上海中心城區智慧排水管理平臺構建

張彥晶

（上海市城市排水有限公司，上海市200233）

0 引言

經過近20多年的排水信息化建設，上海市城市排水有限公司信息化建設從起步階段發展到數字排水建設階段，建立了排水雨情、水情、工情感知平臺和排水基礎數據庫，并建立了生產自控系統、運行調度、運行統計、排水GIS、設備管理等信息化系統，在企業管理中發揮了重要作用。

目前，國家生態文明建設發展戰略和上海市建設全球卓越城市的發展目標等，對城市排水提出了綠色化、精細化、智慧化的發展要求。本文以“上海中心城區智慧排水管理平臺”項目為實例，對平臺目標、架構設計、功能設計進行闡述，以期對排水行業信息化建設提供參考和借鑒。

1 平臺建設目標

平臺總的建設目標是基于3D+GIS技術,打造一個技術先進、實用易用的“智慧排水”平臺，以全方位展現城市排水系統運行動態，同時基于內置運行策略和計算模型實現運行預警、精準決策和快速響應，以數據驅動生成實時動態的運行績效，以便更好地服務產業、政府和市民。

2 平臺架構設計

平臺架構由設施監控、數據管理、運行管理、決策支持4層邏輯架構融合而成（見圖1）。

圖1 系統總體架構圖

設施監控層采集在線儀表、視頻監控、廠站監控和設備運行狀況等信息，上傳至數據管理層；數據管理層統一對數據進行存貯、匯總，定制各類數據服務，其中包括基礎數據和排水業務數據2個類別；運營管理層按照管理需求，開發定制各類功能模塊，在PC端、移動端中進行呈現，實現綜合展示、智慧運行、績效分析等功能目標，并為決策支持層提供輔助運營、輔助決策的目標。

3 平臺功能設計

平臺構建基于近20多年信息化積累的建設基礎，并緊密圍繞上海市中心城區排水管理現實需求，主要從排水運行動態全方位展示、運行策略支持、在線模型支持、動態運行績效4個方面進行智慧化功能提升。

3.1 運行動態全方位展示

排水運行動態全方位展示以數據與GIS圖結合方式，對雨量、道路積水、排水設施設備運行狀態等信息進行統一集成與管理，生成各類排水專題圖應用，對排水業務形成全流程綜合展示，為保障業務高效運行提供支持。

3.1.1 排水設施專題展示

對排水系統、管線、泵站、污水廠、調蓄池等排水設施以地理信息和運行動態進行各類疊加、聚合展示，實現對排水運行動態的實時感知，如圖2所示。

圖2 排水設施專題圖

3.1.2 空間關系專題展示

空間關系專題實現排水設施空間拓撲分析和展示，如排水管線上下游追蹤、泵站互助關系追蹤及排水管線橫縱剖面分析等，如圖3所示。空間關系專題為排水設施系統性運行分析提供空間支持、支撐排水調度、應急搶險等快速響應。

圖3 排水泵站互助關系示意圖

3.1.3 水質水量專題展示

該專題將防汛泵站水質檢測數據疊加到泵站所在排水系統區域內，在圖上以不同顏色展示，并根據水質優劣進行排序，為運行人員實施防汛泵站放江作業提供參考，即在兼顧水安全基礎上，優先開啟水質相對較好的泵站，以減少污染物排放入河道，保護城市水環境。排水系統水質專題圖如圖4所示。

圖4 排水系統水質專題圖

3.2 運行策略支持

該功能設計將運行部門多年總結積累的運行方案作為運行智慧嵌入到平臺中，這些運行方案從單體設施的一站一案到排水系統內廠、站、網、池一體化聯動方案，再到多系統之間聯通聯動方案。平臺基于對排水設施運行動態全方位感知，在線比對嵌入的運行方案，若超過閾值即發出預警，并自動發生運行策略提示，輔助一體化調度決策，支持智慧運行。

3.2.1 排水系統運行圖

排水系統運行圖實現上海市中心城區泵站、污水廠、調蓄池、污水輸送干線、支線運行動態“一屏觀、管、防”，實時監控排水系統關鍵節點雨量、水位、流量、水質等關鍵運行信息。以其中白龍港污水輸送系統運行圖為例（見圖5），基于此運行圖，可實現在線判斷監測值超出設定的閾值時，即發出運行報警，以聲光形式及時提醒工作人員關注報警部位，并彈出當前運行狀態，如圖6所示。

圖5 白龍港污水輸送系統運行圖

圖6 平臺發出運行報警示意圖

3.2.2 智慧運行

平臺在發出預警的同時，自動推送在該預警情況下應該采取的運行指令，并自動推送關聯依據。以圖7為例，當末端污水廠進水流量超過設定值時，系統自動推送上游泵站當前水位、流量及運行狀態，同時推送應對措施，輔助運行調度人員快速發出調度指令，提高響應效率。

圖7 智慧運行示意圖

3.3 在線模型支持

在線模型系統采用Info Works ICMLive構建，接入實時水位、流量、降雨、預報降雨等數據，系統自動、定時(或觸發）運行，對排水管網、泵站、調蓄池和污水廠未來態勢進行預測模擬，并給出運行策略。平臺將以上在線模型預測模擬結果嵌入系統，為排水系統運行增加智慧算法支持，以支撐實現廠、站、網、池一體化運行的自我感知、自我平衡、水質保障、水量均衡目標。在線模型模擬預測示意圖見圖8。

圖8 在線模型模擬預測示意圖

3.4 動態運行績效

通過數據分析和挖掘，動態生成降雨、水量、電耗、設備完好率等運行指標統計和多指標、多層級、多角度、多形式對比分析，使管理和績效數據動態可查、可用、可依，支持排水經營目標和經營策略的精細化管理。如圖9所示。

圖9 動態運行績效示意圖

4 平臺建設成效

本次智慧平臺是在近20年信息化基礎上進行建設的，在對排水系統運行狀態進行感知基礎上，從運行動態全方位展示、運行策略支持、在線模型支持、動態運行績效4個方面對排水信息化嘗試進行智慧化提升。

智慧平臺支持廠、站、網、池一體化聯動運行，輔助智能調度；排水泵站水質水量聯動運行支撐綠色排水運行目標；以嵌入的運行方案作為運行策略，支持自動預警、快速響應、智慧運行；將在線排水模型模擬和預測結果接入平臺，探究“排水大腦”作用；動態運行績效功能支持城市排水實現精細化運行管理。

智慧排水管理平臺應用到排水管理中，能助力排水企業提供更進一步的精細化、個性化、智能化服務，實現排水企業服務從好到優的轉變。

5 關鍵技術

此次平臺在Arc GIS10.6基礎上建立一整套地理信息服務和排水業務應用服務，包括地理信息顯示服務、地圖測量服務、地圖查詢分析服務、用戶權限、地址匹配等，以滿足各類城市排水管理的業務應用和分析。

平臺采用SOA架構，以企業服務總線(ESB)為核心，采用系統模塊化，并以web服務的方式松散耦合在一起，集成容易、高效而且更經濟。

平臺利用HTML5Canvas構圖，并以三維仿真模型，實現現實與仿真技術融合，為管理人員提供多角度可視化的管理視角。

平臺數據統計分析結合各層次排水業務進行處理，統計方法多樣，統計規則復雜。構建過程中，采用將數據統計分析方法逐步形成公式化、標準化，以實現數據取用過程中的快速對接，既提高效率，又便于最大程度實現數據共享。

在未來還可以對智慧排水平臺進行更深入的建設，主要如下：

（1）響應一網通辦，打破管理邊界，暢通信息共享渠道，實現運行動態全面感知，真正實現廠、站、網、河一體化聯動運行。

（2）深化排水模型應用研究，將排水模型和防汛調度進行深度結合，建立完備的方案庫，并實現調度方案根據實際情況的自動推送。

（3）引入人工智能技術，通過獲取SCADA數據、模型算法數據、管理數據，采用機器學習技術，結合排水調度算法，嘗試排水系統運行的自動預測調度管理，實現自學習、自適應、自監視、自執行、自調整的全套解決方案。

（4）深化運行績效的考核指標，深化實施績效管理，持續提升、改進管理的工作業績，促進管理者持續關注考核指標。

6 結 語

本次上海市中心城區智慧排水管理平臺構建，響應智慧城市、智慧水務發展趨勢，嘗試在現階段排水信息化成果基礎上實現排水運行綜合展示、基于排水運行方案自動推送運行策略、基于實時在線模型自動發出預警和運行方案推薦、基于數據分析和挖掘生成動態運行績效以支撐績效目標管理。即在數字排水建設成果基礎上，開展“智慧排水”建設研究。此次積累的經驗將為后續更多智慧排水建設場景設計提供借鑒。