城市排水管網(wǎng)設(shè)施智能管理解決方案研究

孫雪梅，劉全海，冉慧敏，陳凱，羅迪

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213000； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213000)

1 引 言

城市排水設(shè)施是城市市政建設(shè)的基礎(chǔ)，保障城市排水處理設(shè)施安全正常運行，防治城市水污染、內(nèi)澇災(zāi)害是城市排水管理的重要工作。作為中央“污染防治”攻堅戰(zhàn)、生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，江蘇省“263”專項行動旨在通過減排、減污，治理黑臭水體、水環(huán)境等影響環(huán)境質(zhì)量最直接問題，提升生態(tài)保護水平。城市排水設(shè)施是水環(huán)境治理的基礎(chǔ)設(shè)施，“智慧城市”的逐步推進也要求城市排水管理向智能化方向提升。排水系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、縱橫交錯、分布廣泛、信息量大、保存期長、要求不間斷運行等特點，傳統(tǒng)管理模式對海量、三維、具有典型空間分布性和時序性的城市排水信息難以實現(xiàn)準確高效的管理和分析，無法為排水管理部門提供準確的決策依據(jù)[1]。設(shè)施信息及設(shè)施運維存在的信息孤島，也影響城市排水高效統(tǒng)籌管理。

深圳、上海等地已經(jīng)嘗試將GIS可視化技術(shù)引入到城市排水管理中，實現(xiàn)了排水管網(wǎng)、水廠等基礎(chǔ)設(shè)施的圖形化管理；無錫等城市也利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建自己的排水綜合管控平臺，提供系統(tǒng)自動化運管技術(shù)支持[2，3]。GIS可視化技術(shù)作為基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)管理工具，物聯(lián)網(wǎng)作為遠程管控工程已經(jīng)成功應(yīng)用至城市排水管理中，但多以排水設(shè)施可視化管理、遠程管控為主，黑臭河道整治、片區(qū)整改、污染源普查等關(guān)鍵水環(huán)境治理業(yè)務(wù)還存在技術(shù)空白，城市排水管理尚未形成全流程動態(tài)、智能、全面監(jiān)管。如何融合GIS可視化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)城市排水全流程智能監(jiān)管是當前智慧城市框架下的研究重點。

基于上述問題，本文從城市排水設(shè)施管理及全流程智能監(jiān)管業(yè)務(wù)出發(fā)，搭建排水綜合信息庫，融合移動應(yīng)用、WebGIS等GIS可視化及物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，在設(shè)施一張圖上融合治水管理業(yè)務(wù)，建立線上線下一體化、全流程實時主動監(jiān)控的“智慧排水”應(yīng)用模式，實現(xiàn)城市排水管理定量化、信息化和網(wǎng)格網(wǎng)管理，提高城市排水的科學管理水平。

2 城市排水管網(wǎng)設(shè)施智能化管理關(guān)鍵點

城市排水系統(tǒng)的建設(shè)與城市化同步進行，由于建設(shè)周期長，不同地塊的排水系統(tǒng)運行和維護狀況各有不同，各類排水設(shè)施信息分散，導(dǎo)致管理難以深入，無法形成系統(tǒng)、全域的城市排水管理模式。

GIS可視化、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)感知等技術(shù)的引入，以線上管理指揮、及時主動服務(wù)，線下主動運維調(diào)控，在線信息整合的方式，實現(xiàn)排水信息資源的全面、準確、實時感知，覆蓋排水污染源頭防治、排水過程監(jiān)控、日常管理、排水處理末端監(jiān)控，建立排水全域、全過程監(jiān)管模式，進而實現(xiàn)排水管理由靜態(tài)被動式向?qū)崟r在線主動式管理轉(zhuǎn)變，以數(shù)字化基礎(chǔ)建設(shè)、智能互聯(lián)，以智慧應(yīng)用為導(dǎo)向逐步推進智慧排水建設(shè)，最終實現(xiàn)城市排水的最優(yōu)化管理[4]。

2.1 搭建城市排水設(shè)施綜合信息庫

城市排水管理涉及的信息類別復(fù)雜，包括城市排水管網(wǎng)、河湖要素、水利工程設(shè)施、排污企業(yè)。各類設(shè)施空間分布和結(jié)構(gòu)特性均不同，需要摸清各類設(shè)施的空間分布、設(shè)施容量、運轉(zhuǎn)情況，建立數(shù)字化排水設(shè)施檔案，并利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫組織管理，建立城市排水基礎(chǔ)設(shè)施信息庫。數(shù)據(jù)庫在設(shè)計時需要綜合：

(1)空間數(shù)據(jù)的多時態(tài)管理技術(shù)

排水設(shè)施具有時序特征，因而可以實體為單位建立時間索引，數(shù)據(jù)的變更以實體的變化為事件觸發(fā)，存儲實體所有變化，使用戶可以以時間軸過濾空間數(shù)據(jù)[5]。專題數(shù)據(jù)現(xiàn)勢、更新未審核或歷史等不同時態(tài)也針對性標記管理，滿足城市排水管理過程中專題數(shù)據(jù)動態(tài)變化跟蹤需要。

(2)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)組織

排水管網(wǎng)管理包含排水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計、建設(shè)、施工、管理、運維監(jiān)管全流程，數(shù)據(jù)類型包括空間信息、屬性信息、視頻檢測多媒體數(shù)據(jù)，還包括視頻、監(jiān)測指標等物聯(lián)網(wǎng)感知信息。數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，需要綜合考慮不同數(shù)據(jù)類型的存儲要求，建立不同信息間的聯(lián)系，滿足排水管網(wǎng)不同運行管理階段數(shù)據(jù)獲取要求。

2.2 建立排水設(shè)施數(shù)據(jù)動態(tài)更新流程

為保障城市排水綜合信息庫的現(xiàn)勢、完整，還需要建立排水設(shè)施數(shù)據(jù)的動態(tài)更新機制：

(1)管線等高頻更新數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)檢查到數(shù)據(jù)入庫和數(shù)據(jù)更新整個數(shù)據(jù)生產(chǎn)入庫過程，保障數(shù)據(jù)準確性[6]；

(2)泵站、排污企業(yè)等水利工程設(shè)施，更新量及更新頻次均不高，直接利用基礎(chǔ)軟件更新；

(3)管網(wǎng)養(yǎng)護數(shù)據(jù)，采用增量式追加入庫；

(4)排水工程管理、綜合治水等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，可以利用Web或移動端平臺根據(jù)業(yè)務(wù)進展按需在線更新；

(5)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)類別更新：與位置相關(guān)數(shù)據(jù)利用軟件系統(tǒng)在線更新，指標監(jiān)測數(shù)據(jù)則定期保存，視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)按需保存。

2.3 以基礎(chǔ)設(shè)施為主線，梳理串聯(lián)排水管理業(yè)務(wù)

城市排水工程施工、管網(wǎng)養(yǎng)護、污染源普查、黑臭治理、排水片區(qū)整改、污水處理等治水業(yè)務(wù)與管線、河流、雨污水管道等基礎(chǔ)設(shè)施緊密相關(guān)，因而可以依托基礎(chǔ)設(shè)施空間實體，將排水管理全流程業(yè)務(wù)信息與設(shè)施地理實體掛接，將動態(tài)業(yè)務(wù)信息空間化，形成治水一張圖，在基礎(chǔ)設(shè)施圖上串聯(lián)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也能跟蹤相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，不僅整合了不同部門間分散的業(yè)務(wù)信息，集約建設(shè)，資源整合，共建共享，而且通過可視化手段追蹤排水業(yè)務(wù)實時進展，提升管理便捷性[7]。

2.4 引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)排水智能互聯(lián)

城市排水管理需要實時獲取一些實時數(shù)據(jù)：如用戶所在位置、河流水質(zhì)，排污流量、管網(wǎng)中的液位、排水井蓋的真實情況等?？梢砸胛锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，將空間定位、物理量感知、視頻感知三類典型物聯(lián)信息作為切入點，通過無線、藍牙、基于串口的COM連接等泛連接技術(shù)，突破物聯(lián)網(wǎng)多源異構(gòu)信息集成難題，實現(xiàn)城市水利資源的實時、在線監(jiān)控[8]。結(jié)合GIS可視化技術(shù)，在排水一張圖上將基礎(chǔ)設(shè)施與動態(tài)監(jiān)測信息智能互聯(lián)，監(jiān)測指標實時匯總分析獲取結(jié)果，實現(xiàn)排水管理業(yè)務(wù)數(shù)字化，提高排水管理服務(wù)效率[9]。

2.5 建設(shè)排水管網(wǎng)設(shè)施智能管理信息系統(tǒng)

考慮到排水管理不同階段應(yīng)用需求，可以綜合CAD、GIS可視化技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)互聯(lián)互通的專題系統(tǒng)，各系統(tǒng)相互配合，搭建起集數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)為一體的排水綜合管理平臺，統(tǒng)籌線上線下排水管理，推進排水管理全過程監(jiān)管。

排水設(shè)施工程管理涉及大范圍的管網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計，可以基于CAD研發(fā)排水設(shè)施管理系統(tǒng)，滿足排水基礎(chǔ)設(shè)施單體化管理，同時打通CAD與GIS數(shù)據(jù)庫雙向聯(lián)通鏈路，設(shè)計雨污水管線等基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)更新流程，實現(xiàn)排水綜合信息庫空間數(shù)據(jù)的動態(tài)更新[10，11]。

基于WebGIS技術(shù)可以研發(fā)輕量化的排水應(yīng)用系統(tǒng)，以電子地圖等地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將各類排水專題數(shù)據(jù)集中在一張圖，提供數(shù)據(jù)填報、編輯接口，融合黑臭河流、排水片區(qū)、污染源等治水數(shù)據(jù)，接入在線監(jiān)測視頻、水質(zhì)指標信息等物聯(lián)網(wǎng)接口，在線、動態(tài)監(jiān)管排水基礎(chǔ)設(shè)施運維情況及城市治水業(yè)務(wù)進展信息，實現(xiàn)排水設(shè)施、綜合治水一站式管理[12]。

移動互聯(lián)網(wǎng)與GIS可視化技術(shù)配合可以實現(xiàn)排水一站式管理向移動端拓展，突破線上線下工作界限，集現(xiàn)場排水巡查、設(shè)施管理、綜合治水、督查督導(dǎo)等業(yè)務(wù)流程為一體[13]。

3 總體架構(gòu)及平臺建設(shè)

根據(jù)第2節(jié)城市排水管網(wǎng)設(shè)施智能化管理目標和關(guān)鍵點分析，智慧排水解決方案以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)核心，以業(yè)務(wù)整合為手段，最終實現(xiàn)智能管理核心，解決方案整體架構(gòu)如圖1所示：

圖1 智慧排水解決方案總體框架圖

整套解決方案以排水基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、管網(wǎng)運行維護數(shù)據(jù)、治水業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在內(nèi)的數(shù)據(jù)為核心，圍繞排水數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)管理，利用Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行后臺數(shù)據(jù)管理，軟件平臺采用三層結(jié)構(gòu)，以GIS、CAD平臺、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建集C/S、B/S、M/S應(yīng)用為一體的綜合性平臺，提供數(shù)據(jù)更新、管理、GIS可視化編輯、物聯(lián)網(wǎng)指標監(jiān)測、移動巡查等應(yīng)用服務(wù)，覆蓋城市排水管理源頭管控、過程管理、末端監(jiān)控全流程業(yè)務(wù)管理，實現(xiàn)數(shù)字建檔、智能互聯(lián)、綜合應(yīng)用的“智慧排水”。

4 綜合應(yīng)用案例

常州市武進區(qū)通過兩期工程建設(shè)，一期以排水數(shù)據(jù)建庫管理為重點，二期以治水一張圖建設(shè)為重點，基于智慧排水解決方案搭建的綜合平臺通過排水信息資源的全面、準確、實時感知，以一個數(shù)據(jù)中心，一張圖，一套軟件平臺，通過數(shù)據(jù)、應(yīng)用服務(wù)的形式，統(tǒng)籌全區(qū)設(shè)施及業(yè)務(wù)信息，已經(jīng)實現(xiàn)了武進區(qū)排水管理由傳統(tǒng)粗放模式轉(zhuǎn)型升級，改變了武進區(qū)污水治理作業(yè)模式，提升了武進區(qū)排水管網(wǎng)設(shè)施信息化管理水平，武進區(qū)城市排水管理逐步向為數(shù)字化、信息化、精細化的智慧排水模式轉(zhuǎn)變。

4.1 排水設(shè)施資產(chǎn)統(tǒng)一管理

通過整合排水管道、泵站、圩堤等多源異構(gòu)排水基礎(chǔ)設(shè)施，建立排水基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化檔案，通過GIS可視化技術(shù)實現(xiàn)排水設(shè)施一張圖展示，武進區(qū)目前已經(jīng)實現(xiàn)了排水設(shè)施資產(chǎn)的精細化管理，詳盡掌握城市排水設(shè)施資產(chǎn)的地理空間信息及運維狀況，配合CAD管理系統(tǒng)，可實時更新基礎(chǔ)設(shè)施的變更，動態(tài)管理城市排水設(shè)施的同時，對城市排水能力也有了準確評估。

4.2 城市排水管網(wǎng)工程管理

武進區(qū)排水綜合信息庫設(shè)計時不僅能容納現(xiàn)勢排水設(shè)施信息，還容納了規(guī)劃、在建的排水管網(wǎng)等設(shè)施信息，二者在排水一張圖上同步展示，通過追蹤工程信息，可以實現(xiàn)規(guī)劃、現(xiàn)勢信息動態(tài)融合，使得排水管網(wǎng)與工程項目互通互聯(lián)，實現(xiàn)排水管網(wǎng)工程“動態(tài)規(guī)劃、分期建設(shè)、統(tǒng)籌管理”，符合排水管網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展最新理念。

4.3 為常州市污染源普查、整治提供技術(shù)支撐

武進區(qū)智慧排水綜合平臺包含有全區(qū)排水管網(wǎng)、全區(qū)河流湖泊分布圖，利用現(xiàn)場踏勘、河流水質(zhì)監(jiān)測等手段可以快速建立城市黑臭水體檔案，利用空間分析功能獲取直通河流的排口信息?；贕IS的連通性分析功能，可以快速獲取與排口相連的雨水管網(wǎng)線路，根據(jù)聯(lián)通的雨水管網(wǎng)，再利用緩沖區(qū)分析功能，可以在圖上高亮顯示可能污染源，從而可以加快污染源普查效率。

通過污染源普查工作，可以明確城市污染源分布及污染種類，在排水一張圖上添加與排口動態(tài)相關(guān)的污染源實體信息，以排口、污染源地理空間實體為圖形化基礎(chǔ)，串聯(lián)后期污染源治理計劃，建立城市污染源治理一覽圖，動態(tài)監(jiān)管跟蹤各污染源治理進展，如圖2所示。

圖2 基于智慧排水綜合平臺的城市污染源普查整治

4.4 排污企業(yè)接管，重點行業(yè)固定污染源精細化管理

利用排污企業(yè)接管系統(tǒng)，通過用戶填報及互聯(lián)網(wǎng)POI定位等多種方式，摸清武進區(qū)所有排污企業(yè)空間分布、企業(yè)排放污染物種類、污染物量和排放方向，接管全區(qū)排污企業(yè)，為全面推進排污企業(yè)持證排污目標奠定基礎(chǔ)，推進重點行業(yè)固定污染源精細化管理。結(jié)合全區(qū)污水管網(wǎng)分布和排污企業(yè)信息(圖3、圖4)，不僅能直觀展示企業(yè)是否都已接入污水管網(wǎng)，還能準確評估當前管網(wǎng)排污能力是否容納實際排污量，為后期排水管網(wǎng)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3 重點排污企業(yè)接管

圖4 重點排污企業(yè)接管統(tǒng)計

4.5 管網(wǎng)養(yǎng)護

通過制定管網(wǎng)視頻檢測數(shù)據(jù)標準，規(guī)范視頻檢測數(shù)據(jù)，利用排水CAD管理系統(tǒng)同樣實現(xiàn)了CCTV、QV等管網(wǎng)內(nèi)部檢測資料動態(tài)更新，更新的多媒體數(shù)據(jù)也進行空間化，表征實際管道、實際檢測位置，并與實際管道相關(guān)聯(lián)，同時關(guān)聯(lián)后期管網(wǎng)養(yǎng)護資料，實現(xiàn)了管網(wǎng)養(yǎng)護追蹤一張圖管理。

4.6 黑臭河道整治

黑臭河道是當前武進區(qū)污水治理的重點，掌上排水集的應(yīng)用通過移動、在線、現(xiàn)場辦公形式，改變了傳統(tǒng)人員現(xiàn)場勘查、手動更新模式，打通不同作業(yè)流程通道，使得日常巡查、問題督辦、責任落實業(yè)務(wù)一個平臺完成，提高黑臭河道治理辦公效率，如圖5所示。水質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測信息的接入，并按月匯總生成水質(zhì)報表，形成黑臭河道整治一覽表，方便跟蹤黑臭治理進展，如圖6所示。

圖5 掌上排水—黑臭河道整治 圖6 掌上排水—水質(zhì)監(jiān)測

4.7 排水片區(qū)改造

城市排水片區(qū)改造是完善城市排水體系、改善城市環(huán)境的重要舉措。武進區(qū)排水片區(qū)分為分流、混流、截留片區(qū)，利用掌上排水移動巡查功能，實現(xiàn)了武進區(qū)排水片區(qū)空間位置摸排、現(xiàn)場巡查管理為一體，依據(jù)排水現(xiàn)狀及污染源特性，通過移動在線辦公，問題現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)、現(xiàn)場填報、現(xiàn)場管理，分步驟、分社區(qū)逐漸過渡，不斷縮小合流制區(qū)域范圍，最終達到整個流域排水系統(tǒng)的雨污分流。

5 總結(jié)與展望

本文從智慧排水解決方案所需的數(shù)字建檔、智能互聯(lián)、智慧應(yīng)用出發(fā)，分析城市排水管理涉及的部門、設(shè)施、業(yè)務(wù)信息，基于GIS可視化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)智能互聯(lián)，理清關(guān)鍵技術(shù)點，集成線上管理、線下運維業(yè)務(wù)體系，形成實時在線主動全流程監(jiān)管的智慧排水解決方案，覆蓋城市排水管理污染源頭防治、排水過程監(jiān)控、日常管理、排水處理末端監(jiān)控的全流程業(yè)務(wù)，并以常州市武進區(qū)排水管理關(guān)鍵業(yè)務(wù)為例，介紹智慧排水解決方案在具體業(yè)務(wù)中發(fā)揮的作用。未來，平臺可在排水基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進一步融合氣象、水文、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、城市用地數(shù)據(jù)，建立城市排水管網(wǎng)模型利用GIS可視化技術(shù)進行匯水分析，評估城市易淹易澇區(qū)域，為城市智能防汛調(diào)度提供技術(shù)支撐[14]。黑臭河道治理、污染源普查結(jié)果可進一步應(yīng)用至城市生態(tài)修復(fù)，而多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合和準確及時的分析結(jié)果數(shù)據(jù)也可利用云計算技術(shù)共享至其他市政管理應(yīng)用部門，最大化發(fā)揮智慧排水效能。