城市智慧排水指揮控制中心建設探討

何巍偉 武今巾 黃賢亮

(合肥中科國禹智能工程有限公司 安徽合肥 230088)

隨著城市規模越來越大，城市排水系統體量也日益龐大，頻發的城市內澇、黑臭水體等問題受到社會強烈關注，排水系統現行低效的管理模式也無法滿足當前的巨大考驗。2020年新型基礎設施建設（以下簡稱“新基建”）首次被寫入政府工作報告，在國家大力推行新基建的背景下，如何利用5G、GIS、云計算、大數據、物聯網、數字孿生、人工智能等新一代信息技術，賦能傳統排水行業，創新城市排水管理模式，提高城市排水日常管理、運行調度、災情預判、預警預報、防汛調度及應急搶險能力，實現城市排水智慧化管理，是該文的重點討論內容。

1 新基建與智慧排水

2018 年國家首次提出“加快5G 商用步伐，加強人工智能、工業互聯網、物聯網等新型基礎設施建設”，提出“新型基礎設施”概念[1]。2020年4月，國家發改委初步定義新基建是以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型、智能升級、融合創新等服務的基礎設施體系，主要包括信息基礎設施、融合基礎設施、創新基礎設施這3個方面內容[2]。

城市排水管網、泵站、污水廠、雨水篦、檢查井等排水設施是保證城市發展和正常運行不可或缺的重要傳統基礎設施。隨著城市的快速發展，擁有巨大體量排水設施的城市排水系統暴露出各種問題，如城市內澇、黑臭水體等問題，已成為制約城市高質量快速發展的瓶頸。通過利用新基建的新一代技術手段，為傳統排水行業賦能，更好地發揮傳統基礎設施應有的功能，從而創新城市智慧排水的管理及治理體系，已成為排水行業發展的趨勢和共識[3-11]。

以大數據為載體的強信息性，以萬物互聯為方式的強滲透性，以一業帶百業為功能的強帶動性，是新基建的鮮明特征[12-13]，輕資產、新投資主體、新融資模式及新投資區域也是其重要特點[14]。從一定的技術應用層面上看，新基建是“軟”的基礎設施，傳統基建則是“硬”的基礎設施，新基建的技術應用需要以傳統基礎設施作為底座和應用場景。在推進城市智慧排水發展的過程中，為避免造成資源浪費，需要重點關注傳統排水行業及基礎設施與新一代信息技術之間的深度融合，才能更好地為傳統排水行業賦能，推動城市排水智慧化發展。

2 城市智慧排水指揮控制中心

綜合城市排水行業的公共性、基礎設施的涉密性、多源關聯數據的共享需求性等特點，該文提出通過對城市智慧排水的發展進行統一規劃、分步實施，建設一個統管城市排水業務的城市智慧排水指揮控制中心（以下簡稱“排水中心”），并搭建“五大支撐”體系，具體如圖1 所示。在已有的排水信息化基礎之上，通過對傳統及新一代信息化基礎設施資源進行集約化建設，將城市排水行業相關政務云資源納入排水中心進行統籌管理，提高利用效率。同時應加強網絡、基礎設施整合，建立統一網絡、統一信息化基礎設施的資源池，逐步形成一個基于政務云并以排水中心為中心的基礎設施“大樞紐”，集約化管理和使用計算、存儲、網絡和安管等各類設施。充分利用新基建的新一代信息技術，將排水中心建設成為城市排水行業的智慧門戶及行業監管及發展創新中心。

圖1 總體設計框架示意圖

2.1 構建一套智慧排水標準規范

遵循城市排水、軟件開發、物聯網、測繪、信息安全等專業的相關標準與規范，從技術和管理兩個維度，統一構建一套符合城市排水行業智慧化發展特點的標準規范，以統一指導城市排水行業信息化項目建設、系統運行管理和升級維護，不斷促進城市智慧排水的發展進程。不同城市針對各自特點，構建形成一系列具有本地模式特點的排水中心建設標準規范，有效指導和保障該市排水行業的有序、高效發展。

2.2 構建一座智慧排水大數據中心

根據“一數一源”的建設原則，采取集中與分布相結合的方式，依據統一數據標準、編碼規則實現海量異構數據資源的有效整合。將原本分散的城市排水行業相關數據（如氣象信息、基礎地理信息、水文信息、天網視頻、排水設施、行政區劃、排水戶信息、人口經濟等關聯數據），納入排水中心的大數據中心進行統一管理及分析應用，共同組成數據中心的主體，形成統一的數據共享機制和安全管理機制，逐步建成統一開放、共享共用、持續更新的智慧排水大數據中心，在滿足本身發展使用的同時，也可為其他行業持續輸出進行應用賦能。

2.3 構建一張智慧排水物聯網監測控制網

利用新一代先進信息技術，建設一張智慧排水物聯網監測控制網，并集成到智慧排水綜合管控平臺統一管理，形成“監測一張網、控制一張圖”。同時基于平臺以服務接口方式實現物聯感知監測資源的共享共用，為排水中心的建設及其他項目的感知終端設備改擴建提供接入服務，并實現設備狀態監控管理、指令下發和遠程控制等功能，以及實現物聯感知監測數據的采集、存儲、分析、查詢、統計和可視化管理功能。

物聯感知監測設備和自動控制設備的建設，需要遵循排水中心的建設標準和接入技術規范等要求，實現設備的即插即用和物聯網平臺的開放接入，實現對終端設備、監測數據進行統一管理，并逐步實現排水設施科學決策的智能控制，為智慧排水大數據分析、科學決策、聯合調度、遠程控制提供應用基礎。

2.4 構建一個智慧排水綜合管控平臺

依托已有的城市排水信息化基礎，建設一個可不斷拓展的智慧排水綜合管控平臺，作為排水中心承載城市排水信息化建設發展的主體，為城市各單位部門、排水行業及公眾提供統一的服務。平臺總體架構見圖2。

圖2 總體技術架構示意圖

2.4.1 排水設施綜合管理系統

該系統實現城市排水設施及相關要素靜態數據的統一管理，構建排水設施“源—網—站—廠—河”全過程、全要素的智慧排水一張圖，形成并完善一套符合數據資源生命特點的運維機制，從時間上跨越過去、現在、未來，從空間上覆蓋地上、地表、地下，真正實現排水設施數據資源統一管理、統一展現，為排水行業的發展提供強而有力的決策依據。

2.4.2 大數據分析應用系統

式中：k為能量損失系數，經驗取值范圍為0.96～0.99;PF為主要通風機靜壓，Pa;Qj為靜壓差法測得主要通風機風量，m3/s。

依托智慧排水大數據中心和智慧排水物聯網監測控制網的建設，結合大數據分析技術、模型應用、人工智能等先進技術，搭建大數據分析應用系統。充分利用專業模型及相關算法（如降雨徑流分析模型、氣象預警模型、動態洪澇災害評估模型、污染溯源分析模型、廠站網調度決策模型、風險評估模型、物資調度決策模型等），建立基于科學數學模型和海量信息融合分析的復雜決策支撐系統，開展深層次的數據挖掘和分析，充分發揮智能化監測、污水運行調度、防汛搶險預警、科學決策支持等方面的各項應用，為排水中心的決策部署和平臺系統的各項應用提供科學支撐，持續為城市排水行業智慧化發展提供科學的數據決策驅動力。

2.4.3 防汛排澇應急指揮調度系統

該系統滿足城市防汛排澇的應急指揮調度的業務需求，實現事前預警、事中調度、事后總結和專題分析的管理模式，全面支撐統一指揮、專常兼備、反應靈敏、上下聯動的防汛排澇管理體制建設，有效提高城市防汛排澇應急能力和抵御災害風險能力，確保人民群眾生命財產安全和社會穩定。

2.4.4 廠站網一體化運營監管系統

該系統主要包括管網運營監管專題、泵站運營監管專題、污水廠運營監管專題、廠站網聯合調度專題等應用。實現城市污水廠、泵站、管網及相關附屬設施運行情況的集中查看，提供監管、風險預警、績效指標評估、調度決策等主要功能，提升排水管理單位的監管力度，拓寬監管范圍和手段，有效推動廠站網一體化發展及管理體制的創新。

2.4.5 綜合業務管理系統

該系統主要包括平臺維護管理、門戶綜合管理、工程管理、財務管理、OA系統等，滿足機構部門日常行政辦公的業務需求。

2.4.6 智慧排水App

按照“統一規劃、統一標準、統一入口、統一用戶體驗、統一技術路線”的原則及排水中心總體技術框架，建設城市排水行業統一的智慧排水App 應用，實現城市排水行業的多部門聯合移動辦公及公眾服務，充分發揮移動辦公的便捷性、及時性和精確性。

2.5 構建一間“智慧排水創新應用實驗室”

依托排水中心，引進排水行業專家或優質成員單位，建設“智慧排水創新應用實驗室”，并以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，充分利用5G、物聯網、工業互聯網、大數據分析、數字孿生、人工智能等新一代先進技術，結合城市排水行業的特點，不斷深化探究城市智慧排水發展的技術路線及管理模式，逐步開展城市智慧排水相關新型技術應用及新型管理模式的創新應用及工程試點示范建設，為城市排水行業的發展和排水中心的建設提供持續不斷的創新動力及發展動力。

3 關鍵技術

3.1 Web Service和XML

Web Service技術能使運行在不同機器上的不同應用無須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件，就可相互交換數據或集成。依據Web Service規范實施的應用之間，無論它們所使用的語言、平臺或內部協議是什么，都可以相互交換數據。Web Service基于一些常規的產業標準或技術，為多個組織之間的業務流程的集成提供了一個通用機制，部署簡單，節省應用接口開發費用。XML是SGML（通用語言標識標準）的一個精簡集。它是用于定義其他標識語言的一種元語言，它用于描述信息的各種標識都可以由設計者自行建立，以強化特定專業數據的結構和關聯。由于XML具有數據來源的多樣性和多種應用的靈活性、柔韌性和適應性，內容與形式的分離，它具有開放的標準，有助于實現數據的標準化、結構化。因此，在數據交換和協議描述上有著先天的優勢，因此作為數據交換的基本格式。

3.2 B/S技術架構

B/S模式具有標準化、高效率、易操作、易實現等優點，可以完成跨空間、實時的信息傳輸和數據共享。可以實現真正意義上的超遠程檔案歸檔和查詢，對客戶端的要求極低，只需要一臺PC 機和一個瀏覽器，易于使用，客戶端無需維護，這些優勢都是傳統的C/S模式所不具備的。

3.3 GIS技術

地理信息系統（GIS）技術不僅可以有效管理具有空間屬性的各種物理對象信息，對物理對象管理和實踐模式進行快速和重復的分析測試，便于制定決策、進行科學和政策的標準評價，而且可以有效地對多時期的物理對象狀況及生產活動變化進行動態監測和分析比較，也可將數據收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流，明顯地提高工作效率和經濟效益。

3.4 物聯網技術

物聯網是指利用各種傳感器裝置和技術對各種物理對象進行感應、采集、識別和定位，實時獲取其物理、化學及生物特征的相關數據信息，并基于通信網絡進行連接交互，實現人與物、物與物之間的萬物互聯，實現對物理對象及其相關過程狀態的智能化感知、識別分析和控制管理，讓所有能夠被獨立尋址的物理對象形成互聯互通的網絡[15]。利用物聯網技術實現城市排水系統的全面感知，可實時監測掌握排水設施的運行狀態，并結合大數據、AI 算法實現排水系統的健康診斷分析、故障預警及相關智慧化應用。

3.5 模型技術

利用SWMM、InfoWorks、Mike等成熟排水模型，結合數字孿生等二三維建模技術對城市排水設施建模，對城市排水全過程進行旱天、雨天多場景仿真模擬，動態評估城市排水系統的整體健康狀況。提供城市排水能力結構瓶頸分析、淤積風險分析、水力負荷分析、溢流風險分析、內澇風險分析、泵站及污水廠負荷能力分析等功能，輔助管理人員判斷排水設施的運行狀況，為城市排水系統規劃設計、設施運行維護與管理、工程城改造、應急搶險等業務提供支撐。

3.6 數據融合技術

數據融合技術[16-17]是通過對不同來源獲得不同種類的時序監測數據在一定標準下自動進行融合分析和態勢預測，為決策者提供直觀、準確和科學的數據支撐。它包括數據信息采集、分析和處理的過程，涉及對不同來源、不同種類和不同平臺傳感器獲取的數據信息的融合分析處理和綜合評估。與一般的數據處理相比，數據融合技術能更加快速、準確、可靠、連續及全面地提供研究目標的有關態勢和綜合性結論。

目前，我國大多數城市排水行業信息化水平偏低，城市各類涉水數據體量巨大，在來源、時空尺度、屬性、精度、結構、量綱等方面存在很大差異。當前數據融合標準不統一、數據共享機制不完善、數據關聯分析薄弱、監測系統建設成本高等突出問題嚴重制約著智慧排水的發展。數據融合技術是以數據采集網絡和大數據分析技術為基礎，以協調優化和綜合處理為核心，以多源數據信息為對象，將智能技術與數據化技術進行有機融合。充分利用數據融合技術，可以更好地服務于城市排水的智慧化建設。

4 結語

新基建從2018 年中央經濟工作會議首次提出到2020年首次被寫入政府工作報告，可見國家對新基建的高度重視。新基建的快速發展，也必將對傳統行業帶來巨大的變革。積極探索和擁抱新基建，依托新一代信息技術的不斷發展，并賦能城市排水基礎設施進行技術應用創新及管理模式創新，是引領城市排水行業智慧化發展的必經之路。