扬州市智慧排水安全综合监管平台设计与实践

赵泉中 ，张 强 ，杨志勇 ，宋爱琪

（1．山东新松工业软件研究院股份有限公司，山东 济南 250101；2．济南市城乡建设发展服务中心消防验收服务部，山东 济南 250000；3．扬州市给排水管理处，江苏 扬州 225100；4．山东正元地球物理信息技术有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

为努力践行“绿水青山就是金山银山”的绿色发展观，根据《智慧江苏建设三年行动计划（2018—2020 年）》和扬州市《 2019 年民生幸福工程任务分解表》的要求，突出“互联网 + 政务”“互联网 + 民生”，深入推进智慧扬州建设，普及智慧民生应用，丰富完善“云上扬州”[1]基础数据库。在实施清水活水工程，完成市区黑臭水体整治[2]的基础上，为持续保护和改善城市水体环境，改善人居环境质量，提高管理和应对风险的能力，达到一张图展示利用排水数据的目的，整合各方已建系统和数据资源，开发建设扬州市智慧排水安全综合监管平台（以下简称监管平台）。

目前，智慧排水系统研究多集中在技术选型、功能模块和网络建设方面：在技术选型方面，多采用 GIS、物联网、数据库等主流技术[3-4]；在功能模块方面，以一张图展示、水质预警、水量均衡调度、模拟仿真、数据共享为主[5-6]；在网络建设方面，多选择局域网或互联网 + 水利专网的路线[7]。但对不同地域、历史时期建设的系统如何进行整合并建设统一平台这方面却鲜有提及。结合前人研究成果并根据扬州市实际情况，在满足安全三级等保的要求下，提出采用电子政务网、专线、互联网混合组网的方式，进行数据汇聚，可屏蔽不同地域、历史时期、厂家技术异同等因素，充分利用现有设施和成果，以较低的成本构建监管平台。

1 现状分析

扬州市排水行业管理主管单位为扬州市给排水管理处，区县主管单位为区县水利局或住建局。

行业管理的职责包括：负责本辖区供水过程中的节水工作；负责本辖区供排水专项规划的编制并监督执行；负责本辖区供排水设施建设的计划统筹与协调组织，设施建设、运行和养护的监管；负责本辖区供水、排水、污水处理管理；负责本辖区供排水工程方案技术审查，并监督实施过程和专项验收；负责本辖区地下管线工程的行业管理和业务指导，工程方案技术的审查，并监督实施过程，参与工程竣工验收；参与编制本辖区地下管线综合规划；负责地下管线信息系统建设、运营和管理。

1.1 现有数据及系统分析

扬州市完成了市区地下综合管线普查，建立了地下管线 GIS 系统。完成了市区范围排水管线CCTV（Closed Circuit Television）检测，形成了文字报告和检测视频库，建立了信息系统。“云上扬州”提供云计算资源及数据共享服务，已共享较多数量的应用服务。各污水处理厂在不同历史时期建设了自己的 SCADA、视频监控系统。市区 32 座排水泵站，建设了视频监控和中控系统。

1.2 存在问题分析

市级和区县排水业务主管部门无法科学、及时、高效地掌握排水业务相关数据，采用传统人工监管模式，频率低，周期长，应急模式也处于被动应付的局面，效率较低。主要存在以下 4 个方面的问题：

1）排水企业发展不平衡，信息化设备建设标准不统一，数据传输标准不统一，数据库建设标准不统一[8]。总体来说，城区企业优于乡镇企业，国资企业优于合资企业。

2）排水企业信息化建设单一独立，实用性低。排水企业虽然已经建成部分信息化系统，但有些系统建成时间长，更新滞后，甚至被弃用或停用；有些系统虽然新建不久，但系统之间相对独立，不能形成体系，信息孤岛的状态仍然存在。

3）缺乏全面完整、科学有效的水务及其附属设施数据库，缺乏专业的排水网络模型分析及管理工具，难以制定高效的行业监管指导计划。

4）给排水管理处没有排水业务管理平台，无法及时掌握全面信息，无法实现和省、区、县业务主管部门数据的互通共享。

1.3 安全需求分析

排水是关系民生的重要事业，排水数据安全是城市安全的一个重要方面。监管平台部署在“云上扬州”这个大平台下，需满足三级等保要求。

2 建设目标分析

通过信息化手段，将互联网、物联网的创新成果与排水管理进行深度融合，对排水厂、网、站、池监测数据进行采集，整合，分析，研判，依据设定的管理阈值对数据进行自动预警，作为排水行业实时管理的依据，支撑排水监管基础性和扩展研究性工作，实现全市排水监管的信息化、智慧化。

2.1 排水业务监管专业化

根据排水行业发展、监管要求建设信息系统，实现对污水处理厂进出水口部位数据的在线监测[9]，手动填报实验室水质检测结果数据，并对在线监测数据与实验室检测数据进行耦合对比分析，以全面有效掌握排水水质状况。

依照国家水质监管标准规范设置报警阈值，在标准范围内根据不同水源地、时间、地区的实际历史曲线测算各排水企业的水质监测区间，以保障排水达标排放。

2.2 监管业务管理层面协同化

通过互联互通、纵横联动，实现跨层级、地域、系统、部门、业务的协同管理和服务，将过去各自为政、各行其是的“稳态”信息系统，打造成全程全时、全模式全响应、牵一发而动全身的“敏态”智慧系统，实现排水治理方式的智慧化。

依托“云上扬州”平台框架和云计算中心的资源共享服务平台实现跨部门、系统业务数据的联动使用，确定标准化的数据共享目录。由市级统筹，直接接入全市各排水企业及附属设施监管数据，并授权各县（市、区）实现对本辖区各企业的监控指挥调度，实现对各企业在线和非在线监管数据的获取。

2.3 监管体系标准化

利用数据资源畅通流动、开放共享的属性，优化重塑再造业务，使监管模式从人工监管向智慧监管转变，监管频率从单次长周期向实时化、常态化转变，应急模式从被动应付向主动分析预警转变。建立新的标准化监管体系，促进排水行业监管考核标准的转变[10]。

参照相关法规，统一技术标准，对数据采集的频率和质量做出统一规定，为今后分析决策提供支撑。

3 平台设计

3.1 总体设计

监管平台建设采用高内聚低耦合的多层架构[11]，从逻辑上将子系统划分成许多集合，而层间关系遵循一定的规则。通过分层，可以限制子系统间的依赖关系，使系统以更松散的方式耦合，从而更易于建设、维护和升级。子系统可以根据需要从整合框架中任意拆分出来或加载进去，而不影响整个应用体系的运行。总体架构如图1 所示。

图1 总体架构

总体架构由云设施层、接入层、数据层、服务层、应用层、展现层构成，从总体上确保项目顺利实现，稳定运行，后续扩展。具体分析如下：

1）云设施层。主要提供监管平台运行所需的节点主机、云存储、网络等硬件，以及将这些硬件整合成一套完整的云计算环境所需的配套软件。

2）接入层。实现扬州市物联网传感器的适配、安全接入和身份认证，保证采集数据传输的安全可靠，并通过对数据的协议解析、转换和提取，实现数据的传输。

3）数据层。将各类数据统一组织和存储，实现资源按需分配，为指挥调度平台及各专项应用系统提供数据支撑，以更好地满足扬州市各行业监管部门、各专业运营单位、各级用户对数据资源的需求。

4）服务层。以标准规范的数据接口，通过提供数据发布、共享、交换、分析等服务，为指挥调度中心及专项应用系统提供支撑，并实现与扬州市数字城管系统的集成应用。

5）应用层。通过指挥调度平台和专项应用的建设构建统一联动的信息化平台。

6）展现层。通过门户系统实现各类应用的单点登录、消息集成，以及权限、用户和组织机构的统一，并对各类信息及辅助分析结果进行统一展示。

7）标准规范体系。遵守各项国家、行业和地方性标准与规范要求，制定切实符合扬州市智能管网建设运行和管理的标准规范体系。

8）运维服务体系。为确保运维工作正常、有序、高质地进行，必须针对运维的管理流程和内容，制定相应的运维管理制度，实现各项工作的规范化管理。

3.2 网络架构及安全设计

“云上扬州”整体部署在电子政务网中，分为公共区、互联网区、运维区等七大块。监管平台和数据库布署在电子政务网公共区；接收数据采集传输仪（以下简称数采仪）数据的服务器布署在互联网区，在数据接收并进行解析处理后，通过网闸将数据摆渡到公共区监管数据库；区县主管单位和所属污水厂选择专线的方式，组成局域网，区县主管单位将局域网和区县电子政务分中心（电子政务网）打通；“云上扬州”和江苏省电子政务网连通。区县主管单位和所属污水厂通过专线连接，在各单位增加防火墙等安全设备，添加相应的安全规则，满足安全要求。网络连接方式如图2 所示。

图2 网络连接方式

3.3 数据汇聚设计

不同单位使用的数据获取及存储技术手段各异，进行数据汇聚融合是一项复杂的工作。依据对各污水厂调研的实际情况，数据汇聚主要采用现有系统提供的二次开发接口、数据库及数据采集传输仪等 3 种方式进行数据上传。

3.3.1 区县污水厂

污水厂依据下发的需上传数据项目，通过开放数据库、提供系统二次开发接口、将 PLC 数据抽取到数据库表等方式，准备各自的数据。数据上传有以下 2 种方式：

1）将数据推送至区县主管单位服务器。

2）监管平台开发单位在区县服务器上部署数据抓取程序，到污水厂提供的地址抓取。

视频数据提供视频地址即可。

3.3.2 泵站管理单位

泵站管理单位开放自己的数据库和视频地址，市级主管单位直接抓取相关数据到监管数据库。

3.3.3 区县主管单位

区县主管单位和本行政区各污水厂利用专线组成一个局域网，并将这个局域网和电子政务外网打通，负责将本行政区域内的数据转发到监管数据库。

3.3.4 市级污水厂

市级污水厂接入电子政务外网专线，利用专线将数据上传至监管数据库。

3.3.5 市级主管单位

市级主管单位负责在“云上扬州”搭建监管平台，接收市级污水厂、泵站管理单位、区县主管单位转发的数据。

3.4 用户与权限设计

污水厂、泵站管理单位继续使用原有的系统，监管平台不给他们分配用户；区县主管单位拥有本辖区企业的数据和功能权限；市级主管单位拥有全部的数据和功能权限，并负责维护监管平台。

3.5 功能设计

3.5.1 数据查询统计

监管平台集成地下排水管线数据、CCTV 检测系统及成果，可实现以下功能：

1）通过查询，方便快捷地了解地下管线的分布及标高、埋深、管径、材质、权属等信息。

2）通过拓扑分析，了解管线的上下游关系。

3）通过连通性分析，确定不同位置管线是否连通。

4）通过统计，了解某范围内符合设定条件的管线长度和管点数量及位置。

5）通过查看 CCTV 检测结果文字报告及视频影像，了解管网的健康状况，确定管网是否需要修复。

监管平台集成了排水大户数据，可以随时查询排水户及许可证信息。

监管平台以日报、月报、年报等多种方式和维度统计水质达标情况；以不同时间长度计算污水处理量，结合供水数据得出污水处理率；根据设备运行状态，计算设备在线率；根据预警次数及报警信息，分析污水处理工作需要加强的方面。

3.5.2 水质数据管理

污水处理厂进、排水口水质各参数根据设置的时间间隔，由设备自动上报。监管平台可随时调取查看不同时间段的历史数据。

为确保数据的可信性，督促企业把好水处理质量关，设计数据比对模块。将实验室检测结果和在线监测数据进行比对，数据指标差超出一定范围，监管平台进行预警，增强监管能力。

3.5.3 预报预警处置

为实现市区泵站、管网、调蓄池及全市污水厂运行动态一屏“观、管、防”[12]，选取管网关键节点，安装水位、流量等监测设备，实时监控排水系统关键节点雨量、水位、流量、水质等关键运行信息[13-14]。监管平台后台设置阈值，一旦有指标超过预警值，系统以声光方式弹出报警信息[15]，工作人员接警后根据实际情况，选择启动预设好的预案及流程。

监管平台事先已按照不同类型事件（如爆炸起火、污染超排、重点部位积水等）录入处置流程、预案，一旦有重大污染及事故发生，根据不同类型的事件启动应急预案[16]，调取相关的基础数据，查询附近的物资储备，从专家库中选择业务对口的专家，在最短时间内对事故进行处置。

3.5.4 模拟仿真

以 DEM（数字高程模型）数据叠加正射影像图作为底座，河道关键节点的水位及流量数据为基础依据，充分考虑预测的降雨量、排水管网及泵站的运行状态，对未来态势进行模拟[17]，为排水运行调度提供支持，辅助实现排水厂、站、网、池一体化运行的自动感知，水质保障，水量均衡的目标。

3.5.5 移动巡查

移动巡查为手机端，主要实现巡检任务和隐患的管理，满足日常巡查管理的需要，发现问题及时上报，值班人员启动流程对隐患事件进行处置[18]。

4 重点任务分析

4.1 数据标准制定

排水自身及相关业务数据种类较多，经过归类，分为基础地理数据（地图、地名、地址）、在线监测数据（水质、流量、水位等）、气象环保数据（降雨、河流断面）、基础辅助数据（排水管线、CCTV 检测、排水大户）等。为便于利用，针对每类数据制定了相关数据标准。

4.2 排水数据汇聚

监管平台数据接入涉及的厂家多，分布范围广，网络环境复杂，不同区县使用的安全措施不一样，各污水厂对建设监管平台认识程度不一致，数据汇聚耗费大量时间、人力、资源。根据各厂的实际情况，实时数据采用原有系统二次开发并上传到特定数据库、中控数据转存到本地数据库等待抓取、数采仪发送到特定地址等方式，汇聚到“云上扬州”排水数据库，视频数据通过专线汇聚到视频平台。

4.3 排水数据建库

依据数据目录，将排水管网数据、CCTV 检测数据、污水厂资料、泵站资料、排水大户信息、专家库人员信息、物联网设备、实验室水质数据、在线监测数据等进行建库，建立排水基础数据库。

4.4 监管平台建设

整合数据后，依据工作需要，定制开发功能项，满足日常使用及监管要求。

4.5 平台等保测评

监管平台部署完成后，需要有资质的测评单位对整个平台进行三级等保测评，针对发现的问题逐项进行改正。

5 应用成效分析

监管平台自 2020 年 6 月正式上线以来，运行稳定，在经济和社会效益方面均取得一定的成效。以 2021 年 7 月 16 日扬州市暴雨为例，16 日下午，扬州市区暴雨如注，部分低洼路段、下沉式立交有明显积水。利用监管平台成果，通过安装的摄像头和水位设备，3 min 就能查看 1 个积水点位的数据，并将积水深度展示在附件的电子屏上，提醒过路行人注意安全；根据实时数据，从全局考虑实施厂站网联合调度[19]，积水点使用强排车进行作业，积水时长减少 1 h。通过监管平台，提高了工作效率，减轻了工作人员的负担，节约了时间成本，增强了服务社会的能力，每年可节省成本约 30 万元。

主管部门每年都要深入各污水处理厂进行检查、考核。利用监管平台，调取 1 个厂 1 a 的历史数据仅需分钟级的时间，再查看历史报警及污水处理量等数据，几分钟就能根据数据了解 1 个厂 1 a 的运行情况。用 2 d 时间，即可将全市所有污水厂的运行情况梳理清楚。考评打分依据更加科学充分，经济成本每年可节约 80 万元，时间成本可节约 10 d 以上，人力成本可节约数 10 人次。

6 结语

借用“云上扬州”纵向不同层级、横向不同单位网络互联互通的便利，再结合专线、互联网（数采仪使用互联网）各自的特点，在保证安全的前提下，实现了数据汇聚。提出了采用现有系统提供的二次开发接口进行数据上传，通过数据库及数采仪进行数据上传的方案。梳理了主管单位、污水厂、泵站管理单位各自承担的任务，承担的任务，可给今后同行建设此类平台提供参考。梳理了监管平台具备的功能项，给主管单位履职做技术支撑。在区县主管单位设立数据分中心，将数据汇聚到“云上扬州”，给主管单位履职做数据支撑，可提高主管单位的监管和应急处理能力，防范化解潜在风险。

人工智能技术快速发展，在安全生产、水质处理、自动调度[20]等方面总结梳理共性问题，采集相关数据，对模型进行训练，代替人工实时诊断存在的问题并自动采取措施，是今后排水行业的建设热点。

在每天不同时段，需处理的污水量不同。在国家“双碳”目标[21]大战略下，研发相关的软硬件产品，根据来水不同，自动调整设备功率，减少能耗，也是今后排水行业绿色发展的发力点。