摘要

隨著城市規模的不斷發展,城市污水處理能力及排水設施規模不斷擴大,季節性城市抗臺防澇形勢日益嚴峻。溫州排水公司在原有“數字排水”的基礎上，結合自身現狀，提出了從“數字排水”向“智慧排水”過渡和轉變的設計思想，基本實現了集物聯網、大數據、云計算及互聯網移動應用為核心架構的智慧化綜合管理平臺，在日常業務管理、信息集成共享、排水和智能防汛調度及輔助決策方面起到了重要作用，為實現企業管理目標奠定了堅實的基礎。

作者簡介：鄭春華（1967- ）,男，浙江溫州人，給排水高級工程師，主要從事給排水專業設計和管理，研究方向為智慧排水管理。

“數字排水”的現狀

溫州排水公司于2009年成立后，為了摸清家底，讓深埋地下的排水管“看得見、摸得著”，在開展市區范圍內排水管線普查工作的同時，利用GIS、自動化設備、遠程監測和無線傳輸等技術，在公司的“大腦中樞”——調度中心搭建排水“數字化”管理平臺，該平臺以排水GIS系統、水位遠程監測系統、泵站自動化系統、路面積水監控系統、移動指揮系統和排水案卷處置系統等為主，初步形成排水“數字化”的管理平臺。

① GIS系統

溫州市區道路下有4245.7 km的排水管道，利用排水GIS系統能快速定位、查詢排水管線資料，實現管徑、埋深和標高等管道屬性的“可視化”查閱。該系統能直觀地展現管線脈絡，尤其是CCTV管道機器人和管道潛望鏡的使用，使巡檢人員不用下井，就能連續、詳細地觀測管道的內部形狀，通過視頻圖像評估管道狀態。從而為管道規劃設計、工程建設和日常維養提供詳實的基礎數據。

圖1 溫州排水GIS系統圖

② 水位遠程監測系統

在水位遠程監測系統中，選中監測點便可了解此時檢查井的水位情況。根據設計和運行經驗，系統中設置黃色警戒水位線、紅色危險水位線，實現排水管線水位的實時掌握和及時預警，從而初步實現科學調度排水設施的運行。

③ 案卷處置系統

2014年經排水案卷處置系統處理的案卷達17872件，目前日均處理案卷50余件，涵蓋井蓋破損、缺失、管道堵塞和路面積水等問題，在快速解決民生問題的同時，為日常和臺風、暴雨天氣下排水設施的安全、暢通運行提供保障。

④ 路面積水監測系統

路面積水監控系統對市區主要鐵路、公路下穿段及低洼地段積水情況進行全天候監控和智能采集，一旦發現險情，可迅速組織總應急能力達2.97×104 m3/h的11輛排澇泵車、49臺便攜式排水泵等防汛設備和49支260余人的防汛搶險隊進行搶險；同時，主要鐵路、公路下穿段LED顯示屏幕警示來往車輛和市民，為市區安全度汛提供保障。此外，還使用災害預警信息網、溫州氣象網、水文網等收集雨情、水情信息，為指導排水系統運行和防汛防臺預警響應提供數據支持。

⑤ 移動指揮系統

移動指揮系統通過單兵設備和車輛圖像采集與傳輸系統，將現場情況傳輸到車內；同時在車內構建移動式排水設施運行監控系統，通過視頻會商系統與指揮中心連線互動，制定方案，直擊汛情現場，提高了指揮系統的機動性和指揮決策的信息化水平，保證了在不可抗拒因素影響下指揮系統的正常運轉。

“數字排水”的挑戰

1）業務系統信息化程度有待提高。

2）基礎設施和硬件建設時間已久，現有機房無法滿足日益劇增的數據業務需求，沒有足夠承載信息系統的服務器設備、網絡設備等。

3）數據標準不統一，數據分析和資源整合能力嚴重不足。

4）在配合無人值守泵站的改造時，原有調度中心的SCADA系統不能滿足三級調度指揮（現場手動、本地自動、遠程控制）的要求。同時，監控系統數據集成度有限。

5）基礎數據整合、共享機制不健全。

6）數據分析和決策支持能力不足。

對于信息系統建設成熟度的評價，一般采用五維結構圖來表示，該圖描述了數字排水的現狀及其智慧排水應達到的目標（紅色線代表數字排水，紫色線代表智慧排水）。因此，要從“數字排水”到“智慧排水”的過渡和轉變，必須從這張五維結構圖上實現全面的突破和完善。

圖2 五維結構圖

“智慧排水”的構想

智慧排水圍繞信息采集自動化、傳輸網絡化、管理智慧化、決策科學化的目標，主要完成以下幾方面內容：

（1）在建立數據中心的基礎上，所有生產數據、業務信息無縫整合并實現全面可視化。例如：在排水綜合管理平臺上可同時查閱地理信息數據、視頻安防數據和生產運行管理數據，同時，還可以查閱設備運行情況、故障情況，與該設備關聯的所有業務數據，包括臺賬數據、維修養護數據，工單數據等。

（2）實時動態掌握全市排水管網、泵站、污水處理廠的運行情況，迅速有效地發揮調度中心的指揮作用，排水泵站正在實施“無人值守”改造，在實現數據遠程監測的同時還能實現遠程控制，為保障城市道路通暢，排水管網正常運行等方面提供了強有力的輔助決策作用。

（3）圍繞排水行業的不同業務領域，運用建模仿真技術，建立相關的數學模型，并通過模擬來獲得相應的決策調度方案，從而具備決策支持能力，實現防汛調度、汛情或排放預警、工藝優化等目的，完成從數字排水向智慧排水的關鍵轉型。

（4）結合最新的“移動和互聯網+”的理念，可以實現整個智慧排水管控“盡在掌握”，可以將整個調度中心和日常業務管理的各種應用通過手機移動端實現。

智慧排水的設計與實施

智慧排水的總體框架

智慧排水總體框架包括基礎層、數據服務層、業務應用層和人機交互層四層結構。

圖3 智慧排水系統總體框架

（1）硬件基礎平臺

硬件基礎平臺是智慧排水的載體，是智慧排水正常運行的基礎保障，主要包括硬件基礎建設與網絡安全建設兩方面內容，高性能的基礎硬件設施、暢通無阻的網絡通訊支撐了智慧排水的高效運行。

（2）數據服務層

應用集成平臺架起了智慧排水業務系統信息共享的通道，使各業務系統協同運行，保證基礎數據暢通無阻、業務流程無障礙流轉，有效提升業務系統的運行效率、打破企業信息孤島，以系統集成技術支撐重點應用平臺的建設。

（3）業務應用層

業務系統是智慧排水的組成部件，整個智慧排水由各種業務系統組成，其中規劃的業務系統主要是新建系統，通過新建系統與原有系統集成的方式不斷完善業務信息化的完整性，提升公司業務的綜合應用能力。

（4）人機交互層

即是用戶使用PC或移動終端使用和瀏覽系統，使用用戶包括公司排水公司、運營中心團隊以及員工等。

智慧排水的系統功能

① 排水綜合管理平臺

排水綜合管理平臺是一套排水設施信息展示與管理平臺，采用成熟的BS系統架構，以監測點的信息展示為重心，集成視頻監控、GIS系統、GPS公車管理等信息進行集中展示，逐步實現全市排水管網、泵站、污水處理廠等排水設施資源統一管理、統一監測，系統支持Oracle、SQL等主流數據庫應用。平臺首頁以門戶形式展示平臺logo、用戶登錄信息、報警信息、發布信息、常用鏈接等相關內容，平臺支持溫州排水公司原有GIS系統接入，實現單點登錄功能。

該子系統可以實現排水管網、泵站、污水處理廠等監測信息的實時狀態、歷史狀態和報警狀態的形象化展示和簡單分析。所有監測信息需基于GIS地圖服務上展示，并滿足虛擬全國地圖的方式和三維地圖服務的擴展開發應用。系統支持的測點數量沒有限制，允許根據工程的規模任意擴展，數據監測點與設備檔案信息庫之間應建立鏈接關系。

該系統包含了管網管理（GIS）、水位監測（數字排水的數據整合）、井蓋監測、氣體監測、管網及河道流量監測、閘門監測、水質監測、管道沉降監測、淤積監測等子系統的數據整合。同時，涵蓋了業務管理子系統的所有內容，包括：污水廠及泵站的設施/設備的臺賬管理、維修養護管理、巡查管理、工程及安全臺賬管理、防汛監測和管理、案卷管理（社會應急聯動等）、報表管理、模型模擬及管網決策等十多個業務子系統，真正實現了一個集成平臺上的綜合無縫管理。

② 排水生產監控平臺

排水生產監控平臺主要滿足“監”和“控”的功能，對于實時性要求較高，同時要配合無人值守泵站的改造，全面實現廠站的監控，主要完成了28座泵站數據，實現泵站供電系統電量參數、液位（進水池、格柵池、泵池）、出水流量、氣體、工藝運行設備（開停狀態、軸溫、電量參數、保護裝置、故障信息、臺時）、溫濕度等數據進行實時監控。同時，根據調度需求，監控中心人員可實現對水泵、格柵機、進出水閘門、除臭設備、空壓機等工藝設備的遠程控制，實現對關鍵性設備的歷史數據查詢、統計、趨勢圖分析、打印、導出等常規功能。

③ 移動終端應用

移動終端的應用提高了管理人員的日常巡檢及監控管理能力，公司領導、管理人員在移動終端上可以隨時、隨地查詢系統信息，對于公司日常業務開展及突發性、應急性事件的處理具有重要意義。其中包括：

a)管網數據查詢。隨著手持移動端用戶的移動，系統自動定位并搜索附近的排水管網于地圖上顯示，方便管理人員查看。

b)生產監測。將排水管網、泵站、污水處理廠等排水設施的主要監測數據傳輸至移動端進行查詢。

c)設備二維碼掃描。系統支持現場設備條形碼掃描，自動彈出對應設備的檔案信息，針對權限許可用戶可提供轉存、編輯、上報等功能。

d)巡檢軌跡。系統自動記錄巡檢人員的 GPS 軌跡信息， 并發送到服務器端。管理人員可以隨時查看巡檢人員的實時位置及歷史巡檢軌跡。

e)巡檢報告。手持移動端用戶可瀏覽上報的各類報告，也可將現場照片、問題反饋、巡檢記錄、語音留言等信息上傳。

f)數據報警。將各類報警信息推送到移動終端，方便手持移動端用戶及時掌握各種風險。

智慧排水的關鍵技術

① 大型關系數據庫的海量數據存儲及工業實時數據庫的應用

該系統采用空間數據引擎（ArcSDE），可以輕松實現空間數據庫（GeoDatabase）和大型關系型數據庫的連接訪問，圖形、數據的顯示、查詢、編輯十分迅速。同時，工業級實時歷史數據庫Historian完成了數據中心的SCADA數據的快速存儲、歸檔、無損壓縮及其快速檢索和查詢，大大提高了實時數據的存儲和歷史數據的查詢效率。

② 統一的用戶管理認證中心

實行統一的用戶管理，在分散、異構的系統環境中實現統一用戶管理的前提條件便是要實現用戶基本信息的歸一化，包括對不同應用子系統用戶信息的格式轉換、集中存儲；與此同時，系統還提供了規范一致的注冊與認證機制，方能保障實現單點登錄的目標。

③ 國際化的統一接口標準

本系統可以采用國際化的標準數據傳輸方式WebService來實現監管數據的上行傳輸。它基于XML文檔進行服務描述、服務請求和反饋結果，基于HTTP協議進行信息傳遞易于被訪問和返回結果，基于WSC的開放協議，獨立于平臺和操作系統，實現不同平臺操作系統上的互操作性，使得異構平臺上的應用易于集成，

④ 基于SOA的應用系統集成

SOA既是一種企業架構、又是一個組件模型，它將應用程序的不同功能單元（稱為服務）通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。接口是采用中立的方式進行定義的，它應該獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言，比如Web Service方式。這使得構建在各種這樣的系統中的服務可以以一種統一和通用的方式進行交互。SOA提倡將軟件的功能組件化，在組件之間以提供服務/消費服務的方式實現松散耦合，以方便組件被重用。

與原有“數字排水”系統的整合和遷移

新建的智慧排水系統，將在地理信息系統層面保留已有GIS系統的所有數據，同時通過WebService技術接口，將WebGIS的數據通過網頁的方式整合到新的智慧排水門戶系統中，同時，GIS與其他業務子系統都整合至同一平臺，根據公司各部門使用權限采用單點登錄、全局訪問的方式，保證了系統的安全和全面的信息整合。

智慧排水的“智慧”在實際工作中的體現

①對于城市排水管網，通過建立相應的管網模型，在水文信息、降雨和氣象信息以及城市地理信息的基礎上，對不同降雨強度下的城市內澇、積水狀況做定量、可視化的分析，對汛情做出及時預警，并輔助水務部門做出合理的調度預案。

圖4 基于模型的防汛調度系統

如圖4所示，基于管網模型的城市防汛調度系統對某降雨強度下，城市特定區域積水情況的模擬預測，包括降雨量、區域內的積水量、積水深度，以及在地圖上標識積水區域的實時變化，并能結合雨量及當地雨水泵站的實際運行狀況，給出合適的開泵臺數作為應對降雨積水的運行方案。

②對于污水處理廠，通過建立相應的污水處理工藝模型，模擬不同進水或運行工況下的出水水質及能耗狀況，對潛在的水質超標做預警，并能檢驗各種運行方案的合理可行性，實現工藝優化。

圖5 基于在線仿真的污水廠高級優化控制

如圖5所示，基于在線工藝模型的污水廠模型，可結合實時進水狀況，對未來數小時內的出水指標、工藝指標等做短期預測，從而提前預知不利工況，便于及時調整運行方案，提高決策能力。

③基于對污水廠的工藝和能耗仿真，結合鼓風機的基礎信息，可推算曝氣池的曝氣量及對應的鼓風機開啟數量，參照這一運行方案可實現在保證出水達標排放的前提下節約能耗，避免過量曝氣帶來的浪費，如圖6所示。

圖6 基于模型的污水廠能耗仿真系統

管網、工藝模型的運用使得智慧排水系統不再局限于對采集信息的單純展示，而是基于采集信息之上的進一步分析、預測并提出解決方案，體現決策支持能力，因此顛覆了傳統信息技術支持下的“數字排水”的概念，使得“智慧”二字名至實歸,也基本達到了五維結構圖中“決策支持能力”的要求。

智慧排水技術的遠期拓展

隨著國家對虛擬現實（VR）和人工智能等前沿技術的重視和推廣，溫州排水也在積極考慮如何應用這些前沿技術提高企業未來的科技發展，并大膽設想了一種基于BIM和VR技術的實施設備運維管理系統，通過該系統可以將與設施設備、管線等相關的所有信息與虛擬模型關聯起來，用戶可以在虛擬場景中查看這些信息，使設施設備的管理更方便、快捷，大大提高設施設備的運維保養效率，實現對設施設備管理的數字化、實時化、可視化，為管理人員和設備維護人員提供一種精準、高效、直觀的設施管理模式與方法。

基于IM與VR技術的設施漫游和管理架構如圖7所示。在該備管理系統中，用戶可以在虛擬污水廠或泵站中漫游，根據工作需要，查看構筑物空間、工藝設備、能源或水質等信息，搜索查閱設施設備的全生命周期資料，維修保養計劃、查看設備操作手冊、觀看檢修模擬動畫等，同時可以實現遠程虛擬式的移動巡檢，以“千里眼”的方式，在人員不必到達現場的情況下，實時掌握現場動態并根據實際情況制定巡檢計劃。

圖7 基于BIM和VR技術的設施漫游和管理

根據發表于《中國給水排水》2017年6月第12期“溫州市從數字排水到智慧排水的思考與實踐”一文整理，作者為鄭春華、翁獻明、姜愷和馬曉宇

 

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