智慧排水系统建设创新思考

梁向锋 黄飞 孙希法 司博章 王洪锋

摘 要：结合目前城市排水系统现状，吸收国内外城市排水信息化建设的成熟案例和优秀经验，充分利用物联网、移动互联网、大数据、云计算、地理信息集成（GIS）、建筑信息建模技术（BIM）、人工智能等新一代信息技术，以大数据理念、“互联网+”思维建设一套城市智慧排水系统。本文主要介绍了智慧排水需求与建设目标，并分析了智慧排水的基础架构及在城市中的实际应用。

关键词：智慧排水;物联网;边云协同;数据融合;人工智能

中图分类号：TU990.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）01-0089-03

Abstract： This paper combined the current situation of urban drainage system， absorbs mature cases and excellent experience of city drainage informatization construction at home and abroad， and made full use of Internet， mobile Internet， big data， cloud computing， geographic information integration （GIS）， building information modeling technology （BIM）， AI and other new generation of information technology， and built a city with the idea of big data and Internet plus. This paper mainly introduced the demand and construction goal of smart drainage， and analyzed the infrastructure of smart drainage and its practical application in the city.

Keywords： intelligent drainage;Internet of things;edge cloud collaboration;data fusion;artificial intelligence

1 智慧排水需求分析

城市排水系统是处理和排除城市污水和雨水的工程设施系统，是城市公用设施的重要组成部分。因此，城市排水系统规划是城市总体规划的组成部分。城市排水系统通常由排水管道和污水处理厂组成。

传统的数据收集、分析、评估手段难以满足当前污染防治攻坚战，特别是城镇污水处理提质增效的需求。智慧排水是为了解决“源、厂、网、河（湖）”水循环系统的审批、规划、建设、运维及管理中的“痛点”。智慧排水系统可提供决策支持，提高管理水平，挖掘设施潜力，保证排水系统的良好运行。

2 城市智慧排水系统建设目标

城市智慧排水系统应对标国内外各大城市最先进的智慧排水系统建设标准，通过全面摸清城市排水系统底账，设置必要的在线监测设备，建设总调中心及数据中心等措施，建成覆盖全城市的智慧排水系统，即建成一套可统一各业务板块、各个系统之间互联互通、信息共享的标准规范体系，一张全面监测排水系统状况的物联感知网，一个集地理信息、实时信息、设施信息、业务信息等于一体的排水系统大数据库，一个整合所有排水系统静态信息和动态信息以及分析统计结果的排水系统“一张图”，一个“一网统管”的排水全过程调度管理平台，为城市的污水处理提质增效提供新动力，为城市防洪排涝和水环境综合整治发挥长效工程效益提供重要支撑。

2.1 建立全面的物联网感知体系，增强感知能力

建立健全实时在线、全面感知、准确可靠执行的立体物联感知执行网络，包括建立健全物联感知网络和物联执行网络。物联感知网络实现对各类排水设施，包括雨污水管网、污水厂、泵站、城市易涝点、湖泊等的水情/雨情、水质、视频等数据的在线监测;物联执行网络实现对泵闸（泵站及闸门站）、污水处理厂等设施设备运行工况远程实时监视与控制等。

2.2 建设一套标准体系，加强互联互通、信息共享

编制一套可统一各业务板块、各个系统之间的互联互通、信息共享的标准规范体系。

2.3 建立一个水务数据中心，发挥数据要素价值

数据是城市智慧排水系统的心脏，因此，要实现对排水系统所有信息资源的采集、存储、管理及查询应用，为应用系统层提供数据支撑。需要注意的是，不仅要对已有的数据资源体系以及排水数据资源进行扩充，而且要整合城市相关政务部门的信息资源和共享资源，包括城管、国规委、环保等信息资源以及地理信息图层数据等共享资源，构建更加丰富、更加全面、更加灵敏的智慧排水数据要素体系，赋能排水业务，发挥数据要素最大价值。

2.4 建立四大业务板块智慧应用，提升精细化管理水平

以城市排水一网统管的管理和管控体系为中心，构建智慧运维、智慧调度、智慧管理、智慧服务四大业务板块及N个应用模块，以实现全市统一的一体化、规范化、精细化、智慧化的“智慧排水”管理体系的发展目标。

2.5 建设排水系统“一张图”，可视化统一管理

建设“GIS一张图”“监管一张图”“在线监测一张图”“排水规划一张图”“建设工程一张图”“污水监管一张图”“应急处置一张图”“防汛一张图”等多种场景和“监测对象的一张图”，并整合所有排水系统的静态信息和动态信息，实现排水管网系统综合展示、实时监控、风险预警、辅助决策等的可視化统一管理功能[1]。

3 智慧排水系统的基础架构

利用互联网、物联网、云计算和大数据分析及人工智能等新一代信息技术，采用松耦合、服务化架构模式，在全面智能感知的基础上，构建智慧排水“1+2+3+4+N”的总体框架，即1套排水标准体系、2大基础设施（ICT基础设施、物联感知基础设施）、3个中心（排水数据中心、排水运营管理中心、排水应急指挥中心）、4个业务板块（智慧运维、智慧调度、智慧管理、智慧服务）、N个应用模块，实现涉及排水业务感知、运维、调度及决策支持的一体化全程智能管控。

智慧排水系统的架构涵盖物联网感知、数据接入、数据传输、数据利用及共享、基础设施、应用支撑平台及展示平台等内容。同时，通过建立贯穿各个层次的规范标准体系、运维保障体系等技术规程和机制体制规范，保障系统运行安全稳定。

智慧排水系统总体架构包括“感知执行层、ICT基础设施层、数据层、中台层、应用层、用户层”6个层次及“安全保障体系、规范标准体系、运维保障体系、实施规范体系”4个体系的“6层+4纵”架构，具体见图1。

4 智慧排水系统建设创新思考

4.1 感知执行层

感知执行层是智慧排水系统的基础。建立健全物联感知网络，能实现对各类排水设施，包括雨污水管网、污水厂、泵站、闸门站、城市易涝点、湖泊等的水情/雨情、水质、视频等数据的在线监测;建立健全物联执行网络，能实现对泵闸（泵站及闸门站）、污水处理厂等设施设备运行工况的远程实时监视与控制。此外，通过有线（光纤等）、无线网络（NB-IoT、5G、WiFi等）将监测数据传输到数据层，为排水管理提供基础数据支撑。

对于本层数据，除了物联网实时传输外，还需要共享交换排水管理部门内部数据，以及城市综合运营管理中心、环保部门、水务部门、水文部门、气象部门、公安部门、路政管理部门等外部数据。

4.2 ICT基础设施

ICT基础设施层是支撑平台应用的软硬件环境，包括物联网设备、机房、服务器、存储设备、互联网设备、调度中心等基础硬件设施。城市智慧排水系統的ICT基础设施主要包括网络基础设施、计算存储基础设施、展示硬件基础设施，为业务应用系统提供基础运行环境资源。

4.3 数据层

数据层是城市智慧排水系统的心脏，实现对排水系统所有信息资源的采集、存储、管理及查询应用，为应用系统层提供数据支撑。数据层主要包括信息资源规划管理、数据采集加工、数据权限管理、数据分析应用等功能。

4.4 中台层

中台层是智慧排水系统共用的中间件的集合，是城市智慧排水系统运行的中间支撑，包括数据中台、业务中台、AI中台和开发中台。

4.5 应用层

应用层是城市智慧排水系统的大脑。应以城市排水一网统管的管理和管控体系为中心，构建智慧运维、智慧调度、智慧管理、智慧服务四大业务板块及N个应用模块，以实现全市统一的一体化、规范化、精细化、智慧化的“智慧排水”管理体系的发展目标。

4.6 用户层

用户层是城市智慧排水系统的脸面，为排水系统管理部门及公众提供PC端、移动端、微信端、大屏幕多屏联动端等的“一张图”全景展现智慧排水系统的建设成效，将所有资产信息和动态信息整合到同一个系统中，实现可视化的统一管理，彻底改变传统用纸质图纸、电子版图纸和表格等碎片化的管理方式，能随时查询、随时调用。二维+三维展示效果能实现对真实场景的精准还原，打造一个透明的城市数字排水系统。

5 探索性试验

本研究以某城区最复杂的工况为例，介绍智慧排水平台在防汛中的运行方式。

调度结构采用模型计算-技术会商-决策指挥的三层结构。智慧排水平台发展分为两个阶段：第一阶段以量为主，第二阶段结合大数据分析及机器学习实现“量质并重”。

根据气象预报预警信息（降雨等），设置初雨截流规模，污水系统调度模型对污水系统（初雨截流及调蓄）未来时期的承受能力及分配方式进行计算评估，评估污水系统在降雨事件中的承受能力及运行方式。

内涝实时预报预警模块根据污水系统调度模型计算的截流量和截流设施运行方式，计算该方案下片区未来的积水4要素信息，即积水位置、积水面积、积水深度、积水时间[2]。

河、湖水动力、水质及补水模型根据污水系统调度模型计算的溢流水量及其他气象水文信息，计算可能造成水位上涨情况，溢流造成的水质变化情况，计算水质恢复用时。如有水位预降，则给出预降方案的设施、操作方案。

降雨前，会商形成不同的决策方案，将方案与结果发各单位以征求意见，主要计算反馈指标如下：累计溢流水量，河湖水质可能变化情况，内涝积水情况，河、湖水质恢复时间，污水系统运行情况。

降雨中，根据实时监测结果，对方案进行必要的修正;降雨后，给出各调蓄池的放空方案，避免影响污水系统运行。对会商形成的不同决策方案进行最终决策。监控片区河、湖、污水管网、泵站、厂、雨水管网及泵站的实时状态。指挥调度排水人力及物资资源，进行三防指挥。主要实现“决策—监控—指挥”功能。

第二阶段，首先根据数据库积累的数据进行机器学习，判断本次降雨时间的初雨浓度的可能变化趋势，制订相对应的截流方案，实现高效收集“浓度最高的降雨径流污染”，然后结合监控的反馈信息，量质并举，最大程度上发挥现有设施的运行效率，做到智慧截流。

6 结语

随着未来城镇化发展的不断深化，城市排水系统建设的信息化与智能化逐渐受到重视，智慧排水系统的建设不仅能优化城市管理与服务，而且能提升城市应急响应能力，增强人民群众的生活幸福感。

参考文献：

[1]王荣晓.浅谈城市给水管网存在问题及建议[J].中国新技术新产品，2016（9）：148-149.

[2]李博.移动抄表及城市需水量预测系统的设计与实现[D].北京：北京交通大学，2018：12.