)施主要包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、計算存儲基礎(chǔ)設(shè)施、展示硬件基礎(chǔ)設(shè)施，為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)運行環(huán)境資源。

4.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是城市智慧排水系統(tǒng)的心臟，實現(xiàn)對排水系統(tǒng)所有信息資源的采集、存儲、管理及查詢應(yīng)用，為應(yīng)用系統(tǒng)層提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)層主要包括信息資源規(guī)劃管理、數(shù)據(jù)采集加工、數(shù)據(jù)權(quán)限管理、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用等功能。

4.4 中臺層

中臺層是智慧排水系統(tǒng)共用的中間件的集合，是城市智慧排水系統(tǒng)運行的中間支撐，包括數(shù)據(jù)中臺、業(yè)務(wù)中臺、AI中臺和開發(fā)中臺。

4.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層是城市智慧排水系統(tǒng)的大腦。應(yīng)以城市排水一網(wǎng)統(tǒng)管的管理和管控體系為中心，構(gòu)建智慧運維、智慧調(diào)度、智慧管理、智慧服務(wù)四大業(yè)務(wù)板塊及N個應(yīng)用模塊，以實現(xiàn)全市統(tǒng)一的一體化、規(guī)范化、精細(xì)化、智慧化的“智慧排水”管理體系的發(fā)展目標(biāo)。

4.6 用戶層

用戶層是城市智慧排水系統(tǒng)的臉面，為排水系統(tǒng)管理部門及公眾提供PC端、移動端、微信端、大屏幕多屏聯(lián)動端等的“一張圖”全景展現(xiàn)智慧排水系統(tǒng)的建設(shè)成效，將所有資產(chǎn)信息和動態(tài)信息整合到同一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)可視化的統(tǒng)一管理，徹底改變傳統(tǒng)用紙質(zhì)圖紙、電子版圖紙和表格等碎片化的管理方式，能隨時查詢、隨時調(diào)用。二維+三維展示效果能實現(xiàn)對真實場景的精準(zhǔn)還原，打造一個透明的城市數(shù)字排水系統(tǒng)。

5 探索性試驗

本研究以某城區(qū)最復(fù)雜的工況為例，介紹智慧排水平臺在防汛中的運行方式。

調(diào)度結(jié)構(gòu)采用模型計算-技術(shù)會商-決策指揮的三層結(jié)構(gòu)。智慧排水平臺發(fā)展分為兩個階段：第一階段以量為主，第二階段結(jié)合大數(shù)據(jù)分析及機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)“量質(zhì)并重”。

根據(jù)氣象預(yù)報預(yù)警信息（降雨等），設(shè)置初雨截流規(guī)模，污水系統(tǒng)調(diào)度模型對污水系統(tǒng)（初雨截流及調(diào)蓄）未來時期的承受能力及分配方式進行計算評估，評估污水系統(tǒng)在降雨事件中的承受能力及運行方式。

內(nèi)澇實時預(yù)報預(yù)警模塊根據(jù)污水系統(tǒng)調(diào)度模型計算的截流量和截流設(shè)施運行方式，計算該方案下片區(qū)未來的積水4要素信息，即積水位置、積水面積、積水深度、積水時間[2]。

河、湖水動力、水質(zhì)及補水模型根據(jù)污水系統(tǒng)調(diào)度模型計算的溢流水量及其他氣象水文信息，計算可能造成水位上漲情況，溢流造成的水質(zhì)變化情況，計算水質(zhì)恢復(fù)用時。如有水位預(yù)降，則給出預(yù)降方案的設(shè)施、操作方案。

降雨前，會商形成不同的決策方案，將方案與結(jié)果發(fā)各單位以征求意見，主要計算反饋指標(biāo)如下：累計溢流水量，河湖水質(zhì)可能變化情況，內(nèi)澇積水情況，河、湖水質(zhì)恢復(fù)時間，污水系統(tǒng)運行情況。

降雨中，根據(jù)實時監(jiān)測結(jié)果，對方案進行必要的修正;降雨后，給出各調(diào)蓄池的放空方案，避免影響污水系統(tǒng)運行。對會商形成的不同決策方案進行最終決策。監(jiān)控片區(qū)河、湖、污水管網(wǎng)、泵站、廠、雨水管網(wǎng)及泵站的實時狀態(tài)。指揮調(diào)度排水人力及物資資源，進行三防指揮。主要實現(xiàn)“決策—監(jiān)控—指揮”功能。

第二階段，首先根據(jù)數(shù)據(jù)庫積累的數(shù)據(jù)進行機器學(xué)習(xí)，判斷本次降雨時間的初雨濃度的可能變化趨勢，制訂相對應(yīng)的截流方案，實現(xiàn)高效收集“濃度最高的降雨徑流污染”，然后結(jié)合監(jiān)控的反饋信息，量質(zhì)并舉，最大程度上發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)施的運行效率，做到智慧截流。

6 結(jié)語

隨著未來城鎮(zhèn)化發(fā)展的不斷深化，城市排水系統(tǒng)建設(shè)的信息化與智能化逐漸受到重視，智慧排水系統(tǒng)的建設(shè)不僅能優(yōu)化城市管理與服務(wù)，而且能提升城市應(yīng)急響應(yīng)能力，增強人民群眾的生活幸福感。

參考文獻：

[1]王榮曉.淺談城市給水管網(wǎng)存在問題及建議[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（9）：148-149.

[2]李博.移動抄表及城市需水量預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2018：12.