■ 文/李高波

城市化進(jìn)程的加快使城市排水和污水處理必將面臨更大的挑戰(zhàn)。智慧排水系統(tǒng)將提高城市排水和污水處理的效率和可持續(xù)性。

在城市發(fā)展過程中，對(duì)水環(huán)境問題的高度重視能為城市居民提供更好的生活環(huán)境，保證城市的正常發(fā)展。近年來，我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程加快，但在人口、自然資源等方面仍然存在一定的矛盾和限制，而城市水務(wù)工作直接關(guān)系到城鄉(xiāng)居民的基本生存，因此系統(tǒng)化、科學(xué)化的智慧水務(wù)系統(tǒng)亟待建設(shè)。

智慧水務(wù)建設(shè)理念自提出以來一直在不斷完善。智慧水務(wù)是指通過將互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集、無線傳感器等新興技術(shù)與新一代信息技術(shù)融合，實(shí)時(shí)了解城市水務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，推進(jìn)市政水務(wù)系統(tǒng)管理智能化、暢通化，突破傳統(tǒng)水務(wù)信息的局限性和時(shí)效性不足，建立各部門間高效、綜合、智能的系統(tǒng)，建立智慧水務(wù)系統(tǒng)。

智慧水務(wù)系統(tǒng)由智慧給水系統(tǒng)、智慧排水系統(tǒng)、智慧防洪系統(tǒng)、智慧污水回用系統(tǒng)、智慧節(jié)水系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成。智慧排水系統(tǒng)是智慧水務(wù)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)城市排水系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理，實(shí)現(xiàn)排水過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和優(yōu)化控制。

智慧排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

智慧排水系統(tǒng)的建設(shè)是通過物聯(lián)網(wǎng)和信息系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展而來的。目前，我國(guó)的排水系統(tǒng)并不完善，許多問題亟待解決。

第一，排水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段不完善，缺少監(jiān)控并科學(xué)管理管網(wǎng)的水流量、流速和水質(zhì)的管理系統(tǒng)。因此，流量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)精度不高，排水管理系統(tǒng)無法及時(shí)了解真實(shí)情況，無法提供有效的應(yīng)對(duì)措施。

第二，各信息系統(tǒng)相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)共享困難。當(dāng)前，我國(guó)許多城市都建立了排水信息系統(tǒng)，但各部門有自己的排水信息系統(tǒng)，這些系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，彼此之間數(shù)據(jù)不共享，也無法進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，從而很容易形成信息孤島，無法通過數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)挖掘等方式實(shí)現(xiàn)信息資源整合分析。

第三，運(yùn)維管理水平較低。排水行業(yè)目前的運(yùn)維管理體系仍然需要大量工人工作，工作量較多，工作效率低下，無法滿足當(dāng)今排水行業(yè)所需的工作量，這些問題均是運(yùn)維管理水平較低所導(dǎo)致的。

智慧排水系統(tǒng)的需求性

以“為民”為核心的智慧排水系統(tǒng)必須立足于關(guān)注、解決排水系統(tǒng)中存在的上述問題，滿足每個(gè)參與者的需求。智慧排水系統(tǒng)中的參與者主要是運(yùn)維人員、城市管理者，以及該地的居民。

運(yùn)維人員就是負(fù)責(zé)管理管道運(yùn)行維護(hù)工作的人員，運(yùn)維人員的工作水平對(duì)智慧排水系統(tǒng)的影響極大。智慧排水系統(tǒng)必須支持設(shè)施的高效運(yùn)維，從而智能分析需求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并提出優(yōu)化解決方案。

對(duì)城市管理者來說，智慧排水系統(tǒng)必須滿足與公司和相關(guān)機(jī)構(gòu)有關(guān)的功能需要。智慧排水系統(tǒng)是智慧城市的一部分，是集融合、開放及共享于一體的城市大數(shù)據(jù)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。城市管理者需要擴(kuò)大智慧排水系統(tǒng)在“良政、造福社會(huì)、產(chǎn)業(yè)進(jìn)步”中的作用，以此提高智慧城市的發(fā)展速度與發(fā)展質(zhì)量。

城市居民是智慧排水系統(tǒng)這一新型服務(wù)的主要服務(wù)人群，智慧排水系統(tǒng)的建設(shè)必須以滿足城市居民的實(shí)際需求和安全保障為主要前提，提高城市排水系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，以此提高城市居民的生活幸福感以及生活質(zhì)量。

智慧排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則

智能排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)作為構(gòu)建智能排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)，從而滿足防汛、治污等需求。因此，智慧排水系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則包括以下內(nèi)容：

第一，智慧排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要為所有利益相關(guān)者以及組織進(jìn)行當(dāng)前排水系統(tǒng)的信息查詢，并將場(chǎng)景需求作為引導(dǎo)，創(chuàng)新建設(shè)智能化管理系統(tǒng)。

第二，智慧排水系統(tǒng)所用的數(shù)字技術(shù)必須“以人為本”。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用使提高數(shù)據(jù)效率成為可能，從某種意義上說，數(shù)字技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)優(yōu)化、改革創(chuàng)新與發(fā)展突破，構(gòu)建實(shí)用意義上的新型智慧排水系統(tǒng)。

第三，智慧排水系統(tǒng)必須采用平臺(tái)架構(gòu)。系統(tǒng)不僅要管理開放的架構(gòu)，還要提供多種安全、靈活的接口，方便未來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

排水系統(tǒng)水力模型的核心功能

排水系統(tǒng)水力模型的核心功能包括管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、規(guī)劃模擬分析、管道工況分析、城市蓄水分析和排水能力評(píng)價(jià)。

管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)將管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的液位、流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并在地理信息系統(tǒng)（GIS）地圖中進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。

規(guī)劃模擬分析功能支持用戶根據(jù)實(shí)際需求創(chuàng)造各種情境參數(shù)，分析在該情境下管網(wǎng)的運(yùn)行情況，基于流量、流速、水質(zhì)等模擬分析，對(duì)排水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中的問題，從而進(jìn)行有針對(duì)性的排水生產(chǎn)計(jì)劃及維護(hù)計(jì)劃。

管道工況分析功能可以通過降雨量、最大水量等分析排水的水力計(jì)算和運(yùn)行條件，計(jì)算管道水力模型，分析現(xiàn)有排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，查明問題后確定問題原因，為緊急措施的制定提供依據(jù)。

城市蓄水分析功能利用在線模型連接到數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)，并收集降雨數(shù)據(jù)，模擬未來場(chǎng)景數(shù)據(jù)，模擬未來積水可能出現(xiàn)的橋區(qū)或敏感點(diǎn)，這將大大提高城市防汛的可預(yù)測(cè)性。該系統(tǒng)具有天氣數(shù)據(jù)接口和水力模型接口，計(jì)算并估算區(qū)域內(nèi)敏感點(diǎn)的積水量，包括區(qū)域內(nèi)積水量、區(qū)域內(nèi)最大積水程度以及積水消退時(shí)間等。

排水能力評(píng)價(jià)功能指將GIS 與現(xiàn)有的污水處理廠、泵站、雨水泵站、蓄水池等設(shè)施相結(jié)合，模擬處理不同類型降雨對(duì)該地區(qū)的影響。通過測(cè)量重要節(jié)點(diǎn)的流量，了解各流域的污水量和水樣量；通過分析模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的誤差，可以找到管道堵塞、滲水、積水等現(xiàn)象的問題所在，為維護(hù)排水管網(wǎng)工作提供一定的幫助。

基于水力模型的智慧排水應(yīng)用

基于水力模型衍生出眾多智慧排水應(yīng)用，如智能引流門戶、集中控制操作系統(tǒng)、決策支持、優(yōu)化泵站調(diào)度、水力建模應(yīng)用、預(yù)警排水方案、排水智能感知、移動(dòng)應(yīng)用程序等。

智慧引流門戶是對(duì)外信息展示的窗口，利用多框架配置集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)集成，有效防范風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化管理，降低信息技術(shù)維護(hù)成本，提高工作效率。

集中控制操作系統(tǒng)是一種排水綜合運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，將污水處理廠、泵站、管網(wǎng)、河湖等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中于統(tǒng)一平臺(tái)，為所有業(yè)務(wù)連接創(chuàng)建數(shù)據(jù)分析、時(shí)間提醒、遠(yuǎn)程控制等功能，集中控制操作提供了基本的綜合監(jiān)控能力。

決策支持包括管道流量和壓力評(píng)估、流量分布、設(shè)置查詢信息、動(dòng)態(tài)模擬等方面。

優(yōu)化泵站調(diào)度指通過歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)未來一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行情況。基于各種操作條件模擬分析泵站的運(yùn)行過程，優(yōu)化單泵站或多級(jí)泵站的決策及合理調(diào)度，增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)控制功能。

水力建模應(yīng)用須包含一個(gè)信息平臺(tái)以展示模型結(jié)果。基于排水公司的管道流體力學(xué)模型，集成GIS 的靜態(tài)數(shù)據(jù)和SCADA 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并結(jié)合用水量的預(yù)測(cè)和分配，按水力學(xué)理論對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行水力建模與模擬計(jì)算，從而為管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、管網(wǎng)改造、日常運(yùn)行、故障分析、安全評(píng)估、優(yōu)化調(diào)度、管網(wǎng)控漏、預(yù)案制定等方面提供廣泛的解決方案，為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，為水務(wù)企業(yè)生產(chǎn)管理的全過程提供決策支持。

預(yù)警排水方案指對(duì)泵站、管道、降雨量進(jìn)行測(cè)量分析，可以從仿真模型中預(yù)測(cè)該區(qū)域的關(guān)鍵點(diǎn)，估算該區(qū)域是否有積水、積水面積、積水深度等，為防洪排澇提供決策支持，并提供直觀分析圖，方便根據(jù)事態(tài)的現(xiàn)狀制定計(jì)劃。

排水智能感知通過實(shí)時(shí)采集污水處理處理廠、泵站、管網(wǎng)、調(diào)蓄池、河湖等的底層數(shù)據(jù)，并分門別類進(jìn)行匯集，集成的方式就是整合、設(shè)計(jì)、共享。通過將數(shù)據(jù)生命周期管理機(jī)制與智能排水系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與集成一體化，打造實(shí)時(shí)、安全、準(zhǔn)確、完整的綜合服務(wù)。

移動(dòng)應(yīng)用程序使用嵌入式GIS、空間分析和無線通信技術(shù)，通過移動(dòng)手持終端提供城市防汛信息、問題、反饋、應(yīng)急指令等，實(shí)現(xiàn)智慧排水系統(tǒng)移動(dòng)監(jiān)視。該應(yīng)用的功能主要包括GIS輔助查詢、實(shí)際監(jiān)測(cè)、預(yù)警信息、即時(shí)通信工具、設(shè)備狀態(tài)展示、數(shù)據(jù)分析結(jié)果展示等。

城市智慧水務(wù)系統(tǒng)可以完成城市排水系統(tǒng)中各泵站的全部調(diào)度和協(xié)調(diào)，利用現(xiàn)有排水系統(tǒng)管道的容量提高工作效率和工作質(zhì)量，還可以實(shí)施對(duì)排水系統(tǒng)的自動(dòng)管理，達(dá)到節(jié)省成本和提高效率的目標(biāo)。這種“更聰明”的排水系統(tǒng)使參與者的使用幸福感和滿意度大幅提升。