智慧化趨勢下的上海排水行業信息化建設

時珍寶，莊敏捷，嚴 寒

(1.上海市水務規劃設計研究院，上海 200233；2. 上海市排水管理處，上海 200001);3.上海碧波水務設計研發中心，上海 200233)

隨著城市化進程的加快，市政公用基礎設施的建設不斷完善，排水系統的建設也日趨成熟。近年來，“智慧城市”、“智慧水網”、“物聯網”等新的信息化建設目標和建設理念不斷涌現，對城市排水信息化建設提出了新的要求和挑戰。為進一步提高排水行業管理的科技水平，增強應急排水能力，越來越多的信息化技術運用于排水領域。在城市智慧化發展的大趨勢下，本文分析上海排水行業核心數據庫和業務化應用系統的建設重點，并對排水管網模型構建的主要任務進行討論。

1 信息化技術在排水領域的應用

城市排水管網基礎數據、業務數據與專題數據是排水管網信息化建設的基礎，確保市政信息資源能夠被充分的整合，進而能夠有效地獲取、傳遞、處理、再生、利用這些信息。排水在線監測、排水模型和地理信息系統的建設是城市排水管網信息化的重要組成部分，為實現上述目標，越來越多的信息化技術運用到排水領域。

目前，很多發達國家已經建立了城市排水管網信息化系統，用GIS強大的空間數據庫將排水管網空間數據和非空間數據(屬性數據)結合在一起，憑借GIS軟件的空間可視化功能對城市管網進行管理、維護和決策。我國專業的管網地理信息系統始建于20世紀80年代，近年來隨著數字化城市計劃的提出，管網系統信息化越來越受到重視，許多城市建立了自己的城市管網信息系統[3]。

遙感技術作為排水設施監測的“智能感知”信息技術，為數據的獲取提供了科學手段。利用SCADA系統可在監控中心實時監控排水管線液位、流量、流速等數據，實現系統的在線故障報警，提升了整個城市排水管網的安全運行。此外，無人機遙感、遙感傳感器技術、遙測遙控技術、通訊技術和GPS差分定位技術，能夠實現自動化、智能化、專用化快速獲取空間感數據，并可完成遙感數據的處理、建模和應用分析[4]。

計算機網絡技術和云技術是在建立一系列網絡平臺的基礎上，實現遠距離通信和交易，以及相關數據信息傳播和共享的一種技術模式，為實現排水監測數據的“智能傳輸”奠定了基礎，也為信息資源和硬件資源共享提供了可能。從世界范圍來看，計算機網絡技術和云技術應用于城市排水信息化建設是必然趨勢之一。

排水管網模型為實現“智能分析”提供了技術手段，其是采用數學建模與計算機模擬相結合的方法研究城市排水管網系統的規劃設計、運行控制、維護管理等工程環節的技術工具，可實現多個環節的最優化。

此外，建筑信息模型技術(BIM)、虛擬現實和排水設施資產管理系統等組成了“智能管理”。BIM與虛擬現實相結合，可使排水設施展示三維化，生動具體表達空間布局，還可對排水管道中的水流進行模擬，進行復雜的水力計算。在排水設施運行維護過程中，利用GIS技術、數據庫技術、Web技術等管理排水系統的海量資產數據，實現長期化、精細化與周期化的資產管理。

2 排水行業發展對智慧化信息系統的需求分析

信息化是當今世界社會經濟發展的大趨勢，是推動社會經濟變革的重要力量，大力推進信息化是實現我國現代化建設的重要戰略舉措。上海市排水行業信息化建設，需結合排水行業特點及發展趨勢，針對當前存在的突出問題，著重把握以下幾方面工作。

(1)滿足排水行業現代化管理要求

在排水行業整合優勢更加突出的背景下，圍繞經濟調節、行業監管、社會管理和公共服務的基本職能，提高排水行業管理的現代化水平。通過加強排水行業信息資源的共享和利用，提升工作效率；通過加大智慧應用和智能決策系統建設，提升排水行業科學決策能力；通過電子政務系統的深入應用，提升行政管理的效能；通過便捷高效的現代化服務方式，提升排水公共服務水平。

(2)推進排水系統核心計算引擎的應用

上海排水行業需緊密圍繞“水安全”和“水環境”目標，以排水信息化帶動排水現代化，充分利用排水管網模型技術的核心計算引擎作用，作為整個信息化系統的大腦，提升排水行業調度決策的快速應對能力，全面實現智能感知、精細化預報、預警聯動和智能處置。

(3)排水業務應用與新興技術相融合

當前，物聯網、云技術、遙測技術日益成熟，更多新興技術不斷涌現，深刻影響著社會經濟的發展。在響應國家網絡強國戰略和大數據戰略、大力推動信息化建設的背景下，排水信息化發展環境隨之發生深刻變化，上海排水信息化建設需充分利用現有基礎和經驗基礎，不斷將排水業務應用與新興技術進行深度融合。

3 智慧化趨勢下的上海排水行業信息化建設主要任務

3.1 優化完善行業核心數據庫與業務化應用系統

在智能水網框架下，上海市排水行業信息化建設基本完成了資源整合、信息共享和系統集成等工作，排水智能感知能力和智慧管理水平得到明顯提高[5]。“十四五”期間，需根據行業發展的需求，不斷優化完善行業核心數據庫與業務化應用系統。

(1)完善數據系統平臺，包括上海市排水行業核心數據庫和多級排水信息化系統等。

(2)優化完善多級網絡平臺構架，充分利用外聯區、核心樞紐區與接入區組成的網絡構架，依托水務局共建共用的“共建共用分布式數據庫群，進一步全天候實現與市水務局、各區主管部門(防辦)、排水設施運行調度企業之間的數據交換共享，如圖1所示。

圖1 上海市排水數據網絡傳輸示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Data Transmission of Shanghai Drainage Network

(3)加大業務應用系統的投入，以提升業務管理水平為目標導向，不斷將信息化技術融入排水業務管理，提升排水設施規劃、設計、運行、維護和管理的效率，如排水管道檢測、排水泵站監管、污水廠監管、積水點監測、排水模型建立、數據信息維護等。

(4)強化網絡安全管理，進一步規范上海排水行業地理信息數據維護機制，加大對網絡建設、網絡接入、設備安全、機房安全、用戶安全、應急處理的管理力度。

3.2 構建以排水管網模型為核心計算引擎的智慧化運調體系

經過16年的探索，以上海市水務規劃設計研究院、上海碧波水務設計研發中心模型團隊為代表的技術人員，已將計算機排水管網模型仿真技術應用于排水系統的能力評估、設計優化、運行管理等領域，為排水系統的精細化管理提供了一條行之有效、科學可靠的手段和途徑，已成為重要的技術發展趨勢。上海市排水行業運行調度平臺建設可在信息化的基礎上引入模型，以仿真技術為核心的計算引擎，以業務化應用系統為中樞神經，實現行業管理的智慧化。

3.2.1 構建中心城五大外排干線運行調度模型

上海市中心城的污水集中外排處理格局包含5條已建污水外排總管：西干線、南干線、合流一期工程總管、污水二期工程總管、污水三期工程總管等，它們在上海市中心城區污水治理中發揮了關鍵作用，而確保干線系統的安全高效運行是上海污水治理的首要任務，如圖2所示。

圖2 上海市中心城區污水外排干線示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Wastewater Discharge Main Lines in Downtown Shanghai

利用InfoWorks ICM等模型軟件，構建上述5大外排干線的主干管網模型，接入各支線泵站、中途泵站和末端污水廠的實時運行數據，可實現以下3種工況的仿真演算。

(1)旱天通過優化調度，均化各干線的逐時輸送水量，避免局部產生高水位而帶來的污水冒溢風險，并實現全網總體節能減排。

(2)暴雨時，結合可視化的系統調度預案庫，根據水力學分析結果對支線泵站的運行工況進行干預，同時加強干線間的流量調度，確保全網高峰流量、最高水位處于可控狀態，保障干線的運行安全。

(3)結合連通管規劃方案，通過對事故時污水外排干線的應急調度進行仿真演算，制定各污水干線之間的應急調度方案，將對環境可能造成的損害降到最低。

3.2.2 構建中心城排水防澇運行調度模型

上海市中心城規劃強排系統245個，服務面積為564 km2。雨天通過對各排水系統的運行狀況進行監控和調度，可降低初期雨水放江和暴雨積水的風險，有利于兩水平衡的實現。當發生中小雨量時，雨水排水系統服務邊界相對清晰，通過優化單個泵站的運行調度方案，即可減免初期雨水的放江量，保護水環境。當發生超設計標準降雨時，各排水系統的服務范圍相互交錯，以排水模型為計算引擎，通過分析下墊面豎向高程和管網系統間的高程關系，可將一定范圍內的排水系統作為一個整體，通過泵站群的一體化優化調度實現整個區域防汛安全受益的最大化，這種受益可以是區域整體風險最小，也可以是重點地塊的優先保障。在夏季發生不均降雨時，泵站群的聯合優化調度對保障城市局部地區的防汛安全具有顯著意義。

根據國家要求，上海排水系統提標改造已列入工作計劃。在“綠、灰、藍、管”多措并舉的規劃理念下，需借助已構建的排水系統管網模型，對改造方案進行效果評估和再優化。以上海市黃浦區老西門街道和豫園街道為試點，上海碧波水務設計研發中心通過構建排水管網模型進行仿真計算，制訂了綠色排水設施建設與局部排水管道擴建相結合的多系統聯合提標方案，取得了較好的效果。

3.2.3 構建重點地區積水實時預警預報試點模型

近年來，氣象科學方興未艾，對臺風暴雨和短時強降雨的預報參數越來越豐富和準確，為排水管網模型提前介入演算創造了條件。通過提前仿真演算，可推演出預報降雨工況下，排水系統在整個降雨歷時的水力學狀態，提前預知可能發生積水的具體位置、發生時間、積水深度以及積退水時長等技術參數，為減少災害損失創造條件。上海市水務規劃設計研究院和上海碧波水務設計研發中心在徐家匯肇家浜地區進行了積水災害實時預警預報技術的研發，取得了較好的成效(圖3)，下一步可在氣象雷達

圖3 研究區域典型降雨、地形及三維積水示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Typical Rainfall, Topography and Three-Dimensional Waterlogging in the Study Area

數據解析、管網和下墊面數據精密度提升以及大數據耦合方面進一步開展工作，為未來構建更高水平的智慧化運調平臺做好技術儲備。

4 結語

排水系統的運行調度管理是一個集工程學、管理學、信息學為一體的復雜過程，雖然信息化可以給調度人員提供較好的系統展示，但長久以來調度經驗和人工理論推算仍然是排水系統運行調度的主要手段，這顯然制約了上海這樣一個世界級超大城市排水系統的精細化管理。隨著智慧城市建設的開展，以模型仿真技術為核心計算引擎的排水系統一體化運調平臺的建設迫在眉睫。通過不斷完善行業核心數據庫和業務化應用系統，借助模型仿真技術，上海排水行業管理部門可在污水外排調度、初期雨水治理、暴雨避險減災以及資產優化管理等領域實現管理水平的提升。