數字孿生市政排水綜合管理與預警調度平臺設計與應用

徐智勇,舒德偉,陳昌黎,謝林哲,張 鵬

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,云南 昆明 650051; 2.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南 昆明 650054)

0 引 言

受極端天氣影響,全國部分地區洪澇損失較大,城市防洪排澇的重要性日益凸顯[1]。排水系統在城市內澇防治體系中發揮重要作用,提升排水設施運行效益,可有效避免城市內澇或溢流事故[1-2]。當前城市防洪排澇工作還存在城市排水標準低、排水系統效率有待提高、精細化管理有待加強等問題[3]。姚志武等[4]研究了基于水雨情監測、閘泵調度和視頻監控實現城市防洪排澇智能決策平臺設計。然而,防洪排澇工作中,還需將管網、河湖水系、易澇點、調蓄池、智能截流井、泵站、入河排放口等設施設備作為統一的有機整體綜合管理。本文通過建立市政排水地理信息綜合管理與預警調度平臺,以排水系統GIS一張圖為基礎,基于專業的水文水動力模型及水務感知物聯網,實現洪澇情勢分析、災情預判、預警預報、防汛調度、應急搶險等功能,對管網、水系、調蓄池、泵站、智能截流井等各類排水設施進行精細化管理,為洪澇災害的預警和調度提供及時、準確的決策支撐。通過實時監測、模型預演、預警告警、調度指揮、閘泵聯合調度及評價分析等業務為城市管理者提供水務管理信息化、智慧化支撐。

1 平臺架構設計

平臺總體架構分為6層,即用戶訪問層、應用層、支撐層、模型層、數據層與基礎設施層,如圖1所示。

圖1 系統總體框架

(1) 用戶訪問層主要針對系統設定的使用人群,包括政府、水務局、住建局、調度指揮中心工作人員、各有關責任單位以及社會大眾等。

(2) 應用層是系統的核心業務實現層。主要針對水安全防治和應急指揮調度的業務需求,實現水安全問題的探查、問題點的聚焦定位、治理應對措施的確定和下達以及治理效果的跟蹤評價,由各業務相關的應用系統服務組成[5]。

(3) 支撐層為上層應用層提供各種支撐服務,包含了統一身份認證、統一數據交換、對外接口服務,以及數據發布、數據管理、系統管理、數據匯集共享模塊,實現對應用層系統業務的有力支撐。通過服務裝配功能來對服務層的各類公共服務進行組合、裝配,形成可以更好被上層應用使用的服務,如GIS底圖服務、用戶管理、數據交換、工作流管理等,用標準化的服務支撐各種應用的快速定制和開發[6]。

(4) 模型層通過水文水動力模型提供在線數值模擬與數據分析計算,形成預測、調度、控制、評估等參考信息,為業務管理相關部門提供防洪排澇工程調度運行管理智慧化輔助決策。

(5) 數據層是系統數據存儲的資源平臺,包括基礎數據、監測數據、業務管理數據、外部共享數據和地理空間數據。通過建設數據中心,實現排水系統監測、指揮調度信息的存儲、交換、共享、應用服務和資源統一管理;實現跨部門、跨地域的水文、氣象、排水等數據資源的接入、接收與運行、維護、管理;實現數據資源的統一標準、統一接收、統一管理、分布式存儲與集中數據發布的服務體系。

(6) 基礎設施層主要為系統及大屏展示平臺正常運行提供基礎設施服務,包括云平臺、網格化的監測站網、遙感衛星、視頻監控設備、無人機、智能穿戴設備,以及保證系統正常運行需要的基礎網絡。

2 系統功能設計

根據基礎數據源(河道,污水處理廠,排水管網,泵站,岸線)構建基礎資源數據庫,根據實時監測數據(河道水位水質,污水處理廠進出廠水質水量,排水管網水質水位,泵站水質水量,雨量站降雨量)構建實時監測數據庫[7]。然后根據基礎數據庫和實時監測數據庫建立內澇預警模型、河道洪水預報模型,結合專家知識庫構建市排澇調度模型、河道防洪調度模型、多目標決策支持模型。通過系統開發,實現基礎資源數據庫、實時監測數據庫、內澇預警模型、河道洪水預報模型、城市排澇調度模型、河道防洪調度模型與多目標決策支持模型間的擬合、數據管理與分析展示,實現面向“四預”的市政排水地理信息綜合管理與預警調度平臺建設[8]。市政排水地理信息綜合管理與預警調度業務流程設計見圖2 。

圖2 市政排水地理信息綜合管理與預警調度業務流程設計

(1) 數據資源管理。包括江河數據管理、水利工程數據管理與排水管網數據管理。通過系統性整合排水管網、江河水系、水利工程等基礎設施數據,建立排水系統的全要素數據倉庫,實現排水系統數據的數字化、賬冊化管理,保障數據查詢利用的實效性和后續動態更新的便捷性。

(2) 監測感知。包括雨量監測、易澇點監測、污水主管監測、排放口監測和河道斷面監測,在管網關鍵節點、重要排口、河道斷面上部署流量、液位、水質等感知設備,形成區域排水感知一張網。通過實時高效的水務物聯網平臺,對所有監測數據進行統一匯集分析,全面感知管網實時運行狀態[9]。

通過融合GIS一張圖與監測數據,構建防洪排澇一張圖,直觀呈現區域防澇總體態勢,實時展示與播報區域降雨和內澇情況,支撐區域防澇指揮的全局管控。

(3) 監控分析。主要包括實時監控、情勢分析、降雨關聯分析等功能。系統依托模型分析工具和數據統計分析工具,對區域內管理要素的運營和監測監控數據進行多維度的對比分析,提供各類可視化的圖表工具,使統計分析結果更直觀細致,科學高效地輔助管理單位進行有效的管理及指揮決策。

(4) 預警告警。主要包括預警管理、告警管理等功能。在數據資源基礎上,業務應用系統充分利用云計算、大數據分析等先進技術,全方位實現對水務管理要素實時監測數據、預警告警數據等各類信息的統籌管理和展示。利用區域內模型的預測分析結果,提前進行城市內澇、河道洪水等應急事件的事前預警告警[10]。

(5) 應急調度。主要包括調度方案、應急調度、調度實施、搶險救災等功能。利用系統預設的事件處置流程和事件處置手段進行城市易澇點內澇、河道洪水等各類事件的處置及管理;統籌管理區域內各類應急響應的資源力量、調度設備設施,實現調度指令下發、反饋和事后分析評價業務的閉環管理,實現人員、物資、設備設施的一體化調度[11]。

(6) 方案評價。主要包括調度方案評價、災情損失評價、調度效果評價等功能。對調度方案進行評價,主要對洪澇開始時間、洪澇結束時間、災情損失、人車物資調度路線、調度時間、調度效果等記錄和評價,提出更優方案并形成新的預案庫。

3 關鍵技術研究

3.1 預報模型構建技術研究

水文預報模型構建以守恒形式的二維圣維南方程為控制方程,采用Godunov型非結構有限體積法,模型采用三角形網格剖分計算域。通過計算洪水在河道及洪泛區的傳播過程,計算沿程各點在不同時刻的水位、流速等水力要素,并為下游區域提供淹沒范圍、洪水到達時間、淹沒歷時、最大淹沒水深等統計信息,建立適用于河道、洪泛區、城市等實際地形上洪水演進計算的二維洪澇模型[12-13]。

3.2 應急指揮調度技術研究

應急指揮調度通過接入降雨、水情及設施運行狀況等實時監測信息,通過監測情勢分析及模型預報,分析水情發展趨勢,及時預警告警,利用閘泵調洪調度方案、易澇點“一點一策”調度方案等實現調控設施管理和應急響應、調度分析等工作[14-15]。模型服務與調度流程見圖3。

圖3 模型服務與調度流程

4 應用實例

根據昆明市“十四五”規劃對智慧水務平臺建設的要求,昆明市西山區以開展的雨污分流及海綿城市建設工作為契機,同步開展市政排水地理信息綜合管理與預警調度平臺建設,實現洪澇情勢分析,災情預判、預警預報、防汛調度、應急搶險等功能,為西山區洪澇災害的預警和調度提供及時、準確的決策支撐,具體應用如下。

(1) 排水數據資源管理(圖4)。系統以管網探查為基礎,系統性整合了西山區管網及設施數據,建立了全區排水系統的全要素數據倉庫,實現管網數據的數字化、賬冊化管理,保障數據查詢利用的實效性和后續動態更新的便捷性。

圖4 排水數據資源管理界面

(2) 排水GIS一張圖(圖5)。基于GIS技術建立排水GIS一張圖,實現了西山區全域水網組成要素、排水管網及附屬設施的全要素集成融合。

圖5 排水GIS一張圖界面

(3) 監測數據管理(圖6)。在管網關鍵節點、重要排口、河道斷面上部署流量、液位、水質等感知設備,形成區域排水感知一張網。通過實時高效的水務物聯網平臺,對所有監測數據進行統一匯集分析,全面感知管網實時運行狀態。

圖6 監測數據管理界面

(4) 防洪排澇一張圖(圖7)。通過融合GIS一張圖與監測數據,構建了西山區防洪排澇一張圖,直觀呈現區域防澇總體態勢,實時展示與播報區域降雨和內澇情況,支撐區域防澇指揮的全局管控。

圖7 防洪排澇一張圖界面

(5) 綜合情勢分析(圖8)。利用排水專題圖、排澇搶險專題圖、雨量專題圖等全面綜合展示各類監測點實時監測數據,掌握監測數據發展態勢。

圖8 綜合情勢分析功能界面

(6) 預警告警管理(圖9)。對于布設的各類監測點,提前配置預警告警規則,當監測數據觸發預警告警規則時,啟動預警告警流程,并發布短信提醒。

圖9 預警告警管理界面

(7) 應急調度管理(圖10)。通過啟動預案、下發指令、應急會商等流程,對預警告警事件進行調度處理。

圖10 應急調度管理界面

5 結 語

本文針對傳統城市防洪排澇方式的不足,構建了市政排水地理信息綜合管理與預警調度平臺,建立了基于水力模型的智能預測方法和可視化管理方法。利用區域內模型的預測分析結果,提前進行城市內澇、河道洪水等應急事件的事前預警告警。利用系統預設的智能化事件處置流程和高效便捷的事件處置手段進行各類事件的處置及管理。統籌管理單位區域內各類應急響應的資源力量、調度設備設施,實現調度指令下發、反饋和事后分析評價業務的閉環管理,實現人員、物資、設備設施的一體化調度。