城市排水管网液位在线监测系统设计与实现

李志涛，张慧，印小军

(钛能科技股份有限公司，南京，211800)

引言

随着我国经济的高速发展，城市化进程也随之不断加快，城市规模不断扩大、人口激增，城市地下管网的运行负荷逐步加重，内涝积水、管网堵塞等问题屡见不鲜，直接影响了城市居民的生活质量。随着GIS技术、物联网技术、智能传感技术、移动互联网通信技术等先进信息技术的不断涌现和成熟，使得排水管网数字化、智慧化管理成为可能。通过构建排水管网在线监测预警系统，能够有效地提高市政管理工作的效率及质量，大幅提升城市应急响应能力，实现城市排水管网系统的全方位可视化监控和全局化科学调度管理。

1 存在问题

(1)矛盾多：城市发展建设与排水设施需求建设不同步；管道规划设计不合理，排水管网不通畅、设计容量不匹配，导致管网满溢；重建设、轻养护，养护管理水平低下等。

(2)管道乱：雨水管网建设情况不容乐观，雨水回收利用存在许多问题，城市内涝现象严重。

(3)监测难：城市排水设施监测能力薄弱，监测手段落后，遇到突发极端天气导致内涝，管网缺乏有效预警措施。

(4)维护繁：排水管网深处地下，管线隐蔽、管材多样、建设标准低，质量差，年久失修等。

2 总体设计

2.1 建设目标

通过在排水管网关键节点、低洼易涝积水点布设智能液位感知终端，实现管网液位在线监测、积水监测、多级预警、内涝分析和堵管分析等功能，满足政府主管部门对管网的日常运维、运行调度、灾情预警、防汛调度、应急抢险等管理需求。

2.2 设计原则

建成的排水管网液位在线监测系统必须遵循系统完整、技术领先、稳定可靠、易于实施等基本原则，有效保证系统所有软件和硬件设备能够安全、稳定、可靠运行。

(1)系统完整性原则

从感知层、网络层、通信服务层、应用层进行设计，提供从物联感知设备到系统应用软件一体化的解决方案，保证系统安全、可靠地运行。

(2)技术领先性原则

系统采用当今物联网技术发展的主流产品。在满足基本使用需求的前提下，应充分考虑技术上的先进性，延长系统的生命周期，避免因技术落实过早而被淘汰。

(3)设备可靠性原则

设备选型应充分考虑其环境适应性的要求，所选择设备必须具备防水、防尘、防爆、抗震和高精度、高稳定性的特性。设备优先选择内置电池供电和无线传输方案，电池模块应方便更换，无线传输方案应具备高穿透性和广连接的特性。

(4)实施可行性原则

设备安装简单、方便，具备多种安装方式，并确保后续维护方便，降低运维成本。系统平台部署简单、快捷，可兼容多种运行环境部署，具备简单、实用、易用的移动监测软件。

2.3 布点方案

收集市政排水设施管理单位和运营维护单位的相关业务需求，结合历史经验，液位监测布点方案主要遵循以下原则：

(1)选取具有代表性的监测点，能够反映排水系统液位运行情况；

(2)选取历史低洼易涝点进行液位监测；

(3)尽可能覆盖监测区域范围，避免出现监测盲区；

(4)选取的安装点应满足施工及后续运维保养需求；

(5)系统性布点，能够有效指导闸泵站联调联控。

2.4 测量方式选择

排水管网液位在线监测设备按照测量方式可分为接触式和非接触式两种测量方式。接触式测量方式中常见的监测设备主要是投入式压力水位计；非接触式测量方式主要是超声波水位计和雷达水位计。

2.4.1 投入式压力水位计(接触式)

优势：价格便宜，安装简单，测量精度高，量程宽，可测满管与非满管，管网溢流时仍能准确测量。

劣势：排水管网水环境中含有大量的淤泥、油污、漂浮物等，淤泥、油污和漂浮物会将压力传感器探头覆盖，导致设备无法正常工作。

2.4.2 超声波水位计(非接触式)

优势：体积小巧，耐腐蚀，与水体非接触，不受水体中的杂物覆盖、腐蚀等影响。

劣势：在窨井内的有效监测量程较小，超声波水位计采用的是声波作为收发信号的，由于声波容易受到温度、湿度、压力等环境影响，容易发生漂移，从而会导致监测精度较低。排水管道溢流状态下，若该类型传感器被淹没，则该传感器的监测值会跳变，无法准确测量。

2.4.3 雷达水位计(非接触式)

优势：在窨井内的有效监测量程较大，最大可达10m；雷达水位计采用的是电磁波作为收发信号，由于电磁波不受温度、湿度、压力等环境影响，所以雷达水位计监测精度很高；与水体非接触，不受水体中的杂物覆盖、腐蚀等影响。

劣势：价格昂贵；安装位置和角度对测量结果有影响，安装工艺要求较高；排水管道溢流状态下，若该类型传感器被淹没，则该传感器的监测值会跳变，无法准确测量。

经综合对比分析，方案建议选择投入式压力水位计，在投资预算允许的前提下，可考虑选择压力式水位计与雷达水位计的组合监测方式。

2.5 设备选型

地下排水管网水环境具有潮湿、满管溢流、腐蚀、淤泥、漂浮物、水流速度较快、浑浊且有油污、管道内气体有毒、管道内气体易燃易爆等特点，在此环境下工作的液位监测传感器须遵循以下原则：

(1)传感器须具有防腐蚀性能；

(3)传感器须具有防爆认证；

(4)传感器宜采用电池供电，低功耗设计；

(5)传感器精度受压力、温度、湿度的影响较小；

(6)传感器可与无线传输设备通信，实现监测数据无线传输；

(7)传感器易于安装、维护方便；

(8)传感器可在恶劣和复杂的工况下稳定工作。

2.6 总体架构

排水管网液位在线监测系统采用面向服务(SOA)的分层架构体系，总体架构分为智能感知层、网络传输层、数据服务层、应用支撑层、综合业务应用层、展示交互层以及标准规范体系和安全保障与运维体系，具体如图1所示。

图1 系统总体架构

智能感知层：应用各种液位传感器、流量传感器、水质监测传感器及视频监控，实现排水管网液位实时监测、内涝积水监测，并完成数据采集及远程传输。

不仅一味赞颂、阿谀逢迎标榜是“正能量”，连《面相手相断吉凶》《情人老婆哪个重要》《球员性感娇妻排行榜》等封建迷信、鸡毛蒜皮、文化垃圾也都标榜起了“正能量”标签。而与此同时，一些犀利辛辣的针砭时弊之声、月旦社会之语、激浊扬善之鸣以及给领导提个意见、讽喻邪恶丑陋等，反倒被某些人谬斥为负能量。

网络传输层：将感知层采集到的液位数据传输到系统平台，传输方式优选移动运营商的无线网络，方案推荐选用4G网络或NB网络。

数据服务层：支持海量数据分类存储、分析、调用、共享及数据维护更新。主要包括管网GIS数据、实时监测数据、运维数据、运营数据、视频图像、共享交换数据等非结构数据，实现多源海量异构数据的集成与统一。

应用支撑层：提供数据即时通信服务、管网数据管理、管网模型管理、运维模型管理、分析模型管理、预警模型管理、数据库引擎、GIS引擎、消息引擎、规则引擎等功能，为上一层级服务提供支撑。

业务应用层：主要包括实时数据监测、管网综合监测、报警信息管理、数据诊断分析、运维管理、资产管理、状态评估等功能。

展示交互层：为市政主管部门、运维服务公司、市民提供系统应用功能展示和交互，主要展示方式包括电脑端、移动端和大屏展示。

两个体系：标准规范体系为项目建设提供了标准化依据，能够有效保证项目的顺利实施以及提高项目实施的成功率。安全保障与运维体系的构建，保障了系统的硬件安全、软件安全和信息安全。

3 系统功能实现

(1)综合监控：基于GIS“一张图”，在“一张图”上能够清晰显示各测点位置信息、监测数据信息、实时告警信息，可在“一张图”上通过点选，展示监测点的位置坐标、实时数据、视频监控、历史曲线等信息。

(2)实时报警预警：系统支持预警液位、报警液位、满溢液位阈值的设定，通过液位监测传感器的实时监测值与预设阈值比较，实现管网液位异常情况的多级告警，并完成告警信息的自动推送，通知相关部门人员采取措施。

(3)管网综合调度：实时掌握排水管网的运行状况，结合气象数据和排水管网调度模型完成对排水泵站的控制，通过及时地调控，确保管网正常运行，有效预防城市内涝发生。

(4)数据诊断分析：数据分析诊断模块支持数据的同比、环比、任意曲线对比等功能。通过液位数据的不断积累，能够实现实时数据与历史数据的对比，通过对比可以评估管网的运行情况，及时发现管网淤堵、坍塌、内涝等问题。

(5)运维管理：可对告警内容进行建单、流转、分配、反馈、评价等闭环操作，实现运维工作的数字化管理，提升管理效率，保证工作质量。同时，运维管理模块还支持对运维人员的考勤管理和绩效评估功能。

(6)资产信息管理：主要包括管网信息、监测设备信息、监测点位置信息、运维信息、备品备件库存信息、图纸资料等基础数据信息，可手动修改和录入。

(7)移动端APP：支持实时查看监测点液位信息及实时报警信息，能够满足运维人员工单排程派发、告警接收、事件上报、巡检记录、考勤打卡、数据查询分析等需求。

(8)市民互动平台：市民通过微信小程序将发现排水管网出现满溢、淤堵、井盖丢失等问题，以文字、语音、照片的形式上传至平台，经主管部门审核后发送养护单位或运维公司现场处理。

4 总结

城市排水管网液位在线监测系统是基于GIS技术和物联网技术开发的城市排水管网数字化监管工具。系统通过长期稳定运行，可以积累大量管网监测数据，这些数据能够直观反映排水系统的运行规律，定量分析城市内涝积水风险，定性分析管网淤堵问题，为城市排水管网的养护提供数据支撑，辅助市政主管部门科学定制应急预案，提高城市内涝风险的抵御能力，做到及时发现风险，快速响应，避免内涝、堵管事件的发生或将影响范围最小化。同时，液位监测数据亦是完善城市排水管网模型的基础，通过排水模型的构建和完善，不断推动排水行业由数字化向智慧化迈进。