李小坤， 姜 濤, 何嘉莉， 陳 兵

(華南理工大學(xué) a.環(huán)境與能源學(xué)院；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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排 水 管 網(wǎng) 內(nèi) 澇 模 擬 系 統(tǒng) 的 開 發(fā)

李小坤a， 姜 濤b, 何嘉莉a， 陳 兵a

(華南理工大學(xué) a.環(huán)境與能源學(xué)院；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

給排水管網(wǎng)系統(tǒng)是給排水科學(xué)與工程專業(yè)本科教學(xué)的重要內(nèi)容。由于缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，目前該專業(yè)在給排水管網(wǎng)系統(tǒng)的課程上只有理論教學(xué)，而沒有開展相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，自主開發(fā)了適用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的排水管網(wǎng)內(nèi)澇模擬系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由排水管網(wǎng)模型與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。通過該實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生可以進(jìn)一步了解排水管網(wǎng)系統(tǒng)的組成、運(yùn)行；根據(jù)在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化排水管網(wǎng)的運(yùn)行。

排水管網(wǎng)； 內(nèi)澇； 在線監(jiān)測(cè)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置

0 引 言

給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)與水質(zhì)工程學(xué)，共同構(gòu)成給排水專業(yè)主干專業(yè)課程體系。目前在給排水專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展的是針對(duì)水質(zhì)工程學(xué)的實(shí)驗(yàn)課。排水管網(wǎng)內(nèi)澇模擬系統(tǒng)的開發(fā)需要計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制等專業(yè)人員配合。受限于多學(xué)科交叉，開發(fā)難度大等，該專業(yè)在給排水管網(wǎng)系統(tǒng)的課程上只有理論教學(xué)，缺少實(shí)驗(yàn)裝置，而沒有開展相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1-3]。

另一方面，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，很多城市在汛期出現(xiàn)了內(nèi)澇問題。然而，目前我國(guó)大部分城市的排水管網(wǎng)運(yùn)行管理水平較低，許多城市仍沿用人工巡檢的方式[4-8]。因此有必要建立實(shí)時(shí)性、全面性、準(zhǔn)確性良好的排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高排水管網(wǎng)運(yùn)行效率及安全性[9-15]。

針對(duì)以上問題，本課題組自主開發(fā)了排水管網(wǎng)內(nèi)澇模擬系統(tǒng)。學(xué)生通過該排水管網(wǎng)內(nèi)澇模擬系統(tǒng)，可以模擬不同排水體制下的排水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，掌握排水管網(wǎng)的基本理論和工程設(shè)計(jì)方法；了解排水管網(wǎng)局部缺陷對(duì)整體管網(wǎng)的影響并進(jìn)行深入分析，尋找解決方案；加深對(duì)排水管網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的理解，并學(xué)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、優(yōu)化排水管網(wǎng)的運(yùn)行。

1 教學(xué)模型試驗(yàn)裝置

1.1 排水管網(wǎng)模型設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際占地面積、水力學(xué)模擬結(jié)果和設(shè)備本身的要求，完成排水管網(wǎng)模型部分的搭建工作。如圖1所示，本模型實(shí)際占地面積約8 m2(長(zhǎng)4.2 m，寬1.9 m)，凈高約為1.2 m。水源采用回用水箱，設(shè)計(jì)容積為0.45 m3，尺寸為1.8 m×0.5 m×0.5 m。

圖1 排水管網(wǎng)模型平面圖

排水管網(wǎng)按照1∶50的比例設(shè)計(jì)，管道平均坡度為0.003，管網(wǎng)區(qū)域由19段管道段18個(gè)檢查井組成。排水干管直徑為DN60，排水支管直徑為DN40。為了能夠準(zhǔn)確獲取檢查井的水位值，每個(gè)檢查井的高度為50 cm，直徑20 cm。為了全面獲取排水管網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，在每個(gè)檢查井里安裝了超聲波液位計(jì)，超聲波液位計(jì)廣泛應(yīng)用于城市污水、雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的水位監(jiān)測(cè)以及合流制污水溢流(CSO)的監(jiān)測(cè)[16]。在用于模擬檢查井進(jìn)水處的配水口設(shè)置流量傳感器，配水口共8個(gè)。于特定管段放置大口徑橡膠塞，堵塞部分管段，可以對(duì)排水管網(wǎng)模型的結(jié)構(gòu)及缺陷進(jìn)行更改，實(shí)現(xiàn)雨污分流和合流兩種排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)測(cè)試以及模擬排水管網(wǎng)因局部管徑過小而造成溢流污染的情況。為不造成水資源浪費(fèi)，設(shè)置可循環(huán)利用的配水系統(tǒng)，水流經(jīng)過排水管網(wǎng)排至集水箱，然后通過水泵把水送至各個(gè)配水口實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

1.2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分基于物聯(lián)網(wǎng)和異網(wǎng)的信息交換技術(shù)，設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)采集層—傳輸控制層—調(diào)度管理層多層次系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 排水管網(wǎng)(內(nèi)澇)模擬演示系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

異網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)包括互聯(lián)網(wǎng)Internet、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)LAN。其中，數(shù)據(jù)采集層與傳輸控制層之間采用ZigBee無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，傳輸控制層與調(diào)度管理層之間采用GPRS無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，調(diào)度管理層內(nèi)部服務(wù)器之間采用TCP/IP局域網(wǎng)通訊。

數(shù)據(jù)采集層由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備(傳感器、控制執(zhí)行設(shè)備)和ZigBee測(cè)控模塊組成。ZigBee測(cè)控模塊收集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備測(cè)量的城市排水管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)(包括監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)備工況數(shù)據(jù))后，通過ZigBee短程通訊網(wǎng)絡(luò)傳送到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)，無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)通過其連接的GPRS模塊，把底端傳感器所獲取的數(shù)據(jù)以一定的時(shí)間間隔通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到調(diào)度管理層的管理中心服務(wù)器上。調(diào)度管理層通過管理中心服務(wù)器等系統(tǒng)硬軟件，接收、分析處理、入庫(kù)計(jì)算并顯示由數(shù)據(jù)采集層發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。

1.2.2 ZigBee測(cè)控模塊設(shè)計(jì)

本課題組自主設(shè)計(jì)的ZigBee測(cè)控模塊設(shè)計(jì)將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到排水管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，可通過就近由強(qiáng)電供電或者蓄電池供電。當(dāng)采用蓄電池的方式供電時(shí)，擺脫了目前大部分RTU內(nèi)澇監(jiān)測(cè)點(diǎn)必須采用強(qiáng)電供電的限制，給排水管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶來(lái)了極大的便利，大大提高系統(tǒng)的適用范圍。

ZigBee測(cè)控模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其集合了兩路模擬輸入、兩路模擬輸出、兩路數(shù)字輸入和兩路數(shù)字輸出共8路的測(cè)控端口，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量和控制提供了靈活的接入方式。其中，模擬信號(hào)輸入端口為電流型輸入；數(shù)字信號(hào)輸入端口根據(jù)數(shù)字輸入模式選擇可配置為報(bào)警、反饋、流速和流量的其中一種模式，其中報(bào)警為上升沿觸發(fā)，反饋為電平測(cè)量，流速為脈沖頻率計(jì)算，流量為脈沖計(jì)數(shù)；模擬信號(hào)輸出端口與數(shù)字信號(hào)輸出端口均為隔離輸出，需要外部輸入電源。

圖3 ZigBee測(cè)控模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)采用ZigBee、GPRS網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通訊技術(shù)以及嵌入式處理器硬軟件技術(shù)。一個(gè)無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)最多可掛載99個(gè)ZigBee測(cè)控模塊，測(cè)控模塊地址由BCD撥碼確定。無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)與管理中心服務(wù)器通過移動(dòng)無(wú)線GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)交換實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；同時(shí)，無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與ZigBee測(cè)控模塊連接，實(shí)現(xiàn)交換現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。該無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)具有大數(shù)據(jù)量、遠(yuǎn)程、持續(xù)、可靠的傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換性能。

1.2.4 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Windows XP作為服務(wù)器的操作系統(tǒng)，采用SQL Server 2003作為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件。內(nèi)澇監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)展現(xiàn)和分析軟件采用自主開發(fā)的排水管網(wǎng)(內(nèi)澇)模擬演示系統(tǒng)。

該系統(tǒng)的軟件部分具有設(shè)備管理(包括通訊網(wǎng)關(guān)、測(cè)控模塊、傳感器、控制器等)、用戶管理、 內(nèi)澇監(jiān)控點(diǎn)基礎(chǔ)資料管理、 實(shí)時(shí)監(jiān)控(包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、收發(fā)顯示)、 調(diào)度控制(手動(dòng)控制、自動(dòng)控制)、 系統(tǒng)設(shè)置功能?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算處理， 查詢歷史數(shù)據(jù)；自動(dòng)生成報(bào)表和曲線，顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)；遠(yuǎn)程控制無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)和測(cè)控模塊、 傳感器和控制執(zhí)行設(shè)備。并且該系統(tǒng)可對(duì)城市內(nèi)澇監(jiān)控點(diǎn)實(shí)行可視化管理， 把監(jiān)控的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化顯示，讓管理者隨時(shí)了解到城市內(nèi)澇監(jiān)控點(diǎn)及控制執(zhí)行設(shè)備的當(dāng)前狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，提高對(duì)內(nèi)澇監(jiān)控的管理效率，減少管理成本。

2 教學(xué)演示的開展

(1) 將各個(gè)無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)通電，如圖4所示。打開排水管網(wǎng)演示系統(tǒng)，登陸系統(tǒng)，通過觀察系統(tǒng)主界面左下方的“ID-主控器-ip”菜單確定各個(gè)網(wǎng)關(guān)在線情況，待網(wǎng)關(guān)全部在線后開始測(cè)試。若網(wǎng)關(guān)持續(xù)掉線，可將網(wǎng)關(guān)斷電重連。

圖4 傳感器讀數(shù)示意圖

(2) 打開水泵和配水口，觀察系統(tǒng)讀數(shù)變化，待讀數(shù)穩(wěn)定后對(duì)當(dāng)前值進(jìn)行記錄。

(3) 調(diào)整各配水口處球閥的開關(guān)度致使排水管網(wǎng)主干管出現(xiàn)涌水情況，觀察排水管網(wǎng)主干管流態(tài)變化和系統(tǒng)讀數(shù)變化，并判斷出可能出現(xiàn)溢流的檢查井位置。及時(shí)關(guān)閉部分配水口，停止進(jìn)水，以防有水溢出。

(4) 在指定管段放置大口徑橡膠塞，用于堵塞部分管道，如圖5所示，模擬合流制與分流制下排水管網(wǎng)的不同運(yùn)行狀態(tài)，觀察各個(gè)傳感器讀數(shù)變化，待讀數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行記錄。根據(jù)讀數(shù)的區(qū)別,理解不同排水體制對(duì)排水管網(wǎng)運(yùn)行的影響。

圖5 橡膠塞放置位置示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

給排水管網(wǎng)系統(tǒng)是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)必修課之一，然而目前大部分高校沒有針對(duì)排水管網(wǎng)展開本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生對(duì)于排水管網(wǎng)規(guī)劃布置、合流制與分流制管渠系統(tǒng)設(shè)計(jì)、排水管網(wǎng)運(yùn)行管理的知識(shí)僅停留在理論上。排水管網(wǎng)內(nèi)澇模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)單，填補(bǔ)了給排水管網(wǎng)系統(tǒng)課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的空白。本裝置讓學(xué)生了解到排水管網(wǎng)的組成、運(yùn)行，認(rèn)識(shí)到在線監(jiān)測(cè)對(duì)于排水管網(wǎng)實(shí)際管理運(yùn)行的重要性，并掌握了根據(jù)在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化排水管網(wǎng)運(yùn)行的方法。

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Development of Simulation of Waterlogging in Drainage Network

LIXiao-kuna,JIANGTaob,HEJia-lia,CHENBinga

(a. School of Environment and Energy; b. School of Materials Science and Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Water supply and drainage pipe network system plays an important role in undergraduate teaching of water supply and drainage science and engineering. Due to the lack of experimental teaching equipment, there is only theoretical teaching in the course of water supply and drainage pipe network system, instead of relevant experimental teaching. In order to solve this problem, a simulation system of water logging in drainage network was independently developed on the basis of environmental online-monitoring technique. The network would be applied to undergraduate experimental teaching. This experimental equipment consists of two parts: the model of drainage network and on-line monitoring system. According to this experimental equipment, students can learn better the composition and operation of drainage network. They can also learn how to optimize the operation of drainage network by the analysis of on-line monitoring data.

drainage network; waterlogging; on-line monitoring; experimental teaching equipment

2015-07-07

廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A020216006)；華南理工大學(xué)2014年本科教研教改項(xiàng)目(Y1141180)

李小坤(1990-)，男，廣東廣州人，碩士生，主要從事給水排水信息化研究。Tel.：13416147087；E-mail：550849115@qq.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：陳 兵(1968-)，女，吉林長(zhǎng)春人，博士，研究員，環(huán)境與能源學(xué)院市政工程系副主任，研究方向?yàn)榕潘芫W(wǎng)(內(nèi)澇)云服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)、給水管網(wǎng)漏失控制技術(shù)。

TU 992

A

1006-7167(2016)02-0067-03

Tel.：13660816189；E-mail：chenbing@scut.edu.cn