孫云鵬，洪昌直，鮑俊杰

[1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092；2.臺(tái)州市椒江區(qū)綜合行政執(zhí)法局，浙江 臺(tái)州 318099]

1 研究背景

“十四五”規(guī)劃指出：“要以數(shù)字化助推城鄉(xiāng)發(fā)展和治理模式創(chuàng)新，全面提高運(yùn)行效率和宜居度。分級(jí)分類推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)，將物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)施、通信系統(tǒng)等納入公共基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)，推進(jìn)市政公用設(shè)施、建筑等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和智能化改造”[1]。城市市政排水系統(tǒng)作為城市公共服務(wù)的重要環(huán)節(jié)，其智慧化建設(shè)是智慧城市建設(shè)中不可缺少的組成部分，是體現(xiàn)城市智慧水平的重要標(biāo)桿。浙江省臺(tái)州市椒江區(qū)積極響應(yīng)國家“十四五”規(guī)劃，提出采用智慧水務(wù)數(shù)字孿生手段，分期構(gòu)建區(qū)級(jí)智慧排水統(tǒng)一管控平臺(tái)，以促進(jìn)當(dāng)?shù)嘏潘袠I(yè)發(fā)展，提升行業(yè)多跨協(xié)同能力。

本研究以浙江省臺(tái)州市椒江區(qū)為試點(diǎn)，探索并提出了城市排水智慧水務(wù)體系構(gòu)建“三步法”，進(jìn)行了實(shí)證應(yīng)用探索，構(gòu)建了“椒江區(qū)智慧排水一體化管控平臺(tái)”，并分析其建設(shè)成效，研究成果可為類似城市提供參考。

2 研究方法

本研究試點(diǎn)區(qū)地處浙江省沿海中部，瀕臨東海，自然水系發(fā)達(dá)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降水量1519.0mm，有2個(gè)月臺(tái)風(fēng)期（8—9月）。針對(duì)試點(diǎn)區(qū)基礎(chǔ)條件，本研究構(gòu)建了城市排水智慧水務(wù)體系“三步法”研究總體框架（見圖1）。

圖1 城市排水智慧水務(wù)體系框架構(gòu)建步驟

（1）第一步：基礎(chǔ)資料收集與需求分析

城市排水智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)基于排水系統(tǒng)實(shí)際，以滿足業(yè)務(wù)主體的需求為首要目的。此步驟要求收集項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域范圍內(nèi)包括地形地貌、水文氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用、人口分布、雨污水系統(tǒng)規(guī)劃與建設(shè)資料等在內(nèi)的各類基礎(chǔ)資料，并進(jìn)行部門走訪調(diào)研，聽取排水系統(tǒng)相關(guān)各方（如涉水政府部門、排水運(yùn)營企業(yè)等）對(duì)所構(gòu)建的智慧水務(wù)系統(tǒng)的需求，進(jìn)行需求分析。

（2）第二步：智慧水務(wù)體系層級(jí)設(shè)計(jì)

城市智慧水務(wù)體系框架主要分為四個(gè)層級(jí)，自上而下分別為業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、應(yīng)用支撐體系、數(shù)據(jù)資源體系、基礎(chǔ)設(shè)施體系。四個(gè)層級(jí)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)自上而下逐層級(jí)進(jìn)行。由于排水行業(yè)建設(shè)與管理過程涉及的部門多（如住建、城管、執(zhí)法、環(huán)保、水務(wù)、交通及排水公司等多部門），橫跨領(lǐng)域廣（供水、排水、環(huán)保、氣象等多領(lǐng)域），在體系框架設(shè)計(jì)時(shí)要尤其注意框架結(jié)構(gòu)的開放性，采用標(biāo)準(zhǔn)化的信息交換端口，確保智慧水務(wù)系統(tǒng)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交流過程暢通無阻。

（3）第三步：各層級(jí)建設(shè)任務(wù)細(xì)化與開展

智慧水務(wù)系統(tǒng)框架龐大復(fù)雜，第三步需要依據(jù)各個(gè)層級(jí)設(shè)計(jì)方案，細(xì)化建設(shè)內(nèi)容，采取分期分步方式實(shí)施。

3 試點(diǎn)區(qū)研究方法探索

3.1 基礎(chǔ)資料收集與需求分析

就本研究所選試點(diǎn)區(qū)域情況而言，在充分梳理資料與走訪當(dāng)?shù)厮h(huán)境治理辦公室、排水系統(tǒng)監(jiān)管部門、排水管理公司等的監(jiān)管領(lǐng)導(dǎo)與一線業(yè)務(wù)人員后，確定本研究內(nèi)容主要包括試點(diǎn)區(qū)內(nèi)雨水、污水、再生水系統(tǒng)?？偨Y(jié)得出現(xiàn)狀排水行業(yè)與管理需求的主要問題：頻繁的降水與臺(tái)風(fēng)等極端天氣造成該區(qū)內(nèi)澇問題嚴(yán)重，而該區(qū)雨水排水系統(tǒng)運(yùn)行主要通過人工調(diào)度，機(jī)動(dòng)性和應(yīng)急性較差；污水排水系統(tǒng)建成年代較久，存在管網(wǎng)破損滲漏、雨污合流混接等問題，造成污水直接入河、污水處理廠超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；現(xiàn)存的排水行業(yè)信息管理系統(tǒng)數(shù)量少、功能單一，系統(tǒng)間信息割裂，缺乏行業(yè)全局總覽工具與窗口；排水設(shè)施養(yǎng)護(hù)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化、線上化管理平臺(tái)，造成運(yùn)維工作不到位、過程難監(jiān)管等。下一步將針對(duì)現(xiàn)狀問題與實(shí)際需求進(jìn)行智慧水務(wù)體系的設(shè)計(jì)。

3.2 智慧水務(wù)體系層級(jí)設(shè)計(jì)

3.2.1 業(yè)務(wù)應(yīng)用體系

業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，主要包括智慧水務(wù)系統(tǒng)具備的實(shí)際應(yīng)用功能及其實(shí)現(xiàn)形式。業(yè)務(wù)應(yīng)用應(yīng)面向排水監(jiān)管與運(yùn)營主體，基于當(dāng)下排水系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題與需求，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

本研究所構(gòu)建的智慧水務(wù)系統(tǒng)具備的業(yè)務(wù)應(yīng)用功能主要包括排水系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行監(jiān)管、排水防澇管理、溢流監(jiān)測(cè)與入流入滲分析、綜合運(yùn)行調(diào)度、管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)運(yùn)維管理等，涉及多部門跨行業(yè)協(xié)同處理。針對(duì)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，重塑事件上報(bào)縱向反饋機(jī)制，形成標(biāo)準(zhǔn)化閉環(huán)協(xié)同管理流程。以上業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)形式為“一張圖”式綜合管控，最終以PC、Web與具有當(dāng)?shù)靥厣囊苿?dòng)端（面向政府監(jiān)管人員的“浙政釘”平臺(tái)與面向社會(huì)公眾的“浙里辦”平臺(tái)）三種形態(tài)呈現(xiàn)，提供統(tǒng)一的信息服務(wù)入口和個(gè)性化信息服務(wù)。

3.2.2 應(yīng)用支撐體系

應(yīng)用支撐體系，包括排水模型系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析方法與通用組件。通過提取數(shù)據(jù)資源體系中的數(shù)據(jù)，結(jié)合排水系統(tǒng)實(shí)際建設(shè)情況，本研究建立了內(nèi)澇防治數(shù)學(xué)模型和污水管網(wǎng)水動(dòng)力模型。排水模型的建立需要經(jīng)過基礎(chǔ)資料收集、數(shù)據(jù)檢查、模型拓?fù)湫ｒ?yàn)、模型測(cè)試、率定與驗(yàn)證等步驟，模型成果可用于現(xiàn)狀分析評(píng)估、規(guī)劃設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)度方案支撐[2-6]、預(yù)案模擬與結(jié)果分析、實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)與災(zāi)情風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面。通過感知硬件實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，結(jié)合模型算法，提供輔助決策，全程跟蹤處置流程，可以有效提升排水系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)事件處置效率與安全決策效率。

3.2.3 數(shù)據(jù)資源體系

排水行業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜、管理多元，行業(yè)數(shù)據(jù)既包括廠、站、網(wǎng)、戶等靜態(tài)設(shè)施，也有運(yùn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、養(yǎng)護(hù)檔案等各類動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。本研究中，數(shù)據(jù)資源體系的核心是行業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，主要包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫、運(yùn)維管理數(shù)據(jù)庫（見圖2）。數(shù)據(jù)庫對(duì)諸如工單、巡檢、養(yǎng)護(hù)、基礎(chǔ)設(shè)備等平臺(tái)運(yùn)營數(shù)據(jù)，地理環(huán)境、監(jiān)測(cè)指標(biāo)、視頻信息等平臺(tái)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及通過其他主體、渠道、平臺(tái)等獲取的三方數(shù)據(jù)，進(jìn)行交換、脫敏、脫密、匯聚、清洗、轉(zhuǎn)換、開發(fā)、運(yùn)維處理。

圖2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建內(nèi)容

3.2.4 基礎(chǔ)設(shè)施體系

基礎(chǔ)設(shè)施體系，主要包括兩張網(wǎng)與一系列服務(wù)，即物聯(lián)感知網(wǎng)——包括排水全過程中各種用于對(duì)液位、水質(zhì)、流量、雨量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與控制的感知設(shè)備，基礎(chǔ)通信網(wǎng)——包括公共互聯(lián)網(wǎng)、NB-IoT/4G/5G網(wǎng)絡(luò)、光纖專網(wǎng)、VPN專網(wǎng)等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)，與包括計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全、容災(zāi)、備份等在內(nèi)的一系列基礎(chǔ)服務(wù)。

物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)以排水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)為主，基于排水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)，考慮監(jiān)測(cè)區(qū)域的現(xiàn)狀和滿足排水管網(wǎng)運(yùn)行安全管理的數(shù)據(jù)需求，分別對(duì)雨水、污水系統(tǒng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)。本研究雨水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位主要包含7座雨水泵站（含排江、排澇兩類）、8個(gè)易澇積水點(diǎn)、4處排澇閘和5個(gè)主要排水閘門井。在雨水泵站、排澇閘等設(shè)置水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備；在易澇積水點(diǎn)設(shè)置積水尺。污水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位主要包含5座污水泵站、1個(gè)污水處理廠接入點(diǎn)和10處重要管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，均進(jìn)行水量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)（主要指標(biāo)為COD，TP，氨氮等）。

基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)包括公共互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、公有云和政務(wù)云等四部分（見圖3）。用戶可以通過PC端、移動(dòng)端，使用公共互聯(lián)網(wǎng)訪問系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息查看、系統(tǒng)作業(yè)和平臺(tái)運(yùn)維等功能。

圖3 基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4 各層級(jí)建設(shè)任務(wù)細(xì)化與開展

依據(jù)各個(gè)層級(jí)設(shè)計(jì)方案，細(xì)化建設(shè)內(nèi)容，并分期分步驟實(shí)施。在業(yè)務(wù)應(yīng)用體系層級(jí)確定智慧水務(wù)系統(tǒng)應(yīng)具有的主要功能模塊，以及各功能實(shí)現(xiàn)的形式；在應(yīng)用支撐體系層級(jí)確定涉及的水務(wù)業(yè)務(wù)邏輯、采用模型與分析算法等；在數(shù)據(jù)資源體系層級(jí)確定需要采集的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)來源與采集頻率，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、容量等；在基礎(chǔ)設(shè)施體系層級(jí)確定感知網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方案、設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)傳輸方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

現(xiàn)在椒江區(qū)正在采用本研究所述方法進(jìn)行智慧水務(wù)體系的實(shí)際建設(shè)，構(gòu)建了“智慧排水一體化管控平臺(tái)”。截止目前，系統(tǒng)已成功對(duì)接280km污水管網(wǎng)、31座污水泵站、2座污水處理廠、1座再生水廠、1400余家排水戶的硬件設(shè)施及數(shù)據(jù)集成，并計(jì)劃新布設(shè)、改造各類液位、流量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及PLC控制柜等智能設(shè)備150余臺(tái)；初步構(gòu)建了浙江省首創(chuàng)的水動(dòng)力模型，并計(jì)劃結(jié)合排水系統(tǒng)物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷迭代完善，為識(shí)別外水入侵、管網(wǎng)淤堵、重點(diǎn)排水戶超排、識(shí)別區(qū)域內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布等問題打下基礎(chǔ)，向“定量分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)”的精細(xì)化、智慧化管理方向前進(jìn)；融合GIS、BIM、IoT技術(shù)，打造集在線互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同、決策支持等多種功能于一體的高標(biāo)準(zhǔn)智慧排水一體化管控平臺(tái)框架，并繼續(xù)進(jìn)行不斷完善。

5 結(jié) 語

本研究提出了城市排水智慧水務(wù)體系先基礎(chǔ)資料收集與需求分析，再智慧水務(wù)體系層級(jí)設(shè)計(jì)，最后各層級(jí)建設(shè)任務(wù)細(xì)化與開展的構(gòu)建“三步法”，并以浙江省某市區(qū)為試點(diǎn)，進(jìn)行了實(shí)證應(yīng)用探索，研究成果可為類似城市提供參考。下一步將根據(jù)建設(shè)過程中總結(jié)的心得體會(huì)對(duì)本研究結(jié)論進(jìn)行回顧性評(píng)估，使得本研究成果更具適用性。