胡臻 黃賢亮 武今巾 何巍偉

（1.長沙市城區(qū)排水事務中心 湖南長沙 410000；2.合肥中科國禹智能工程有限公司 安徽合肥 230031）

城市排水系統(tǒng)主要由排水管網(wǎng)、雨（污）水泵站及污水處理廠構成，對處理和排除雨（污）水發(fā)揮著重要作用。但是，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進，城市排水系統(tǒng)的負荷大大增加，納污量大幅提升，污水管網(wǎng)老化淤堵嚴重，過流能力急速下降。此外，管網(wǎng)等排水設施因建造年代不同、分布范圍廣、設備類型多樣等因素，導致排水系統(tǒng)內(nèi)部工藝水平和實際處理能力水平的差異，給人工監(jiān)管帶來很大困難。為科學、高效地對排水設施進行管理，提高應急應變能力，保障城市排水系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行，亟需對排水設施（如市政管網(wǎng)、污水處理廠，以及雨、污泵站等）建立統(tǒng)一綜合管理平臺，即可實現(xiàn)實時預警、動態(tài)監(jiān)測、智慧運維的排水系統(tǒng)管理體系。通過排水系統(tǒng)智慧化建設，轉變傳統(tǒng)排水系統(tǒng)管理思維及模式，提升運維及排水防澇能力，提高管理水平，提供決策支撐，保證排水系統(tǒng)良好運行。

1 排水系統(tǒng)智慧化建設的需求及意義

據(jù)有關部門統(tǒng)計，目前我國城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)采用的設計標準較低、排水能力有限，管網(wǎng)滲漏、破損、雨污混接等狀況突出，存在很大的安全隱患，導致了黑臭水體下河污染河流、雨天極易形成內(nèi)澇等城市病的存在。由于沒有建立統(tǒng)一的排水系統(tǒng)設施的運行監(jiān)管平臺，無法對排水設施的規(guī)劃、建設、運行管理及養(yǎng)護做出科學決策，這讓城市排水管理部門“無能為力”，為了解決上述問題，提升城市排水系統(tǒng)的管理水平，可以結合感知設備，通過獲取排水業(yè)務數(shù)據(jù)實現(xiàn)排水系統(tǒng)智慧化建設，保障城市排水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。智慧排水系統(tǒng)管控平臺建設具有如下重要的意義。

（1）無人值守，減少企業(yè)運行成本。通過排水系統(tǒng)智慧化建設，實時監(jiān)控各排水設施，可依據(jù)設施、設備的運行狀況實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控和調(diào)優(yōu)，無需人員值班看守，從而節(jié)約大量人力資源成本，有效減少運行維護費用。

（2）運用物聯(lián)網(wǎng)技術，減少風險與隱患。通過匯總設備和業(yè)務數(shù)據(jù)，進行平臺實時展示與監(jiān)控，對突發(fā)情況迅速響應，實時預警，當異常情況出現(xiàn)時，能夠及時進行干預和處置，保證安全。

（3）聯(lián)合調(diào)度，實現(xiàn)智慧決策。通過利用數(shù)學建模、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、地理信息系統(tǒng)等技術，實現(xiàn)排水系統(tǒng)監(jiān)測、巡查、調(diào)度、決策等過程的智慧化，實現(xiàn)從被動處置到主動作為的轉變，提高決策能力和管理水平，與此同時，通過智慧排水系統(tǒng)建設，探索研究管網(wǎng)、泵站等設施聯(lián)合調(diào)度及自動化改造，全面提升城市排水治理能力現(xiàn)代化，為智慧城市建設賦能。

2 關鍵技術

2.1 地理信息系統(tǒng)（GIS）技術

排水地理信息系統(tǒng)包含有管線、排水設施等的基礎信息數(shù)據(jù)，同時還可以實現(xiàn)對排水管網(wǎng)、污水處理廠等的網(wǎng)絡分析、空間可視化分析，這大大提高了市政排水管理部門對排水系統(tǒng)精細化管理的水平，為城市排水防澇、污水處理等工作提供了科學的決策支撐。在每年汛期來臨之前，有關部門可以借助GIS 分析時下的氣象災害信息，模擬計算出更為精細、準確的區(qū)域降水參數(shù)數(shù)據(jù)，這對城市防洪應急工作具有十分重要的意義。此外，利用地理信息系統(tǒng)的空間拓撲功能，并結合滲水、蓄水的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立相關的模型，評價城市水域（河道、蓄水庫等）的儲水能力，綜合起來可預判城市發(fā)生內(nèi)澇的概率。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)主要是利用智能傳感設備，按照一定的規(guī)則實現(xiàn)人和人之間、人和物之間、物和物之間的互聯(lián)互通，可采集、獲取物質(zhì)世界的各種信息，同時借助互聯(lián)網(wǎng)、通信技術實現(xiàn)信息傳遞、管理、分析，從而達到實現(xiàn)對物質(zhì)世界的智慧決策。

2.3 移動終端技術

隨著信息技術與集成電路技術的快速發(fā)展，移動終端的應用場景也變得越來越豐富，除了具有通信功能以外，還可以進行信息處理、分析與展示。其在排水系統(tǒng)管理方面具體表現(xiàn)為通過開發(fā)小程序、APP 等方式，實現(xiàn)在移動客戶端實現(xiàn)地理信息地圖、管網(wǎng)管理，對水質(zhì)、水量及排水設施進行監(jiān)控（如視頻監(jiān)控、水位流量監(jiān)控、污水廠、泵站監(jiān)控）等功能。

2.4 雨洪模型分析技術

在城市地勢比較低的地方，尤其是下穿橋、立交橋橋洞、地鐵、地下人行通道、地下車庫等地段，在降水比較密集的時候，很容易發(fā)生內(nèi)澇災害，而雨水管網(wǎng)承擔著迅速排水的重任，有效降低發(fā)生內(nèi)澇的風險。通過構建雨洪模型，模擬區(qū)域的降水情況，預測發(fā)生內(nèi)澇的可能性，還可以為雨水管網(wǎng)、城市排水體系的建設提供決策支撐。

3 智慧排水系統(tǒng)建設管理現(xiàn)狀

美國是第一個探索建立市政排水設施管理系統(tǒng)的國家，其利用GIS 技術設計了包括泵站的地理位置分布、管網(wǎng)的空間分布等內(nèi)容的城市排水信息系統(tǒng)。反觀國內(nèi)，2004年，李金平等科研人員采用Visual Basic為編程語言、MapX 為開發(fā)工具，進行市政排水管網(wǎng)信息系統(tǒng)的設計，并實現(xiàn)了地下管網(wǎng)科學化、信息化管理；2008年，周旭東等研究人員在蘇州市建立地下管線綜合系統(tǒng)，研究通過GIS應對管網(wǎng)突發(fā)情況的方法，主要包括原理、實現(xiàn)方法和過程；2017年，閆曉濤等研究人員提出運用物聯(lián)網(wǎng)等信息技術手段建立智慧排水的方法。

此外，我國部分較發(fā)達的城市也逐步建立了城市排水的管理系統(tǒng)。例如，上海建成的排水設施管理信息系統(tǒng)可以實現(xiàn)排水設施的信息查詢、實時動態(tài)監(jiān)測、水情信息報訊、氣象災害信息的收集與處理以及數(shù)據(jù)制圖輸出。北京的排水公司經(jīng)過多年的實踐，也摸索出一套完善、成熟的信息管理系統(tǒng)，主要由以下幾個部分組成：（1）核心指標數(shù)據(jù)的采集、處理；（2）信息基礎設施服務；（3）業(yè)務管理平臺展示。2011年，杭州市也開始排水信息業(yè)務管理系統(tǒng)的建設，搭建了相應的排水信息管理平臺，建立了排水信息的數(shù)據(jù)庫。這些城市的排水信息管理系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢、檢測及獲取遠程監(jiān)控系統(tǒng)回傳的語音等相關資料，還可以查詢和管理排水設施的運行情況。此外，一些排水管理系統(tǒng)平臺還可以進行計算模擬，如利用雨洪積水模型，對積水過程進行模擬，并計算出完全排除積水所需的時間。

4 智慧排水系統(tǒng)建設管理存在的問題

建立智慧排水系統(tǒng)，對于推動城市管理水平的提升及促進社會經(jīng)濟的發(fā)展具有重要作用，然而現(xiàn)有的智慧排水系統(tǒng)仍在探索中，依然存在很多不足，主要集中在以下幾個方面。

4.1 信息化基礎設施建設明顯不足

現(xiàn)階段，信息化建設還不夠，相關基礎設施相對薄弱，信息資源不足，信息種類不全，內(nèi)容不夠豐富，信息的數(shù)字化和規(guī)范化程度太低。排水工程自控建設還處于摸索階段，排水通信網(wǎng)絡覆蓋范圍還滿足不了需求，各類排水工程自動監(jiān)控系統(tǒng)的建設還處于起步階段，排水通信網(wǎng)在覆蓋范圍和容量上還遠遠滿足不了需要，支撐水利各類業(yè)務應用的綜合性平臺不夠健全，安全保障不夠。

4.2 排水數(shù)據(jù)采集程度不高

排水數(shù)據(jù)的獲取主要是依靠智能感知設備的采集，而目前監(jiān)測范圍、設備都很有限，導致基礎數(shù)據(jù)采集范圍覆蓋不夠全面，信息內(nèi)容完整性不夠，此外，排水管網(wǎng)一般都在地下，布設的感知設備長期處于惡劣的環(huán)境中，地下的通信信號較弱，導致設備需要經(jīng)常維護、更新，數(shù)據(jù)的實時動態(tài)展示能力也很差。

4.3 缺乏頂層設計

目前，排水信息化建設很少考慮統(tǒng)籌規(guī)劃，城鄉(xiāng)之間、各個部門之間分割現(xiàn)象明顯，導致建設體系和標準很難統(tǒng)一，無法開展業(yè)務協(xié)同。一方面，沒有從城市發(fā)展的整體出發(fā)，建立排水信息綜合管理系統(tǒng)，對信息化建設缺乏頂層設計，各自為政，孤立發(fā)展，服務對象單一。另一方面，排水管線數(shù)據(jù)來自設計、建設和管理部門，建立排水綜合管理平臺與各部門需求十分密切，而系統(tǒng)建設沒有考慮“一盤棋”的整體謀劃，隨著各種部門用戶的人數(shù)增多，相應的需求也在不斷增多和變化，系統(tǒng)變得雜亂無章，難以服務排水行業(yè)的發(fā)展。

4.4 數(shù)據(jù)孤島亟待消除

雖然，目前國內(nèi)主要城市已建成一些排水管理系統(tǒng)，但是大都是獨立、分開的，彼此之間沒有建立數(shù)據(jù)資源共享機制。此外，網(wǎng)絡系統(tǒng)的軟硬件基礎設施還很不成熟，信息資源共享也缺乏技術支撐，導致大量基礎性業(yè)務數(shù)據(jù)無法被用來指導排水管理活動。

4.5 智慧決策水平不夠

排水系統(tǒng)建設重業(yè)務管理，導致大量的排水數(shù)據(jù)沒有得到充分利用與深入挖掘、分析，決策還是以人工經(jīng)驗為主，數(shù)據(jù)對決策的支撐工作需要加強。

5 排水系統(tǒng)智慧化運營的優(yōu)化思考

針對上述排水系統(tǒng)建設管理中存在的問題，本文從以下3個方面對排水系統(tǒng)智慧化建設進行分析。

5.1 加強頂層設計

排水水務企業(yè)和有關部門需要加強頂層設計和統(tǒng)籌謀劃。在智慧排水管理平臺建設過程中，需要統(tǒng)籌考慮企業(yè)運行、業(yè)務需求、軟硬件設施的關系，并注重提升排水業(yè)務問題的解決能力，注重對采集數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析。在以上工作的基礎上，進行頂層設計和開展業(yè)務，同時使排水管理平臺具備更新?lián)Q代能力。

5.2 消除“數(shù)據(jù)孤島”

針對目前數(shù)據(jù)孤島的問題，首先，需要建立統(tǒng)一的排水水務標準體系，包括規(guī)范統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集標準，各排水部門需要嚴格按照標準規(guī)范收集各類排水業(yè)務信息，形成數(shù)據(jù)庫中心。其次，需要構建標準化、規(guī)范化的數(shù)據(jù)結構與服務接口，這不僅可以提高數(shù)據(jù)采集的效率，還可以實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流通、融合、共享，實現(xiàn)業(yè)務聯(lián)動和協(xié)同。

5.3 智慧管理平臺升級

目前，很多地方已經(jīng)建成排水系統(tǒng)管理平臺，并取得了一定的應用效果，但是，隨著用戶量的增加及需求的加大，需要升級現(xiàn)有的系統(tǒng)管理平臺，優(yōu)化智慧排水總體架構體系，主要包括以下幾點內(nèi)容。

第一，開發(fā)智能管網(wǎng)巡查系統(tǒng)。結合相關的水文數(shù)據(jù)及地質(zhì)體模型，排查有安全風險區(qū)域的管線（如土壤松散、滲水的管段），并充分探究管道健康和排水管網(wǎng)水力模型系統(tǒng)的運行情況，自行確定巡檢養(yǎng)護范圍。此外，還可以通過“智慧井蓋管理系統(tǒng)”建設，完成井蓋等市政資產(chǎn)的在線監(jiān)控和精細化管理，保障市民出行安全。

第二，升級流域截污治理系統(tǒng)。聚焦控源截污、管網(wǎng)提質(zhì)增效。從現(xiàn)實情況出發(fā)，做好水環(huán)境污染現(xiàn)狀分析，識別流域污染特征，實現(xiàn)管線系統(tǒng)優(yōu)化，以及廠、站、網(wǎng)、河四級聯(lián)合調(diào)度。通過建立相應的數(shù)學模型，評估排水設施的現(xiàn)狀情況等，進行模擬分析對比（包括排水系統(tǒng)的溢流風險及溢流量），對管線設計方案進行調(diào)整和優(yōu)化，并利用模型開展常態(tài)化模擬，為管網(wǎng)截污提供全周期支持。

第三，整合防洪應急管理平臺。有效整合排水管理平臺內(nèi)所有的視頻監(jiān)控點位，通過三維洪水風險圖展現(xiàn)平臺，獲取洪水路徑（淹沒及退水），預先調(diào)動防汛物資，汛期后完成評估、完善及總結工作并錄入系統(tǒng)。構建“預警及時、調(diào)度有序、評估科學”的防洪體系，合理調(diào)度防洪資源。

6 結語

目前，智慧排水系統(tǒng)建設已經(jīng)取得一定進展，西方國家在排水系統(tǒng)領域的研究已逐步從理論過渡到實踐應用階段，并取得良好的效果，在遭遇突發(fā)性事件時，可以及時參與應急響應和科學決策。國內(nèi)智慧排水系統(tǒng)研究起步較晚，但是也取得一定的成果，部分東部城市通過建立城市排水管理系統(tǒng)，提高了業(yè)務能力和水平。與此同時，智慧排水系統(tǒng)建設管理也存在一些問題，如排水數(shù)據(jù)信息滯后、管理體制混亂、排水信息化頂層設計缺乏等。針對目前排水系統(tǒng)建設管理中存在的問題，未來需要進行優(yōu)化升級，包括加強頂層設計、消除“數(shù)據(jù)孤島”以及排水系統(tǒng)管理平臺再升級等，最終實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)智能化。