基于数据分析与监测的智慧排水系统设计与实现

■ 文/李高波

城市化进程的加快使城市排水和污水处理必将面临更大的挑战。智慧排水系统将提高城市排水和污水处理的效率和可持续性。

在城市发展过程中，对水环境问题的高度重视能为城市居民提供更好的生活环境，保证城市的正常发展。近年来，我国现代化进程加快，但在人口、自然资源等方面仍然存在一定的矛盾和限制，而城市水务工作直接关系到城乡居民的基本生存，因此系统化、科学化的智慧水务系统亟待建设。

智慧水务建设理念自提出以来一直在不断完善。智慧水务是指通过将互联网大数据采集、无线传感器等新兴技术与新一代信息技术融合，实时了解城市水务系统运行状况，推进市政水务系统管理智能化、畅通化，突破传统水务信息的局限性和时效性不足，建立各部门间高效、综合、智能的系统，建立智慧水务系统。

智慧水务系统由智慧给水系统、智慧排水系统、智慧防洪系统、智慧污水回用系统、智慧节水系统等子系统构成。智慧排水系统是智慧水务系统的一个子系统，通过物联网、大数据、云计算等先进技术，对城市排水系统进行智能化管理，实现排水过程的实时监测、预报和优化控制。

智慧排水系统现状

智慧排水系统的建设是通过物联网和信息系统建设发展而来的。目前，我国的排水系统并不完善，许多问题亟待解决。

第一，排水系统监测手段不完善，缺少监控并科学管理管网的水流量、流速和水质的管理系统。因此，流量、水质监测精度不高，排水管理系统无法及时了解真实情况，无法提供有效的应对措施。

第二，各信息系统相互独立，数据共享困难。当前，我国许多城市都建立了排水信息系统，但各部门有自己的排水信息系统，这些系统独立运行，彼此之间数据不共享，也无法进行数据集成，从而很容易形成信息孤岛，无法通过数据集成、数据挖掘等方式实现信息资源整合分析。

第三，运维管理水平较低。排水行业目前的运维管理体系仍然需要大量工人工作，工作量较多，工作效率低下，无法满足当今排水行业所需的工作量，这些问题均是运维管理水平较低所导致的。

智慧排水系统的需求性

以“为民”为核心的智慧排水系统必须立足于关注、解决排水系统中存在的上述问题，满足每个参与者的需求。智慧排水系统中的参与者主要是运维人员、城市管理者，以及该地的居民。

运维人员就是负责管理管道运行维护工作的人员，运维人员的工作水平对智慧排水系统的影响极大。智慧排水系统必须支持设施的高效运维，从而智能分析需求，及时发现问题，并提出优化解决方案。

对城市管理者来说，智慧排水系统必须满足与公司和相关机构有关的功能需要。智慧排水系统是智慧城市的一部分，是集融合、开放及共享于一体的城市大数据运营平台。城市管理者需要扩大智慧排水系统在“良政、造福社会、产业进步”中的作用，以此提高智慧城市的发展速度与发展质量。

城市居民是智慧排水系统这一新型服务的主要服务人群，智慧排水系统的建设必须以满足城市居民的实际需求和安全保障为主要前提，提高城市排水系统的运行质量，以此提高城市居民的生活幸福感以及生活质量。

智慧排水系统设计的原则

智能排水系统的设计应与时俱进，将大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术作为构建智能排水系统的基础，从而满足防汛、治污等需求。因此，智慧排水系统的总体设计原则包括以下内容：

第一，智慧排水系统的设计需要为所有利益相关者以及组织进行当前排水系统的信息查询，并将场景需求作为引导，创新建设智能化管理系统。

第二，智慧排水系统所用的数字技术必须“以人为本”。数字技术的应用使提高数据效率成为可能，从某种意义上说，数字技术可以实现业务优化、改革创新与发展突破，构建实用意义上的新型智慧排水系统。

第三，智慧排水系统必须采用平台架构。系统不仅要管理开放的架构，还要提供多种安全、灵活的接口，方便未来对系统进行扩展。

排水系统水力模型的核心功能

排水系统水力模型的核心功能包括管网数据监测、规划模拟分析、管道工况分析、城市蓄水分析和排水能力评价。

管网数据监测将管网实时监测的液位、流量、水质数据进行实时采集，并在地理信息系统（GIS）地图中进行动态展示。

规划模拟分析功能支持用户根据实际需求创造各种情境参数，分析在该情境下管网的运行情况，基于流量、流速、水质等模拟分析，对排水网络进行评估，发现运行过程中的问题，从而进行有针对性的排水生产计划及维护计划。

管道工况分析功能可以通过降雨量、最大水量等分析排水的水力计算和运行条件，计算管道水力模型，分析现有排水系统的运行状况，查明问题后确定问题原因，为紧急措施的制定提供依据。

城市蓄水分析功能利用在线模型连接到数据采集与监视控制（SCADA）系统，并收集降雨数据，模拟未来场景数据，模拟未来积水可能出现的桥区或敏感点，这将大大提高城市防汛的可预测性。该系统具有天气数据接口和水力模型接口，计算并估算区域内敏感点的积水量，包括区域内积水量、区域内最大积水程度以及积水消退时间等。

排水能力评价功能指将GIS 与现有的污水处理厂、泵站、雨水泵站、蓄水池等设施相结合，模拟处理不同类型降雨对该地区的影响。通过测量重要节点的流量，了解各流域的污水量和水样量；通过分析模拟结果与实际结果之间的误差，可以找到管道堵塞、渗水、积水等现象的问题所在，为维护排水管网工作提供一定的帮助。

基于水力模型的智慧排水应用

基于水力模型衍生出众多智慧排水应用，如智能引流门户、集中控制操作系统、决策支持、优化泵站调度、水力建模应用、预警排水方案、排水智能感知、移动应用程序等。

智慧引流门户是对外信息展示的窗口，利用多框架配置集成技术，实现各系统集成，有效防范风险，优化管理，降低信息技术维护成本，提高工作效率。

集中控制操作系统是一种排水综合运行监控系统，将污水处理厂、泵站、管网、河湖等实时监测数据集中于统一平台，为所有业务连接创建数据分析、时间提醒、远程控制等功能，集中控制操作提供了基本的综合监控能力。

决策支持包括管道流量和压力评估、流量分布、设置查询信息、动态模拟等方面。

优化泵站调度指通过历史和实时数据分析，预测未来一定时间内的运行情况。基于各种操作条件模拟分析泵站的运行过程，优化单泵站或多级泵站的决策及合理调度，增强风险控制功能。

水力建模应用须包含一个信息平台以展示模型结果。基于排水公司的管道流体力学模型，集成GIS 的静态数据和SCADA 系统的动态数据，并结合用水量的预测和分配，按水力学理论对供水系统进行水力建模与模拟计算，从而为管网规划设计、管网改造、日常运行、故障分析、安全评估、优化调度、管网控漏、预案制定等方面提供广泛的解决方案，为生产运营提供准确的数据支撑，为水务企业生产管理的全过程提供决策支持。

预警排水方案指对泵站、管道、降雨量进行测量分析，可以从仿真模型中预测该区域的关键点，估算该区域是否有积水、积水面积、积水深度等，为防洪排涝提供决策支持，并提供直观分析图，方便根据事态的现状制定计划。

排水智能感知通过实时采集污水处理处理厂、泵站、管网、调蓄池、河湖等的底层数据，并分门别类进行汇集，集成的方式就是整合、设计、共享。通过将数据生命周期管理机制与智能排水系统相结合，可以实现数据采集与集成一体化，打造实时、安全、准确、完整的综合服务。

移动应用程序使用嵌入式GIS、空间分析和无线通信技术，通过移动手持终端提供城市防汛信息、问题、反馈、应急指令等，实现智慧排水系统移动监视。该应用的功能主要包括GIS辅助查询、实际监测、预警信息、即时通信工具、设备状态展示、数据分析结果展示等。

城市智慧水务系统可以完成城市排水系统中各泵站的全部调度和协调，利用现有排水系统管道的容量提高工作效率和工作质量，还可以实施对排水系统的自动管理，达到节省成本和提高效率的目标。这种“更聪明”的排水系统使参与者的使用幸福感和满意度大幅提升。