智慧排水系統設計與研究

賈華峰 馬運成

（正元地理信息集團股份有限公司山東分公司，山東濟南 250000）

1 智慧排水系統需求及主要建設內容

城市排水防澇是一個復雜關聯的工作，涉及應急、建設、水利、市政等多個相關部門。在城市重點區域的排水管網安裝在線監測設備，可以實時監測排水系統的運行數據，對長期運行的數據進行分析，通過量化分析城市積水風險，對城市易積水地點進行提前預警，降低城市內澇造成的損失，不斷積累相關數據，為建立數學模型、科學評估內澇風險及應對措施奠定數據基礎，大幅度提高城市應對排水內澇事件的信息化管理能力。系統主要通過排水監測設施建設、排水專題數據庫建設、排水管網在線監測系統、排水設施遠程監控系統、防汛應急調度系統、管網模型模擬系統等工作的建設實現排水管網的智能化監測以及城市排水的應急處理等，及時預警，防止城市內澇的發生。

2 系統的總體框架

系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統的總體框架

感知層：主要是物聯網感知設備，對排水管網各項參數進行實時的監測。

傳輸層：通過物聯網專用網絡、互聯網等網絡設施，對物聯網設備數據進行遠程傳輸。

平臺層：通過統一的數據平臺進行數據的管理和服務的調用。

應用層：各項功能應用，包括在線監測、預警信息、數據分析等。

統一門戶：各應用系統，用戶通過各應用系統對排水管網進行狀態進行實時監測和管理。

3 系統建設方案

3.1 排水監測設備建設

窨井水位監測設備：在排水管網的關鍵位置的窨井安裝部署在線水位監測儀，實時監測窨井水位情況，上報數據。

排水管網流量設備：在城市排水管網的關鍵節點部位安裝排水流量設備，對排水管網的流量進行實時監測。

雨量站：部署數量站對降雨情況進行實時監測。

河道水位監測設備：實時監測河道的水位信息，通過數據上報功能將河道水位數據實時上報到平臺。

易積水點水位監測設備：對城市重要積水點安裝積水監測設備、無線通信設備（分為道路監測點、立交橋底部監測點），通過無線通信網絡向監控中心傳輸積水水位信息。

3.2 排水專題數據庫建設

（1）空間數據。

空間數據指具有空間信息的矢量、柵格數據，包括基礎地形數據、排水管網及附屬設施數據、遙感影像數據、監測點數據等?；A地形數據主要包括居民地及設施、交通、植被與地質、水系、地形地貌等數據。排水管網及附屬設施數據主要包括排水管網管線、節點、附屬物等數據。遙感影像數據主要為航空影像、衛星影像。監測點數據指部署的雨量站、積水點、河道水位、窨井液位、排水流量、河道水質設備點位數據。

（2）排水模型數據。

排水模型數據指排水管網模型模擬分析的參數數據、結果數據，對排水模型進行數據展示。

（3）排水監測數據。

排水監測數據主要為部署在城區中的雨量站、積水點液位儀、河道水位儀、窨井液位計、排水管道流量計、河道水位水質監測站傳感器產生的歷史監測數據、報警數據等，通過無線方式將監測設備的數據傳輸到物聯網平臺。物聯網平臺對數據進行相關處理，排水系統可以直接調用物聯網平臺的相關數據進行數據的展示和分析。

4 物聯網平臺建設

物聯網建設涉及多種形式物聯網設備，包括自建設備及已有設備，物聯網平臺將多種接入方式整合起來，提供多協議適配，統一互聯接入網絡。平臺提供AMQP、JMS、REST/HTTP、COAP、DDS、MQTT等物聯網通信協議對接能力，連接全渠道網絡通信，多種網絡、多地域、多種類設備快速接入，通信協議提供MQTT、CoAP、HTTP、DOS、AMQP、JMS等協議支持。平臺實現排水監測設備的狀態感知，保證采集數據的安全可靠傳輸，運用大數據技術實現對數據的協議解析、數據轉換和提取，通過移動網絡、泛在網和互聯網，將各類數據安全、穩定、可靠傳輸至數據中心。

4.1 排水管網在線監測系統

排水管網在線監測系統采用B/S系統模式，主要對排水管網運行狀態進行24 h連續監測，將智能在線監測設備的監測數據與GIS平臺集成，實時展現管網關鍵節點液位、流量等在線監測信息，實現運行異常狀況預警報警。支持監測信息的實時查詢顯示和歷史監測數據統一存儲管理，使管理人員能夠準確掌握管網關鍵節點的液位、流量、水質等在線監測數據，并對數據進行統計分析。系統能夠幫助管理人員隨時掌握排水設施的動態運行情況，及時發現風險，有效降低內澇、淤積等現象的發生，為管理決策提供數據支持。

排水管網在線監測系統能夠整體展示現有在線監測設備信息，包括監測設備類型、數量、設備報警情況、電量、通信情況等，對于較為關注的在線監測點位監測信息，可以查看其監測詳情。通過設備地圖實現對排水管網關鍵節點運行狀態在線監測，掌握其流量、液位、異常報警等信息，支持地圖瀏覽、設施地圖查詢展示、實時監測數據展示等多種顯示模式。系統提供設備信息查看功能，針對每臺監測設備，可查看其歷史監測數據表及數據曲線，對報警限值進行自定義配置，支持歷史報警詳情查看。統計功能提供相應的設備日志信息包括設備運行狀態、設備報警信息等數據的統計。

排水監測系統如圖2所示。

圖2 排水監測系統

4.2 排水設施遠程監控系統

排水設施遠程監控系統基于客戶端的B/S架構開發，實現排水泵站的實時監控。管理人員可以對泵站的狀態進行實時監測，出現內澇情況時，可以遠程自動或人工啟動排水泵站，提升城市的排水能力，減少內澇造成的損失。

4.3 排水防汛應急指揮系統

排水防汛應急指揮系統充分應用模型模擬、在線監測等技術手段，與防汛具體環節進行結合，實現高效防汛、科學防汛。系統包括防汛準備、指揮調度和汛后評估等模塊，為防汛預警和應急調度工作提供有效的管理平臺和決策依據。

排水防汛應急指揮系統應實現對汛前人員、物資和設備的管理以及警情點等信息的管理，支持查看相關的設備、物資準備情況，支持查看在線監測設備監測數據；對汛期發生的警情進行綜合指揮調度管理，如預警發布以及發布預警后的防汛部署、派單處理等；汛期過后回顧全年防汛工作，對警情數據進行分析統計，為后續的工作提供數據支撐。

排水防汛應急指揮系統如圖3所示。

圖3 排水防汛應急指揮系統

4.4 排水管網模型模擬系統

城市排水管網模型模擬系統為模型構建提供工具和平臺，系統提供管網數據的批量導入導出、方便快捷的屬性及空間編輯功能，支持數據的查詢統計、網絡分析等，實現對各類排水設施的有序、高效和規范合理的綜合管理，是各業務系統建立的基礎。排水管網模型模擬系統能夠實現不同情景分析和模擬，為城市的防止城市內澇提供參考依據，提前預防，降低城市內澇的影響，系統可以模擬5年、10年、20年一遇的洪水情況。內澇風險分析需要基于模擬結果，提供不同降雨模擬情景下區域的內澇風險可視化展示，包括城市積水位置、面積、深度等，為城市排水的改造提供依據。

5 結語

隨著人口增多和城市規模的擴大，城市排水能力的過載造成城市雨季內澇的情況，對城市的發展產生不良影響。通過信息化和智慧化的手段可以為城市排水改造和提升提供科學的依據，提升排水工作的信息化和智能化水平。