城市智慧排水系统控制研究

石延龙

（南京市市政管理处，江苏 南京 210036）

当前国内各大中城市的排水系统在信息化方面已经取得较大的突破，一些发达城市的排水信息系统建设逐步完善。但是，各大中城市的排水信息系统很少涉及到远程控制方面的功能与内容，这与当前的编制体制、就业压力、责任承担、风险评估等问题是分不开的。若对泵站实行无人值守和远程控制，在控制系统发生故障而不能及时排水，从而造成一定的危害后果时，相关的政府部门与管理单位将面临承担责任的风险。但是从长远来看，随着技术水平的发展、设备性能的提高以及人们思想认识的逐渐解放，城市排水系统智慧化已成为必然趋势。

1 城市智慧排水系统泵站控制原理

在城市智慧排水系统中各泵站的实时水位、污水流入量与流出量、机泵运转台数及运转频率等相关数据均由智慧排水中心进行全局监控。智慧排水中心能够计算出各泵站的最佳目标水位，通过决策调度子系统生成优化调度指令对所有泵站进行统一的协调控制。

系统正常运行时，各泵站能够根据自身的最佳目标水位Hi，通过控制器合理调节机泵组的开启台数与运转频率，在保证整个城区污水排放畅通及避免本泵站内部污水溢出的情况下，使所有泵站运行效率达到最优化，减少资源损耗，达到节能环保目的。当突遇大（暴）雨时，泵站进水池水位将会急剧上升，此时就需要对相关联的多个泵站进行合理的协调控制，保证整个城区不出现积水内涝灾害，污水溢出等严重问题。其调度原理如图1所示。

2 城市智慧排水系统控制模式

在图1中，假设在某一时间段洪峰到达泵站A，根据传统方法，一般是增加泵站A内部机泵的运行台数，同时提高机泵的运转频率，这样就可以最大化地提高泵站A的污水流出量从而降低进水池水位。但是此方法虽然能够解决泵站A的污水排放问题，却会引起泵站B的污水进水量进一步加大，如果泵站B进水池中的污水不能及时排出，将会造成污水溢出的危险。为了解决此类连锁问题发生，在城市智慧排水系统中，通过网络对泵站实现远程协调控制。

控制原理为：当智慧排水中心检测到洪峰到达泵站A时，首先通过开启更多的机泵台数和提高机泵的运转频率来加快排出泵站A内的污水量；然后根据泵站A与泵站B之间的排水管线长度计算出洪峰从泵站A到达泵站B的流动时间。以此时间跨度为依据远程控制泵站B提前开启相应的机泵台数排出泵站B自身的污水量，提高泵站B内污水容纳量以此迎接来自泵站A的洪峰。若泵站B的下级拥有多个泵站，例如拥有泵站C和泵站D，如果泵站C的进水池水位较高，而泵站D的进水池水位较低，此时可调节泵站B排出的污水送往泵站D，从而避免泵站C污水溢出的危险。

城市智慧排水系统对泵站的监视控制功能旨在实现对城市排水系统中所有泵站的协调配合、无人值守、数据自动采集与处理等目标。但是，城市排水系统在运行过程中总会出现一些无法预测的、随机的情况，比如突然掉电、突遇大暴雨、网络不畅、机器本身故障等因素。为了使系统能够应对诸多突发情况，满足不同的协调控制需求，保证排水系统更加节能环保、安全可靠、持续稳定的运行。在城市智慧排水系统中，对泵站的协调控制设置了四种不同的控制模式：综合协调模式、远程遥控模式、自动运行模式和手动控制模式。

2.1 综合协调模式

综合协调模式是城市智慧排水系统的主要控制模式。在综合协调模式下，服务器接收各下位机上传的数据，进行决策运算，并将产生的优化指令通过下位机送到控制器，由控制器执行指令。如果网络连接正常，没有特殊情况发生时，系统基本在此模式下进行运行。综合协调模式应尽可能保证泵站排水效率的最优化、能耗的最小化和排水效果最佳化。

2.2 远程遥控模式

为了方便智慧排水中心的值班人员、检修人员以及相关管理人员在泵站因出现特殊情况而无法自动运行的状况下也能对排水系统进行管理与控制而设置了远程遥控模式。相关人员通过网络远程登录到智慧排水中心，根据自身的管理权限，通过远程监控子系统能够查看到泵站内的报警信号、实时画面、声音、视频等超媒体信号，对设备进行查看、检修、诊断、故障复位以及对相关泵站进行远程的启停与变频等控制操作。在此模式下，由于是对泵站内部相关的机器设备进行人为的远程遥控，可能会发生误操作等情况，所以需要对相关设备性能非常熟悉、具有较高技能的操作人员，同时还需要对操作人员进行严格的权限控制。

2.3 自动运行模式

自动运行模式的设置是为了满足即使在某些特殊情况发生时，也能保证泵站的正常运转。譬如网络失效与维护、服务器故障等情况，此时泵站无法接收到智慧排水中心所发送的控制指令，客观上要求泵站能够根据当前降雨情况以及自身的目标水位、进水池水位等相关情况，通过内部决策调度子系统进行决策运算，协调控制泵站内部机泵组的运行数量与频率，从而避免了因泵站失控而导致污水溢出等一系列问题发生，同时也为泵站实现无人值守提供可靠基础。在自动运行模式下，完全由本地协调调度子系统根据泵站污水流入量与流出量、本地控制策略来控制本泵站内机泵组的运行台数与运转频率来控制泵站内进水池水位，在无需人工干预的情况下实现单个泵站自动运行效率最优化与排水效果最佳化的目标。

2.4 手动控制模式

正常情况下，城市智慧排水系统拥有综合协调模式、远程遥控模式和自动运行模式后基本能够实现污水的合理排放与统筹调度，达到智慧化的排水目的。但考虑到存在某些不可控原因、特殊操作需求以及发生紧急事件等（如对系统进行调试、对机泵的应急启停、对网络的维护、现场设备检修、故障恢复、人员落水等）临时的操作控制需求，同时也保证对整个城市排水系统进行协调控制的全面性与完备性，在系统中还设置了手动控制模式。

手动控制模式主要在泵站内部完成相关操作，设置有传统的手动按钮控制和高科技的触摸屏控制两种手段。手动按钮控制通过操作控制柜上的按钮完成对泵站内部相关设备的控制，具有操作简单，通俗易懂等特点。触摸屏控制通过可编程控制器完成对相关设备的控制，具有操作视觉化，直观明了，方便简洁等特点，在进行复杂的控制时具有较大的应用优势。手动控制模式属于传统的控制方法，在四种控制模式中具有最高的控制权限。但是此模式过于依赖值班人员的工作经验和工作责任心，操作稍有不慎就可能会有事故发生，存在一定的安全隐患，需要对操作管理人员进行严格的专业技术培训和思想教育，提高操作人员的技能水平和安全意识。

3 控制模式的转换

在城市智慧排水系统中，为了保证在任何情况下都能保持对污水的合理排放与协调控制，要求能在综合协调、自动运行、远程遥控和手动控制四种控制模式之间进行平滑的模式转换，以应对各种不同的控制需求。

在四种控制模式中，根据不同控制模式所需完成的功能以及实际操作的需要，设定其优先级由高到低分别为：手动控制模式、自动运行模式、远程遥控模式和综合协调模式。手动控制模式具有最高的优先级，主要为了满足现场进行测试或维修时，可以屏蔽所有的自动运行指令和远程遥控指令；当网络无法建立连接时，为了完成污水排放任务，相关泵站运行于自动运行模式，故自动运行模式具有次优先级；当泵站处于无人值守并且网络连接通畅时，泵站根据接收指令是否为远程遥控请求，判断是否运行于远程遥控模式，不过通常只有当泵站内部发出报警或故障信号时，值班人员或管理人员才会请求远程遥控操作，故将其优先级设置为第三级；在正常情况下，整个城市智慧排水系统运行于综合协调模式，各泵站接收智慧排水中心的协调控制指令并根据指令完成全局的最优化运行，故综合协调模式属于最低优先级。

［1］薛敏，李大成，沈晓铃.基于物联网技术的智慧排水系统构建[J].中国给水排水，2012，3，28（6）：62-64.

［2］朱博文.远程智能排水在城市排水控制中的应用[J].科技资讯.2009（34）：119.

［3］陈吉宁，赵冬泉.城市排水管网数字化管理理论与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.