南京市污水处理监管信息平台设计与应用

马丁山,杨 锐,马智宸,田 芮,赵明进

(1. 南京市供水节水指导中心,江苏 南京 210004;2. 南京市水务设施管理中心,江苏 南京 210036;3. 南京市测绘勘察研究院股份有限公司,江苏 南京 210019)

0 引 言

随着经济的快速发展,城乡居民物质生活水平不断提高,环境问题日益突出。环境是人类赖以生存的空间,环境污染直接影响人类的生活和发展;因此,对环境污染的治理将是一项不可或缺的重要工作,而污水处理则是其中重要的组成部分。南京市作为国家重要中心城市和发达地区省会,截至2020年,城市常住人口931.97万人,污水年排放量108 857万吨,污水处理率97.9%[1]。污水处理厂出水水质是否达标、污水管网“健康状况”如何、污泥最终如何处置等,直接关系到城市水环境与生态环境的安全。

随着物联网、新一代移动网络、大数据等智能信息技术的迅猛发展,信息技术化发展正酝酿着重大变革和新的突破,更高阶段的智慧化发展已成为必然趋势[2-3]。信息技术水平的不断提高,为解决南京市城市污水治理推进过程中的问题提供了新的思路和途径。城市污水处理监管的信息化是当前改善城市水环境的客观需求,也是加强城市污水处理监管的必要手段[4-5],但目前水务行业管理信息化建设中,仍存在监测体系不完善、信息孤岛问题突出、信息服务及监管方式落后等问题[6]。基于物联网、大数据、地理信息等技术,建立先进的南京市污水处理监管信息平台,实现污水处理的实时与有效监管,提高污水监管工作的规范化、精细化、智能化管理水平。

1 需求分析

1.1 水务数据中心建设需求

污水处理监管业务繁杂、涉及信息面广、各类信息分布零散,随着南京市城市污水处理信息化的不断推进,水务信息资源管理与系统利用面临着信息资源分散、交换共享不畅、利用效率不高、系统间接口繁杂等问题,亟需构建统一的大数据中心,有效地收集污水处理厂运营数据、污泥处置数据、再生水利用数据、排水管网及运维数据、泵站运维数据、排水户数据等各类污水监管数据,实现信息资源的汇聚、存储、清洗、管理、分析和配置,为城市污水处理监管信息平台提供高效的数据服务管理功能,实现污水信息的“有序整合、高效共享”。

1.2 物联感知体系建设需求

物联感知体系是实现污水处理信息化监管的必备前提。污水管线的运行状况主要靠人员巡检、管道CCTV(Closed Circuit Television )检测等手段获取,对污水管线的养护工作也基于管线破损事故或者养护团队的经验进行。运用物联网技术,结合大数据分析技术,为污水管线、提升泵站、污水处理厂实现“厂站网”一体化的运行状态感知和运行分析,是当前污水处理监管工作的主要任务。基于南京市现有基础感知条件,根据实际业务需求,在管网关键节点安装流量、液位等监测仪表,结合污水处理厂和泵站的监测数据,形成监测类型丰富、监测手段多样、信息传输稳定的物联感知体系,为污水处理厂网系统的建设、运行、维护以及污水处理业务监管与排水监管执法,提供信息化辅助决策手段。

1.3 监管业务应用建设需求

面向污水处理厂监管覆盖面少、排水许可证后监管难度大、缺乏实时有效的移动端监管手段等问题,基于监管业务实际应用需求分析,建立集信息共享、运行监控、综合态势分析于一体的多功能监管信息平台,实现各类污水处理数据可视化管理、数据及时更新与维护、污水设施维护管理高效考核、各项业务监管信息化提升,打造城市污水处理监管信息平台全功能体系,为污水治理提质增效提供有效支撑。

2 总体设计

2.1 总体目标

南京市污水处理监管信息平台总体目标是充分利用新一代信息技术,采用微服务架构模式,构建智能感知、数据融合和智慧应用三大体系,实现污水智能感知、运营、监管及决策的全过程智能管控。

(1)一张图览全局

构建污水设施数据底座,水务数字资产“一图总览”。汇聚排水户、污水管网、泵站、污水处理厂等基础设施的空间信息一张图,总览城市污水设施全局,为规划设计、工程改造、运行管理、应急抢险提供可靠依据和决策建议。

(2)一张网全感知

借助窄带物联网等通信技术,建成全面感知污水处理“空天地”一体的智能感知网络体系,更好地以信息化手段感知污水基础信息及水情、雨情、工情等信息。

(3)一体系全监管

紧扣水务管理实际业务需求,建成基于大数据和人工智能的监管和决策辅助体系,提供可视化的污水处理厂监管、排水许可批后监管、泵站监管等决策支持服务,实现信息化、智能化的城市污水智慧化监管。

(4)一APP联业务

搭建“水务易”移动端应用系统,实现污水监管业务管理服务随时、随处可用,打造便捷高效的城市污水监管服务应用体系。

2.2 架构设计

根据对污水处理监管业务需求的充分调研与工程应用实际需求的理解,搭建系统实现的核心构架,如图1所示,总体系统架构设计采用SOA的技术架构,形成“五横两纵”的体系结构。其中,“五横”包括感知层、网络层、数据层、应用层和用户层,“两纵”包括安全保障与标准规范体系、污水管理相关机制,形成以污水设施基础数据汇聚和各感知监测点数据采集为基础,平台为核心,通过统一门户实现对污水数据、应用和服务的集成。全面提升南京市污水处理监管信息平台系统效能,实现污水管理的更全面的感知、更主动的服务、更整合的资源、更科学的决策、更主动的控制和更及时的应对。

图1 南京市污水处理监管信息平台总体架构

(1)感知层

感知层通过各种物联网设备提供对各类污水设施监测监控信息的实时、动态感知与传输服务[7],是系统平台各种实时数据的来源,包括视频监控、水质监测、液位监测、流量监测、电气控制等。

(2)网络层

网络层即指计算机硬件支撑中心,解决信息资源的硬件支撑问题,包括基础环境、网络环境、机房环境、物联网。基础环境包括计算、存储、安全资源池,网络环境包括电子政务网、互联网、移动互联网等。

(3)数据层

数据资源层指明了数据的来源,包括各类数据在数据库中的存储内容、组织方式和存储机制。存储方式可采用文件系统与数据库软件相结合,满足基础空间数据、实时监测数据、三维模型数据和文件、多媒体的不同存储要求[8]。

(4)应用层

应用层针对污水管理部门用户提供与污水管理相关的应用服务,包含智慧监测、水务设施GIS一张图、污水处理厂运营监管、排水许可证后监管、泵站监管、污泥处置监管、水务易APP等。

(5)用户层

满足不同用户在综合监管、智慧调度、态势分析、辅助决策等方面的管理需求。

(6)平台安全保障与标准规范体系

涉及以上各层次的安全,同时需要建立安全支撑环境和安全管理制度以及建设和遵循的数据标准规范和技术标准规范。

(7)污水管理相关机制

包括污水管理涉及的监督机制、处置机制以及考评机制。

3 应用场景

南京市污水处理监管信息平台建设自2016年起启动,经过两期的项目建设,充分整合污水设施数据资源、物联感知设备资源、信息化系统资源,实现全息化、集中化、实时化、智能化的污水运营管理新模式。利用最新信息技术手段,基于已建的排水设施,为提质增效、黑臭水体治理等水务重点业务的完成提供信息化保障,为城市污水行业监管提供强有力的支撑。

3.1 污水设施精细管理

针对城市水务发展的现状,建成基于户(排水户)、网(污水管网)、站(泵站)、厂(污水处理厂)等设施“一张图”的污水处理监管信息平台。实现源头、管道末端、污水处理厂内全方位的立体管控,为污水处理监管工作提供基础数据支撑,同时构建厂站三维模型、管网三维场景,实现设施的二三维一体化展示,如图2所示,提供一个掌握设施总体情况的数据驾驶舱,满足污水管理的精细化要求,提高了污水设施建设和发展过程中的管理水平。

图2 排水设施二三维一体化展示图

3.2 水质水情智能预警

通过立体的物联感知网络,实时获取监测数据,感知水质、管网液位、雨量等信息。系统支持以污水处理厂纳污范围为单元查询整个污水系统范围内的监测点的实时液位数据,方便相关人员掌握该系统内排水管网监测点的数量以及存在高水位运行的点位,同时根据叠加在管网上的监测点的监测数据可对该集水区域的数据进行分析评估是否有溢流的风险,为污水处理厂的运行调度、满管溢流整治以及管网的问题溯源提供数据支撑。

3.3 智慧物联关联分析

系统依据污水管网的拓扑关系,通过监测点与上游管井或下游管井的监测点进行关联,可一键获取监测点的上游或下游监测点的液位信息。通过管井上下游液位的变化情况,分析该管网的运行状况,分析是否存在管道堵塞、管道破裂等情况。

3.4 定量分析辅助规划

针对污水管网长期监测数据缺失问题,按照管网主干节点优先、管网分支节点次之的原则,布设长期流量液位监测点,用于管网监测数据的长期获取和定量化分析。通过对液位、管网、气象等多种数据进行大数据分析,结合经验模型与水力分析模型,实现监测期液位水量统计计算和变化分析、旱季管道外来水入渗分析、降雨期污水管道雨水流入分析、泵站及污水处理厂来水流量分析等方面的分析,支持污水管网规划设计与运营管理。

3.5 排水许可批后监督

通过掌握南京市重点排水户的基础属性与实时监测信息,结合地图管线数据,辅助查看排水户周边可接入管网的情况,实现对新办证的排水户进行挂接许可证、更新排水户信息等功能,结合排水许可信息,实现许可证到期排水户的系统自动报警提示。对已下发排水许可证的排水户进行批后监管,在系统上可查看排水户的现场核查结果,提高排水户监管能力。

3.6 水厂运营立体管控

系统通过接入36家污水处理厂水质水量的动态监测数据,包括水质、流量、氨氮、总氮、化学需氧量、总磷、悬浮物和pH等指标,有效地收集污水处理厂运营数据,监管污水处理厂超标排放。同步净水公司建设的自动化控制管理系统的业务数据,供移动端等系统使用。以动画、专业图表、专题地图等形式展示水务感知信息,结合数据填报、台账报表、绩效管理等业务功能,有效管理分析考核区域内污水处理情况,形成立体管控机制,提高监管工作的现代化管理水平。

3.7 污泥运输有效监管

为了确保污泥运输作业合规,根据污水处理厂污泥车运输监管工作需要,建立污泥运输信息化监管系统,通过车辆监管、运输监管、报警管理、运单管理等业务功能模块,实现“车辆现在在哪里”“车辆从哪里出发去哪里”“倒斗报警查看与处置”“污泥运输台账”等应用。根据车辆运行速度和倒斗状态持续时间的综合分析,有效避免因污泥车监控设备运行工况环境恶劣导致的重复报警问题,实现污泥运输过程中的及时报警与有效监管。

3.8 水务信息高效共享

建立水务设施地理信息共享服务平台,包括门户子系统、服务目录管理子系统、服务监测子系统。门户系统是各类水务设施空间数据资源、各种应用系统的集中展示中心,实现一站式服务,同时向政府、企事业单位提供排水专题空间数据服务。服务目录管理子系统为分系统各类数据服务提供统一的管理界面,保证用户能实现对空间信息的在线获取与应用。提供服务监测功能,发现问题或故障可及时告警,确保服务、数据库、网络环境正常、安全运行,保障平台安全、稳定、高效的运行。

4 结 语

南京市污水处理监管信息平台以集约化、绿色运营为理念,具有硬件资源统一化、数据资源标准化、业务应用平台化、执法监管可视化、业务决策大数据化等特点。通过监管信息平台的应用,极大地减少了水务工作人员的业务工作量,让信息化真正成为污水处理监管业务工作的提升引擎,提高城市污水业务处置与应急响应能力,加快城市水务管理的现代化进程。