雄安新区孝义河河口湿地水质净化工程物联网系统设计

李登峰

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

为了践行党中央“生态优先、绿色发展”的核心理念，打造“蓝绿交织、清新明亮、水城共融”的生态之城，雄安新区正在大力开展环境整治工程建设。孝义河河口湿地水质净化工程位于雄安新区安新县安州镇境内马棚淀孝义河入淀口处，处理水量20 万m³/d，工程占地总面积2.11km²。工程建设内容主要包括水质净化、生态修复、物联网平台、配套设施及公共工程等。

作为信息科技产业的第三次革命，物联网技术能够把传感器、控制器、机器设备、人员等生产环节联系在一起，实现信息的智能监控管理。本项目物联网平台通过打造数字湿地CIM 平台和物联服务支撑平台两大基础支撑平台，建设水雨情监测、水质监测、泵阀监控、视频监视、通信和运维六大业务系统，实现对湿地工程智慧化管控。

1 总体设计

（1）系统架构。物联网平台的系统架构由感知层、网络层、数据层、支撑层和应用层等共同组成：①感知层。感知层是获取信息的基础，通过相关硬件实现信息的感知，包括传感、识别、图像获取、GPS 定位和数据传输等技术。传感、识别、图像获取、GPS 定位等技术主要用在IoT 数据的监测感知上，借助各类传感器、视频摄像头来实现。②网络层。网络层是信息传输的载体，主要包括专网、公网和远程控制等技术。专网部署在泵阀监控系统中；公网用于水雨情、水质数据传输的辅助网络；远程控制技术是指在控制专网环境下，对泵站、闸门以及视频摄像头等各类设备进行远程控制。③数据层。数据层主要包括数据存储、数据管理、数据集群、数据挖掘、数据分析等功能。通过分类、预测、聚类等方法，挖掘对湿地运行具有价值的信息。④支撑层。支撑层主要包括SOA、Web Service、REST、系统集成、三维渲染、三维模型编辑等技术。SOA 是面向具体业务系统提供服务的架构。Web Service 是SOA 的一种实现方式，表现为REST 风格。系统集成指将各类业务应用系统集成于到基础平台。三维渲染技术可在主流计算机配置环境中稳定、流畅运行。三维模型编辑技术可实现多源异构数据的快速整合。⑤应用层。应用层是面向用户的系统界面，主要包括水雨情监测、水质监测、泵阀监控、视频监控等业务管理系统。通过应用模块和端口，满足工程管理的各项应用。系统预留接口，为后期其他系统关联互通打下了基础。

（2）业务流程。总体业务流程共设计为三类应用场景，分别为前端感知层、现场监测站和管理中心。在前端感知层，业务流程主要侧重于前端监测设备的数据采集与接收控制指令。现场监测站侧重于前端感知数据的汇聚和管理处控制指令的接收，管理中心侧重于各业务应用系统的数据汇集、数据整理、可视化展示以及相关业务的联动管理。

（3）数据库。数据库设计分为两大类：公共数据库和专用数据库。公共数据库存储的是各个业务系统都需要用到的数据，包括项目规划、设计等信息、组织结构、用户权限、BIM、GIS 等数据。公共数据均存储在公共数据库中，统一建设数据库，不需要在各系统使用到这些数据时重复建设，实现了数据的共享。专用数据库存储的是业务系统在管理过程中产生的数据，与业务流程紧密相关，数据量持续增加，主要包括水质在线监测数据、人工检测数据、巡检数据、设备数据、能耗数据、视频监控、统计分析、监测预警等各类数据。各个系统的业务应用数据库在自身业务中生成，根据业务生成情况单独建设，也可以供其他系统读取使用。

依据相关标准规范，结合管理的实际需求，建设工程监测数据库、水质监测数据库、业务管理数据库等八个数据库。

2 基础平台设计

基础平台为各业务系统提供基础支撑服务，保证业务系统按照各自的管理逻辑流畅运转。

（1）数字湿地CIM 平台。数字湿地CIM 平台以GIS、BIM 技术为核心，为湿地净化、生态修复相关业务提供宏观分析层面的信息服务，实现业务的宏观信息与三维数字化相关模型的联动展示分析，为工程提供全生命周期的数据支撑和辅助决策。数字湿地CIM 平台设计了四大功能模块，分别为智慧决策模块、数据管理模块、资源服务模块和三维展示模块，为各业务系统提供基础和拓展服务。

（2）物联服务支撑平台。物联服务支撑平台通过建设统一的物联网数据采集接口，对各类感知层监测设备数据进行统一采集和管理，通过数据整理和清洗，为各业务系统提供数据支撑，同时，遵循相关数据规范标准，向外部系统开放数据接口，提供数据服务。物联服务支撑平台根据物联设备接入、管理、数据分发的工作需求，结合系统提供的协议适配、数据分析、数据交换、系统权限进行设计，分为监测设备接入与管理、数据分析共享、平台运营运维与安全管理四部分内容。

3 业务系统设计

（1）水雨情监测系统。水雨情监测系统通过对水位的监测和流量的测算，掌握监测点水资源的利用情况及趋势，方便湿地整治效果考核，同时，为河道防洪调度和水资源优化配置提供基础数据和服务。系统采用自动监测的方式，利用自动化监测设备对所有监测点水体水位、流量、流速等水文数据信息进行采集，并能够通过光缆有线网络及无线2G/4G 网络自动将数据发送到水雨情系统监控中心，实现对数据的存储、分析处理。达到数据采集、数据通讯、数据管理、数据分析和报警等功能。

（2）水质监测系统。水质监测系统能够及时了解水质变化情况、监测修复效果、实现水质污染应急处理。系统采用自动监测、人工监测两种方式，实时在线监控河道水质情况。在河道进出水等位置布设自动化检测仪，可快速获得水体的PH 值、浊度、COD、总磷、总氮、氨氮、SS 等指标，数据实时回传至水质监测中心，自动分析评价相关数据，分析各河道断面出水水质是否低于河道进水水质，确保整个湿地水质达到规范要求，为预防和及时发现污染事故提供辅助决策。

（3）泵阀监控系统。泵阀监控系统实现泵站以及阀门的集中控制和调度，减轻运维负担、满足实时联合调度需求，最终达到无人值班运行效果。项目共设计5 个提升泵站，各现场站控制室内均设有1 台集中PLC 控制屏，通过电缆与现场各类传感器、仪表、执行器等设备进行信号采集传输，完成信息上传至管理中心进行数据处理、存储和分析。

（4）视频监控系统。视频监控系统由监控中心、传输网络、现场监控点三大部分构成。主要包括视频监视、视频控制、视频服务、管理维护、视频编码、视频查询、视频存储、报警、智能分析报警功能、可视化管控、监控中心等功能。有效监控湿地运行情况，保障人机料运行安全，为湿地的运维管理提供信息化支撑。

（5）通信系统。通信系统负责将前端感知层设备采集的数据回传至管理处各系统，传达管理处控制、调度指令传至各系统感知层设备，实现各管理处与雄安云之间的数据通信。传输网络采用自建光缆为主、公网为辅的方式进行通讯。

（6）运维系统。运维系统为工程运维阶段的各项业务提供便利，保证项目正常生产运行。系统主要包括七大功能模块，分别为巡查维护、维修养护、管理考核、值班管理、设备管理、工单管理、突发事件响应，实现工程的智慧化运维。

4 结语

采用GIS 技术、IoT 技术、BIM 技术、三维模型编辑等技术搭建的物联网平台，实现对湿地水雨情、水质、泵阀运行等相关数据的采集、分析、挖掘和应用，对孝义河湿地净化工程的规划、建设、运营治理全过程管控，为各类业务提供实时监控和辅助决策。平台还预留足够的接口，为开发完成后接入雄安新区其他相关管理对象或功能扩展打好基础，实现雄安新区层面的统一管理和业务应用。