城市智慧排水系統設計關鍵問題分析

黃一洲

摘要：城市建設高速發展促使人們對排水系統的質量需求不斷提升，但城市基礎設施普遍存在自然滯水、蓄水能力不足的缺點。在強降水環境下，市政道路存在行洪快速，積水難以有效排除等內澇情況。因此來說，如何科學合理地利用信息化監測控制技術進行城市智慧排水系統設計是城市可持續發展的關鍵。本文主要介紹了城市智慧排水系統功能及技術應用，并對排水系統泵站控制架構進行了要點分析，旨在為城市排水系統高效運行提供理論參考。

關鍵詞：智慧排水；泵站控制；架構

城市排水設施是確保城市綜合系統穩定運行的關鍵結構，城市排水系統具備隨機性強、規模龐大、結構復雜的特點。對于人口承載能力較強、市政設施運營頻繁的大中型城市而言，排水系統的優化控制能夠有效提升城市區域產業發展。結合信息化技術的泵站及關聯設備是構建先進性城市排水系統的關鍵內容，能夠降低泵站設施故障率，縮短其故障響應時間，提升泵站調度及管理水平，這對于實現城市智慧化排水建設具有重要的現實意義。

一、城市智慧排水系統功能特點

（一）實時監測

城市智慧排水系統具備智能化標識作用，通過對供排水管道的標識，管理人員能夠在監控中心對供排水情況進行實時動態分析，對工業廢水、生活用水等進行及時區分及分階段排放，避免不同類別污水造成生態環境二次污染。

（二）動態調控

智慧排水系統能夠對內澇、溢流過程進行綜合分析，依據采集的污水排放數據、降雨總量、泵站運轉及管網輸送數據等進行泵站、污水廠、管網之間的控制優化，從而達到最優化排水效果。

（三）及時排障

智慧排水系統能夠充分利用信息化網絡對由管道破損、管道老化、供排水終端設施損毀等造成的水體排放浪費情況進行及時解決，提供優化控制措施，在不斷水情況下進行故障檢修。

二、城市智慧排水系統設計關鍵

（一）技術應用

GIS技術是城市智慧排水系統中采取的主要應用手段，城市排水系統包括大量的地下設備空間信息數據，先進的GIS技術具備空間網絡分析功能，能夠實現地下排水管網的巡檢和維護效果，為后續智慧化系統的設計提供重要的數據支撐。物聯網技術能夠對智慧排水系統的關聯設備進行全方位數據銜接。基于物聯網通信快速簡便的優勢，排水系統的數據信息能夠準確傳輸和共享。智慧排水系統中采取的數據庫技術主要為多源異構建庫技術，包含數據倉庫、聯邦數據庫、中間件結構三個方面，多源異構數據庫技術能夠充分優化數據溯源、查詢的準確程度，有利于局部數據異構的添加。智慧排水系統中應用移動終端技術（小程序、軟件App等）則能夠進行動態化的GIS地圖查看、視頻監控、水質監控、水位流量及排水口的監控，促進管理人員工作效率提升。

（二）泵站自動化控制

泵站自動化控制是智慧排水系統設計的關鍵，智慧排水系統可依據不同水泵的水位、狀態、閘門位置信息和電網情況優化泵站工作，且基于實際運轉情況，達到系統高效節能目的。智慧系統泵站工作主要采取PLC控制系統，這有助于規避局部泵站出現閑置或過度使用的情況，泵站運行中也能夠進行關鍵參數的動態上傳，智慧系統監控中心則可以依據泵站參數進行及時優化調整，特殊情況下也可以通過技術人員的手動控制來穩定泵站運行狀態。除此之外，泵站設備需要實現自動化控制保護。比如，閥門故障保護、電氣故障保護、自動停機保護等功能需要配備完善，保證設備故障狀態下及時停止，避免系統損壞；智慧化系統可以通過TCP/IP協議進行遠處泵站的控制，通過視頻監控功能對不同關鍵點位（閘口、地道、高低壓室、前池）進行監控和錄像，調度中心可以借助視頻信號無線網絡對關鍵點位的水位情況、設備運行狀態進行查詢。

三、智慧排水系統關鍵性設計

（一）層次結構

智慧排水系統能夠結合雨洪水質模型開展在線數據監測分析，為城市水體的維護治理提供智慧化管控手段，如提供不同區域水體信息、污染源預警、水體治理情況、公眾參與情況等。智慧化排水系統需要完善泵站調度運轉功能，在不擴增排水設備的基礎上，實現污水排放、能耗成本優化、遠程控制。本文設計城市智慧排水系統層次結構如圖1所示，整體結構可以分為感知層（與硬件進行交互）、網絡層（進行通信聯絡）、應用層（與用戶進行交互）三個層次結構，結構層級為有機化整體，能夠靈活地對現場數據進行采集、分析和反饋。

1.感知層

感知層是智慧排水系統泵站運行控制和綜合分析的基礎，主要分布在智慧排水系統關鍵設備、儀器儀表等位置。常規感知設備主要包括流量傳感器、水位傳感器、視頻監控設備及毒性傳感器等，能夠對泵站運行數據進行有效采集及處理，并且將信息數據進行多手段的上傳至應用層關聯功能模塊，以供后續分析及決策處理。

2.網絡層

網絡層結構在智慧系統中發揮著數據銜接作用，負責將現場感知設備采集的數據向上級層次傳輸。網絡層級需要借助完善的物聯網，配備無線通信技術，且數據要有備份和補充，這能夠確保信息數據傳輸的通暢性和完整性。其中，網絡通信技術則可以采取WLAN、藍牙、無載波通信技術、無線傳感網絡等通信手段，智慧系統設計中需要依據數據采集點位實際情況、設備特性合理選取適配性通信技術，對于數據采集點位相對集中的污水處理廠等區域，則可以采取廉價、簡潔的有線WLAN通信手段；泵站、排水管網等數據采集點位分散程度較高的區域，則主要采取無線通信技術。

3.應用層

應用層是智慧排水系統的關鍵結構，主要包括業務功能模塊，能夠對采集到的相關數據進行篩選、模式識別、存儲、建模分析等處理，獲取的有用信息能夠為設備狀態制定決策策略，確保整體系統的穩定有序運行。城市排水系統多處于改擴建階段，系統設計需要依據實際情況來滿足不同業務需求，智慧排水系統也需要具備良好的可升級性及擴展性。應用層關聯業務功能模塊則需要具備開發潛能，良好的功能開發模式能夠促進資源快速共享，規避軟硬件資源浪費情況，優化系統運營成本。智慧排水系統軟硬件功能開發平臺需要包含網絡、監測、運輸、服務器、安全、控制、通信等多類型內容。

（二）總體架構

作為一個多結構、多層次、復雜化的綜合性智慧排水系統，不僅要對不同泵站進行動態化監測，而且要對泵站運行數據信息進行自動化控制協調，才能實現最優化排水效果。智慧排水系統總體架構需要借助既有的通信網絡，配備軟硬件關聯設備，無需建設專用網絡，即可實現對排水系統進行自動化控制。通信網絡在排水系統中起到設備關聯、數據傳輸共享的基礎功能，本文介紹的系統架構主要采取應用較為成熟的B/S模式，依據系統功能的不同，可具體分為客戶端、監控端、服務器端三個部分，具體如圖2所示。智慧排水系統正常運行時，不同泵站設置的傳感器對開啟泵組臺數、進水池水位、機組運轉頻率進行數據動態采集，下位機對采集的數據進行初始處理之后上傳至中心控制系統。中心控制系統依據獲取的泵站污水量及目標控制水位進行決策處理，將控制指令傳送至不同泵站。泵站下位機則需要將控制指令進行必要數據解析，繼而將判斷分配至相關執行設備及運行機泵組，最終達到智慧控制效果。系統網絡出現故障，泵站下位機需要實現自動化控制，此時需要根據自身所具備的調度子系統進行控制指標計算，繼而將判斷結果傳送至執行設備，對污水排放進行合理控制。

1.服務器端

總體架構中的服務器端是整個智慧排水系統控制的核心，服務器端主要包括優化決策控制模塊、服務器數據庫、服務器構成，需要實現系統排水的協調控制目標。服務器端功能主要是和不同泵站下位機進行數據互換，借助決策優化功能模塊進行相關控制命令的生成，對客戶端數據請求進行及時響應及反饋。服務器端需要根據泵站運行狀態及時判斷數據有效性來確保數據的可靠性，同時也需要對泵站的實時水位、污水流入流出量、目標水位、泵站運行臺數及頻率等進行計算模擬，對有價值的數據進行數據庫存儲。服務器端需要對不同泵站運行狀態進行動態監測，依據不同運轉頻率進行調度控制。服務器端具體功能流程如圖3所示。

2.監控端

監控端安置在排水系統泵站內部，由本地數據庫、下位機、傳感器、控制器、機泵組等構成，能夠對現場數據信息進行及時采集，并且控制設備運行。監控端主要發揮對泵站內部構件的監控、相關控制指令的執行，且能夠和服務器端實現數據傳輸和互換。監控端需要和服務器端連接，對服務器端傳輸數據及時處理，首先進行服務器端控制指令的識別和解析，繼而對機泵組進行控制指令的下達。監控端也可以通過關鍵節點位置處的傳感器采集數據進行下位機上傳，服務器端接收相關數據過程中，下位機需要自動化控制泵站，遇到數據傳輸中斷或者無法執行等情況，則能夠及時發出警告。監控端具體功能如圖4所示。

3.客戶端

客戶端主要包括客戶端軟件，主要是為了排水系統用管理人員進行泵站遠程監控、養護維修等操作而進行設置。相關人員可以通過客戶端軟件對排水系統內部泵站運行狀態、歷史數據等進行查詢監視，具體功能如圖5所示。

四、小結

隨著現代化信息技術的高速發展，排水系統智慧化控制模式的應用需求也在不斷提升。相對于傳統的城市排水管控方法，智慧化排水系統具備自動化程度高，數據監測可靠等優點，且能夠極大地適應城市不斷擴增的排水管網工程。智慧化的城市排水系統能夠在不增加排水設備的基礎上，確保排放污水效果的可靠性，避免城市出現內澇，極大降低排水成本。

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