城市新型智慧排水系統總體設計探討

李翊君，張文濤

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引 言

智慧城市（Smart City）的概念最早由美國IBM公司在1992年提出，2008年開始得到世界各國的廣泛關注，現已經成為各國提升城市治理水平、發展數字經濟的戰略選擇[1]。近年來，我國智慧城市快速發展，成效顯著，并已進入加速建設新型智慧城市的全面發展期[2]。

早在2016年，習近平總書記就提出新型智慧城市的概念。在2020年，習近平總書記指出：“通過大數據、云計算、人工智能等手段推進城市治理現代化，大城市也可以變得更聰明。從信息化到智能化再到智慧化，是建設智慧城市的必由之路，前景廣闊”[3]。新型智慧城市是富有中國特色、體現新型政策機制和創新發展模式的智慧城市，其核心是“以人為本”，本質是利用新一代信息技術進行改革創新，對城市進行重塑和再造[2]。

城市排水系統是保障城市內澇安全、保護城市水環境的重要系統，因此，智慧排水系統是智慧城市的重要組成部分[4]。圍繞“以人為本”的核心理念，建設新型智慧排水系統是踐行“人民城市人民建，人民城市為人民”重要理念，推進城市治理現代化、精細化的重要舉措。

1 排水系統信息化的現狀問題

智慧排水系統建設從互聯網與信息化時代的排水系統信息化建設發展而來[4]。目前，國內排水系統信息化普遍存在如下問題：

（1）排水系統監測手段不完善。特別是對于管網液位、流量等狀態的監測，目前大多覆蓋較少，甚至沒有，對排水系統監視監管能力不足，遇到暴雨或日常排水管理方面的問題無法及時了解實時狀況，從而無法制定有效的應對措施。

（2）各信息化系統相互孤立，數據難以共享。目前國內部分省市已建成若干排水信息化系統，但各系統之間往往獨立運行，數據互不共享，不能進行集成應用，形成了“信息孤島”和“應用孤島”，無法通過數據整合、數據挖掘等手段實現信息資源的綜合分析應用，無法將大量業務基礎數據價值化反作用于生產，無法智能地用于輔助運營管理和企業戰略決策，沒有進一步挖掘出數據的真正價值。

（3）運維管理智能化水平需進一步提升。目前廠站運維管理仍需要大量人員值守，運維工作效率較低，不能滿足廠站少人化、無人化的管理需求。

（4）運行調度的智慧化水平急需提高。隨著城市排水系統建設的不斷發展，排水系統的運行從單一片區管理向系統化聯合調度轉變。目前國內上海、廣州、武漢等城市都已經開始新建深層調蓄隧道，以控制污染，緩解城市內澇，并通過調蓄隧道或連通管把原有的各自獨立的排水片區形成相互連通的整體，實現聯排聯調，提高城市韌性。污水廠也大多由單一片區單一廠處理，向“集群協作，統籌處理”轉變，部分污水廠還承擔了片區內初期雨水的凈化功能，雨季排水系統的運行調度也越來越復雜。

2 智慧排水系統各參與主體的需求

圍繞“以人為本”的核心，新型智慧排水系統在解決上述排水信息化系統問題的基礎上，更要注重各參與主體的痛點、需求、體驗要求以及價值訴求。新型智慧排水系統的參與主體主要為運維管理者、城市管理者以及市民。

（1）運維管理者

運維管理者是排水系統的運營方和管理方，也是對新型智慧排水系統業務功能需求最多的使用者。新型智慧排水系統需要滿足運維管理者對排水設施高效運維及智能調度的需求，并輔助實現廠站的少人化、無人化管理，實現排水系統“一網統管”。

（2）城市管理者

對于從業于排水行業監管部門的城市管理者，新型智慧排水系統需要滿足其對排水系統所涉及的相關活動及相關企事業單位的監察和督導需求。對于城市綜合管理者而言，新型智慧排水系統作為新型智慧城市的一部分，要能實現數據的融合、開放、共享，從而助力建立統一的城市大數據運營平臺，有效發揮大數據在“善政、惠民、興業”等方面的作用，助力新型智慧城市的建設。

（3）市民

市民是城市排水系統服務的最終人群，是新型智慧排水建設圍繞的中心。新型智慧排水系統要能滿足市民的切實需求——強大的城市內澇安全保障、便捷的優質排水服務、優美的城市水環境，才能真正實在地提升市民的幸福感和滿意度。

3 新型智慧排水系統總體設計原則

新型智慧排水系統的設計應圍繞“以人為本”的核心，通過大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術，基于已建的排水設施，實現內澇防控和溢流污染削減效果的最優化[4]，同時能滿足不同參與主體的需求，讓城市排水系統可以變得更“聰明”，不斷提升人民群眾的幸福感和滿意度。因此，新型智慧排水系統總體設計原則有以下幾點：

（1）需求導向、場景引導。以需求和問題為導向，梳理現狀排水系統信息化存在的問題以及各方人員的使用需求，將場景作為引導，以管用實用作為目的，把科學創新貫穿于智慧管理系統建設各環節，通過推進理念、機制、方法、技術創新，從而解決排水系統中的短板和痛點。

（2）數字賦能、業務創新。數字化技術是業務工作的支撐，兩者不能剛性割裂，只有圍繞“以人為本”的核心,在充分理解業務的基礎上，采用數字化技術進行賦能，對業務進行創新優化重塑，才能有效發揮數字技術的作用，實現數據驅動的效率提升，務求實效。從某種意義上講，凡是技術導向、項目驅動，沒有業務優化重塑再造、沒有改革創新舉措和發展實效突破的[2]，都不是真正意義上的新型智慧排水系統。

（3）統籌規劃、分步實施。新型智慧排水系統的建設應統一科學規劃，按照統籌兼顧、重點優先、分級分期協同推進的方式進行實施。綜合現有信息化設施，融合現有的基礎數據，打破數據孤島，實現數據互聯互通。統籌城市公共數據資源，實現排水數據向市政及城市大數據中心的歸集和其他行業數據向排水部門的共享交換。優先保障重點區域、重點場所、重點內容的建設任務。

（4）開放友好、擴展靈活。系統體系結構、軟硬件平臺以及應用系統的設計與開發，都應遵從標準化和模塊化的設計思想，在此基礎上建立靈活、可擴展的平臺架構，使系統不僅在體系結構上保持開放性，同時提供各種安全靈活的接口，為未來的系統擴充打下基礎。

4 新型智慧排水系統的業務架構

新型智慧排水系統的業務架構應綜合排水系統業務體系和參與各方的需求，運用新一代信息化技術對傳統業務體系進行改革創新，并將不同的應用系統功能綜合到統一的應用架構上來，避免原有信息化系統功能分散、聯動性差、重復性建設等問題，實現排水系統“一網統管”的智慧化的管理。

綜上，筆者認為新型智慧排水系統業務架構應由3大業務板塊，6個應用模塊組成。具體業務架構如圖1所示。

圖1 新型智慧排水系統業務架構

其中，智慧運維分為數據運維及設施運維兩個模塊。數據運維模塊是智慧排水業務應用體系的基礎，為所有人員服務，其通過對管網數據、深隧數據、廠站設施數據、排水系統相關模型及算法、排水業務等數據的管理及更新，實現系統的底層數據運行維護，為上層應用提供豐富準確的數據基礎。設施運維模塊主要為運維管理單位的運維部門服務，輔助實現廠站的少人化、無人化，提升排水設施的運維效率，使得排水基礎設施健康可用。

智慧調度分為運行調度及綜合調度兩個業務類別，為調度部門服務，滿足不同調度主體的調度需求。運行調度是在設施運維的基礎上進行管網、深隧、廠站調度的調度系統，通過監測感知執行層數據，根據上級發布的運行、調度方案實現污水廠、管網、深隧、泵站的實時遠程監控和操作設備設施的運行狀態調整。綜合調度是在運行調度的基礎上進行統一的防洪防澇應急指揮調度及源廠網河湖一體化調度，通過排水設施的聯排聯調，在利用現有排水系統設施的情況下，幫助解決內澇防治和面源污染控制等問題。在突發事件和緊急情況下，進行大規模綜合性實時指揮調度，縮短反應時間，提高整體反應能力，最大限度減少人民的生命和財產損失。

智慧服務分為行業服務及公共服務兩個業務類別，是在排水系統運維調度的基礎上實現的為監管部門及社會公眾服務的業務，能滿足監管部門對排水系統涉及的相關活動及相關企事業單位的監察和督導，以及社會公眾對排水信息的有效獲取。

5 新型智慧排水系統的技術架構

新型智慧排水系統的技術架構需涵蓋物聯網感知、數據接入及傳輸、數據利用及共享、基礎設施、應用平臺及展示平臺等內容。其具體可分為感知執行層、ICT基礎設施層、數據層、中臺層、應用層及用戶層六大層次。同時，通過建立貫穿各個層次的安全保障體系、規范標準體系、運維保障體系、實施規范體系等技術規程和機制體制規范，保障系統運行安全穩定。具體技術架構如圖2所示。

圖2 新型智慧排水系統技術架構

（1）感知執行層

感知執行層是新型智慧排水系統的數據來源和指令執行的基礎。應建立完善的物聯感知網絡，實現對各類排水設施，包括雨污水管網、污水廠、泵站、城市易澇點、湖泊、深層隧道等的水情、雨情、水質、視頻等數據的在線監測。應建立可靠的物聯執行網絡，實現對泵閘站、污水廠等設施設備運行工況的遠程實時監視與控制等。

（2）ICT基礎設施層

ICT基礎設施層是支撐應用的硬件環境，包括網絡基礎設施、計算存儲基礎設施、展示硬件基礎設施，為業務應用系統提供基礎運行環境資源。

網絡基礎設施負責監測數據的傳輸，通過有線（光纖等）、無線（NB-IoT、5G、Wi-Fi等）方式將感知執行數據傳輸到數據層。計算存儲基礎設施負責數據的計算及存儲，展示硬件基礎設施是綜合展示、管理、調度指揮設施。

（3）數據層

數據層實現對排水系統所有信息資源的采、存、管及查詢應用，提供數據清洗過濾、數據安全審核、大數據分析等功能。數據層包含基礎數據庫、監測數據庫、業務數據庫、大數據分析庫，實現對排水系統各類型數據，包括感知數據、業務數據等數據的采集、整理、存儲和管理，為業務應用系統提供數據支撐。

新型智慧城市的建設需要各類型數據的融合、開放、共享。通過數據共享可以打破壁壘，輔助排水系統的決策。因此，新型智慧排水系統數據層的建設還需引入相關部門的數據資源，包括氣象、國土、環保、城管、公安等數據資源，實現數據的互聯互通。同時，新型智慧排水系統的數據也會通過數據層接口向其他部門進行共享。

（4）中臺層

中臺層包括模型中臺和應用中臺。

應用中臺建設以中間件、公共服務為核心的應用支撐平臺，為各應用系統的開發、運行和集成提供統一環境，如統一門戶、統一認證等。

模型中臺是各類應用實現的排水模型支撐平臺，為各應用系統的開發、運行和集成提供統一的排水系統模型。模型中臺具體包括GIS+BIM模型，城市排水綜合模型，污水系統調度模型，內澇實時預報預警模型，河、湖水動力、水質及補水模型，產匯流模型等。

（5）應用層

應用層由根據業務架構所規劃的3大業務板塊、6個應用模塊的N個應用程序組成。此外，提供對外服務接口，對接智慧城市其他板塊，使其更好地融入到新型智慧城市的體系中。

（6）用戶層

用戶層為排水系統管理部門及市民提供PC端、移動端、微信端、大屏幕多屏聯動端等的一張圖全景展現智慧排水系統的成效，將所有資產信息和動態信息整合到同一個系統中，實現可視化的統一管理，能夠隨時查詢、隨時調用。

6 結語

新型智慧排水系統建設是踐行“人民城市人民建，人民城市為人民”重要理念，推進城市治理現代化、精細化的重要手段。新型智慧排水總體設計應圍繞“以人為本”的核心，分析排水系統信息化現狀問題，梳理各參與主體的需求，堅持需求導向、場景引導，數字賦能、業務創新，從運維、調度、服務三個板塊對其業務架構進行設計，根據數據流向和新一代信息技術特點，設計便于實施、運維和擴展的多層次技術架構，從而實現排水系統的智慧化，讓城市排水系統可以更“聰明”，不斷提升人民群眾的幸福感和滿意度。