一种关于物联网技术的城市污水管道智能监控系统的研究

黄浩 刘天旗 王建宇 戴鹏 李猛

摘要：伴随人们生活质量的提升，污水管道中的油脂块之类的垃圾数量也日渐增长，更多成分更复杂的沉积物堆积在管道中不仅影响了管道耐久，而且由于沉积物堵塞污水管道也带来了城市内涝等各式各样的环境问题。为此，我们设想了关于物联网技术的城市污水管道智能监控系统，本研究旨在通过技术手段对城市污水管道实行监测，合理地对人力物力资源进行分配，高效地维护管理污水管道，并将有研究决策价值的大数据分析报告提交给相关部门和科研人员使用。本研究不仅解决了城市污水管道错综复杂难以监管的问题，避免了管道损坏及其带来的环境危害，也为管道的改进提供了参考数据。

关键词：城市污水管道;物联网技术;大数据

引言

人们生活质量的提升使其对居住地周边的环境需求更上一个阶层，在此方面将造成许多本不必要的资源浪费，而科技的发展恰好可以解决此问题，使得我们可以使用更方便快捷的方式改善人们的生活。本研究积极响应“感知中国”理念，将物联网技术与污水管道的监测结合，对生态环境以及人类出行、工作环境安全做出保障，且得到的数据可进行大数据分析供给科研使用，不仅通过自动化的终端解放了大量的人力物力，并在一定程度上对现有的“智慧城市”管理平台进行了补充和改进，以更低的成本遏制了环境污染源的进一步发展。

1城市污水管道技术背景调查

1.1技术问题现状

目前我国对城市管理问题已经采取行动。例如智慧城市下水道及市政设施管理监控系统，其主要是通过对下水道污水的水位、流速、流向、淤堵程度、沼气浓度进行实时数据采集和监测;对窨井盖、配电箱等进行破损、防盗监测;对电线杆、户外广告等利用RFID或二维码设置有效标识。该方案为下水道和市政设施管理提供精准性判断、智能化决策。但该方案仍缺乏对城市污水管道内部监控的科学性方案，且在大部分地区仍是人工监测或事后抢修，前者不仅耗时耗力，且工作人员的人身安全有一定的风险，后者则已经对生态环境或人类生存造成了一些长期且无法逆转的影响。因此我们提出本项研究，以期在智慧城市的基础上对污水管道内的沉积物堆积堵塞问题进行科学性的补充，进一步在源头上遏制污水管道沉积物堵塞问题，保障人民生命安全，保护环境。

2智能监控系统的设计方案

2.1 方案构想

本作品针对城市污水管道中易出现油脂块等沉积物堵塞的问题，基于国内外对城市污水管道的研究现状而设计提出，建设一个关于物联网技术的城市污水管道智能监控系统。本系统由终端、区块中转站点及数据决策中心所组成。终端负责对各污水管道点的状况实行监测，并将相关数据传输至较近的区块中转站点，区块中转站点联网将数据上传至数据决策中心。数据决策中心运行算法处理数据，及时将异常情况及异常点信息报告给清理人员进行清理维护，并自发的设计合理的人员、路线方案，以期在沉积物形成一定规模但未造成灾害及污染时实现提前预警。同时数据决策中心会根据城市各个区域的污水管道情况输出大数据报告，供给有关部门及科研人员了解居民生活水平及改良污水管道。

2.2 系统设计要点

2.2.1 终端

终端由单片机、超声波模块、气体传感器模块以及信息传输模块组成，分布在城市各区域大小污水管道中形成一张巨大的传感网。终端能够监测管道中的有毒有害气体，并将对污水管道中的两种异常情况进行监控：

1）当污水管道中积水高度较低，低于固体沉积物：终端的超声波传感器测量固体高度，当其达到了某个值时，则短时间内重复多次测量操作取平均值，若该数值持续高于设定值，则标注此点异常，并使用信息传输模块将异常发送给区块中转站点。

2）当污水管道中积水高度较高，高于固体沉积物：终端的超声波传感器测量水位，当其达到了某个值时，则短时间内重复多次测量操作取平均值，若该数值持续高于设定值，则标注此点给排不畅，并使用信息传输模块将异常发送给区块中转站点。

2.2.2 区块中转站点

区块中转站点由信息传输模块及互联网服务模块组成，分散在不同的片区。站点的功能是将小片区内单片机收集到的数据打包，通过互联网传送至数据决策中心。

2.2.3 数据决策中心

数据決策中心的主要功能是利用算法处理各片区的数据。数据决策中心对数据分析之后，快去定位异常点的方位、确定异常种类（有害气体浓度较高、污水管道堵塞）、查询工作人员工作状态等，智能化地安排合理的人力处理异常。异常解除后，定期对所有数据进行大数据分析，生成城市内部分区划的污水管道大数据报告。

3性能分析

3.1 研究痛点及解决方案

本研究解决的痛点之一在于灾害天气（如暴雨）来临时，对积水量监测及道路内涝预警。本研究能够对城市污水管道内部进行日常化的监控，当灾害天气来临时，安装了本系统的污水管道就会因为日常管理维护恰当，所以污水流动通畅。很大程度上能够预防暴雨天气引起的城市内涝，在保护人们安全的同时，减少了公共财产和物资的消耗。且当积水量大到完全无异常的污水管道也没有办法给排的时候，本研究在时刻监控水位走向的同时，运用算法快速响应定位，及时预警可能的灾害信息，指导一线抗洪工作。

本研究解决的痛点之二在于预警污水管道内部有害气体的浓度过高，防止发生因各种气体引起的危险。本研究终端中装设有气体传感模块，不仅可以测量易燃易爆的气体，及时通风排气防止爆炸，也可以实时监控有毒气体的浓度，防止清洁人员和居住在周边的人们发生中毒事件。

3.2 研究在实际应用上的社会职能

当前市面上已经存在的污水管道检测方法仍然是非常原始的，即人工定期处理的方法，且多在已经造成一定的损失之后才会进行补救，效率极其低下。人工巡查管道将浪费许多不必要的资源，且管道内部情形杂乱无比，人工无法搜寻到每一个角落，管道内部情况也会有一些潜在的危险带给工人。而在地面上已经出现异常后，再对管道抢修则会带来一些已经发生的公共财产损失，也会影响人们的生活质量。所以本研究能够以一种智能高效的方法解决这些问题，铺网式的传感网络使得我们脚下的污水管道的每一寸出现异常时都无处遁形，高效的信息处理中枢使得人们不再不知何故而前往，规避了工人的风险，也节省了无意义的人事劳作，在污水管道发生的问题未对环境带来任何压力时解决问题，建设干净、清洁、智能的现代化智慧城市。

4总结

综上所述，现阶段城市污水管道的监测问题仍值得人们深究钻研。本项目重点可供给市政部门、城建部门、物业单位及大型酒店等场所使用，政府部门使用本系统可以大大的改善居民生活环境，洪涝灾害进行精准定位预警，降低环卫人员清理污水管道的风险，建设更安全、舒适的城市;物业、酒店等单位采用本系统则可提高服务质量，吸引在意污水管道问题（如居家污水管道反味）的潜在客户，提升现有客户的服务依赖性。本系统极大的控制了成本，保证了效果，真正做到了保护环境又带来经济、社会效益的双丰收。

5致谢

本项目由武汉东湖学院“东湖未来之星”大学生科研基金项目资助。

参考文献

[1]王越.污水管道中油脂沉积物的形成机理及控制方法的研究进展[J].当代化工研究，2018（03）：104-107.

[2]汤霞，陈卫兵，李怀正.城市排水系统沉积物特性研究[J].环境科学与管理，2013，38（03）：55-58.

[3]杨云安，管运涛，许光明，陈俊，贺凯，吴光学.老城区不同功能区排水管道沉积物性质研究[J].给水排水，2011，47（09）：159-162.

[4]蒋隽睿.排水管道内沉积物沉积模拟与分析研究[J].中国市政工程，2014（02）：35-37+41+107.

[5]肖启阳，李健，孙洁娣，曾周末，靳世久.基于EWT及互时频的天然气管道泄漏定位[J].仪器仪表学报，2016，37（12）：2735-2742.

[6]黄浩. 一种基于EWT及互时频的城市排污管道智能监测系统[P]. 湖北省：CN213712669U，2021-07-16.

武汉东湖学院“东湖未来之星”大学生科研基金项目资助。