城市智能化自控排水系統(tǒng)研究

祝鑫宇，趙海鑫，丁寧，羅楊，簡榕

（重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401331）

1 研究背景

近年來全球極端氣候頻繁出現(xiàn)，暴雨和特大暴雨等使得我國多個(gè)城市出現(xiàn)內(nèi)澇災(zāi)害，給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和城市正常運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的危害[1]。例如2021 年的鄭州洪災(zāi)，有1 481.4 萬人受災(zāi)，300 余人死亡，50 人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失約1 337.15 億元。這場災(zāi)難不僅成了當(dāng)?shù)赜谰玫膫矗矠槲覀兦眯蚜司?，亟待探索一種全新的更加合理的城市智能化排水系統(tǒng)。

重慶是一座依山而建、緣水而生的城市，獨(dú)特的地勢和城市形態(tài)造就了獨(dú)具特色的立體排水系統(tǒng)。排水管道架空多、跌水多、部分管涵深埋大，運(yùn)行存在諸多不確定性，地處長江上游對重慶排水系統(tǒng)運(yùn)行管理及風(fēng)險(xiǎn)防控提出了更高要求。自“十四五”時(shí)期以來，增強(qiáng)排水系統(tǒng)“韌性”，保障城市排水安全成為新時(shí)期排水工作的首要任務(wù)。因此，亟待探索一種新的能夠適應(yīng)城市發(fā)展的城市排水系統(tǒng)。周紅麗曾根據(jù)水位計(jì)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，提出將水泵與水位計(jì)相結(jié)合用于鍋爐的安全保護(hù)裝置研究，得以發(fā)展應(yīng)用，并取得了較為理想的效果。但目前沒有將水泵與水位計(jì)相結(jié)合用于城市排水的相關(guān)研究[2]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，特別是我國的北斗系統(tǒng)已經(jīng)完成組建，5G 技術(shù)也已投入應(yīng)用，人民對智能化的需求越來越大，且許多行業(yè)對智能化服務(wù)進(jìn)行了研究探索并已有廣泛應(yīng)用[3]。如能將新一代通信技術(shù)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)與城市的排水系統(tǒng)相結(jié)合，將會給水務(wù)行業(yè)及其相關(guān)行業(yè)帶來更大的效益。

通過結(jié)合重慶地區(qū)的天然地理?xiàng)l件等因素，本文提出一種針對重慶市更智能的自控排水系統(tǒng)。通過將自主設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)時(shí)水位監(jiān)測及加速排水裝置和排水工作站點(diǎn)信息管理平臺以及用戶應(yīng)用端APP 三者相結(jié)合的城市智能化自控排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水情監(jiān)測、排水設(shè)施工作狀態(tài)控制、城市智能化排水優(yōu)化調(diào)度以及水文數(shù)據(jù)的管理與共享。本文研究成果可幫助解決困擾城市發(fā)展的內(nèi)澇問題，并且有利于節(jié)約城市工作人力資源，更有利于為人民的生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障（圖1）。

圖1 城市智能化自控排水系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

2 實(shí)例設(shè)計(jì)

2.1 城市智能化自控排水系統(tǒng)體系說明

城市智能化自控排水系統(tǒng)體系主要分為兩層，如圖2 所示。右側(cè)為感知執(zhí)行層，當(dāng)城市降雨量過大，水位計(jì)接收數(shù)值超過臨界數(shù)值時(shí)，水位計(jì)的傳感器感知、接收到信號之后，將水位計(jì)的傳感器配備交流接觸器或PLC 電路板：即采用AC220V 的電磁閥制作一個(gè)并聯(lián)電路，信號就被傳送到水泵的自動(dòng)感應(yīng)裝置，閥門隨水泵的開啟與停止自動(dòng)按順序完成控制功能，不同的水位數(shù)值，信號強(qiáng)度不同，水泵工作強(qiáng)度不同，流速也相應(yīng)改變。同時(shí)利用太陽能供電系統(tǒng)為感知執(zhí)行層提供能量，不僅可以很好地利用重慶天氣夏季高酷暑、強(qiáng)光照的氣候特點(diǎn)，而且低碳環(huán)保；左側(cè)為數(shù)據(jù)共享層，利用自供電城市檢測系統(tǒng)為水位計(jì)的傳感器產(chǎn)生超聲波，在液面與空氣分界面反射成回波并被水位計(jì)傳感器轉(zhuǎn)化成電壓信號，處理后轉(zhuǎn)化成無線信號傳輸?shù)剿畡?wù)數(shù)據(jù)中心，同時(shí)每臺水泵都配備了PLC 控制單元，相關(guān)部門可隨時(shí)對各類排水設(shè)施，包括雨污管網(wǎng)、市政排水管網(wǎng)、污水廠、泵站、閘門站、城市易澇點(diǎn)、湖泊河流處的水情/雨情、水質(zhì)、視頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測，有助于工作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)損壞泵站并及時(shí)處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對排水系統(tǒng)、設(shè)施所有信息的采集、存儲、管理及查詢，待工作人員檢查無誤后，數(shù)據(jù)可上傳共享到用戶應(yīng)用端APP 上。研究團(tuán)隊(duì)通過兩層城市智能化自控排水系統(tǒng)體系，構(gòu)建一張全面監(jiān)測排水系統(tǒng)狀況的物聯(lián)感知網(wǎng)（圖3），即基于現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施（一般指互聯(lián)網(wǎng)）并與之互聯(lián)起來，形成動(dòng)態(tài)的松耦合系統(tǒng)——一個(gè)集地理信息、實(shí)時(shí)信息、設(shè)施信息、業(yè)務(wù)信息等于一體的排水系統(tǒng)大數(shù)據(jù)庫[4]?？梢曰緦?shí)現(xiàn)“十四五”規(guī)劃目標(biāo)，即“小雨不積水、大雨不內(nèi)澇”。

圖2 城市智能化自控排水系統(tǒng)體系

圖3 監(jiān)測排水系統(tǒng)狀況的物聯(lián)感知網(wǎng)

2.2 PLC 控制柜使用要求

1）PLC 控制柜的環(huán)境溫度要求為0℃～55 ℃。安裝時(shí)不應(yīng)放置在發(fā)熱量大的元件下，周圍的通風(fēng)散熱空間應(yīng)足夠大；

2）應(yīng)保證PLC 控制柜的絕緣效率，空氣的相對濕度需要小于85%（無冷凝）；

3）振動(dòng)應(yīng)使PLC 控制柜遠(yuǎn)離強(qiáng)振動(dòng)源，避免頻率為10～55 Hz 的頻繁或連續(xù)振動(dòng)。如果在使用環(huán)境中無法避免振動(dòng)，應(yīng)采取阻尼膠等阻尼措施；

試驗(yàn)儀器測得固有頻率與理論計(jì)算得出的固有頻率誤差如表7所示。由表7知，頻率最小誤差為0.20%，最大誤差為6.68%。各階理論模態(tài)值與試驗(yàn)?zāi)B(tài)值誤差在10%以內(nèi)，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)知誤差值在標(biāo)準(zhǔn)

4）避免空氣中的腐蝕性和可燃性氣體，如鹽酸鹽、硫化氫等，避免空氣中灰塵或腐蝕性氣體較多的環(huán)境，PLC 控制柜可安裝在密封良好的控制室或機(jī)柜內(nèi)；

5）電源PLC 控制柜對電源線引起的干擾有一定的抵抗力。在可靠性要求高或停電特別嚴(yán)重的環(huán)境中，可安裝帶保護(hù)層的絕緣變壓器，以減少設(shè)備與地面之間的干擾。一般來說，PLC 控制柜在輸入端有一個(gè)DC24V 輸出。如果輸入端使用外部直流電源，則選擇直流穩(wěn)壓電源。由于普通電源受波形影響，PLC 控制柜很容易獲取錯(cuò)誤信息。

2.3 水位計(jì)設(shè)備性能

1）水位

（1）水位計(jì)分辨率：0.1 cm；

（2）水位變幅范圍：10～20 m；

（3）測量誤差＜2 cm；

（4）重復(fù)性誤差≤±1 cm。

2）水溫

水溫計(jì)分辨率：0.1 ℃；

3）環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)

（1）工作溫度：-5 ℃～55 ℃；

（2）工作濕度：相對濕度≤95% RH（40 ℃時(shí)）。

4）貯存環(huán)境

（1）貯存溫度：-40 ℃～60 ℃；

（2）貯存濕度：相對濕度≤95% RH（40 ℃時(shí)）。

5）機(jī)械環(huán)境

振動(dòng)：能承受GB/T9359 所規(guī)定的振動(dòng)試驗(yàn)；

電磁環(huán)境：工頻抗擾度性能符合GB/T17626.8 第3 級要求。

3 模擬結(jié)果

3.1 案例分析

某人擬從重慶科技學(xué)院（虎溪校區(qū)）前往重慶圖書館，有以下兩個(gè)方案：

（1）方案一（坪山大道—大學(xué)城隧道）。如圖4所示，該路線途徑大學(xué)城隧道，坪山大道至重慶圖書館，其中三個(gè)站點(diǎn)中一個(gè)小雨，稍有風(fēng)險(xiǎn)；一個(gè)中雨，一般風(fēng)險(xiǎn)；一個(gè)暴雨，高度風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 方案一路線

（2）方案二。如圖5 所示，該路線途徑雙碑隧道，西雙大道至重慶圖書館，其中三個(gè)站點(diǎn)中兩個(gè)小雨，稍有風(fēng)險(xiǎn)；一個(gè)大雨，顯著風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 方案二路線

本次分析共有四個(gè)步驟，首先現(xiàn)場站點(diǎn)布置應(yīng)滿足以下原則：宜選在緊靠人流較大集散點(diǎn)；兩個(gè)站點(diǎn)間距不設(shè)最高上限，但不應(yīng)小于200 m；長途客運(yùn)汽車站、火車站、隧道、居民住宅等主要出入口50 m 范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)站點(diǎn)；站點(diǎn)規(guī)模要根據(jù)人們出行規(guī)劃配置的線路而確定。例如在此次案例分析中，對于方案一設(shè)置坪山大道、大學(xué)城隧道、梨高路三個(gè)站點(diǎn)，方案二設(shè)置西雙大道、雙碑隧道、渝碚路三個(gè)站點(diǎn)。《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》明確指出道路中一條車道的積水深度不得超過15 cm，若積水達(dá)到15 cm 且超過30 min，范圍大于1 000 m2，就會影響城市交通，造成城市交通混亂。因此我們可設(shè)計(jì)積水高度達(dá)到15 cm 時(shí)水位計(jì)觸發(fā)水泵工作，這時(shí)通過電磁閥并聯(lián)電路所接收信號強(qiáng)度不同，控制水泵相應(yīng)流速，使得積水能以最快時(shí)間排放，解決內(nèi)澇問題，減小積水高度。而此時(shí)積水液面與空氣界面回波所產(chǎn)生的信號傳輸至重慶水務(wù)數(shù)據(jù)中心，由專業(yè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，待檢測無誤后，未出現(xiàn)人工攔截情況下，數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至用戶端APP，而考慮到降雨量與積水同樣是影響人們出行的關(guān)鍵因素，因此在用戶端APP 智能風(fēng)險(xiǎn)評估、篩選出人們雨天最優(yōu)出行方案時(shí)，將其考慮在內(nèi)。

3.2 結(jié)果分析

如表1 所示，我國規(guī)定一般將雨量分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨。這是由于氣象部門根據(jù)24 h 累計(jì)降雨量的多少而決定的。而由于中雨及以下雨量等級造成積水對人類出行威脅的可能性較小，僅在對中雨及以上雨量等級風(fēng)險(xiǎn)評估中將積水高度考慮在內(nèi)。

表1 風(fēng)險(xiǎn)判定表格

綜上，兩個(gè)方案相比，方案一有一個(gè)站點(diǎn)是高度風(fēng)險(xiǎn)，屬于重大風(fēng)險(xiǎn)且積水高度高達(dá)0.16 m，對出行造成較大困擾，而方案二僅有一個(gè)中度風(fēng)險(xiǎn)，三個(gè)站點(diǎn)都屬于低度風(fēng)險(xiǎn)，安全性更高，更適合人們出行。

中國《第三次氣候變化國家評估報(bào)告》顯示：水循環(huán)出現(xiàn)變異就是由全球變暖所導(dǎo)致的結(jié)果，降水的時(shí)空分布就會不均勻，大氣的持水能力也因此發(fā)生變化，同時(shí)還會導(dǎo)致洪水等極端水文事件出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度發(fā)生變化，增加了洪水風(fēng)險(xiǎn)[5]。而本研究中數(shù)據(jù)共享層用戶應(yīng)用端APP 能實(shí)時(shí)檢測各地區(qū)降雨量，以及進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，當(dāng)降雨等級達(dá)到一定程度時(shí)，積水高度的顯示可使人們直觀感受到風(fēng)險(xiǎn)。人們可以在監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)了解到水位以及目前通行情況，也可以點(diǎn)擊視頻或者圖片查看不同監(jiān)測點(diǎn)的情況，在外出前也可查看安全區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域，由此來規(guī)劃自己的出行路線，如表2 所示，安全系數(shù)及不受降雨影響可能性大幅度增加，同時(shí)為人們篩選出最優(yōu)出行路線，有利于解決人們雨天出行不便的問題，減少甚至避免了類似河南鄭州的大型洪災(zāi)。

表2 APP 使用前后效益對比

4 結(jié)論

未來智慧城市建設(shè)，亟須解決智能化排水系統(tǒng)這一問題，以減小洪澇等災(zāi)害，研究團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的結(jié)合大數(shù)據(jù)水利信息、管理平臺和用戶應(yīng)用端APP 的城市內(nèi)澇排水控制智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)的智能化改進(jìn)。本文從實(shí)例設(shè)計(jì)出發(fā)，提出了由“數(shù)據(jù)共享”和“感知執(zhí)行”層構(gòu)成的全面監(jiān)測排水系統(tǒng)狀況的物聯(lián)感知網(wǎng)。本文的案例分析也更具體說明和展示該自控排水系統(tǒng)的功能，它可以根據(jù)污水量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，避免了電能浪費(fèi)[6]。同時(shí)能使專業(yè)人員更好地了解水位和排水的實(shí)際情況，便于預(yù)防和及時(shí)處理問題。該自動(dòng)化排水系統(tǒng)使得人們出行更加便利安全，同時(shí)進(jìn)一步完善了城市排水系統(tǒng)，通過對污水排放各要素的智能調(diào)配，解決城市中小雨積水、大于內(nèi)澇的痛點(diǎn)。而且還能提高城市應(yīng)急響應(yīng)能力，鍛造城市韌性。