城市智慧排水指挥控制中心建设探讨

何巍伟 武今巾 黄贤亮

(合肥中科国禹智能工程有限公司 安徽合肥 230088)

随着城市规模越来越大，城市排水系统体量也日益庞大，频发的城市内涝、黑臭水体等问题受到社会强烈关注，排水系统现行低效的管理模式也无法满足当前的巨大考验。2020年新型基础设施建设（以下简称“新基建”）首次被写入政府工作报告，在国家大力推行新基建的背景下，如何利用5G、GIS、云计算、大数据、物联网、数字孪生、人工智能等新一代信息技术，赋能传统排水行业，创新城市排水管理模式，提高城市排水日常管理、运行调度、灾情预判、预警预报、防汛调度及应急抢险能力，实现城市排水智慧化管理，是该文的重点讨论内容。

1 新基建与智慧排水

2018 年国家首次提出“加快5G 商用步伐，加强人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施建设”，提出“新型基础设施”概念[1]。2020年4月，国家发改委初步定义新基建是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系，主要包括信息基础设施、融合基础设施、创新基础设施这3个方面内容[2]。

城市排水管网、泵站、污水厂、雨水篦、检查井等排水设施是保证城市发展和正常运行不可或缺的重要传统基础设施。随着城市的快速发展，拥有巨大体量排水设施的城市排水系统暴露出各种问题，如城市内涝、黑臭水体等问题，已成为制约城市高质量快速发展的瓶颈。通过利用新基建的新一代技术手段，为传统排水行业赋能，更好地发挥传统基础设施应有的功能，从而创新城市智慧排水的管理及治理体系，已成为排水行业发展的趋势和共识[3-11]。

以大数据为载体的强信息性，以万物互联为方式的强渗透性，以一业带百业为功能的强带动性，是新基建的鲜明特征[12-13]，轻资产、新投资主体、新融资模式及新投资区域也是其重要特点[14]。从一定的技术应用层面上看，新基建是“软”的基础设施，传统基建则是“硬”的基础设施，新基建的技术应用需要以传统基础设施作为底座和应用场景。在推进城市智慧排水发展的过程中，为避免造成资源浪费，需要重点关注传统排水行业及基础设施与新一代信息技术之间的深度融合，才能更好地为传统排水行业赋能，推动城市排水智慧化发展。

2 城市智慧排水指挥控制中心

综合城市排水行业的公共性、基础设施的涉密性、多源关联数据的共享需求性等特点，该文提出通过对城市智慧排水的发展进行统一规划、分步实施，建设一个统管城市排水业务的城市智慧排水指挥控制中心（以下简称“排水中心”），并搭建“五大支撑”体系，具体如图1 所示。在已有的排水信息化基础之上，通过对传统及新一代信息化基础设施资源进行集约化建设，将城市排水行业相关政务云资源纳入排水中心进行统筹管理，提高利用效率。同时应加强网络、基础设施整合，建立统一网络、统一信息化基础设施的资源池，逐步形成一个基于政务云并以排水中心为中心的基础设施“大枢纽”，集约化管理和使用计算、存储、网络和安管等各类设施。充分利用新基建的新一代信息技术，将排水中心建设成为城市排水行业的智慧门户及行业监管及发展创新中心。

图1 总体设计框架示意图

2.1 构建一套智慧排水标准规范

遵循城市排水、软件开发、物联网、测绘、信息安全等专业的相关标准与规范，从技术和管理两个维度，统一构建一套符合城市排水行业智慧化发展特点的标准规范，以统一指导城市排水行业信息化项目建设、系统运行管理和升级维护，不断促进城市智慧排水的发展进程。不同城市针对各自特点，构建形成一系列具有本地模式特点的排水中心建设标准规范，有效指导和保障该市排水行业的有序、高效发展。

2.2 构建一座智慧排水大数据中心

根据“一数一源”的建设原则，采取集中与分布相结合的方式，依据统一数据标准、编码规则实现海量异构数据资源的有效整合。将原本分散的城市排水行业相关数据（如气象信息、基础地理信息、水文信息、天网视频、排水设施、行政区划、排水户信息、人口经济等关联数据），纳入排水中心的大数据中心进行统一管理及分析应用，共同组成数据中心的主体，形成统一的数据共享机制和安全管理机制，逐步建成统一开放、共享共用、持续更新的智慧排水大数据中心，在满足本身发展使用的同时，也可为其他行业持续输出进行应用赋能。

2.3 构建一张智慧排水物联网监测控制网

利用新一代先进信息技术，建设一张智慧排水物联网监测控制网，并集成到智慧排水综合管控平台统一管理，形成“监测一张网、控制一张图”。同时基于平台以服务接口方式实现物联感知监测资源的共享共用，为排水中心的建设及其他项目的感知终端设备改扩建提供接入服务，并实现设备状态监控管理、指令下发和远程控制等功能，以及实现物联感知监测数据的采集、存储、分析、查询、统计和可视化管理功能。

物联感知监测设备和自动控制设备的建设，需要遵循排水中心的建设标准和接入技术规范等要求，实现设备的即插即用和物联网平台的开放接入，实现对终端设备、监测数据进行统一管理，并逐步实现排水设施科学决策的智能控制，为智慧排水大数据分析、科学决策、联合调度、远程控制提供应用基础。

2.4 构建一个智慧排水综合管控平台

依托已有的城市排水信息化基础，建设一个可不断拓展的智慧排水综合管控平台，作为排水中心承载城市排水信息化建设发展的主体，为城市各单位部门、排水行业及公众提供统一的服务。平台总体架构见图2。

图2 总体技术架构示意图

2.4.1 排水设施综合管理系统

该系统实现城市排水设施及相关要素静态数据的统一管理，构建排水设施“源—网—站—厂—河”全过程、全要素的智慧排水一张图，形成并完善一套符合数据资源生命特点的运维机制，从时间上跨越过去、现在、未来，从空间上覆盖地上、地表、地下，真正实现排水设施数据资源统一管理、统一展现，为排水行业的发展提供强而有力的决策依据。

2.4.2 大数据分析应用系统

式中：k为能量损失系数，经验取值范围为0.96～0.99;PF为主要通风机静压，Pa;Qj为静压差法测得主要通风机风量，m3/s。

依托智慧排水大数据中心和智慧排水物联网监测控制网的建设，结合大数据分析技术、模型应用、人工智能等先进技术，搭建大数据分析应用系统。充分利用专业模型及相关算法（如降雨径流分析模型、气象预警模型、动态洪涝灾害评估模型、污染溯源分析模型、厂站网调度决策模型、风险评估模型、物资调度决策模型等），建立基于科学数学模型和海量信息融合分析的复杂决策支撑系统，开展深层次的数据挖掘和分析，充分发挥智能化监测、污水运行调度、防汛抢险预警、科学决策支持等方面的各项应用，为排水中心的决策部署和平台系统的各项应用提供科学支撑，持续为城市排水行业智慧化发展提供科学的数据决策驱动力。

2.4.3 防汛排涝应急指挥调度系统

该系统满足城市防汛排涝的应急指挥调度的业务需求，实现事前预警、事中调度、事后总结和专题分析的管理模式，全面支撑统一指挥、专常兼备、反应灵敏、上下联动的防汛排涝管理体制建设，有效提高城市防汛排涝应急能力和抵御灾害风险能力，确保人民群众生命财产安全和社会稳定。

2.4.4 厂站网一体化运营监管系统

该系统主要包括管网运营监管专题、泵站运营监管专题、污水厂运营监管专题、厂站网联合调度专题等应用。实现城市污水厂、泵站、管网及相关附属设施运行情况的集中查看，提供监管、风险预警、绩效指标评估、调度决策等主要功能，提升排水管理单位的监管力度，拓宽监管范围和手段，有效推动厂站网一体化发展及管理体制的创新。

2.4.5 综合业务管理系统

该系统主要包括平台维护管理、门户综合管理、工程管理、财务管理、OA系统等，满足机构部门日常行政办公的业务需求。

2.4.6 智慧排水App

按照“统一规划、统一标准、统一入口、统一用户体验、统一技术路线”的原则及排水中心总体技术框架，建设城市排水行业统一的智慧排水App 应用，实现城市排水行业的多部门联合移动办公及公众服务，充分发挥移动办公的便捷性、及时性和精确性。

2.5 构建一间“智慧排水创新应用实验室”

依托排水中心，引进排水行业专家或优质成员单位，建设“智慧排水创新应用实验室”，并以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，充分利用5G、物联网、工业互联网、大数据分析、数字孪生、人工智能等新一代先进技术，结合城市排水行业的特点，不断深化探究城市智慧排水发展的技术路线及管理模式，逐步开展城市智慧排水相关新型技术应用及新型管理模式的创新应用及工程试点示范建设，为城市排水行业的发展和排水中心的建设提供持续不断的创新动力及发展动力。

3 关键技术

3.1 Web Service和XML

Web Service技术能使运行在不同机器上的不同应用无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据或集成。依据Web Service规范实施的应用之间，无论它们所使用的语言、平台或内部协议是什么，都可以相互交换数据。Web Service基于一些常规的产业标准或技术，为多个组织之间的业务流程的集成提供了一个通用机制，部署简单，节省应用接口开发费用。XML是SGML（通用语言标识标准）的一个精简集。它是用于定义其他标识语言的一种元语言，它用于描述信息的各种标识都可以由设计者自行建立，以强化特定专业数据的结构和关联。由于XML具有数据来源的多样性和多种应用的灵活性、柔韧性和适应性，内容与形式的分离，它具有开放的标准，有助于实现数据的标准化、结构化。因此，在数据交换和协议描述上有着先天的优势，因此作为数据交换的基本格式。

3.2 B/S技术架构

B/S模式具有标准化、高效率、易操作、易实现等优点，可以完成跨空间、实时的信息传输和数据共享。可以实现真正意义上的超远程档案归档和查询，对客户端的要求极低，只需要一台PC 机和一个浏览器，易于使用，客户端无需维护，这些优势都是传统的C/S模式所不具备的。

3.3 GIS技术

地理信息系统（GIS）技术不仅可以有效管理具有空间属性的各种物理对象信息，对物理对象管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可以有效地对多时期的物理对象状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益。

3.4 物联网技术

物联网是指利用各种传感器装置和技术对各种物理对象进行感应、采集、识别和定位，实时获取其物理、化学及生物特征的相关数据信息，并基于通信网络进行连接交互，实现人与物、物与物之间的万物互联，实现对物理对象及其相关过程状态的智能化感知、识别分析和控制管理，让所有能够被独立寻址的物理对象形成互联互通的网络[15]。利用物联网技术实现城市排水系统的全面感知，可实时监测掌握排水设施的运行状态，并结合大数据、AI 算法实现排水系统的健康诊断分析、故障预警及相关智慧化应用。

3.5 模型技术

利用SWMM、InfoWorks、Mike等成熟排水模型，结合数字孪生等二三维建模技术对城市排水设施建模，对城市排水全过程进行旱天、雨天多场景仿真模拟，动态评估城市排水系统的整体健康状况。提供城市排水能力结构瓶颈分析、淤积风险分析、水力负荷分析、溢流风险分析、内涝风险分析、泵站及污水厂负荷能力分析等功能，辅助管理人员判断排水设施的运行状况，为城市排水系统规划设计、设施运行维护与管理、工程城改造、应急抢险等业务提供支撑。

3.6 数据融合技术

数据融合技术[16-17]是通过对不同来源获得不同种类的时序监测数据在一定标准下自动进行融合分析和态势预测，为决策者提供直观、准确和科学的数据支撑。它包括数据信息采集、分析和处理的过程，涉及对不同来源、不同种类和不同平台传感器获取的数据信息的融合分析处理和综合评估。与一般的数据处理相比，数据融合技术能更加快速、准确、可靠、连续及全面地提供研究目标的有关态势和综合性结论。

目前，我国大多数城市排水行业信息化水平偏低，城市各类涉水数据体量巨大，在来源、时空尺度、属性、精度、结构、量纲等方面存在很大差异。当前数据融合标准不统一、数据共享机制不完善、数据关联分析薄弱、监测系统建设成本高等突出问题严重制约着智慧排水的发展。数据融合技术是以数据采集网络和大数据分析技术为基础，以协调优化和综合处理为核心，以多源数据信息为对象，将智能技术与数据化技术进行有机融合。充分利用数据融合技术，可以更好地服务于城市排水的智慧化建设。

4 结语

新基建从2018 年中央经济工作会议首次提出到2020年首次被写入政府工作报告，可见国家对新基建的高度重视。新基建的快速发展，也必将对传统行业带来巨大的变革。积极探索和拥抱新基建，依托新一代信息技术的不断发展，并赋能城市排水基础设施进行技术应用创新及管理模式创新，是引领城市排水行业智慧化发展的必经之路。