何巍偉 武今巾 黃賢亮

(合肥中科國禹智能工程有限公司 安徽合肥 230088)

隨著城市規(guī)模越來越大，城市排水系統(tǒng)體量也日益龐大，頻發(fā)的城市內(nèi)澇、黑臭水體等問題受到社會強烈關(guān)注，排水系統(tǒng)現(xiàn)行低效的管理模式也無法滿足當(dāng)前的巨大考驗。2020年新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（以下簡稱“新基建”）首次被寫入政府工作報告，在國家大力推行新基建的背景下，如何利用5G、GIS、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、人工智能等新一代信息技術(shù)，賦能傳統(tǒng)排水行業(yè)，創(chuàng)新城市排水管理模式，提高城市排水日常管理、運行調(diào)度、災(zāi)情預(yù)判、預(yù)警預(yù)報、防汛調(diào)度及應(yīng)急搶險能力，實現(xiàn)城市排水智慧化管理，是該文的重點討論內(nèi)容。

1 新基建與智慧排水

2018 年國家首次提出“加快5G 商用步伐，加強人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”，提出“新型基礎(chǔ)設(shè)施”概念[1]。2020年4月，國家發(fā)改委初步定義新基建是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系，主要包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施、創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施這3個方面內(nèi)容[2]。

城市排水管網(wǎng)、泵站、污水廠、雨水篦、檢查井等排水設(shè)施是保證城市發(fā)展和正常運行不可或缺的重要傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施。隨著城市的快速發(fā)展，擁有巨大體量排水設(shè)施的城市排水系統(tǒng)暴露出各種問題，如城市內(nèi)澇、黑臭水體等問題，已成為制約城市高質(zhì)量快速發(fā)展的瓶頸。通過利用新基建的新一代技術(shù)手段，為傳統(tǒng)排水行業(yè)賦能，更好地發(fā)揮傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)有的功能，從而創(chuàng)新城市智慧排水的管理及治理體系，已成為排水行業(yè)發(fā)展的趨勢和共識[3-11]。

以大數(shù)據(jù)為載體的強信息性，以萬物互聯(lián)為方式的強滲透性，以一業(yè)帶百業(yè)為功能的強帶動性，是新基建的鮮明特征[12-13]，輕資產(chǎn)、新投資主體、新融資模式及新投資區(qū)域也是其重要特點[14]。從一定的技術(shù)應(yīng)用層面上看，新基建是“軟”的基礎(chǔ)設(shè)施，傳統(tǒng)基建則是“硬”的基礎(chǔ)設(shè)施，新基建的技術(shù)應(yīng)用需要以傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施作為底座和應(yīng)用場景。在推進(jìn)城市智慧排水發(fā)展的過程中，為避免造成資源浪費，需要重點關(guān)注傳統(tǒng)排水行業(yè)及基礎(chǔ)設(shè)施與新一代信息技術(shù)之間的深度融合，才能更好地為傳統(tǒng)排水行業(yè)賦能，推動城市排水智慧化發(fā)展。

2 城市智慧排水指揮控制中心

綜合城市排水行業(yè)的公共性、基礎(chǔ)設(shè)施的涉密性、多源關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的共享需求性等特點，該文提出通過對城市智慧排水的發(fā)展進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施，建設(shè)一個統(tǒng)管城市排水業(yè)務(wù)的城市智慧排水指揮控制中心（以下簡稱“排水中心”），并搭建“五大支撐”體系，具體如圖1 所示。在已有的排水信息化基礎(chǔ)之上，通過對傳統(tǒng)及新一代信息化基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行集約化建設(shè)，將城市排水行業(yè)相關(guān)政務(wù)云資源納入排水中心進(jìn)行統(tǒng)籌管理，提高利用效率。同時應(yīng)加強網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)設(shè)施整合，建立統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一信息化基礎(chǔ)設(shè)施的資源池，逐步形成一個基于政務(wù)云并以排水中心為中心的基礎(chǔ)設(shè)施“大樞紐”，集約化管理和使用計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和安管等各類設(shè)施。充分利用新基建的新一代信息技術(shù)，將排水中心建設(shè)成為城市排水行業(yè)的智慧門戶及行業(yè)監(jiān)管及發(fā)展創(chuàng)新中心。

圖1 總體設(shè)計框架示意圖

2.1 構(gòu)建一套智慧排水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

遵循城市排水、軟件開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)、測繪、信息安全等專業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，從技術(shù)和管理兩個維度，統(tǒng)一構(gòu)建一套符合城市排水行業(yè)智慧化發(fā)展特點的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以統(tǒng)一指導(dǎo)城市排水行業(yè)信息化項目建設(shè)、系統(tǒng)運行管理和升級維護(hù)，不斷促進(jìn)城市智慧排水的發(fā)展進(jìn)程。不同城市針對各自特點，構(gòu)建形成一系列具有本地模式特點的排水中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有效指導(dǎo)和保障該市排水行業(yè)的有序、高效發(fā)展。

2.2 構(gòu)建一座智慧排水大數(shù)據(jù)中心

根據(jù)“一數(shù)一源”的建設(shè)原則，采取集中與分布相結(jié)合的方式，依據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、編碼規(guī)則實現(xiàn)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)資源的有效整合。將原本分散的城市排水行業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)（如氣象信息、基礎(chǔ)地理信息、水文信息、天網(wǎng)視頻、排水設(shè)施、行政區(qū)劃、排水戶信息、人口經(jīng)濟(jì)等關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)），納入排水中心的大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行統(tǒng)一管理及分析應(yīng)用，共同組成數(shù)據(jù)中心的主體，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享機制和安全管理機制，逐步建成統(tǒng)一開放、共享共用、持續(xù)更新的智慧排水大數(shù)據(jù)中心，在滿足本身發(fā)展使用的同時，也可為其他行業(yè)持續(xù)輸出進(jìn)行應(yīng)用賦能。

2.3 構(gòu)建一張智慧排水物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測控制網(wǎng)

利用新一代先進(jìn)信息技術(shù)，建設(shè)一張智慧排水物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測控制網(wǎng)，并集成到智慧排水綜合管控平臺統(tǒng)一管理，形成“監(jiān)測一張網(wǎng)、控制一張圖”。同時基于平臺以服務(wù)接口方式實現(xiàn)物聯(lián)感知監(jiān)測資源的共享共用，為排水中心的建設(shè)及其他項目的感知終端設(shè)備改擴建提供接入服務(wù)，并實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控管理、指令下發(fā)和遠(yuǎn)程控制等功能，以及實現(xiàn)物聯(lián)感知監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、查詢、統(tǒng)計和可視化管理功能。

物聯(lián)感知監(jiān)測設(shè)備和自動控制設(shè)備的建設(shè)，需要遵循排水中心的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和接入技術(shù)規(guī)范等要求，實現(xiàn)設(shè)備的即插即用和物聯(lián)網(wǎng)平臺的開放接入，實現(xiàn)對終端設(shè)備、監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并逐步實現(xiàn)排水設(shè)施科學(xué)決策的智能控制，為智慧排水大數(shù)據(jù)分析、科學(xué)決策、聯(lián)合調(diào)度、遠(yuǎn)程控制提供應(yīng)用基礎(chǔ)。

2.4 構(gòu)建一個智慧排水綜合管控平臺

依托已有的城市排水信息化基礎(chǔ)，建設(shè)一個可不斷拓展的智慧排水綜合管控平臺，作為排水中心承載城市排水信息化建設(shè)發(fā)展的主體，為城市各單位部門、排水行業(yè)及公眾提供統(tǒng)一的服務(wù)。平臺總體架構(gòu)見圖2。

圖2 總體技術(shù)架構(gòu)示意圖

2.4.1 排水設(shè)施綜合管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)實現(xiàn)城市排水設(shè)施及相關(guān)要素靜態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，構(gòu)建排水設(shè)施“源—網(wǎng)—站—廠—河”全過程、全要素的智慧排水一張圖，形成并完善一套符合數(shù)據(jù)資源生命特點的運維機制，從時間上跨越過去、現(xiàn)在、未來，從空間上覆蓋地上、地表、地下，真正實現(xiàn)排水設(shè)施數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一管理、統(tǒng)一展現(xiàn)，為排水行業(yè)的發(fā)展提供強而有力的決策依據(jù)。

2.4.2 大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用系統(tǒng)

式中：k為能量損失系數(shù)，經(jīng)驗取值范圍為0.96～0.99;PF為主要通風(fēng)機靜壓，Pa;Qj為靜壓差法測得主要通風(fēng)機風(fēng)量，m3/s。

依托智慧排水大數(shù)據(jù)中心和智慧排水物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測控制網(wǎng)的建設(shè)，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、模型應(yīng)用、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，搭建大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用系統(tǒng)。充分利用專業(yè)模型及相關(guān)算法（如降雨徑流分析模型、氣象預(yù)警模型、動態(tài)洪澇災(zāi)害評估模型、污染溯源分析模型、廠站網(wǎng)調(diào)度決策模型、風(fēng)險評估模型、物資調(diào)度決策模型等），建立基于科學(xué)數(shù)學(xué)模型和海量信息融合分析的復(fù)雜決策支撐系統(tǒng)，開展深層次的數(shù)據(jù)挖掘和分析，充分發(fā)揮智能化監(jiān)測、污水運行調(diào)度、防汛搶險預(yù)警、科學(xué)決策支持等方面的各項應(yīng)用，為排水中心的決策部署和平臺系統(tǒng)的各項應(yīng)用提供科學(xué)支撐，持續(xù)為城市排水行業(yè)智慧化發(fā)展提供科學(xué)的數(shù)據(jù)決策驅(qū)動力。

2.4.3 防汛排澇應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)

該系統(tǒng)滿足城市防汛排澇的應(yīng)急指揮調(diào)度的業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)事前預(yù)警、事中調(diào)度、事后總結(jié)和專題分析的管理模式，全面支撐統(tǒng)一指揮、專常兼?zhèn)?、反?yīng)靈敏、上下聯(lián)動的防汛排澇管理體制建設(shè)，有效提高城市防汛排澇應(yīng)急能力和抵御災(zāi)害風(fēng)險能力，確保人民群眾生命財產(chǎn)安全和社會穩(wěn)定。

2.4.4 廠站網(wǎng)一體化運營監(jiān)管系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括管網(wǎng)運營監(jiān)管專題、泵站運營監(jiān)管專題、污水廠運營監(jiān)管專題、廠站網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度專題等應(yīng)用。實現(xiàn)城市污水廠、泵站、管網(wǎng)及相關(guān)附屬設(shè)施運行情況的集中查看，提供監(jiān)管、風(fēng)險預(yù)警、績效指標(biāo)評估、調(diào)度決策等主要功能，提升排水管理單位的監(jiān)管力度，拓寬監(jiān)管范圍和手段，有效推動廠站網(wǎng)一體化發(fā)展及管理體制的創(chuàng)新。

2.4.5 綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括平臺維護(hù)管理、門戶綜合管理、工程管理、財務(wù)管理、OA系統(tǒng)等，滿足機構(gòu)部門日常行政辦公的業(yè)務(wù)需求。

2.4.6 智慧排水App

按照“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一入口、統(tǒng)一用戶體驗、統(tǒng)一技術(shù)路線”的原則及排水中心總體技術(shù)框架，建設(shè)城市排水行業(yè)統(tǒng)一的智慧排水App 應(yīng)用，實現(xiàn)城市排水行業(yè)的多部門聯(lián)合移動辦公及公眾服務(wù)，充分發(fā)揮移動辦公的便捷性、及時性和精確性。

2.5 構(gòu)建一間“智慧排水創(chuàng)新應(yīng)用實驗室”

依托排水中心，引進(jìn)排水行業(yè)專家或優(yōu)質(zhì)成員單位，建設(shè)“智慧排水創(chuàng)新應(yīng)用實驗室”，并以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，充分利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)字孿生、人工智能等新一代先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合城市排水行業(yè)的特點，不斷深化探究城市智慧排水發(fā)展的技術(shù)路線及管理模式，逐步開展城市智慧排水相關(guān)新型技術(shù)應(yīng)用及新型管理模式的創(chuàng)新應(yīng)用及工程試點示范建設(shè)，為城市排水行業(yè)的發(fā)展和排水中心的建設(shè)提供持續(xù)不斷的創(chuàng)新動力及發(fā)展動力。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 Web Service和XML

Web Service技術(shù)能使運行在不同機器上的不同應(yīng)用無須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，就可相互交換數(shù)據(jù)或集成。依據(jù)Web Service規(guī)范實施的應(yīng)用之間，無論它們所使用的語言、平臺或內(nèi)部協(xié)議是什么，都可以相互交換數(shù)據(jù)。Web Service基于一些常規(guī)的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)，為多個組織之間的業(yè)務(wù)流程的集成提供了一個通用機制，部署簡單，節(jié)省應(yīng)用接口開發(fā)費用。XML是SGML（通用語言標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)）的一個精簡集。它是用于定義其他標(biāo)識語言的一種元語言，它用于描述信息的各種標(biāo)識都可以由設(shè)計者自行建立，以強化特定專業(yè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)。由于XML具有數(shù)據(jù)來源的多樣性和多種應(yīng)用的靈活性、柔韌性和適應(yīng)性，內(nèi)容與形式的分離，它具有開放的標(biāo)準(zhǔn)，有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化。因此，在數(shù)據(jù)交換和協(xié)議描述上有著先天的優(yōu)勢，因此作為數(shù)據(jù)交換的基本格式。

3.2 B/S技術(shù)架構(gòu)

B/S模式具有標(biāo)準(zhǔn)化、高效率、易操作、易實現(xiàn)等優(yōu)點，可以完成跨空間、實時的信息傳輸和數(shù)據(jù)共享?？梢詫崿F(xiàn)真正意義上的超遠(yuǎn)程檔案歸檔和查詢，對客戶端的要求極低，只需要一臺PC 機和一個瀏覽器，易于使用，客戶端無需維護(hù)，這些優(yōu)勢都是傳統(tǒng)的C/S模式所不具備的。

3.3 GIS技術(shù)

地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)不僅可以有效管理具有空間屬性的各種物理對象信息，對物理對象管理和實踐模式進(jìn)行快速和重復(fù)的分析測試，便于制定決策、進(jìn)行科學(xué)和政策的標(biāo)準(zhǔn)評價，而且可以有效地對多時期的物理對象狀況及生產(chǎn)活動變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，也可將數(shù)據(jù)收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流，明顯地提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指利用各種傳感器裝置和技術(shù)對各種物理對象進(jìn)行感應(yīng)、采集、識別和定位，實時獲取其物理、化學(xué)及生物特征的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并基于通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接交互，實現(xiàn)人與物、物與物之間的萬物互聯(lián)，實現(xiàn)對物理對象及其相關(guān)過程狀態(tài)的智能化感知、識別分析和控制管理，讓所有能夠被獨立尋址的物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[15]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)的全面感知，可實時監(jiān)測掌握排水設(shè)施的運行狀態(tài)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)、AI 算法實現(xiàn)排水系統(tǒng)的健康診斷分析、故障預(yù)警及相關(guān)智慧化應(yīng)用。

3.5 模型技術(shù)

利用SWMM、InfoWorks、Mike等成熟排水模型，結(jié)合數(shù)字孿生等二三維建模技術(shù)對城市排水設(shè)施建模，對城市排水全過程進(jìn)行旱天、雨天多場景仿真模擬，動態(tài)評估城市排水系統(tǒng)的整體健康狀況。提供城市排水能力結(jié)構(gòu)瓶頸分析、淤積風(fēng)險分析、水力負(fù)荷分析、溢流風(fēng)險分析、內(nèi)澇風(fēng)險分析、泵站及污水廠負(fù)荷能力分析等功能，輔助管理人員判斷排水設(shè)施的運行狀況，為城市排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、設(shè)施運行維護(hù)與管理、工程城改造、應(yīng)急搶險等業(yè)務(wù)提供支撐。

3.6 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合技術(shù)[16-17]是通過對不同來源獲得不同種類的時序監(jiān)測數(shù)據(jù)在一定標(biāo)準(zhǔn)下自動進(jìn)行融合分析和態(tài)勢預(yù)測，為決策者提供直觀、準(zhǔn)確和科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。它包括數(shù)據(jù)信息采集、分析和處理的過程，涉及對不同來源、不同種類和不同平臺傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息的融合分析處理和綜合評估。與一般的數(shù)據(jù)處理相比，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能更加快速、準(zhǔn)確、可靠、連續(xù)及全面地提供研究目標(biāo)的有關(guān)態(tài)勢和綜合性結(jié)論。

目前，我國大多數(shù)城市排水行業(yè)信息化水平偏低，城市各類涉水?dāng)?shù)據(jù)體量巨大，在來源、時空尺度、屬性、精度、結(jié)構(gòu)、量綱等方面存在很大差異。當(dāng)前數(shù)據(jù)融合標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)共享機制不完善、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析薄弱、監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)成本高等突出問題嚴(yán)重制約著智慧排水的發(fā)展。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是以數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為基礎(chǔ)，以協(xié)調(diào)優(yōu)化和綜合處理為核心，以多源數(shù)據(jù)信息為對象，將智能技術(shù)與數(shù)據(jù)化技術(shù)進(jìn)行有機融合。充分利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以更好地服務(wù)于城市排水的智慧化建設(shè)。

4 結(jié)語

新基建從2018 年中央經(jīng)濟(jì)工作會議首次提出到2020年首次被寫入政府工作報告，可見國家對新基建的高度重視。新基建的快速發(fā)展，也必將對傳統(tǒng)行業(yè)帶來巨大的變革。積極探索和擁抱新基建，依托新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，并賦能城市排水基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新及管理模式創(chuàng)新，是引領(lǐng)城市排水行業(yè)智慧化發(fā)展的必經(jīng)之路。