数字孪生市政排水综合管理与预警调度平台设计与应用

徐智勇,舒德伟,陈昌黎,谢林哲,张 鹏

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明 650051; 2.华能澜沧江水电股份有限公司,云南 昆明 650054)

0 引 言

受极端天气影响,全国部分地区洪涝损失较大,城市防洪排涝的重要性日益凸显[1]。排水系统在城市内涝防治体系中发挥重要作用,提升排水设施运行效益,可有效避免城市内涝或溢流事故[1-2]。当前城市防洪排涝工作还存在城市排水标准低、排水系统效率有待提高、精细化管理有待加强等问题[3]。姚志武等[4]研究了基于水雨情监测、闸泵调度和视频监控实现城市防洪排涝智能决策平台设计。然而,防洪排涝工作中,还需将管网、河湖水系、易涝点、调蓄池、智能截流井、泵站、入河排放口等设施设备作为统一的有机整体综合管理。本文通过建立市政排水地理信息综合管理与预警调度平台,以排水系统GIS一张图为基础,基于专业的水文水动力模型及水务感知物联网,实现洪涝情势分析、灾情预判、预警预报、防汛调度、应急抢险等功能,对管网、水系、调蓄池、泵站、智能截流井等各类排水设施进行精细化管理,为洪涝灾害的预警和调度提供及时、准确的决策支撑。通过实时监测、模型预演、预警告警、调度指挥、闸泵联合调度及评价分析等业务为城市管理者提供水务管理信息化、智慧化支撑。

1 平台架构设计

平台总体架构分为6层,即用户访问层、应用层、支撑层、模型层、数据层与基础设施层,如图1所示。

图1 系统总体框架

(1) 用户访问层主要针对系统设定的使用人群,包括政府、水务局、住建局、调度指挥中心工作人员、各有关责任单位以及社会大众等。

(2) 应用层是系统的核心业务实现层。主要针对水安全防治和应急指挥调度的业务需求,实现水安全问题的探查、问题点的聚焦定位、治理应对措施的确定和下达以及治理效果的跟踪评价,由各业务相关的应用系统服务组成[5]。

(3) 支撑层为上层应用层提供各种支撑服务,包含了统一身份认证、统一数据交换、对外接口服务,以及数据发布、数据管理、系统管理、数据汇集共享模块,实现对应用层系统业务的有力支撑。通过服务装配功能来对服务层的各类公共服务进行组合、装配,形成可以更好被上层应用使用的服务,如GIS底图服务、用户管理、数据交换、工作流管理等,用标准化的服务支撑各种应用的快速定制和开发[6]。

(4) 模型层通过水文水动力模型提供在线数值模拟与数据分析计算,形成预测、调度、控制、评估等参考信息,为业务管理相关部门提供防洪排涝工程调度运行管理智慧化辅助决策。

(5) 数据层是系统数据存储的资源平台,包括基础数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据和地理空间数据。通过建设数据中心,实现排水系统监测、指挥调度信息的存储、交换、共享、应用服务和资源统一管理;实现跨部门、跨地域的水文、气象、排水等数据资源的接入、接收与运行、维护、管理;实现数据资源的统一标准、统一接收、统一管理、分布式存储与集中数据发布的服务体系。

(6) 基础设施层主要为系统及大屏展示平台正常运行提供基础设施服务,包括云平台、网格化的监测站网、遥感卫星、视频监控设备、无人机、智能穿戴设备,以及保证系统正常运行需要的基础网络。

2 系统功能设计

根据基础数据源(河道,污水处理厂,排水管网,泵站,岸线)构建基础资源数据库,根据实时监测数据(河道水位水质,污水处理厂进出厂水质水量,排水管网水质水位,泵站水质水量,雨量站降雨量)构建实时监测数据库[7]。然后根据基础数据库和实时监测数据库建立内涝预警模型、河道洪水预报模型,结合专家知识库构建市排涝调度模型、河道防洪调度模型、多目标决策支持模型。通过系统开发,实现基础资源数据库、实时监测数据库、内涝预警模型、河道洪水预报模型、城市排涝调度模型、河道防洪调度模型与多目标决策支持模型间的拟合、数据管理与分析展示,实现面向“四预”的市政排水地理信息综合管理与预警调度平台建设[8]。市政排水地理信息综合管理与预警调度业务流程设计见图2 。

图2 市政排水地理信息综合管理与预警调度业务流程设计

(1) 数据资源管理。包括江河数据管理、水利工程数据管理与排水管网数据管理。通过系统性整合排水管网、江河水系、水利工程等基础设施数据,建立排水系统的全要素数据仓库,实现排水系统数据的数字化、账册化管理,保障数据查询利用的实效性和后续动态更新的便捷性。

(2) 监测感知。包括雨量监测、易涝点监测、污水主管监测、排放口监测和河道断面监测,在管网关键节点、重要排口、河道断面上部署流量、液位、水质等感知设备,形成区域排水感知一张网。通过实时高效的水务物联网平台,对所有监测数据进行统一汇集分析,全面感知管网实时运行状态[9]。

通过融合GIS一张图与监测数据,构建防洪排涝一张图,直观呈现区域防涝总体态势,实时展示与播报区域降雨和内涝情况,支撑区域防涝指挥的全局管控。

(3) 监控分析。主要包括实时监控、情势分析、降雨关联分析等功能。系统依托模型分析工具和数据统计分析工具,对区域内管理要素的运营和监测监控数据进行多维度的对比分析,提供各类可视化的图表工具,使统计分析结果更直观细致,科学高效地辅助管理单位进行有效的管理及指挥决策。

(4) 预警告警。主要包括预警管理、告警管理等功能。在数据资源基础上,业务应用系统充分利用云计算、大数据分析等先进技术,全方位实现对水务管理要素实时监测数据、预警告警数据等各类信息的统筹管理和展示。利用区域内模型的预测分析结果,提前进行城市内涝、河道洪水等应急事件的事前预警告警[10]。

(5) 应急调度。主要包括调度方案、应急调度、调度实施、抢险救灾等功能。利用系统预设的事件处置流程和事件处置手段进行城市易涝点内涝、河道洪水等各类事件的处置及管理;统筹管理区域内各类应急响应的资源力量、调度设备设施,实现调度指令下发、反馈和事后分析评价业务的闭环管理,实现人员、物资、设备设施的一体化调度[11]。

(6) 方案评价。主要包括调度方案评价、灾情损失评价、调度效果评价等功能。对调度方案进行评价,主要对洪涝开始时间、洪涝结束时间、灾情损失、人车物资调度路线、调度时间、调度效果等记录和评价,提出更优方案并形成新的预案库。

3 关键技术研究

3.1 预报模型构建技术研究

水文预报模型构建以守恒形式的二维圣维南方程为控制方程,采用Godunov型非结构有限体积法,模型采用三角形网格剖分计算域。通过计算洪水在河道及洪泛区的传播过程,计算沿程各点在不同时刻的水位、流速等水力要素,并为下游区域提供淹没范围、洪水到达时间、淹没历时、最大淹没水深等统计信息,建立适用于河道、洪泛区、城市等实际地形上洪水演进计算的二维洪涝模型[12-13]。

3.2 应急指挥调度技术研究

应急指挥调度通过接入降雨、水情及设施运行状况等实时监测信息,通过监测情势分析及模型预报,分析水情发展趋势,及时预警告警,利用闸泵调洪调度方案、易涝点“一点一策”调度方案等实现调控设施管理和应急响应、调度分析等工作[14-15]。模型服务与调度流程见图3。

图3 模型服务与调度流程

4 应用实例

根据昆明市“十四五”规划对智慧水务平台建设的要求,昆明市西山区以开展的雨污分流及海绵城市建设工作为契机,同步开展市政排水地理信息综合管理与预警调度平台建设,实现洪涝情势分析,灾情预判、预警预报、防汛调度、应急抢险等功能,为西山区洪涝灾害的预警和调度提供及时、准确的决策支撑,具体应用如下。

(1) 排水数据资源管理(图4)。系统以管网探查为基础,系统性整合了西山区管网及设施数据,建立了全区排水系统的全要素数据仓库,实现管网数据的数字化、账册化管理,保障数据查询利用的实效性和后续动态更新的便捷性。

图4 排水数据资源管理界面

(2) 排水GIS一张图(图5)。基于GIS技术建立排水GIS一张图,实现了西山区全域水网组成要素、排水管网及附属设施的全要素集成融合。

图5 排水GIS一张图界面

(3) 监测数据管理(图6)。在管网关键节点、重要排口、河道断面上部署流量、液位、水质等感知设备,形成区域排水感知一张网。通过实时高效的水务物联网平台,对所有监测数据进行统一汇集分析,全面感知管网实时运行状态。

图6 监测数据管理界面

(4) 防洪排涝一张图(图7)。通过融合GIS一张图与监测数据,构建了西山区防洪排涝一张图,直观呈现区域防涝总体态势,实时展示与播报区域降雨和内涝情况,支撑区域防涝指挥的全局管控。

图7 防洪排涝一张图界面

(5) 综合情势分析(图8)。利用排水专题图、排涝抢险专题图、雨量专题图等全面综合展示各类监测点实时监测数据,掌握监测数据发展态势。

图8 综合情势分析功能界面

(6) 预警告警管理(图9)。对于布设的各类监测点,提前配置预警告警规则,当监测数据触发预警告警规则时,启动预警告警流程,并发布短信提醒。

图9 预警告警管理界面

(7) 应急调度管理(图10)。通过启动预案、下发指令、应急会商等流程,对预警告警事件进行调度处理。

图10 应急调度管理界面

5 结 语

本文针对传统城市防洪排涝方式的不足,构建了市政排水地理信息综合管理与预警调度平台,建立了基于水力模型的智能预测方法和可视化管理方法。利用区域内模型的预测分析结果,提前进行城市内涝、河道洪水等应急事件的事前预警告警。利用系统预设的智能化事件处置流程和高效便捷的事件处置手段进行各类事件的处置及管理。统筹管理单位区域内各类应急响应的资源力量、调度设备设施,实现调度指令下发、反馈和事后分析评价业务的闭环管理,实现人员、物资、设备设施的一体化调度。