信息化技術在海綿城市智慧監(jiān)管系統(tǒng)中的應用

邸文正 高 菲

（1．北控水務（中國）投資有限公司，北京 100102；2．中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

為了避免河道遭受污染，提高水資源利用率，我國提出了海綿城市建設理念，以“蓄水、凈水和排水”作為重要指標，制定了一系列管理策略[1]。隨著信息化技術的快速發(fā)展，人工管理模式逐漸向智慧監(jiān)管模式方向轉變。通過搭建監(jiān)控管理系統(tǒng)，借助網絡查詢相關信息，下達管控命令，從而真正實現智慧監(jiān)管[2]。該文通過分析海綿城市管理需求，提出智慧監(jiān)管系統(tǒng)的設計研究。

1 信息化發(fā)展背景下的海綿城市智慧監(jiān)管發(fā)展趨勢

近年來，我國信息化水平不斷提升，借助互聯(lián)網平臺可以為某些問題的研究提供充足的數據。通過構建數據模型，實現了問題深入挖掘，這些研究成果為海綿城市智慧監(jiān)管發(fā)展奠定了基礎[3]。目前，雖然提出了智慧管理理念，但是未能將信息化植入其中，仍然采用傳統(tǒng)管理模式開展海綿城市監(jiān)管工作[4]。真正的智慧監(jiān)管是借助信息化管理手段，對大量數據信息進行整理分析，從中挖掘存在的規(guī)律，以此作為監(jiān)管工作部署的參考依據。另外，根據項目服務需求，建立城市項目資源開發(fā)管理邏輯，擬定管理流程，合理分配人力資源及其他類型資源[5]。為了掌握海綿城市建設情況，未來發(fā)展中還會增加監(jiān)管模塊，實現網絡在線的監(jiān)督管理。

2 海綿城市智慧監(jiān)控系統(tǒng)建設內容

2.1 地理信息數據中心

海綿城市的建設需要建立在有足夠城市水澇數據的基礎上，通過分析城市的基本地理環(huán)境，結合本地氣候，從而設計出海綿城市水資源管理的決策方案。為了滿足開發(fā)需求，建設地理信息數據中心顯得尤為必要，將該中心作為地理信息數據的支撐點，借助系統(tǒng)數據庫調用相關數據，經過數據整理分析，明確下一步海綿城市資源調度的決策方案。

2.2 海綿系統(tǒng)管控指揮模型

該系統(tǒng)的開發(fā)需要設置一個總管控中心，主要負責判斷當前海綿城市水質和水體變化情況是否會對城市生活造成影響，并生成相應管控策略。因此，建設一個管控指揮模型十分重要。該模型需要監(jiān)控端實時收集城市水體及水質等指標變化情況信息，根據城市建設標準，分別統(tǒng)計偏離程度，按照偏離層次不同，分別采取不同處理措施，以此提高工作效率。

2.3 調度決策管理系統(tǒng)

調度決策管理系統(tǒng)是海綿城市建設執(zhí)行的重要功能模塊，該模塊需要考慮資源分配、問題嚴重程度和城市水資源需求等因素決定調度方案，從而在第一時間解決問題，并且耗用較少的資源。該文在開發(fā)系統(tǒng)時，將管控指揮模塊與調度決策管理系統(tǒng)融為一體，構建智慧建設系統(tǒng)。

2.4 在線監(jiān)控系統(tǒng)

因為海綿城市建設對城市基本概況數據的實時性要求較高，所以需要添加在線信息采集模塊。該系統(tǒng)在開發(fā)期間，應該增加在線監(jiān)控子系統(tǒng)，利用在線監(jiān)控子系統(tǒng)隨時采集城市水澇和水質等數據信息，通過信息發(fā)送裝置返回監(jiān)控中心，以此作為調度決策管理的參考依據。

3 基于信息化技術的海綿城市智慧監(jiān)管系統(tǒng)設計

3.1 總體架構設計

根據海綿城市智慧監(jiān)管發(fā)展趨勢，引入信息化建設理念，選取網絡平臺作為開發(fā)環(huán)境，提出城市智慧監(jiān)管系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體架構

如圖1所示，按照不同層次將系統(tǒng)劃分為數據層、邏輯層和應用層3部分。其中，數據層作為系統(tǒng)運行的數據支撐，通過分析模型數據、在線數據、項目數據和地圖數據掌握城市當前建設情況，按照幅度需求，分別制定各項服務流程，并將其投入應用層。而應用層則是系統(tǒng)與用戶的對接，該層次以用戶為系統(tǒng)作業(yè)的導向，為滿足用戶需求，下達城市監(jiān)管命令。

3.2 功能模塊設計

該系統(tǒng)以海綿系統(tǒng)模型作為系統(tǒng)控制中心，根據地理信息數據中心發(fā)送的海綿城市建設相關數據，啟動調度決策管理模塊，生成問題處理策略，為海綿城市建設工作的開展提供參考依據。為了規(guī)范海綿城市建設工作的實施，系統(tǒng)添加了在線監(jiān)控模塊，對當前海綿城市建設工作布設進行監(jiān)測。另外，系統(tǒng)數據庫的設計則是為系統(tǒng)運行提供數據支撐。

3.2.1 地理信息數據中心

因為海綿城市建設的關鍵工作是管理城市排水防澇，為了做好此項工作，必須掌握城市所處地區(qū)地理信息數據，所以該系統(tǒng)建立了地理信息數據中心。該功能模塊利用數據庫開發(fā)軟件創(chuàng)建系統(tǒng)數據庫，將城市基本地理信息存儲其中，經過數據挖掘分析，獲取一些城市排水和旱澇等相關信息，將其作為調度決策管理的參考依據。為了得到精準信息，本系統(tǒng)每間隔1個月就會更新一次數據，從而滿足海綿城市建設對地理信息數據的需求。

3.2.2 海綿系統(tǒng)模型

該文利用最大日負荷總量（Total Maximum Daily Load，簡稱“TMDL”）建立海綿城市系統(tǒng)模型，該模型主要用于監(jiān)控水質、內澇預警和排水控制等管理工作的部署。其中，監(jiān)控水質管理工作是通過收集城市各個地區(qū)水質基本信息，將其與標準水質進行對比，從而判斷該城市水質是否達到標準。為了實現全面管理，該模型布設了多個監(jiān)測點，分布在海綿城市各個徑流，監(jiān)測源頭、水體、末端和過程，如果水質未能達到標準，將此相應信息立即發(fā)送到監(jiān)管中心，引起城市建設管理人員的重視。關于內澇預警模塊的開發(fā)，是通過分析最近一段時間的城市天氣信息，預測城市各個地區(qū)是否可能出現內澇情況。根據預測結果，下達排水控制工作部署的命令。

3.2.3 調度決策管理模塊

為了加快處理城市內澇和水質不達標等問題，該系統(tǒng)從資源調度的角度出發(fā)，提出調度決策管理模塊的設計方案。該方案根據城市當前儲備的資源、資源分配情況、問題產生情況及資源需求為基礎，修改資源分配管理方案，即將部分資源從其他地區(qū)調入該地區(qū)，解決了污染治理等問題。

3.2.4 在線監(jiān)控模塊

該功能模塊是對當前海綿城市建設工作布設進行監(jiān)測，借助互聯(lián)網將工作部署信息發(fā)送至管理中心，將其與設定規(guī)范對比，調用系統(tǒng)數據庫完成信息核查，從而得到監(jiān)測結果。如果某項數據未能達到標準，系統(tǒng)將自動開啟報警模式，并將相關信息發(fā)送到管理人員的移動設備上，從而實現實時在線監(jiān)測。與此同時，管理人員利用系統(tǒng)下發(fā)管理命令，即針對當前問題的解決方案。在實際應用中，該模塊會向現場管理終端發(fā)送一個緊急調度命令，實現資源利用最大化。

3.3 數據庫設計

該系統(tǒng)數據庫按照功能不同，將系統(tǒng)數據庫拆分為4個部分，分別是基礎地理數據庫、業(yè)務數據庫、監(jiān)控系統(tǒng)和模型。其中，基礎地理數據庫用于管理專題數據、地名信息、電子地圖數據和三維數據等；業(yè)務數據庫用于管理文檔數據、模型模擬數據和業(yè)務管理數據等；監(jiān)控系統(tǒng)用于管理所有在線監(jiān)測數據；模型作為城市資源評估、調用等決策的分析工具。系統(tǒng)數據庫結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數據庫結構

為了滿足系統(tǒng)運行下的數據需求，該研究設置了數據庫更新功能，設置更新時間為1 h。每過1 h數據庫中的數據就會更新一次，從而方便用戶調用和查詢數據。另外，該系統(tǒng)數據庫通過數據接口建立數據庫與用戶端之間的通信連接，依據數據管理需求，設定入庫、接收、分類、發(fā)送、存儲和預處理等數據處理功能，以滿足系統(tǒng)的數據操作基本需求。

3.4 基于系統(tǒng)軟件開發(fā)的系統(tǒng)功能實現

該系統(tǒng)利用B/S架構設計系統(tǒng)層次結構，以用戶操作需求作為軟件開發(fā)的導向，利用MEAN（MongoDB、ExpressJS、AngularJS和Node.js，指的是開發(fā)工具）框架完成軟件開發(fā)，形成系統(tǒng)前端、后端和數據庫3個板塊，如圖3所示。

系統(tǒng)前端的開發(fā)指的是安卓客戶端的開發(fā)，在用戶操作界面布設系統(tǒng)功能模塊，并為用戶提供系統(tǒng)使用指南，根據提示操作各項功能。其中，信息查詢功能模塊，包括城市建設項目信息、水質等指標監(jiān)測信息和考核指標。在該結構中，AngularJS是一種JS框架結構，支持自動化數據雙向綁定，建立數據業(yè)務模塊和控制模塊的雙向數據流通。Bootstrap是前端開發(fā)的開源工具包，屬于HTML框架結構，通過編寫腳本語言，從而實現系統(tǒng)服務器前端的動畫界面生成，當系統(tǒng)執(zhí)行其他數據業(yè)務時，前端顯示屏便會自動更新界面。

關于系統(tǒng)后端的開發(fā)，借助Node.js、Express、Sequelize為用戶提供各項服務，與此同時，還可以根據客戶的需求，為其推送服務，按照服務類別的不同，生成不同的數據類型，為系統(tǒng)運行提供數據支撐。其中，Node.js是JavaScript運行環(huán)境，通過驅動事件，實現云端連接，使得系統(tǒng)后端與服務器建立連接，實現數據通信。Express是Node.js運行環(huán)境中程度開發(fā)架構，功能比較強大，支持多種操作功能開發(fā)，在短時間內創(chuàng)建API。Sequelize指的是類，利用該工具獲取對象的引用，在該系統(tǒng)中起到獲取海綿城市數據類對象的引用功效，便于數據類的劃分及數據調用。

圖3 基于系統(tǒng)軟件開發(fā)的系統(tǒng)功能實現架構

數據庫是系統(tǒng)運行數據的匯總部分，系統(tǒng)所有數據都存儲在結構中，作為海綿城市建設工作部署及管理參考的依據。該系統(tǒng)數據庫主要由分布式數據庫和數據庫管理系統(tǒng)2個部分組成，其中，分布式數據庫主要負責管理各類型數據信息；數據庫管理系統(tǒng)負責對數據進行整理，根據監(jiān)測標準，判斷當前數據是否異常，包括排水泵站數據、污水廠數據和排水管網數據，是系統(tǒng)管理決策生成的數據支撐結構。

4 應用經濟效益分析

目前，智慧監(jiān)管系統(tǒng)在海綿城市建設領域，對城市水質監(jiān)管和資源部署等工作的開展幫助較大。該文從水質管理及水資源利用率2個角度出發(fā)，探究智慧監(jiān)管系統(tǒng)在海綿城市建設中發(fā)揮的作用。為了避免實驗期間系統(tǒng)遭受干擾，出現偶然數據影響系統(tǒng)作業(yè)效果判斷的情況，該次應用測試設置了3組實驗。見表1、表2。

表1 智慧監(jiān)管系統(tǒng)在海綿城市建設中的應用情況

表2 系統(tǒng)應用前后海綿城市水質治理成本及水資源開發(fā)利用經濟效益

從表1中整理的數據來看，3組實驗中，應用系統(tǒng)后比應用系統(tǒng)前的水資源利用率有顯著提升，提升數值分別為17%、15%和16%。經過水質檢測可知，應用該文開發(fā)的系統(tǒng)后，城市水質有了明顯的改善，并且數值治理成本下降，經濟效益有所提升。因此，智慧監(jiān)管系統(tǒng)的開發(fā)應用，可以有效提高水質管理的水平和水資源的利用率。

5 結語

該文圍繞海綿城市建設問題展開研究，以信息化技術的手段，探究智慧監(jiān)管系統(tǒng)開發(fā)方案。通過分析海綿城市建設管理需求，設計系統(tǒng)框架結構，并將系統(tǒng)拆分為多個模塊，圍繞海綿城市建設監(jiān)管開發(fā)相應功能。另外，利用MEAN框架完成軟件開發(fā)，形成系統(tǒng)前端、后端和數據庫3層系統(tǒng)運行結構。應用結果表明，智慧監(jiān)管系統(tǒng)可以改善海綿城市治理水質的問題，同時達到提高水資源利用率的效果。