趙泉中 ,張 強 ,楊志勇 ,宋愛琪
(1.山東新松工業(yè)軟件研究院股份有限公司,山東 濟南 250101;2.濟南市城鄉(xiāng)建設發(fā)展服務中心消防驗收服務部,山東 濟南 250000;3.揚州市給排水管理處,江蘇 揚州 225100;4.山東正元地球物理信息技術有限公司,山東 濟南 250101)
為努力踐行“綠水青山就是金山銀山”的綠色發(fā)展觀,根據(jù)《智慧江蘇建設三年行動計劃(2018—2020 年)》和揚州市《 2019 年民生幸福工程任務分解表》的要求,突出“互聯(lián)網(wǎng) + 政務”“互聯(lián)網(wǎng) + 民生”,深入推進智慧揚州建設,普及智慧民生應用,豐富完善“云上揚州”[1]基礎數(shù)據(jù)庫。在實施清水活水工程,完成市區(qū)黑臭水體整治[2]的基礎上,為持續(xù)保護和改善城市水體環(huán)境,改善人居環(huán)境質(zhì)量,提高管理和應對風險的能力,達到一張圖展示利用排水數(shù)據(jù)的目的,整合各方已建系統(tǒng)和數(shù)據(jù)資源,開發(fā)建設揚州市智慧排水安全綜合監(jiān)管平臺(以下簡稱監(jiān)管平臺)。
目前,智慧排水系統(tǒng)研究多集中在技術選型、功能模塊和網(wǎng)絡建設方面:在技術選型方面,多采用 GIS、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等主流技術[3-4];在功能模塊方面,以一張圖展示、水質(zhì)預警、水量均衡調(diào)度、模擬仿真、數(shù)據(jù)共享為主[5-6];在網(wǎng)絡建設方面,多選擇局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng) + 水利專網(wǎng)的路線[7]。但對不同地域、歷史時期建設的系統(tǒng)如何進行整合并建設統(tǒng)一平臺這方面卻鮮有提及。結合前人研究成果并根據(jù)揚州市實際情況,在滿足安全三級等保的要求下,提出采用電子政務網(wǎng)、專線、互聯(lián)網(wǎng)混合組網(wǎng)的方式,進行數(shù)據(jù)匯聚,可屏蔽不同地域、歷史時期、廠家技術異同等因素,充分利用現(xiàn)有設施和成果,以較低的成本構建監(jiān)管平臺。
揚州市排水行業(yè)管理主管單位為揚州市給排水管理處,區(qū)縣主管單位為區(qū)縣水利局或住建局。
行業(yè)管理的職責包括:負責本轄區(qū)供水過程中的節(jié)水工作;負責本轄區(qū)供排水專項規(guī)劃的編制并監(jiān)督執(zhí)行;負責本轄區(qū)供排水設施建設的計劃統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)組織,設施建設、運行和養(yǎng)護的監(jiān)管;負責本轄區(qū)供水、排水、污水處理管理;負責本轄區(qū)供排水工程方案技術審查,并監(jiān)督實施過程和專項驗收;負責本轄區(qū)地下管線工程的行業(yè)管理和業(yè)務指導,工程方案技術的審查,并監(jiān)督實施過程,參與工程竣工驗收;參與編制本轄區(qū)地下管線綜合規(guī)劃;負責地下管線信息系統(tǒng)建設、運營和管理。
揚州市完成了市區(qū)地下綜合管線普查,建立了地下管線 GIS 系統(tǒng)。完成了市區(qū)范圍排水管線CCTV(Closed Circuit Television)檢測,形成了文字報告和檢測視頻庫,建立了信息系統(tǒng)?!霸粕蠐P州”提供云計算資源及數(shù)據(jù)共享服務,已共享較多數(shù)量的應用服務。各污水處理廠在不同歷史時期建設了自己的 SCADA、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。市區(qū) 32 座排水泵站,建設了視頻監(jiān)控和中控系統(tǒng)。
市級和區(qū)縣排水業(yè)務主管部門無法科學、及時、高效地掌握排水業(yè)務相關數(shù)據(jù),采用傳統(tǒng)人工監(jiān)管模式,頻率低,周期長,應急模式也處于被動應付的局面,效率較低。主要存在以下 4 個方面的問題:
1)排水企業(yè)發(fā)展不平衡,信息化設備建設標準不統(tǒng)一,數(shù)據(jù)傳輸標準不統(tǒng)一,數(shù)據(jù)庫建設標準不統(tǒng)一[8]??傮w來說,城區(qū)企業(yè)優(yōu)于鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè),國資企業(yè)優(yōu)于合資企業(yè)。
2)排水企業(yè)信息化建設單一獨立,實用性低。排水企業(yè)雖然已經(jīng)建成部分信息化系統(tǒng),但有些系統(tǒng)建成時間長,更新滯后,甚至被棄用或停用;有些系統(tǒng)雖然新建不久,但系統(tǒng)之間相對獨立,不能形成體系,信息孤島的狀態(tài)仍然存在。
3)缺乏全面完整、科學有效的水務及其附屬設施數(shù)據(jù)庫,缺乏專業(yè)的排水網(wǎng)絡模型分析及管理工具,難以制定高效的行業(yè)監(jiān)管指導計劃。
4)給排水管理處沒有排水業(yè)務管理平臺,無法及時掌握全面信息,無法實現(xiàn)和省、區(qū)、縣業(yè)務主管部門數(shù)據(jù)的互通共享。
排水是關系民生的重要事業(yè),排水數(shù)據(jù)安全是城市安全的一個重要方面。監(jiān)管平臺部署在“云上揚州”這個大平臺下,需滿足三級等保要求。
通過信息化手段,將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新成果與排水管理進行深度融合,對排水廠、網(wǎng)、站、池監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集,整合,分析,研判,依據(jù)設定的管理閾值對數(shù)據(jù)進行自動預警,作為排水行業(yè)實時管理的依據(jù),支撐排水監(jiān)管基礎性和擴展研究性工作,實現(xiàn)全市排水監(jiān)管的信息化、智慧化。
根據(jù)排水行業(yè)發(fā)展、監(jiān)管要求建設信息系統(tǒng),實現(xiàn)對污水處理廠進出水口部位數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測[9],手動填報實驗室水質(zhì)檢測結果數(shù)據(jù),并對在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與實驗室檢測數(shù)據(jù)進行耦合對比分析,以全面有效掌握排水水質(zhì)狀況。
依照國家水質(zhì)監(jiān)管標準規(guī)范設置報警閾值,在標準范圍內(nèi)根據(jù)不同水源地、時間、地區(qū)的實際歷史曲線測算各排水企業(yè)的水質(zhì)監(jiān)測區(qū)間,以保障排水達標排放。
通過互聯(lián)互通、縱橫聯(lián)動,實現(xiàn)跨層級、地域、系統(tǒng)、部門、業(yè)務的協(xié)同管理和服務,將過去各自為政、各行其是的“穩(wěn)態(tài)”信息系統(tǒng),打造成全程全時、全模式全響應、牽一發(fā)而動全身的“敏態(tài)”智慧系統(tǒng),實現(xiàn)排水治理方式的智慧化。
依托“云上揚州”平臺框架和云計算中心的資源共享服務平臺實現(xiàn)跨部門、系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)的聯(lián)動使用,確定標準化的數(shù)據(jù)共享目錄。由市級統(tǒng)籌,直接接入全市各排水企業(yè)及附屬設施監(jiān)管數(shù)據(jù),并授權各縣(市、區(qū))實現(xiàn)對本轄區(qū)各企業(yè)的監(jiān)控指揮調(diào)度,實現(xiàn)對各企業(yè)在線和非在線監(jiān)管數(shù)據(jù)的獲取。
利用數(shù)據(jù)資源暢通流動、開放共享的屬性,優(yōu)化重塑再造業(yè)務,使監(jiān)管模式從人工監(jiān)管向智慧監(jiān)管轉變,監(jiān)管頻率從單次長周期向?qū)崟r化、常態(tài)化轉變,應急模式從被動應付向主動分析預警轉變。建立新的標準化監(jiān)管體系,促進排水行業(yè)監(jiān)管考核標準的轉變[10]。
參照相關法規(guī),統(tǒng)一技術標準,對數(shù)據(jù)采集的頻率和質(zhì)量做出統(tǒng)一規(guī)定,為今后分析決策提供支撐。
監(jiān)管平臺建設采用高內(nèi)聚低耦合的多層架構[11],從邏輯上將子系統(tǒng)劃分成許多集合,而層間關系遵循一定的規(guī)則。通過分層,可以限制子系統(tǒng)間的依賴關系,使系統(tǒng)以更松散的方式耦合,從而更易于建設、維護和升級。子系統(tǒng)可以根據(jù)需要從整合框架中任意拆分出來或加載進去,而不影響整個應用體系的運行??傮w架構如圖1 所示。
圖1 總體架構
總體架構由云設施層、接入層、數(shù)據(jù)層、服務層、應用層、展現(xiàn)層構成,從總體上確保項目順利實現(xiàn),穩(wěn)定運行,后續(xù)擴展。具體分析如下:
1)云設施層。主要提供監(jiān)管平臺運行所需的節(jié)點主機、云存儲、網(wǎng)絡等硬件,以及將這些硬件整合成一套完整的云計算環(huán)境所需的配套軟件。
2)接入層。實現(xiàn)揚州市物聯(lián)網(wǎng)傳感器的適配、安全接入和身份認證,保證采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽?,并通過對數(shù)據(jù)的協(xié)議解析、轉換和提取,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
3)數(shù)據(jù)層。將各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織和存儲,實現(xiàn)資源按需分配,為指揮調(diào)度平臺及各專項應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐,以更好地滿足揚州市各行業(yè)監(jiān)管部門、各專業(yè)運營單位、各級用戶對數(shù)據(jù)資源的需求。
4)服務層。以標準規(guī)范的數(shù)據(jù)接口,通過提供數(shù)據(jù)發(fā)布、共享、交換、分析等服務,為指揮調(diào)度中心及專項應用系統(tǒng)提供支撐,并實現(xiàn)與揚州市數(shù)字城管系統(tǒng)的集成應用。
5)應用層。通過指揮調(diào)度平臺和專項應用的建設構建統(tǒng)一聯(lián)動的信息化平臺。
6)展現(xiàn)層。通過門戶系統(tǒng)實現(xiàn)各類應用的單點登錄、消息集成,以及權限、用戶和組織機構的統(tǒng)一,并對各類信息及輔助分析結果進行統(tǒng)一展示。
7)標準規(guī)范體系。遵守各項國家、行業(yè)和地方性標準與規(guī)范要求,制定切實符合揚州市智能管網(wǎng)建設運行和管理的標準規(guī)范體系。
8)運維服務體系。為確保運維工作正常、有序、高質(zhì)地進行,必須針對運維的管理流程和內(nèi)容,制定相應的運維管理制度,實現(xiàn)各項工作的規(guī)范化管理。
“云上揚州”整體部署在電子政務網(wǎng)中,分為公共區(qū)、互聯(lián)網(wǎng)區(qū)、運維區(qū)等七大塊。監(jiān)管平臺和數(shù)據(jù)庫布署在電子政務網(wǎng)公共區(qū);接收數(shù)據(jù)采集傳輸儀(以下簡稱數(shù)采儀)數(shù)據(jù)的服務器布署在互聯(lián)網(wǎng)區(qū),在數(shù)據(jù)接收并進行解析處理后,通過網(wǎng)閘將數(shù)據(jù)擺渡到公共區(qū)監(jiān)管數(shù)據(jù)庫;區(qū)縣主管單位和所屬污水廠選擇專線的方式,組成局域網(wǎng),區(qū)縣主管單位將局域網(wǎng)和區(qū)縣電子政務分中心(電子政務網(wǎng))打通;“云上揚州”和江蘇省電子政務網(wǎng)連通。區(qū)縣主管單位和所屬污水廠通過專線連接,在各單位增加防火墻等安全設備,添加相應的安全規(guī)則,滿足安全要求。網(wǎng)絡連接方式如圖2 所示。
圖2 網(wǎng)絡連接方式
不同單位使用的數(shù)據(jù)獲取及存儲技術手段各異,進行數(shù)據(jù)匯聚融合是一項復雜的工作。依據(jù)對各污水廠調(diào)研的實際情況,數(shù)據(jù)匯聚主要采用現(xiàn)有系統(tǒng)提供的二次開發(fā)接口、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)采集傳輸儀等 3 種方式進行數(shù)據(jù)上傳。
3.3.1 區(qū)縣污水廠
污水廠依據(jù)下發(fā)的需上傳數(shù)據(jù)項目,通過開放數(shù)據(jù)庫、提供系統(tǒng)二次開發(fā)接口、將 PLC 數(shù)據(jù)抽取到數(shù)據(jù)庫表等方式,準備各自的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳有以下 2 種方式:
1)將數(shù)據(jù)推送至區(qū)縣主管單位服務器。
2)監(jiān)管平臺開發(fā)單位在區(qū)縣服務器上部署數(shù)據(jù)抓取程序,到污水廠提供的地址抓取。
視頻數(shù)據(jù)提供視頻地址即可。
3.3.2 泵站管理單位
泵站管理單位開放自己的數(shù)據(jù)庫和視頻地址,市級主管單位直接抓取相關數(shù)據(jù)到監(jiān)管數(shù)據(jù)庫。
3.3.3 區(qū)縣主管單位
區(qū)縣主管單位和本行政區(qū)各污水廠利用專線組成一個局域網(wǎng),并將這個局域網(wǎng)和電子政務外網(wǎng)打通,負責將本行政區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)轉發(fā)到監(jiān)管數(shù)據(jù)庫。
3.3.4 市級污水廠
市級污水廠接入電子政務外網(wǎng)專線,利用專線將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)管數(shù)據(jù)庫。
3.3.5 市級主管單位
市級主管單位負責在“云上揚州”搭建監(jiān)管平臺,接收市級污水廠、泵站管理單位、區(qū)縣主管單位轉發(fā)的數(shù)據(jù)。
污水廠、泵站管理單位繼續(xù)使用原有的系統(tǒng),監(jiān)管平臺不給他們分配用戶;區(qū)縣主管單位擁有本轄區(qū)企業(yè)的數(shù)據(jù)和功能權限;市級主管單位擁有全部的數(shù)據(jù)和功能權限,并負責維護監(jiān)管平臺。
3.5.1 數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計
監(jiān)管平臺集成地下排水管線數(shù)據(jù)、CCTV 檢測系統(tǒng)及成果,可實現(xiàn)以下功能:
1)通過查詢,方便快捷地了解地下管線的分布及標高、埋深、管徑、材質(zhì)、權屬等信息。
2)通過拓撲分析,了解管線的上下游關系。
3)通過連通性分析,確定不同位置管線是否連通。
4)通過統(tǒng)計,了解某范圍內(nèi)符合設定條件的管線長度和管點數(shù)量及位置。
5)通過查看 CCTV 檢測結果文字報告及視頻影像,了解管網(wǎng)的健康狀況,確定管網(wǎng)是否需要修復。
監(jiān)管平臺集成了排水大戶數(shù)據(jù),可以隨時查詢排水戶及許可證信息。
監(jiān)管平臺以日報、月報、年報等多種方式和維度統(tǒng)計水質(zhì)達標情況;以不同時間長度計算污水處理量,結合供水數(shù)據(jù)得出污水處理率;根據(jù)設備運行狀態(tài),計算設備在線率;根據(jù)預警次數(shù)及報警信息,分析污水處理工作需要加強的方面。
3.5.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)管理
污水處理廠進、排水口水質(zhì)各參數(shù)根據(jù)設置的時間間隔,由設備自動上報。監(jiān)管平臺可隨時調(diào)取查看不同時間段的歷史數(shù)據(jù)。
為確保數(shù)據(jù)的可信性,督促企業(yè)把好水處理質(zhì)量關,設計數(shù)據(jù)比對模塊。將實驗室檢測結果和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比對,數(shù)據(jù)指標差超出一定范圍,監(jiān)管平臺進行預警,增強監(jiān)管能力。
3.5.3 預報預警處置
為實現(xiàn)市區(qū)泵站、管網(wǎng)、調(diào)蓄池及全市污水廠運行動態(tài)一屏“觀、管、防”[12],選取管網(wǎng)關鍵節(jié)點,安裝水位、流量等監(jiān)測設備,實時監(jiān)控排水系統(tǒng)關鍵節(jié)點雨量、水位、流量、水質(zhì)等關鍵運行信息[13-14]。監(jiān)管平臺后臺設置閾值,一旦有指標超過預警值,系統(tǒng)以聲光方式彈出報警信息[15],工作人員接警后根據(jù)實際情況,選擇啟動預設好的預案及流程。
監(jiān)管平臺事先已按照不同類型事件(如爆炸起火、污染超排、重點部位積水等)錄入處置流程、預案,一旦有重大污染及事故發(fā)生,根據(jù)不同類型的事件啟動應急預案[16],調(diào)取相關的基礎數(shù)據(jù),查詢附近的物資儲備,從專家?guī)熘羞x擇業(yè)務對口的專家,在最短時間內(nèi)對事故進行處置。
3.5.4 模擬仿真
以 DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)疊加正射影像圖作為底座,河道關鍵節(jié)點的水位及流量數(shù)據(jù)為基礎依據(jù),充分考慮預測的降雨量、排水管網(wǎng)及泵站的運行狀態(tài),對未來態(tài)勢進行模擬[17],為排水運行調(diào)度提供支持,輔助實現(xiàn)排水廠、站、網(wǎng)、池一體化運行的自動感知,水質(zhì)保障,水量均衡的目標。
3.5.5 移動巡查
移動巡查為手機端,主要實現(xiàn)巡檢任務和隱患的管理,滿足日常巡查管理的需要,發(fā)現(xiàn)問題及時上報,值班人員啟動流程對隱患事件進行處置[18]。
排水自身及相關業(yè)務數(shù)據(jù)種類較多,經(jīng)過歸類,分為基礎地理數(shù)據(jù)(地圖、地名、地址)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)(水質(zhì)、流量、水位等)、氣象環(huán)保數(shù)據(jù)(降雨、河流斷面)、基礎輔助數(shù)據(jù)(排水管線、CCTV 檢測、排水大戶)等。為便于利用,針對每類數(shù)據(jù)制定了相關數(shù)據(jù)標準。
監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)接入涉及的廠家多,分布范圍廣,網(wǎng)絡環(huán)境復雜,不同區(qū)縣使用的安全措施不一樣,各污水廠對建設監(jiān)管平臺認識程度不一致,數(shù)據(jù)匯聚耗費大量時間、人力、資源。根據(jù)各廠的實際情況,實時數(shù)據(jù)采用原有系統(tǒng)二次開發(fā)并上傳到特定數(shù)據(jù)庫、中控數(shù)據(jù)轉存到本地數(shù)據(jù)庫等待抓取、數(shù)采儀發(fā)送到特定地址等方式,匯聚到“云上揚州”排水數(shù)據(jù)庫,視頻數(shù)據(jù)通過專線匯聚到視頻平臺。
依據(jù)數(shù)據(jù)目錄,將排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、CCTV 檢測數(shù)據(jù)、污水廠資料、泵站資料、排水大戶信息、專家?guī)烊藛T信息、物聯(lián)網(wǎng)設備、實驗室水質(zhì)數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等進行建庫,建立排水基礎數(shù)據(jù)庫。
整合數(shù)據(jù)后,依據(jù)工作需要,定制開發(fā)功能項,滿足日常使用及監(jiān)管要求。
監(jiān)管平臺部署完成后,需要有資質(zhì)的測評單位對整個平臺進行三級等保測評,針對發(fā)現(xiàn)的問題逐項進行改正。
監(jiān)管平臺自 2020 年 6 月正式上線以來,運行穩(wěn)定,在經(jīng)濟和社會效益方面均取得一定的成效。以 2021 年 7 月 16 日揚州市暴雨為例,16 日下午,揚州市區(qū)暴雨如注,部分低洼路段、下沉式立交有明顯積水。利用監(jiān)管平臺成果,通過安裝的攝像頭和水位設備,3 min 就能查看 1 個積水點位的數(shù)據(jù),并將積水深度展示在附件的電子屏上,提醒過路行人注意安全;根據(jù)實時數(shù)據(jù),從全局考慮實施廠站網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度[19],積水點使用強排車進行作業(yè),積水時長減少 1 h。通過監(jiān)管平臺,提高了工作效率,減輕了工作人員的負擔,節(jié)約了時間成本,增強了服務社會的能力,每年可節(jié)省成本約 30 萬元。
主管部門每年都要深入各污水處理廠進行檢查、考核。利用監(jiān)管平臺,調(diào)取 1 個廠 1 a 的歷史數(shù)據(jù)僅需分鐘級的時間,再查看歷史報警及污水處理量等數(shù)據(jù),幾分鐘就能根據(jù)數(shù)據(jù)了解 1 個廠 1 a 的運行情況。用 2 d 時間,即可將全市所有污水廠的運行情況梳理清楚??荚u打分依據(jù)更加科學充分,經(jīng)濟成本每年可節(jié)約 80 萬元,時間成本可節(jié)約 10 d 以上,人力成本可節(jié)約數(shù) 10 人次。
借用“云上揚州”縱向不同層級、橫向不同單位網(wǎng)絡互聯(lián)互通的便利,再結合專線、互聯(lián)網(wǎng)(數(shù)采儀使用互聯(lián)網(wǎng))各自的特點,在保證安全的前提下,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)匯聚。提出了采用現(xiàn)有系統(tǒng)提供的二次開發(fā)接口進行數(shù)據(jù)上傳,通過數(shù)據(jù)庫及數(shù)采儀進行數(shù)據(jù)上傳的方案。梳理了主管單位、污水廠、泵站管理單位各自承擔的任務,承擔的任務,可給今后同行建設此類平臺提供參考。梳理了監(jiān)管平臺具備的功能項,給主管單位履職做技術支撐。在區(qū)縣主管單位設立數(shù)據(jù)分中心,將數(shù)據(jù)匯聚到“云上揚州”,給主管單位履職做數(shù)據(jù)支撐,可提高主管單位的監(jiān)管和應急處理能力,防范化解潛在風險。
人工智能技術快速發(fā)展,在安全生產(chǎn)、水質(zhì)處理、自動調(diào)度[20]等方面總結梳理共性問題,采集相關數(shù)據(jù),對模型進行訓練,代替人工實時診斷存在的問題并自動采取措施,是今后排水行業(yè)的建設熱點。
在每天不同時段,需處理的污水量不同。在國家“雙碳”目標[21]大戰(zhàn)略下,研發(fā)相關的軟硬件產(chǎn)品,根據(jù)來水不同,自動調(diào)整設備功率,減少能耗,也是今后排水行業(yè)綠色發(fā)展的發(fā)力點。