以物联网技术为核心的污水管网预警系统

宋雷震

(淮南联合大学 智能制造学院，淮南 232038)

物联网作为新型的信息交换以及通信理念，具有智能化、识别和通信、互联3个重要特征[1]。智能化表示网络中事物具备控制化、反馈自动化的特点；识别和通信体现出万物之间连接和互动的网络物质基础；互联则是物联网络的基本条件。物联网络通过传感器、红外传感器等先进的技术，结合数据协议实现数据相通，最终达到物和物、物和人万物互联的状态。物联网技术成为目前经济和技术发展的新纪元，其在智慧医疗、食药安全、物流运输、公共事件等方面应用广泛[2]。该技术的核心是融合无线网络和物理世界，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。此次研究提出基于物联网技术实现污水管网管理，结合实际经验，构建出污水管网预警系统[3]。

1 基于物联网技术的污水管网预警系统

1.1 污水管网网络拓扑结构和逻辑结构

物联网技术作为科技发展应用中的关键组成部分，涉及信息的获取、传输、分析、实施等环节。物联网技术整体结构是开放式结构，常见的架构组成有感知层、网络层、应用层。感知层作为物联网的物质基础，经常会使用到智能传感器、编码、射频识别等先进技术，实现数据自动化采集以及智能控制，数字化、精度高、实时性是该层的特点。网络层因其位于3层结构中的中间，所以又被称为传输层。该层的功能是把从感知层获取到的信息内容及时准确地传输至应用层，同时也可以将应用层决策信息反向传输到感知层[4]。现阶段以太网或者光纤冗杂网等材料结合TCP/IP协议可达成数据交互。此次研究结合海绵城市的特点，引入物联网技术，构建污水管网预警系统。污水管网预警系统的目标和设计遵循实用性、先进性、完整性、可靠性、经济效应高的原则。监测预警系统采用四层次的网络拓扑结构，包括数据采集终端、传输数据、处理服务器、监控中心，所用的先进信息化管理手段是模块化数据集成、GIS(Generalized Information System)地理信息系统、物联网、数据通信[5]。网络拓扑结构如图1所示。

图1 网络拓扑结构示意

采集终端包括监控设备采集和能源供给2个部分。前者使用监控传感器对管线节点、道路积水点、低洼处监测点等实现监测和数据的初始化工作，后者是指内置锂电池、太阳能、外置可充电电池等供电设备。数据传输层经GPRS(General Packet Radio Service)把监测数据传递给终端服务器。终端服务器可根据监测点的液位情况调整数据采集频率。监控中心主要是指移动手机、中央屏幕、计算机、打印机。用户可以随时查看现场情况并及时做出相应的调整。污水管网预警系统所使用的B/S架构可实现数据的实时更新，包括数据采集层、通信层、资源层、业务逻辑层、功能表现层5个层次(图2)。

图2 污水管网的监测预警系统的逻辑结构

1.2 污水管网预警系统设计

数据采集层包含采集监测设备和能源供给2个部分。针对海绵城市污水管网分布密集且数量庞大的特点，系统使用投入式液位计、超声波液位计进行数据采集。设置低洼处、立交桥、河道、雨水井等监测点，监测管网的运行情况以及监测点水位状态，利用通用数据接口连接高低频传感器数据，以避免数据格式不同导致传输效率低的问题[6]。能源供给结合了太阳能、蓄电池、市电3种供电方式，并安装供电互补控制器，满足动态切换太阳能和市电供电方式，减少传统单一供电模式耗能高的问题。监测设备的型号结合实际情况需要满足以下几点：量程范围是0～300 m，适用范围为水井、污水池、蓄水池、窨井等液位的测量；具备高测量精度、宽温度范围、高稳定性及可靠性、抗干扰能力强、方便安装且价格实惠等优点。

数据通信层包括无线数据传输模块(DTU)、GPRS网络通信、操作系统，该层核心是无线数据传输终端，将传感器收集的信息经GPRS传输至终端服务器。数据通过计算机串口传输，设定服务器公网IP和端口号以及串口参数。DTU的指示灯有电源指示灯(POW)、工作状态指示灯(NET)、连接指示灯(DATA)。

数据资源层称为污水管监测预警系统的数据仓库，包括基础地理信息库、综合管线数据库、污水监测数据库。基础信息数据库涵盖道路、绿地、水系等地形数据；综合管线数据库监测设备数据和液体监测信息，内容包括污水管线、雨水管线；污水监测数据库内容涵盖管线节点和河道监测信息。数据库的物理结构是数据库涵盖内容的属性值，由于篇幅受限，研究仅展示部分字段属性值，见表1。

表1 数据库内容部分属性值

业务逻辑层是管网监测功能实现的重要环节，也是连接功能表现层和数据通信层间的桥梁，包括要素层服务、GIS Web服务、二维地图服务、空间处理服务、数据交换服务、管线分析服务。该层接收功能表现层发来的请求并进行相应的逻辑处理，之后将最终结果传递给客户端[7]。ArcGIS 服务器将地图文档通过地图服务的形式发布出来并给出对应的REST API，客户端经ArcGIS API for JaveScript提取地球资源，实现交换、空间处理等地图服务。与此同时，该层还能分析管线等数据和处理数据逻辑。ArcGIS 服务器提供缓冲区、面积、长度几何计算的Geometry Services内部引擎且准备REST API进行数据储存。实现步骤为：①构建缓冲区参数对象和几何服务对象；②设置缓冲区域的参数并进行buffer指令，涉及几何对象、距离、单位、空间参考参数；③利用识别模块查看缓冲区域的管线、管点、面；④把结果对象以符号的形式添加到图层。

利用阈值判断2个污水管道之间是否出现堵塞，如果阈值大于设定值认定2个管道间发生堵塞，反之则为畅通状态。研究使用广度优先搜索算法(BFS)进行连通性分析，判断管道是否存在连通图和非连通图。该算法是一种盲目搜索算法，通过遍历节点查找目标。客户端选定起始管道为目标，依据回溯方法和遍历理论获得终止管道，确定两端管道间的路径并分析连通性的情况(图3)。

图3 连通性分析示意

第一步，将管线S0设置为起始管线并存放于LineList列表中，查看和起始管线相邻的S1，S2……管线。第二步，确定S1，S2……相邻管线是否在LineList列表中，若不在，即设定S0和S1，S2……分别为主管线和从管线。并将主从管线的信息存放于ListBodyNext列表中，然后将从管线作为起始管线，进行第一步操作。第三步，遍历主从列表，确定某从管线是否是该起始管线的终止管线，如果不是，则2个管道未连通；如果是，则将该起始管线存放在路径列表，并确定对象的主管线是否是起始管线，如果是，则两管道连通，如果不是，即将该对象主管线设置为终止管线并继续第三步的操作。

功能表现层是用户操作可视化界面层(Web浏览器)，经逻辑层处理数据并将结果呈现给浏览器，通过地图显示出来。界面层由BootStrap，JavaScript，CSS框架构建，具有较好交互性、方便用户操作。界面层实现功能有监测数据查看和统计，污水管网数据查看、分析、统计，防汛预警历史信息查看、统计。二维地图服务利用百度地图的服务接口实现污水管预警和监测，并以设置点的图标覆盖显示状态和位置。实时监测数据的处理和显示是将数据库的数据输入ECharts图表库得到饼状图、柱状图、折线图，可以实现高度个性化、交互式、直观的可视化数据图表。预警系统通过数据列表显示预测和监测信息，有利于监测点的运行状态和监测点位置的获取[8]。分析和查询污水管线的数据是通过功能表现层实现的，经REST API获取污水管线图层和基础地理图。查看和统计几何结果选择点、多边形、圆等多种形式。

2 污水管网预警系统功能测试

2.1 资产管理和运行监控模块分析

为测试系统的有效性，对基于物联网技术的污水管网预警系统进行污水管网资产管理、污水管网运行监控、防汛预警管理三大功能模块分析。监测点设备大多分布于管点处，地图中监测点的位置和管点位置一致[9]。研究首先进行管网的资产管理模块功能分析，所设计系统界面直观显示用户输入位置且出现液位监测设备和液位运行情况，正常状态下的色标为绿色，如果高出预警线则会出现黄色色标，若超过报警线则会出现红色色标，并显示预警信息。系统可以实现监测设备、管点、管线等的几何信息查询，且高亮显示已选中的实体。同时系统可以实现管线长度、管线材质、管点特征的统计，其中管线长度和液位趋势所显示的效果分别如图4所示。

图4 管线长度和液位趋势的示意

实验通过连通性理论进行堵管分析，判断起始管段和终止管段两管间是否存在堵塞，测试结果表明堵塞和不堵塞均能正常显示，界面会出现高亮提示，箭头分别显示起始管段和终止管段。进行污水管运行监控模块功能测试，系统界面能查询历史时间内位置信息、设备信息、液位情况。其中实时液位涵盖井深线、报警线、预警线，直观看出监测点的液位情况。液位趋势包括最低水位、最高水位、平均水位。系统可以通过柱状图显示液位情况，某一区域在2019年某一时间段内的液位趋势如图5所示。

2.2 防汛预警和系统性能分析

实验最后进行预警管理功能测试，结果验证系统可以实现查询和统计预警数据。此次研究展示某一区域在2019年某一时间段内防汛预警数据和预报频次结果如图6所示。液位预警区间为[1.4 m，1.8 m]，液位报警范围为1.8 m。

实验选取2019年污水管网系统预警数据，进一步利用时效性、准确率、漏报率指标进行污水管网预警系统分析，结果如图7所示。结合准确率和漏报率数据可以看出，预警系统在6，7，8月份的准确率低且漏报率高，这主要是因为在这3个月份经常出现降雨情况，预测警系统灵敏性能可能降低。准确率最高值和最低值分别为98.7%和96.3%。漏报率的最高值和最低值为3.3%和2.2%。预警系统的准确率可以看出其整体性能较为稳定，但在6，7，8月份的耗时较长且耗时均在0.3 s以上，其余月份的耗时均在0.25 s左右。系统在实验期间为保证数据的真实性，采用多种方式测试数据结果的准确性，以确保数据的真实、可靠。

3 结论

1) 针对原有污水管网系统无法满足实时性和智能化的需求，此次研究提出了基于物联网技术的污水管网预警系统。针对污水管网中最易出现的堵塞问题和超过警戒液位问题采用预警系统可以提前发现，当预警系统检测到此时管内某一段区域两端液位开始出现差值，并且差值逐渐发生变化，则预警系统会发出信息提示，告知用户可能发生管网堵塞；若预警系统检测到水位超过设定警戒值，随即会发出预警信息，提示工作人员注意水位变化。

2) 利用GIS技术和网络通信技术、在物联网技术基本构架基础上构建五层预警系统，包括管网信息查询、管网信息统计、管网数据分析、预警数据管理四个模块。经污水管资产管理、污水管运行监控、防汛预警管理三大功能测试分析，证实所提出的预警系统能高效准确得实现液位数据的监测和预警，并能准确分析起始管道和终止管道两者的连通性。该系统的准确率最低值和最高值依次为96.3%和98.7%，漏报率的最低值和最高值为2.2%和3.3%，预警耗时值为0.25 s左右。此次研究未对水灾的影响进行模拟分析，这将是下一步需要完善的工作。