王普磊 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230032）

1 引言

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，未來城市將承擔(dān)越來越多的人口。我國(guó)處于城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的時(shí)期，“城市病”問題凸顯。為解決城市發(fā)展難題，實(shí)現(xiàn)城市的健康可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)智慧城市已成為當(dāng)今各國(guó)城市發(fā)展的主流。智慧水務(wù)、智慧排水作為智慧城市的組成部分，也必須要同時(shí)建設(shè)與發(fā)展。

2 智慧排水的基本框架

2.1 智慧排水基本架構(gòu)

2.1.1 感知層

水位數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、雨量數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、工況數(shù)據(jù)等。

2.1.2 執(zhí)行層

槽閘啟閉機(jī)構(gòu)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC控制柜等。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)層

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、政務(wù)專網(wǎng)、控制專網(wǎng)、采集專網(wǎng)、公共以太網(wǎng)。

2.1.4 平臺(tái)層

統(tǒng)一數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)、數(shù)據(jù)交換平臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)、GIS服務(wù)平臺(tái)、模型管理平臺(tái)。

2.1.5 應(yīng)用層

在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警信息、數(shù)據(jù)分析、地圖GIS、模型分析、智慧運(yùn)行。具體的應(yīng)用系統(tǒng)：排水管網(wǎng)巡查系統(tǒng)、城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、排水綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)。

2.1.6 用戶

外網(wǎng)用戶、內(nèi)網(wǎng)用戶、移動(dòng)端用戶。具體的用戶：信息審核員、維保人員、IT運(yùn)維、決策領(lǐng)導(dǎo)、指揮中心、科研機(jī)構(gòu)、公眾。

3 智慧排水的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

將管網(wǎng)、中水站、雨污泵站、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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為應(yīng)急指揮決策提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)

通過中心站和遙測(cè)站（監(jiān)測(cè)站）的協(xié)同工作，提供城市道路、下沉式立交橋、地下停車場(chǎng)、排水管道、渠道、檢查井、排水口、城市河流水系等監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，又能夠?yàn)槭姓潘{(diào)度管理機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 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(dòng)設(shè)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(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理模式。開發(fā)移動(dòng)巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下管線應(yīng)急服務(wù)管理：采用GPS、GSM/GPRS/NBIOT、GIS和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在GSM/GPRS通信平臺(tái)上開發(fā)管線巡檢系統(tǒng)，提高巡查效率，最大限度地節(jié)約人力、物力資源，實(shí)現(xiàn)地下管線的數(shù)字化、信息化、智慧化管理，提高緊急故障處理的能力和協(xié)調(diào)水平。

3.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

基于網(wǎng)絡(luò)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(yù)警系統(tǒng)及監(jiān)控決策系統(tǒng)提供各類視頻監(jiān)控站點(diǎn)的視頻信息。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 排水管網(wǎng)巡查系統(tǒng)

完整的管線信息包括管線空間位置信息（X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、高程、埋深等）、管線基本屬性信息（材質(zhì)、管徑、附屬物、權(quán)屬單位、埋設(shè)年限等）和管線實(shí)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)信息（壓力、流量、液位等），管線空間位置信息和基本屬性信息通過管線普查或竣工驗(yàn)收測(cè)量獲取，管線的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息則通過物聯(lián)網(wǎng)和相應(yīng)的管線傳感器獲取，在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)層、檢測(cè)層、感知層、傳輸層等體系架構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，通過在管線及其附屬設(shè)施上預(yù)先嵌入的相關(guān)傳感器，定時(shí)或?qū)崟r(shí)獲取地下管線自身及運(yùn)行情況的狀態(tài)參數(shù)，開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的管線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并與管線二三維系統(tǒng)集成，從而為管線的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)等提供技術(shù)支撐。

4.2 城市內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)

構(gòu)建城市內(nèi)澇水力模型，結(jié)合監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，測(cè)算內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，全面評(píng)估城市排水管網(wǎng)排水能力并提供預(yù)警預(yù)報(bào)。

4.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

充分利用城鎮(zhèn)公共視頻監(jiān)控，補(bǔ)充主要道路、城市低洼區(qū)域視頻監(jiān)控，多平臺(tái)多部門視頻監(jiān)控系統(tǒng)共享共通，同時(shí)結(jié)合城市水力模型，選取代表性監(jiān)控點(diǎn)。

4.4 排水綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)

結(jié)合排水管網(wǎng)巡查系統(tǒng)、內(nèi)澇預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建“一張圖”可視化管理系統(tǒng)，利用專業(yè)模型軟件模擬測(cè)算驗(yàn)證，并設(shè)置相應(yīng)指揮調(diào)度權(quán)限，系統(tǒng)與社會(huì)安全平臺(tái)聯(lián)絡(luò)通信。

4.5 關(guān)鍵技術(shù)

4.5.1 物聯(lián)網(wǎng)傳感器的感知技術(shù)

①傳感器技術(shù)：計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，到目前為止絕大部分計(jì)算機(jī)處理的都是數(shù)字信號(hào)，自從有計(jì)算機(jī)以來就需要傳感器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)才能處理。

②標(biāo)簽：也是一種傳感器技術(shù)，RFID技術(shù)是融了無限射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，RFID在自動(dòng)識(shí)別、物品物流管理有著廣闊的應(yīng)用前景。

③嵌入式系統(tǒng)技術(shù)：綜合了計(jì)算機(jī)軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)為一體的復(fù)雜技術(shù)。

4.5.2 通信和融合技術(shù)

通信和融合技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)感知數(shù)據(jù)和控制信息的雙向路由傳遞和接入控制，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線寬帶網(wǎng)絡(luò)互連、管網(wǎng)終端及傳感設(shè)備的接入控制。

4.5.3 評(píng)估和預(yù)警技術(shù)

針對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行的健康狀況及實(shí)時(shí)傳輸狀況數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)模型分析評(píng)估、發(fā)現(xiàn)潛在故障隱患及運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)做出預(yù)警和應(yīng)對(duì)措施，實(shí)現(xiàn)管線運(yùn)維及突發(fā)事件的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮?、控、營(yíng)”一體化。

4.5.4 地下管線自動(dòng)化三維建模技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件、三維可視化技術(shù)的快速發(fā)展，地下管線的三維可視化建模、空間分析與輔助決策技術(shù)已廣泛應(yīng)用于規(guī)劃、設(shè)計(jì)、審批、施工、運(yùn)維等日常管理工作中。常用的建模軟件：3DMax、Sketchup、Autodesk Revit、Stamp、Skyline、CityMaker。

5 感知層與執(zhí)行層具體布置

感知層的傳感器通訊上游均設(shè)置RTU，執(zhí)行層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通訊上游設(shè)置RTU或者工業(yè)路由器（帶SIM卡）。傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)運(yùn)維條件選擇搭配GPS終端。

5.1 感知層布置

①管網(wǎng)

a.排水干管主要節(jié)點(diǎn)設(shè)置流量計(jì)、壓力計(jì)。

b.排水干管排口設(shè)置流量計(jì)。

c.溢流井設(shè)置流量計(jì)、液位計(jì)。

d.截流井設(shè)置流量計(jì)、濁度儀。

e.水泵出水管設(shè)置流量計(jì)、壓力計(jì)。

f.污水處理廠站排口設(shè)置流量計(jì)、濁度儀、水質(zhì)傳感一體儀。

②匯流區(qū)域內(nèi)設(shè)置雨量計(jì)。

③河道設(shè)置流量計(jì)、液位計(jì)。

④調(diào)節(jié)池、調(diào)節(jié)塘、蓄水池、濕塘、濕地等設(shè)置液位計(jì)。

⑤主要道路、城市低洼區(qū)域設(shè)置視頻監(jiān)控。

5.2 執(zhí)行層布置。

①管網(wǎng)

a.槽閘井啟閉機(jī)。

b.截流井電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

②泵站

a.污水泵站PLC控制柜。

b.雨水泵站PLC控制柜。

c.中水泵站PLC控制柜。

③調(diào)節(jié)池、調(diào)節(jié)塘、蓄水池、濕塘、濕地等具有調(diào)蓄作用的設(shè)施的槽閘起閉機(jī)構(gòu)。

④道路視頻監(jiān)控。

6 綜合管理與智能化有機(jī)結(jié)合

6.1 信息推送

預(yù)警、報(bào)警信息通過微信或者短信的形式自動(dòng)推送至用戶手機(jī)上，可以第一時(shí)間做出調(diào)度響應(yīng)，避免事故的發(fā)生。

6.2 系統(tǒng)登錄

既可通過PC端登錄系統(tǒng)也可以通過手機(jī)APP登錄系統(tǒng)。手機(jī)APP同樣具有遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制排水系統(tǒng)的功能。

6.3 自動(dòng)運(yùn)行

根據(jù)城市安全級(jí)別的不同，排水綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)設(shè)置為人工與自動(dòng)。在一定安全范圍內(nèi)，經(jīng)過評(píng)估論證，采用自動(dòng)運(yùn)行模式，即智能化的排水綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)解決城市排水調(diào)度。

6.4 物聯(lián)網(wǎng)

城市排水智能化基于物聯(lián)網(wǎng)理念，采用信息化手段，結(jié)合GIS展示，全面掌握排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況如管網(wǎng)水位、流量、水質(zhì)、有害氣體濃度、泵站運(yùn)行狀態(tài)等，保證排水系統(tǒng)安全高效運(yùn)行；通過構(gòu)建安全預(yù)警平臺(tái)，提高應(yīng)急指揮及快速處置能力；提供科學(xué)、先進(jìn)的城市級(jí)水力分析模型，全面評(píng)估城市排水管網(wǎng)能力；以城市排水設(shè)施數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合管網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)、雨情信息，為城市排水規(guī)劃、防澇預(yù)測(cè)提供決策依據(jù)。

7 結(jié)語

以時(shí)空信息為基礎(chǔ)，充分利用感知監(jiān)測(cè)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)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(yùn)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(wù)單元運(yùn)行、管理和決策分析于一體的“智慧排水”信息平臺(tái)。