城市智慧排水系统设计与实现

石延龙，许大琴

(1.南京市市政管理处，江苏 南京 210036;2.海军指挥学院，江苏 南京 211800)

0 引言

由于我国经济建设的快速发展，使得城市的建设规模日益扩大，在城镇化进程中，对城市排水系统的规划与建设、维护与管理提出了越来越高的要求。

城市排水系统是一个结构复杂、规模庞大、随机性强的巨型网络，尤其对于人口多、市政设施建设频繁的大中城市来说，排水系统管网的总体规模和复杂程度是难以想象的。为了能够全面、实时地掌握城市排水系统中排水管网的布局与各泵站的运行情况，合理地管理和调度各泵站的相关设备，缩短泵站故障响应时间，降低泵站设施的故障率，提高泵站管理水平，增强整个城市排水系统的自动化程度，采用现代化的城市智慧排水系统势在必行。

1 城市智慧排水系统的特点

城市智慧排水系统旨在当前各大中城市所开发的典型排水信息系统的基础之上，通过对大量历史监测数据进行筛选与整理后逐步形成强大的资源数据库，最终开发出基于实时数据监测的动态模拟和分析功能，实现对城市排水系统管网的安全运行和对污水排放的智能化协调与调度。与传统的城市排水系统相比，智慧化的城市排水系统能够根据当前城市排水系统的运行情况预判将来一段时间内可能会发生的状况并提供应对策略;根据所获取的降雨总量、污水排放数据、管网输送参数、泵站运转以及污水处理厂运行情况等实现各泵站、管网与污水处理厂三者之间的协调与控制，达到排水效果最优化的目的。

城市智慧排水系统具有以下主要特点:

1)实时监测。通过城市智慧排水系统对城市供排水管道设施的智能标识，城市管理者可以在监控中心7 ×24 h 监测城市排水状况，可以区分居民生活用水、工业废水，实现分时段、分阶段排放，有效控制各类污水对大自然造成的二次污染。

2)动态调控。对溢流和内涝过程规律进行系统分析，根据所获取的降雨总量、污水排放数据、管网输送参数、泵站运转以及污水处理厂运行情况等实现各泵站、管网与污水处理厂三者之间的协调与控制，达到排水效果最优化的目的。

3)及时排障。利用智能化网络有效控制管道老化、施工造成的管道破损、供水终端损坏造成奔流不止等浪费现象，能及时排查和解决，甚至实现不断水检修。

2 城市智慧排水系统层次结构

城市智慧排水系统层次结构包括感知层、网络层和应用层3 部分。其系统的层次结构如图1 所示。三层结构相互作用从而构成一个有机的整体，如果从仿生学的角度来看，感知层类似于获取信息的“感觉器官”，网络层类似于传输信息的“神经系统”，而应用层则类似于处理信息、使用信息的“大脑”。

图1 城市智慧排水系统层次结构图

2.1 感知层

感知层与硬件进行交互，是城市智慧排水系统中对整个排水基础设施进行综合分析与协调控制的基础。主要由安装在排水系统中各关键节点上的各种仪器、仪表所构成(包括水位传感器、流量传感器、水质传感器、毒性传感器、视频监控设备等)，通过这些设备完成对相关排水设施器材的运行状态信息进行自动采集与处理。将所采集到的数据信息通过网络层，采取多渠道、多手段的方式传输至应用层，供应用层的相关功能模块进行使用。

2.2 网络层

网络层提供通信联络，在整个城市智慧排水系统中起到纽带连接的作用，主要负责对设备状态信息、控制信息进行传输的任务。为了保证各类数据信息传输的畅通无阻，应保持通信系统的多样性和完整性，要求网络层同时配备有线和无线网络通信设施与技术，互为补充与备份，并能够实现无缝联接和网络结构的自我配置。在城市智慧排水系统中可根据各个数据采集点的分布情况与设备特性分别采取与之相适应的数据传输技术。如在污水处理厂区域范围内由于数据采集点分布相对集中，可采取相对简单而且廉价的有线通信模式(如:WLAN)，而排水管网及泵站分系统中的数据采集点分布较为分散，则最好采取无线通信模式(如:3G、GPRS、Zigbee 等)。

2.3 应用层

应用层是整个城市智慧排水系统的核心构成部分。主要包括各相关的业务处理模块，各相关功能模块通过对接收到的数据进行真伪筛选、存储处理、模式识别、建模分析等相关操作，获取有用的数据信息，对整个城市排水系统的相关设备运行情况进行优化决策，制定出各种协调控制策略，保证整个城市智慧排水系统协调有序地正常运行。

城市智慧排水系统的关键技术是排水模型的建立。排水模型根据相关区域各流域范围内的降雨径流形成原理、排水管网系统的布设情况以及管网汇流的形成结果，模拟出现实世界中排水系统的实际配置与基本性能，最终可依据模拟结果对相关问题进行分析与研究并对所出现的问题提供决策支持。本系统采用暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model，SWMM)，SWMM 模型主要由径流模块和汇流模块所组成，可以分别模拟各子流域内所产生的降水量、径流量和污染负荷状况以及对管网、渠道、蓄水、水泵、调节闸等的水量传输情况进行模拟。SWMM模型集对水文、水力及水质的演变过程进行模拟于一体，在城市区域内对排水流域和排水管网的模拟方面有着明显的优势。

3 城市智慧排水系统总体架构设计及控制流程

城市智慧排水系统的建设思路是利用现有的通信网络，为排水系统安装上配套的相关软、硬件设备，在无需构建专用网络的情况下完成对城市排水系统的智慧化操作。在整个城市智慧排水系统中，通信网络起到将各个相关部件进行无缝联接的作用，本系统采取了成熟的B/S 模式搭建系统架构。结合城市智慧排水系统的功能划分，其具体架构可分为服务器端、监控端、客户端3 个部分，如图2 所示。

图2 城市智慧排水系统总体架构图

3.1 服务器端

服务器端设置于智慧排水中心，是整个系统的核心，主要由服务器、服务器数据库、优化决策及协调控制等模块所组成，完成对整个城市智慧排水系统的协调控制任务。主要功能是与各泵站下位机之间进行数据信息交换;通过优化决策模块生成协调控制指令;响应各客户端的数据查询与控制请求。具体来说，一方面服务器端根据各泵站上传数据信息的时效性，判断进行保存或丢弃该数据信息;对各泵站的污水流入量、污水流出量、实时水位、目标水位、机泵运行台数与运转频率等进行模拟运算，将有参考意义的计算结果存储到服务器数据库中，为以后的决策调度提供信息支持。另一方面服务器端还完成对各泵站的状态监控，根据每个泵站的运行状态与运转频率进行协调调度，以使整个城市智慧排水系统达到排水效果最优化的目的。其功能流程如图3 所示。

图3 服务器端功能流程图

3.2 监控端

监控端设置于城市智慧排水系统中的各个泵站内部，主要由下位机、本地数据库、控制器、传感器与机泵组等所组成，完成现场信息采集与设备控制任务。主要功能是完成对泵站自身各部件的监控，负责对排水设备的状态数据进行釆集以及执行相关的控制指令。监控端通过网络通信分系统与智慧排水中心的服务器端实现数据信息的传输与交换。具体操作包含2 方面的内容:

1)与服务器端建立连接，处理服务器端传输过来的控制指令信息，即对控制指令进行解析与识别，并执行控制指令实现对相关机泵组的合理协调与控制;

2)对安装在各关键节点处的相关传感器的实时数据信息进行采集，然后由监控端下位机将数据上传到服务器端。

监控端硬件设备示意图如图4 所示。

图4 监控端硬件设备示意图

3.3 客户端

客户端主要由客户端软件组成，是为了方便值班人员、维修人员、技术人员以及保障人员通过智慧排水系统对泵站进行远程的监控、维修和保养等操作而特地设置的，完成对智慧排水系统的远程控制任务。其主要功能是用户可以通过客户端软件，根据自身所具有的权限登录到智慧排水中心服务器，对整个智慧排水系统内部所联网泵站的运行状态、实时曲线、历史数据等进行监视与查询。客户端主界面如图5 所示，泵站远程控制界面如图6 所示。

图5 客户端功能流程图

图6 泵站远程控制界面

当系统正常运行时，监控端的各泵站内部传感器对进水池的水位、机泵组的开启台数以及运转频率等实时数据信息进行循环釆样，经过下位机进行初步处理后通过网络通信分系统将实时数据信息传送至智慧排水中心(服务器端);智慧排水中心根据某泵站的污水流入量和进水池的目标水位进行优化决策，生成控制指令并分别发送至各泵站下位机;泵站内部下位机将接收到的远程控制指令通过解析与判断后分配给控制器等执行设备，经过相应的处理后传送给机泵组，从而实现对机泵组的智慧控制。

当网络出现故障时，各泵站内部下位机能够灵活地转换到自动控制模式，根据自身的本地决策调度子系统计算出相关控制量后将其直接传送至控制器等执行设备，实现对机泵组的本地自动控制，完成污水的合理排放功能。

4 结束语

随着现代科学技术的迅速发展与应用，当前对排水系统的控制模式已经很难满足信息化时代下对排水系统进行统筹安排与协调调度的实际需求，而且也存在一定的安全隐患与节能环保等问题。实验表明，城市智慧化排水系统能够较好地完成城市排水系统中各泵站之间的统筹调度与协调运转，在不增加排水基础设施的情况下，不但能保证污水排放效果最佳化，避免产生内涝灾害，充分发挥现有管网的排水能力，而且能够实现对泵站的远程控制、无人值守，有效地达到节约成本、控制能耗等目的。

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