基于數據分析與監測的智慧排水系統設計與實現

■ 文/李高波

城市化進程的加快使城市排水和污水處理必將面臨更大的挑戰。智慧排水系統將提高城市排水和污水處理的效率和可持續性。

在城市發展過程中，對水環境問題的高度重視能為城市居民提供更好的生活環境，保證城市的正常發展。近年來，我國現代化進程加快，但在人口、自然資源等方面仍然存在一定的矛盾和限制，而城市水務工作直接關系到城鄉居民的基本生存，因此系統化、科學化的智慧水務系統亟待建設。

智慧水務建設理念自提出以來一直在不斷完善。智慧水務是指通過將互聯網大數據采集、無線傳感器等新興技術與新一代信息技術融合，實時了解城市水務系統運行狀況，推進市政水務系統管理智能化、暢通化，突破傳統水務信息的局限性和時效性不足，建立各部門間高效、綜合、智能的系統，建立智慧水務系統。

智慧水務系統由智慧給水系統、智慧排水系統、智慧防洪系統、智慧污水回用系統、智慧節水系統等子系統構成。智慧排水系統是智慧水務系統的一個子系統，通過物聯網、大數據、云計算等先進技術，對城市排水系統進行智能化管理，實現排水過程的實時監測、預報和優化控制。

智慧排水系統現狀

智慧排水系統的建設是通過物聯網和信息系統建設發展而來的。目前，我國的排水系統并不完善，許多問題亟待解決。

第一，排水系統監測手段不完善，缺少監控并科學管理管網的水流量、流速和水質的管理系統。因此，流量、水質監測精度不高，排水管理系統無法及時了解真實情況，無法提供有效的應對措施。

第二，各信息系統相互獨立，數據共享困難。當前，我國許多城市都建立了排水信息系統，但各部門有自己的排水信息系統，這些系統獨立運行，彼此之間數據不共享，也無法進行數據集成，從而很容易形成信息孤島，無法通過數據集成、數據挖掘等方式實現信息資源整合分析。

第三，運維管理水平較低。排水行業目前的運維管理體系仍然需要大量工人工作，工作量較多，工作效率低下，無法滿足當今排水行業所需的工作量，這些問題均是運維管理水平較低所導致的。

智慧排水系統的需求性

以“為民”為核心的智慧排水系統必須立足于關注、解決排水系統中存在的上述問題，滿足每個參與者的需求。智慧排水系統中的參與者主要是運維人員、城市管理者，以及該地的居民。

運維人員就是負責管理管道運行維護工作的人員，運維人員的工作水平對智慧排水系統的影響極大。智慧排水系統必須支持設施的高效運維，從而智能分析需求，及時發現問題，并提出優化解決方案。

對城市管理者來說，智慧排水系統必須滿足與公司和相關機構有關的功能需要。智慧排水系統是智慧城市的一部分，是集融合、開放及共享于一體的城市大數據運營平臺。城市管理者需要擴大智慧排水系統在“良政、造福社會、產業進步”中的作用，以此提高智慧城市的發展速度與發展質量。

城市居民是智慧排水系統這一新型服務的主要服務人群，智慧排水系統的建設必須以滿足城市居民的實際需求和安全保障為主要前提，提高城市排水系統的運行質量，以此提高城市居民的生活幸福感以及生活質量。

智慧排水系統設計的原則

智能排水系統的設計應與時俱進，將大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術作為構建智能排水系統的基礎，從而滿足防汛、治污等需求。因此，智慧排水系統的總體設計原則包括以下內容：

第一，智慧排水系統的設計需要為所有利益相關者以及組織進行當前排水系統的信息查詢，并將場景需求作為引導，創新建設智能化管理系統。

第二，智慧排水系統所用的數字技術必須“以人為本”。數字技術的應用使提高數據效率成為可能，從某種意義上說，數字技術可以實現業務優化、改革創新與發展突破，構建實用意義上的新型智慧排水系統。

第三，智慧排水系統必須采用平臺架構。系統不僅要管理開放的架構，還要提供多種安全、靈活的接口，方便未來對系統進行擴展。

排水系統水力模型的核心功能

排水系統水力模型的核心功能包括管網數據監測、規劃模擬分析、管道工況分析、城市蓄水分析和排水能力評價。

管網數據監測將管網實時監測的液位、流量、水質數據進行實時采集，并在地理信息系統（GIS）地圖中進行動態展示。

規劃模擬分析功能支持用戶根據實際需求創造各種情境參數，分析在該情境下管網的運行情況，基于流量、流速、水質等模擬分析，對排水網絡進行評估，發現運行過程中的問題，從而進行有針對性的排水生產計劃及維護計劃。

管道工況分析功能可以通過降雨量、最大水量等分析排水的水力計算和運行條件，計算管道水力模型，分析現有排水系統的運行狀況，查明問題后確定問題原因，為緊急措施的制定提供依據。

城市蓄水分析功能利用在線模型連接到數據采集與監視控制（SCADA）系統，并收集降雨數據，模擬未來場景數據，模擬未來積水可能出現的橋區或敏感點，這將大大提高城市防汛的可預測性。該系統具有天氣數據接口和水力模型接口，計算并估算區域內敏感點的積水量，包括區域內積水量、區域內最大積水程度以及積水消退時間等。

排水能力評價功能指將GIS 與現有的污水處理廠、泵站、雨水泵站、蓄水池等設施相結合，模擬處理不同類型降雨對該地區的影響。通過測量重要節點的流量，了解各流域的污水量和水樣量；通過分析模擬結果與實際結果之間的誤差，可以找到管道堵塞、滲水、積水等現象的問題所在，為維護排水管網工作提供一定的幫助。

基于水力模型的智慧排水應用

基于水力模型衍生出眾多智慧排水應用，如智能引流門戶、集中控制操作系統、決策支持、優化泵站調度、水力建模應用、預警排水方案、排水智能感知、移動應用程序等。

智慧引流門戶是對外信息展示的窗口，利用多框架配置集成技術，實現各系統集成，有效防范風險，優化管理，降低信息技術維護成本，提高工作效率。

集中控制操作系統是一種排水綜合運行監控系統，將污水處理廠、泵站、管網、河湖等實時監測數據集中于統一平臺，為所有業務連接創建數據分析、時間提醒、遠程控制等功能，集中控制操作提供了基本的綜合監控能力。

決策支持包括管道流量和壓力評估、流量分布、設置查詢信息、動態模擬等方面。

優化泵站調度指通過歷史和實時數據分析，預測未來一定時間內的運行情況。基于各種操作條件模擬分析泵站的運行過程，優化單泵站或多級泵站的決策及合理調度，增強風險控制功能。

水力建模應用須包含一個信息平臺以展示模型結果。基于排水公司的管道流體力學模型，集成GIS 的靜態數據和SCADA 系統的動態數據，并結合用水量的預測和分配，按水力學理論對供水系統進行水力建模與模擬計算，從而為管網規劃設計、管網改造、日常運行、故障分析、安全評估、優化調度、管網控漏、預案制定等方面提供廣泛的解決方案，為生產運營提供準確的數據支撐，為水務企業生產管理的全過程提供決策支持。

預警排水方案指對泵站、管道、降雨量進行測量分析，可以從仿真模型中預測該區域的關鍵點，估算該區域是否有積水、積水面積、積水深度等，為防洪排澇提供決策支持，并提供直觀分析圖，方便根據事態的現狀制定計劃。

排水智能感知通過實時采集污水處理處理廠、泵站、管網、調蓄池、河湖等的底層數據，并分門別類進行匯集，集成的方式就是整合、設計、共享。通過將數據生命周期管理機制與智能排水系統相結合，可以實現數據采集與集成一體化，打造實時、安全、準確、完整的綜合服務。

移動應用程序使用嵌入式GIS、空間分析和無線通信技術，通過移動手持終端提供城市防汛信息、問題、反饋、應急指令等，實現智慧排水系統移動監視。該應用的功能主要包括GIS輔助查詢、實際監測、預警信息、即時通信工具、設備狀態展示、數據分析結果展示等。

城市智慧水務系統可以完成城市排水系統中各泵站的全部調度和協調，利用現有排水系統管道的容量提高工作效率和工作質量，還可以實施對排水系統的自動管理，達到節省成本和提高效率的目標。這種“更聰明”的排水系統使參與者的使用幸福感和滿意度大幅提升。