基于GIS 的排水管道流量監(jiān)測管理信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
——以山東省某市為例

戎亞芳 劉甲軍 高涌 管恩升 尚星星

(山東正元地球物理信息技術有限公司,山東濟南 250000)

0 引言

城市排水管網(wǎng)工程設施是重要的城市基礎設施,排水管網(wǎng)是城市的地下生命線,是城市旱天轉(zhuǎn)輸污水和雨天排澇的骨干工程[1]。近年來,隨著我國整體發(fā)展水平的逐步提升,我國城市排(污)水治理工作已經(jīng)取得了一定成效,但行業(yè)監(jiān)督管理信息化建設仍相對滯后,存在監(jiān)測體系不完善、信息孤島問題突出、信息服務及監(jiān)管方式落后等問題[2]。綜合運用GIS、在線檢測、物聯(lián)網(wǎng)、自動化控制、數(shù)據(jù)模型等先進技術手段,建設設施完整、拓撲清晰、位置準確的排水設施“一張圖”,實現(xiàn)排水設施的精細管理、實時監(jiān)測和智能控制。本文以山東省某市為例,在掌握全市范圍內(nèi)排水管網(wǎng)基礎信息、排查排水管道雨污混接基礎上,對排水管道關鍵點進行流量監(jiān)測(長期在線),建立流量監(jiān)測信息管理系統(tǒng),輔助監(jiān)管部門實時掌握污水排放數(shù)據(jù),加強污水排放企業(yè)監(jiān)管。

1 排水管道關鍵點流量監(jiān)測方案

1.1 排水管道監(jiān)測點選取

為便于甄別小區(qū)域流量異常,本項目分別在生活區(qū)域及工業(yè)園區(qū)(含大型工業(yè)企業(yè)、排水大戶的區(qū)域)選取管徑大、流量大的主干管道及河兩岸主排水溝重點地段且便于外接電源,便于保存保護處進行監(jiān)測點布設。經(jīng)過實際踏勘,確定30個關鍵點布設。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析、對比,自南向北流入污水管道總水量平均值8.72萬m3/日。一是南部生活區(qū)域總體污水流量約為4萬m3/日左右,二是城區(qū)北部工業(yè)區(qū)污水排放量約為4～5萬m3/日,通過近段時間的平均流量監(jiān)測數(shù)據(jù)計算,全城區(qū)排水約8～9萬m3/日。

1.2 智能監(jiān)測站構成

智能監(jiān)測站主要由數(shù)據(jù)采集設備、數(shù)據(jù)處理發(fā)送設備、供電設備和設備箱組成,設備之間通過電源線和數(shù)據(jù)線連接。在監(jiān)測點管道內(nèi)部安裝傳感器流量監(jiān)測儀和水位監(jiān)測儀,實時獲取污水的流量和水位高度;管道流量監(jiān)測測控終端對傳感器數(shù)據(jù)進行初步處理采集;通信模塊多集成于采集器之中,可以與各類通信供應商進行數(shù)據(jù)傳輸,通信商提供傳輸鏈路連接到服務器,后臺服務器將數(shù)據(jù)進行存儲;根據(jù)監(jiān)測點環(huán)境供電情況進行靈活的供電選擇,市電、太陽能供電、蓄電池供電等;河道排水口采用視頻監(jiān)控設備對實時視頻進行攝像、傳輸、控制、顯示和存儲,完成現(xiàn)場圖像、視頻等數(shù)據(jù)采集,在實現(xiàn)排污點數(shù)據(jù)監(jiān)測的同時進行更為直觀的排污點實時視頻瀏覽和排污點監(jiān)控錄像調(diào)用,從業(yè)務上幫助相關部門有力地提升監(jiān)督能力和監(jiān)管效率。

2 系統(tǒng)設計

2.1 總體架構

排水管道流量監(jiān)測管理信息系統(tǒng)按照面向服務的架構思想和分層設計的原則,將系統(tǒng)整個結構分為感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、平臺層、應用層及展示層等六層,如圖1所示。為保證系統(tǒng)具備良好的擴展能力和集成能力,在設計中采用面向服務(SOA)的設計思路,以便能方便地實現(xiàn)系統(tǒng)間以及系統(tǒng)內(nèi)模塊間的通訊。通過感知層的水位、攝像頭、流速/流量、接入水質(zhì)、污水廠、泵站等傳感器獲取實時運行狀態(tài)信息,通過傳輸層把傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心管理;數(shù)據(jù)層作為數(shù)據(jù)的存儲和管理中心,用來存儲各種黑臭水體數(shù)據(jù)。利用物聯(lián)網(wǎng)接入平臺、運維支撐平臺、ArcGIS平臺共同組建基礎支撐平臺層,提供統(tǒng)一的基礎管理服務,同時提供權限管理、資源分配等功能,并通過平臺層為應用層提供基礎支撐;根據(jù)具體業(yè)務需要,在應用層建立排水管道流量監(jiān)測管理信息系統(tǒng)并提供手機、電腦、監(jiān)控大屏等多種展示途徑。

圖1 系統(tǒng)架構Fig.1 System architecture

2.2 數(shù)據(jù)架構

本項目數(shù)據(jù)庫按數(shù)據(jù)來源由基礎空間地理數(shù)據(jù)、排水基礎數(shù)據(jù)及排水監(jiān)測數(shù)據(jù)三部分組成。基礎空間地理數(shù)據(jù)庫包括基礎地形數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)基礎地形數(shù)據(jù)采用1∶500全要素現(xiàn)勢地形庫并利用1∶1000正射影像數(shù)據(jù)作為分析背景圖;索引數(shù)據(jù)由圖幅索引、道路索引、地名索引、基礎索引組成,用于海量數(shù)據(jù)快速索引及定位。排水基礎數(shù)據(jù)庫由點表和線表組成,包括各類管點、管線及附屬設施的空間位置和幾何形狀、屬性信息,以及要素間的空間關系和相關屬性信息。排水監(jiān)測數(shù)據(jù)庫由排水管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、河道監(jiān)測數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)組成,包括監(jiān)測項標簽屬性及位置信息、監(jiān)測點信息、監(jiān)測類型數(shù)據(jù)以及流量、水位等具體監(jiān)測物理測量值數(shù)據(jù)等。

2.3 關鍵技術

排水管道流量監(jiān)測管理系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術與WebGIS技術相結合的技術思路。WebGIS(網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng))是指工作在Web網(wǎng)上的GIS,是傳統(tǒng)的GIS在網(wǎng)絡上的延伸和發(fā)展,具有傳統(tǒng)GIS的特點,可以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的檢索、查詢、制圖輸出、編輯等GIS 基本功能,同時也是Internet上地理信息發(fā)布、共享和交流協(xié)作的基礎[3]。本系統(tǒng)采用ArcGIS Server和ArcGIS API for JavaScript進行WebGIS的開發(fā),利用ArcGIS API for JavaScript 特性,實現(xiàn)了排水管道空間數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計查詢、符號渲染及監(jiān)測信息預警、數(shù)據(jù)挖掘等應用。

3 系統(tǒng)應用

系統(tǒng)提供視圖操作、地圖定位、實時監(jiān)測、監(jiān)測查詢、數(shù)據(jù)分析、管網(wǎng)信息查詢與統(tǒng)計、輔助工具等功能,實現(xiàn)黑臭水體地理信息管理,動態(tài)更新維護黑臭水體信息,做到對排水管線家底清、情況明,管理維護措施準確得當。

3.1 數(shù)據(jù)采集

通過系統(tǒng)的GIS 地圖能夠清晰查看設備、污水廠、泵站、井下、排水戶等的分布狀況和實時狀態(tài),如圖2所示。利用實時監(jiān)測及查詢模塊,可獲得各個監(jiān)測點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù),包括管網(wǎng)監(jiān)測點的流量信息,排水戶的用水量信息、排水量信息、泵站流量信息、污水廠的進水流量信息等;可查詢設備的名稱、類型、編號等基本屬性信息,安裝區(qū)域、坐標等位置信息,安裝井編號、安裝井深度等安裝信息。

圖2 實時監(jiān)測Fig.2 Real-time monitoring

3.2 監(jiān)測預警

系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測設備狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)自動判斷預警報警狀態(tài),顯示當前各類監(jiān)測點流量監(jiān)控的報警信息,對報警情況進行統(tǒng)一管理與查詢。利用監(jiān)測預警模塊可以統(tǒng)計過去不同的時間范圍內(nèi)不同監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù);可查詢出不同的監(jiān)測點在一定的時間范圍內(nèi),不同的監(jiān)測項目出現(xiàn)報警信息的數(shù)據(jù);可對單個、管段及所有監(jiān)測點不同時間段排水量進行查詢統(tǒng)計。

3.3 分析挖掘

利用系統(tǒng)分析挖掘模塊可對選定管段進行流量變化分析即將同一監(jiān)測點不同時期數(shù)據(jù)或不同監(jiān)測點同一時期的數(shù)據(jù)進行疊加對比顯示,對比結果以曲線圖形式展示,如圖3所示;可對選定管段進行用水排水分析即對所有匯入污水廠的進水總量和各排水戶的排水量進行計算并對比分析,可有效發(fā)現(xiàn)相關單位的排水問題;還可對選定管段進行上下游監(jiān)測分析、連通性分析及排水流向分析等。

圖3 同點多時段分析Fig.3 Multi-period analysis at the same point

3.4 數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計

利用系統(tǒng)查詢統(tǒng)計模塊可以在指定區(qū)域?qū)芫€的材質(zhì)、管徑、建設年代、所在道路、權屬單位等多種條件進行查詢統(tǒng)計;可以根據(jù)不同時間段,不同監(jiān)測點等多種條件統(tǒng)計各類監(jiān)測點的監(jiān)測歷史運行數(shù)據(jù)并通過柱狀圖、曲線圖、餅狀圖等多種形式進行展示。

4 結語

本項目建立了主干管網(wǎng)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,通過基于GIS的城區(qū)排水管道流量監(jiān)測管理系統(tǒng),結合排水管道排查及流量監(jiān)測分析,查明了各區(qū)域內(nèi)實際排水量,并可實時監(jiān)測,為下一步布控污水來源,進一步查明各區(qū)域內(nèi)的重點排水戶的流量打下了基礎。