摘要

隨著城市規(guī)模的不斷發(fā)展,城市污水處理能力及排水設(shè)施規(guī)模不斷擴大,季節(jié)性城市抗臺防澇形勢日益嚴峻。溫州排水公司在原有“數(shù)字排水”的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身現(xiàn)狀，提出了從“數(shù)字排水”向“智慧排水”過渡和轉(zhuǎn)變的設(shè)計思想，基本實現(xiàn)了集物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算及互聯(lián)網(wǎng)移動應(yīng)用為核心架構(gòu)的智慧化綜合管理平臺，在日常業(yè)務(wù)管理、信息集成共享、排水和智能防汛調(diào)度及輔助決策方面起到了重要作用，為實現(xiàn)企業(yè)管理目標(biāo)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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(yè)設(shè)計和管理，研究方向為智慧排水管理。

“數(shù)字排水”的現(xiàn)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(qū)范圍內(nèi)排水管線普查工作的同時，利用GIS、自動化設(shè)備、遠程監(jiān)測和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，在公司的“大腦中樞”——調(diào)度中心搭建排水“數(shù)字化”管理平臺，該平臺以排水GIS系統(tǒng)、水位遠程監(jiān)測系統(tǒng)、泵站自動化系統(tǒng)、路面積水監(jiān)控系統(tǒng)、移動指揮系統(tǒng)和排水案卷處置系統(tǒng)等為主，初步形成排水“數(shù)字化”的管理平臺。

① GIS系統(tǒng)

溫州市區(qū)道路下有4245.7 km的排水管道，利用排水GIS系統(tǒng)能快速定位、查詢排水管線資料，實現(xiàn)管徑、埋深和標(biāo)高等管道屬性的“可視化”查閱。該系統(tǒng)能直觀地展現(xiàn)管線脈絡(luò)，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(xù)、詳細地觀測管道的內(nèi)部形狀，通過視頻圖像評估管道狀態(tài)。從而為管道規(guī)劃設(shè)計、工程建設(shè)和日常維養(yǎng)提供詳實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 溫州排水GIS系統(tǒng)圖

② 水位遠程監(jiān)測系統(tǒng)

在水位遠程監(jiān)測系統(tǒng)中，選中監(jiān)測點便可了解此時檢查井的水位情況。根據(jù)設(shè)計和運行經(jīng)驗，系統(tǒng)中設(shè)置黃色警戒水位線、紅色危險水位線，實現(xiàn)排水管線水位的實時掌握和及時預(yù)警，從而初步實現(xiàn)科學(xué)調(diào)度排水設(shè)施的運行。

③ 案卷處置系統(tǒng)

2014年經(jīng)排水案卷處置系統(tǒng)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(fēng)、暴雨天氣下排水設(shè)施的安全、暢通運行提供保障。

④ 路面積水監(jiān)測系統(tǒng)

路面積水監(jiān)控系統(tǒng)對市區(qū)主要鐵路、公路下穿段及低洼地段積水情況進行全天候監(jiān)控和智能采集，一旦發(fā)現(xiàn)險情，可迅速組織總應(yīng)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(shè)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(qū)安全度汛提供保障。此外，還使用災(zāi)害預(yù)警信息網(wǎng)、溫州氣象網(wǎng)、水文網(wǎng)等收集雨情、水情信息，為指導(dǎo)排水系統(tǒng)運行和防汛防臺預(yù)警響應(yīng)提供數(shù)據(jù)支持。

⑤ 移動指揮系統(tǒng)

移動指揮系統(tǒng)通過單兵設(shè)備和車輛圖像采集與傳輸系統(tǒng)，將現(xiàn)場情況傳輸?shù)杰噧?nèi)；同時在車內(nèi)構(gòu)建移動式排水設(shè)施運行監(jiān)控系統(tǒng)，通過視頻會商系統(tǒng)與指揮中心連線互動，制定方案，直擊汛情現(xiàn)場，提高了指揮系統(tǒng)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(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

“數(shù)字排水”的挑戰(zhàn)

1）業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息化程度有待提高。

2）基礎(chǔ)設(shè)施和硬件建設(shè)時間已久，現(xiàn)有機房無法滿足日益劇增的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，沒有足夠承載信息系統(tǒng)的服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

3）數(shù)據(jù)標(biāo)準不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)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(diào)度中心的SCADA系統(tǒng)不能滿足三級調(diào)度指揮（現(xiàn)場手動、本地自動、遠程控制）的要求。同時，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成度有限。

5）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整合、共享機制不健全。

6）數(shù)據(jù)分析和決策支持能力不足。

對于信息系統(tǒng)建設(shè)成熟度的評價，一般采用五維結(jié)構(gòu)圖來表示，該圖描述了數(shù)字排水的現(xiàn)狀及其智慧排水應(yīng)達到的目標(biāo)（紅色線代表數(shù)字排水，紫色線代表智慧排水）。因此，要從“數(shù)字排水”到“智慧排水”的過渡和轉(zhuǎn)變，必須從這張五維結(jié)構(gòu)圖上實現(xiàn)全面的突破和完善。

圖2 五維結(jié)構(gòu)圖

“智慧排水”的構(gòu)想

智慧排水圍繞信息采集自動化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、管理智慧化、決策科學(xué)化的目標(biāo)，主要完成以下幾方面內(nèi)容：

（1）在建立數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上，所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)信息無縫整合并實現(xiàn)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(shù)據(jù)、視頻安防數(shù)據(jù)和生產(chǎn)運行管理數(shù)據(jù)，同時，還可以查閱設(shè)備運行情況、故障情況，與該設(shè)備關(guān)聯(lián)的所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括臺賬數(shù)據(jù)、維修養(yǎng)護數(shù)據(jù)，工單數(shù)據(jù)等。

（2）實時動態(tài)掌握全市排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠的運行情況，迅速有效地發(fā)揮調(diào)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(xiàn)數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測的同時還能實現(xiàn)遠程控制，為保障城市道路通暢，排水管網(wǎng)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(yè)的不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域，運用建模仿真技術(shù)，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，并通過模擬來獲得相應(yīng)的決策調(diào)度方案，從而具備決策支持能力，實現(xiàn)防汛調(diào)度、汛情或排放預(yù)警、工藝優(yōu)化等目的，完成從數(shù)字排水向智慧排水的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型。

（4）結(jié)合最新的“移動和互聯(lián)網(wǎng)+”的理念，可以實現(xiàn)整個智慧排水管控“盡在掌握”，可以將整個調(diào)度中心和日常業(yè)務(wù)管理的各種應(yīng)用通過手機移動端實現(xiàn)。

智慧排水的設(shè)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(chǔ)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和人機交互層四層結(jié)構(gòu)。

圖3 智慧排水系統(tǒng)總體框架

（1）硬件基礎(chǔ)平臺

硬件基礎(chǔ)平臺是智慧排水的載體，是智慧排水正常運行的基礎(chǔ)保障，主要包括硬件基礎(chǔ)建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)兩方面內(nèi)容，高性能的基礎(chǔ)硬件設(shè)施、暢通無阻的網(wǎng)絡(luò)通訊支撐了智慧排水的高效運行。

（2）數(shù)據(jù)服務(wù)層

應(yīng)用集成平臺架起了智慧排水業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息共享的通道，使各業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)同運行，保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)暢通無阻、業(yè)務(wù)流程無障礙流轉(zhuǎn)，有效提升業(yè)務(wù)系統(tǒng)的運行效率、打破企業(yè)信息孤島，以系統(tǒng)集成技術(shù)支撐重點應(yīng)用平臺的建設(shè)。

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)系統(tǒng)是智慧排水的組成部件，整個智慧排水由各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成，其中規(guī)劃的業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要是新建系統(tǒng)，通過新建系統(tǒng)與原有系統(tǒng)集成的方式不斷完善業(yè)務(wù)信息化的完整性，提升公司業(yè)務(wù)的綜合應(yīng)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(tǒng)，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(tǒng)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(shè)施信息展示與管理平臺，采用成熟的BS系統(tǒng)架構(gòu)，以監(jiān)測點的信息展示為重心，集成視頻監(jiān)控、GIS系統(tǒng)、GPS公車管理等信息進行集中展示，逐步實現(xiàn)全市排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠等排水設(shè)施資源統(tǒng)一管理、統(tǒng)一監(jiān)測，系統(tǒng)支持Oracle、SQL等主流數(shù)據(jù)庫應(yīng)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(fā)布信息、常用鏈接等相關(guān)內(nèi)容，平臺支持溫州排水公司原有GIS系統(tǒng)接入，實現(xiàn)單點登錄功能。

該子系統(tǒng)可以實現(xiàn)排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠等監(jiān)測信息的實時狀態(tài)、歷史狀態(tài)和報警狀態(tài)的形象化展示和簡單分析。所有監(jiān)測信息需基于GIS地圖服務(wù)上展示，并滿足虛擬全國地圖的方式和三維地圖服務(wù)的擴展開發(fā)應(yīng)用。系統(tǒng)支持的測點數(shù)量沒有限制，允許根據(jù)工程的規(guī)模任意擴展，數(shù)據(jù)監(jiān)測點與設(shè)備檔案信息庫之間應(yīng)建立鏈接關(guān)系。

該系統(tǒng)包含了管網(wǎng)管理（GIS）、水位監(jiān)測（數(shù)字排水的數(shù)據(jù)整合）、井蓋監(jiān)測、氣體監(jiān)測、管網(wǎng)及河道流量監(jiān)測、閘門監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、管道沉降監(jiān)測、淤積監(jiān)測等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合。同時，涵蓋了業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)的所有內(nèi)容，包括：污水廠及泵站的設(shè)施/設(shè)備的臺賬管理、維修養(yǎng)護管理、巡查管理、工程及安全臺賬管理、防汛監(jiān)測和管理、案卷管理（社會應(yīng)急聯(lián)動等）、報表管理、模型模擬及管網(wǎng)決策等十多個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了一個集成平臺上的綜合無縫管理。

② 排水生產(chǎn)監(jiān)控平臺

排水生產(chǎn)監(jiān)控平臺主要滿足“監(jiān)”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(xiàn)廠站的監(jiān)控，主要完成了28座泵站數(shù)據(jù)，實現(xiàn)泵站供電系統(tǒng)電量參數(shù)、液位（進水池、格柵池、泵池）、出水流量、氣體、工藝運行設(shè)備（開停狀態(tài)、軸溫、電量參數(shù)、保護裝置、故障信息、臺時）、溫濕度等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。同時，根據(jù)調(diào)度需求，監(jiān)控中心人員可實現(xiàn)對水泵、格柵機、進出水閘門、除臭設(shè)備、空壓機等工藝設(shè)備的遠程控制，實現(xiàn)對關(guān)鍵性設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、趨勢圖分析、打印、導(dǎo)出等常規(guī)功能。

③ 移動終端應(yīng)用

移動終端的應(yīng)用提高了管理人員的日常巡檢及監(jiān)控管理能力，公司領(lǐng)導(dǎo)、管理人員在移動終端上可以隨時、隨地查詢系統(tǒng)信息，對于公司日常業(yè)務(wù)開展及突發(fā)性、應(yīng)急性事件的處理具有重要意義。其中包括：

a)管網(wǎng)數(shù)據(jù)查詢。隨著手持移動端用戶的移動，系統(tǒng)自動定位并搜索附近的排水管網(wǎng)于地圖上顯示，方便管理人員查看。

b)生產(chǎn)監(jiān)測。將排水管網(wǎng)、泵站、污水處理廠等排水設(shè)施的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至移動端進行查詢。

c)設(shè)備二維碼掃描。系統(tǒng)支持現(xiàn)場設(shè)備條形碼掃描，自動彈出對應(yīng)設(shè)備的檔案信息，針對權(quán)限許可用戶可提供轉(zhuǎn)存、編輯、上報等功能。

d)巡檢軌跡。系統(tǒng)自動記錄巡檢人員的 GPS 軌跡信息， 并發(fā)送到服務(wù)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(xiàn)場照片、問題反饋、巡檢記錄、語音留言等信息上傳。

f)數(shù)據(jù)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(fēng)險。

智慧排水的關(guān)鍵技術(shù)

① 大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)存儲及工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

該系統(tǒng)采用空間數(shù)據(jù)引擎（ArcSDE），可以輕松實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)庫（GeoDatabase）和大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的連接訪問，圖形、數(shù)據(jù)的顯示、查詢、編輯十分迅速。同時，工業(yè)級實時歷史數(shù)據(jù)庫Historian完成了數(shù)據(jù)中心的SCADA數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的存儲和歷史數(shù)據(jù)的查詢效率。

② 統(tǒng)一的用戶管理認證中心

實行統(tǒng)一的用戶管理，在分散、異構(gòu)的系統(tǒng)環(huán)境中實現(xiàn)統(tǒng)一用戶管理的前提條件便是要實現(xiàn)用戶基本信息的歸一化，包括對不同應(yīng)用子系統(tǒng)用戶信息的格式轉(zhuǎn)換、集中存儲；與此同時，系統(tǒng)還提供了規(guī)范一致的注冊與認證機制，方能保障實現(xiàn)單點登錄的目標(biāo)。

③ 國際化的統(tǒng)一接口標(biāo)準

本系統(tǒng)可以采用國際化的標(biāo)準數(shù)據(jù)傳輸方式WebService來實現(xiàn)監(jiān)管數(shù)據(jù)的上行傳輸。它基于XML文檔進行服務(wù)描述、服務(wù)請求和反饋結(jié)果，基于HTTP協(xié)議進行信息傳遞易于被訪問和返回結(jié)果，基于WSC的開放協(xié)議，獨立于平臺和操作系統(tǒng)，實現(xiàn)不同平臺操作系統(tǒng)上的互操作性，使得異構(gòu)平臺上的應(yīng)用易于集成，

④ 基于SOA的應(yīng)用系統(tǒng)集成

SOA既是一種企業(yè)架構(gòu)、又是一個組件模型，它將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)）通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口是采用中立的方式進行定義的，它應(yīng)該獨立于實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言，比如Web Service方式。這使得構(gòu)建在各種這樣的系統(tǒng)中的服務(wù)可以以一種統(tǒng)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(wù)/消費服務(wù)的方式實現(xiàn)松散耦合，以方便組件被重用。

與原有“數(shù)字排水”系統(tǒng)的整合和遷移

新建的智慧排水系統(tǒng)，將在地理信息系統(tǒng)層面保留已有GIS系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，同時通過WebService技術(shù)接口，將WebGIS的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)頁的方式整合到新的智慧排水門戶系統(tǒng)中，同時，GIS與其他業(yè)務(wù)子系統(tǒng)都整合至同一平臺，根據(jù)公司各部門使用權(quán)限采用單點登錄、全局訪問的方式，保證了系統(tǒng)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(xiàn)

①對于城市排水管網(wǎng)，通過建立相應(yīng)的管網(wǎng)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(chǔ)上，對不同降雨強度下的城市內(nèi)澇、積水狀況做定量、可視化的分析，對汛情做出及時預(yù)警，并輔助水務(wù)部門做出合理的調(diào)度預(yù)案。

圖4 基于模型的防汛調(diào)度系統(tǒng)

如圖4所示，基于管網(wǎng)模型的城市防汛調(diào)度系統(tǒng)對某降雨強度下，城市特定區(qū)域積水情況的模擬預(yù)測，包括降雨量、區(qū)域內(nèi)的積水量、積水深度，以及在地圖上標(biāo)識積水區(qū)域的實時變化，并能結(jié)合雨量及當(dāng)?shù)赜晁�泵站的實際運行狀況，給出合適的開泵臺數(shù)作為應(yīng)對降雨積水的運行方案。

②對于污水處理廠，通過建立相應(yīng)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(zhì)及能耗狀況，對潛在的水質(zhì)超標(biāo)做預(yù)警，并能檢驗各種運行方案的合理可行性，實現(xiàn)工藝優(yōu)化。

圖5 基于在線仿真的污水廠高級優(yōu)化控制

如圖5所示，基于在線工藝模型的污水廠模型，可結(jié)合實時進水狀況，對未來數(shù)小時內(nèi)的出水指標(biāo)、工藝指標(biāo)等做短期預(yù)測，從而提前預(yù)知不利工況，便于及時調(diào)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(jié)合鼓風(fēng)機的基礎(chǔ)信息，可推算曝氣池的曝氣量及對應(yīng)的鼓風(fēng)機開啟數(shù)量，參照這一運行方案可實現(xiàn)在保證出水達標(biāo)排放的前提下節(jié)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(tǒng)

管網(wǎng)、工藝模型的運用使得智慧排水系統(tǒng)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(yù)測并提出解決方案，體現(xiàn)決策支持能力，因此顛覆了傳統(tǒng)信息技術(shù)支持下的“數(shù)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(jié)構(gòu)圖中“決策支持能力”的要求。

智慧排水技術(shù)的遠期拓展

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

基于IM與VR技術(shù)的設(shè)施漫游和管理架構(gòu)如圖7所示。在該備管理系統(tǒng)中，用戶可以在虛擬污水廠或泵站中漫游，根據(jù)工作需要，查看構(gòu)筑物空間、工藝設(shè)備、能源或水質(zhì)等信息，搜索查閱設(shè)施設(shè)備的全生命周期資料，維修保養(yǎng)計劃、查看設(shè)備操作手冊、觀看檢修模擬動畫等，同時可以實現(xiàn)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(xiàn)場的情況下，實時掌握現(xiàn)場動態(tài)并根據(jù)實際情況制定巡檢計劃。

圖7 基于BIM和VR技術(shù)的設(shè)施漫游和管理

根據(jù)發(fā)表于《中國給水排水》2017年6月第12期“溫州市從數(shù)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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