第47 卷第 3 期2021 年给水排水WATER WASTEWATER ENGINEERING Vol. 47 No. 3 2021 构建设计
鄢琳1’2荣宏伟〃谭锦欣3王华光3
(1广州大学，广州510006;2珠江三角洲水质安全与保护教育部重点实验室，广州510006;
3广东爱科环境科技有限公司，中山528400)
摘要：为提升城市排水系统运行的效率和质量，开发设计了基于G I S的“源一网一厂一河”一体化智慧排水系统，其层次结构包括基础层、感知层、网络层、应用层。应用层是整个智慧排水系统的核心组成.主要包含六大模块一排水许可信息化管理、拓扑分析、健康评估、终端监测、模型计算及动态巡检。应用该系统构建排水系统模型计算，集成终端在线监测校核分析，分析诊断排水系统健康问题和拓扑问题，定位病害区域，自动制定最优巡检方案，分配派单于外业.外业巡检结果反馈回智慧排水系统，最终实现城市排水一体化智慧管理。 关键词：源一网一厂一河；智慧排水系统；应用层；一体化管理
中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1002 — 8471(2021)03—0150—06
DOI：10. 13789/j. cnki. ww el964. 2021. 03. 024
引用本文：鄢琳，荣宏伟，谭锦欣，等.“源一网一厂一河”一体化智慧排水系统的构建设计[J].
给水排水，2021,47(3): 150-154. YAN L，R()NG H W, T A N J X,e t al. Construction and de-
sign of pollution source-drainage pipe network-sewage treatm ent plant-urban river integrated
intelligent drainage sy stem[J], W ater &- W astewater E ngin eerin g,2021,47(3) ： 150-154.
氧空位
Construction and design of pollution source-drain^e pipe network-sewage treatment plant-urban river integrated intelligent drainage system
YAN Lin1，2, RONG Hongwei1’2, TAN Jinxin3, WANG Huaguang3
(1. G uangzhou U niversity >,Guangzhou 510006 »China；2. K ey Laboratory fo r Water Q uality
and Conservation o f the P earl R iver Delta , M in istry o f Education ,
G uangzhou 510006 , China；3. Guangdojig A ike E nvironm ent
Science 8^ Technology Co. , L td,■»Zhongshan 528400 ^C hiiia)
A bstract：In order to improve the efficiency and quality of urban drainage system, The con
struction of the pollution source-drainage pipe network-sewage treatm ent plant-river integrated intelligent drainage system is mainly based on the secondary developm ent design of GIS. the hierarchical structure of its construction includes the basic layer, the perception layer, the network layer, and the application layer. The application layer is the core com ponent of the entire intelligent drainage system, which mainly includes six m odules：Drainage perm it inform ation m anagem ent, topology analysis* health assessm ent，term inal m onitoring，model calculation and dynamic inspection.
T he system takes full advantages of drainage system model calculation by integrating term inal online m onitoring and verification analysis. T he purposes are analyzing and diagnosing health problems (location offlaws^ areas) and topological problems of the drainage system. Form ulating the
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optimal scheme for inspection with assignments for maintainers i s the m e a n to receive the feedbacks about the practical situation of the drainage facilities.Consequently,the ultimate goal of integrating the intelligent mana g e m e n t s for drainage system can achieve.
Keywords：Pollution source-drainage pipe network-wastewater treatment plant-urban river；Intelligent drainage system；Application layer；Integrated m a n a g e m e n t
火漆印章头如何自制0引言
随着建设智慧城市的深化推进，城市基础设施 的老化、落后问题日益凸显。城市排水系统作为城 市重要基础设施之一，是智慧城市的重要组成部分，跟上智能化应用发展的步伐，实现智慧排水、智慧管 水已是必然趋势。目前，我国大多数旧城市排水系 统现状存在很多问题，用水单位污水乱排，城市管网 老化破损、污水管网收集率低下，污水处理厂进厂水 质浓度偏低、污水处理厂低效运行。排水管网地理 信息系统(G I S系统）是智慧排水的重要组成部分，它提供了一种管理不同属性的基础数据、地理空间 数据的有效手段，是集计算机图形和数据库于一体、储存和处理空间信息的高新技术。G I S将各类排水 设施的地理位置和相关属性有机结合起来，根据实 际需要可视化表达，以满足住建、水务等有关部门对 排水系统信息采集、更新、编辑、查询统计、运行管理 及辅助设计和科学调度等方面的要 求，并完成可视 化展示并借助其独有的空间分析功能，来进行各种 辅助决策分析[1]。
因此，基于G I S进行二次开发设计，构建一套 “源一网一厂一河”一体化智慧排水系统，可以为城 市排水系统的管理运行提供一个综合性全流程的管 理平台，从而提高城市智慧排水系统的管理效率。
1一体化智慧排水系统的构建前提
1. 1统一标准
为了保证系统各层次结构清晰，数据格式的有 效衔接，以及各应用功能模块的协调开发，需要制定 相关的系统标准与规范，包括数据标准、传输标准、监测流程标准、模型计算标准、功能模块标准、运维 操作标准等。在构建系统前统一标准，确保排水信 息的互联互通，充分发挥各种资源的作用和功能，建 立起科学系统的智慧排水框架，做到统计口径统一、技术标准统一、测量方法统一、共享程度统一等[2]。实现智慧排水系统的标准化，能提升智慧排水系统的可扩展性，为其可持续发展提供有效保障。
1.2资源共享
智慧排水的高效运行是以多源的水务信息资源 为前提，而这些信息由不同的主体掌握，涉及到多个 业务部门、政务部门以及公众参与，并且各方需求不 同。需要通过水务部门内部共享，水务部门与气象
、国土、环保等部门跨部门共享以及与社会公众共享. 通过水务信息资源共享，智慧水务的广泛应用能改变 分散建设的模式，可以大大减少监测站点、通信设施 等硬件和数据库、应用系统等软件的重复建设，保证 数据挖掘最有效、资源配置最优化、公众参与最大化。
1.3管理智能
物联网及云计算等技术的高速发展和成熟应用，为智慧水务奠定了良好的技术基础M，使智慧排水实 现多源感知、实时采集、远程传输、快速计算、精准决 策。利用信息技术能使城市排水系统规划、设计、运 维管理变得更为精细化、动态化及智能化，提高了智 慧排水管理的针对性、可靠性、灵活性和有效性。
2 —体化智慧排水的层次结构
2. 1基本框架
“源一网一厂一河”一体化智慧排水系统的构建 设计采用浏览器/服务器（B/S)模式进行管理信息 系统的开发，浏览器/服务器模式是一种分布式的客 户机/服务器模式，对于分散在众多的不同网络上的 服务器，客户机都将其看作是一台大型的虚拟主机，通过浏览器的作用，用户发出请求给服务器。服务 器是浏览器/服务器模式的系统核心，系统的开发者 不需要给各种不同级别的用户设计开发各样不同的
应用程序，仅仅将各种各样的功能在W e b服务器上 实现，同时根据不同的功能，给各种级别的用户分别 授予相应的权限。通过H t t p请求，各个用户根据 各自的权限，其基本框架见图1。
2.1. 1基础层
基础层包括地形数据、污染源普查、排水户接驳
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基础层感知层网络P
'-------
水位监测
NB-LOT
水量监测
排水管
W数据库
水质监测
GPRS
城市排水
排水设施 数据库南量监测5G
-应用层
拓扑分析
健康评估
!
终端监测
模型计算
I~
动态巡检
图1“源一网一厂一河”一体化智慧排水的基本框架Fig. 1Basic framework of integrated intelligent drainage system
数据，排水管网摸查、检测数据，泵闸、厂房运行数据，河道断面数据等相关的城市排水系统基础信息数据，将基础层各类数据分别构建排水户数据库、排水管网 数据库、排水栗、闸、污水处理厂等排水设施基础层数 据库，作为“源一网一厂一河”一体化智慧排水系统的 基础。基础层数据的准确性、系统性和完整性直接决 定了智慧排水系统的可靠性和适用性。
2. 1.2感知层
感知层主要负责数据的采集，以液位计、流量 计、雨量监测终端、水质监测终端、监控摄像头、多源 传感器等监测设备为基础，集成在线监测设备、视频 监控设备、应急监测设备、卫星遥感监测等科技手 段[4]，完成水量水质数据、气象雨情、视频监控等动 态信息数据收集、整理、汇总和存储管理。为下一步 应用层开发提供灵活的信息服务，信息是决策的基 础，它们构成了决策的环境，实时准确的信息数据是 构成正确决策的基本条件。轴套与轴承
2. 1.3网络层
网络层提供通信网络，主要采用5G、G P R S、N B-L O T等网络传输，将设备状态、数据信息、监控 视频数据的实时传输至智慧排水系统、手机A P P、、云服务器。需根据在线监测点位现场 情况，考虑使用合适的通信网络。
2.1.4应用层
迷魂阵捕鱼应用层是整个“源一网一厂一河”一体化智慧排 水系统的核心组成。深度挖掘排水管网摸查检测基 础层数据，深人分析排水系统水量水质监测等终端 监测数据，充分掌控城市排水系统运行状况，实现排 水资产管理、“源一网一厂_河”一体化动态管控，为 排水系统运行管理提供决策支持，提高城市排水系统日常运营管理能力。
3 -•体化智慧排水系统的应用层设计
“源一网一厂一河”一体化智慧排水系统应用层 设计以基础层(地形数据、排水户数据库、排水管网数 据库、泵闸数据库、污水处理厂运行数据)为排水设施 数据库基础，以感知层和网络层获取的终端实时动态 监测数据为排水系统运行管理决策条件，系统主要包 含六大板块(排水许可信息化管理、拓扑分析、健康评 估、终端监测、模型计算、动态巡检)。接人排水户数 据，实现排水许可信息化管理，分析诊断排水系统健 康问题，实现排水系统健康评估，构建排水系统模型 计算，集成终端在线监测校核分析，出排水系统问 题区域，完善系统建设，提升排水系统运行效率和质 量。自动制定最优巡检方
案，分配派单于外业，外业 巡检结果反馈回智慧排水系统，实现数据更新。
3.1排水许可信息化管理
管理管辖区域的排水用户时，需要了解排水户 的排水许可证、接管证明等排水信息，对污染源排放 全方位监控，实现污染源排水许可制度的信息化管 理。智慧排水系统的排水许可信息化管理版块提供 详细统计功能，可根据办证时间、排水户名的条件来 查询水质水量报告的功能，更方便快捷地输出符合 查询条件的排水户信息。
3. 2拓扑分析
拓扑分析模块包括拓扑动态展示和拓扑动态管 理两大功能，见图2。拓扑动态展示是将排水设施 摸查检测数据按照系统指定的标准化格式录入平 台，打破数据孤岛，实现管网数据共享信息化管理，实现管网上下游追溯，溯源功能：对结构性、功能性、拓扑性三类管网问题进行分级，结合管网使用年限、管材、区域重要性等要素进行健康度评估，分四级动 态显示管网拓扑问题位置及详细信息，并通过移动 终端A P P即时发送信息至养护人员。根据健康度 评估结果，制定管网年度养护、整改计划，为科学养 护提供决策支持，做到防患于未然。拓扑动态管理 功能将排水系统网格化划分，对雨、污水集水区进行 分区管理，在各分区设置关键人流点，通过实时监测 关键人流点的水质与水量情况，详细了解各分区污 染源、排水管网、水厂及河涌的水量水质实时情况，实现对排水系统网格化、精细化管
理的目标。
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«*拓扑问■占比拓扑问a类型占比
图2拓扑分析功能模块
Fig. 2 Topology analysis function module
3. 3健康评估
健康评估功能模块是对管段、检查井、雨水 口、排放口、拍门、箱涵等排水设施结构性和功能性缺陷病害问题进行等级划分并对其健康度进行 评估查询。健康评估功能可实现自动判断识别并 动态展示病害问题准确位置、视频照片等信息，依 据《城镇排水管道检测与评估技术规程》将管道病 害问题分类分级，并以统计图的形式直观的展示管辖区域内排水管网的评估参数（缺陷等级、密度 评估及修复/养护指数）的情况，依据排水系统健 康度评估结果，优化更新外业摸查检测数据与内业的实时回传功能，实现对管网健康度的准确及时评估。健康评估板块展示，见图3。健康评估功 能模块能够实现排
水系统摸查检测数据可视化，可以为排水系统规划设计、建设管理提供决策支持，且有效指导外业维护工作，保障现状排水系统 安全、健康、高效运行。
图3健康评估功能模块
Fig. 3 Health assessment module
3.4终端监测
终端监测功能通过对污水溢流、城市内涝等突 发事件，建立全方位的监测系统，含水位、流量、水质、视频、照片等终端设备和数据传输接收系统，在 排水系统关键节点安装水位计，可以监测系统内水 位变化，表征污水管道倒灌堵塞和雨水管道溢流风 险；安装流速仪监测管道内水流流速，可以对结合排 水管道的功能性状况（沉积、障碍物、树根、起伏等）进行综合分析；安装在线水质仪（C O D/N H3-N/ T N/T P等)可以监测排水系统水质浓度变化情况，及时发现浓度突变状况，分析雨水、地下水倒灌或 工商业废水直排；并实时显示监测设备运行实况，实现实时掌控排水系统运行状况，为系统的模拟计算和预警预报提供支撑。终端监测板块展示。3.5模型计算
模型计算功能模块主要包括水质水量平衡分析 功能、设施能力评估功能、泵闸控制指令发布功能。模型计算主要是基于S W M M模型的在线化改造，在 线化模型改造的基本思路是采用“事件继承”的原则
对模拟〖卜算的每个步长进行控制，即在每个时间步长 模拟计算完成时，将当前步长的模型计算结果作为中 间状态文件存储，下一步长的计算以中间状态文件确 定的系统初始状态开始新的模拟。水质水量平衡分 析功能主要实现对项目区水质、水量状况进行整体评 估，结合水量水质监测分析系统中可能存在的外来水 入渗和污水外渗状况。从而，为排水管网系统的科学 修复与治理提供决策支持。设施能力评估通过集成 管网水动力学、水质模拟计算功能以及排水设施摸查 检测数据，实现对雨水管网、污水管网、截流干管、泵 站、水厂等实施能力进行评估判断；雨水管网能力评 估以超载和冒溢重现期标准作为评判指标，计算设施 能力评估分值r污水管网以设计充满度对应过流能力 作为评判指标，结合现状实际来水量计算设施能力评 估分值；截流干管以实际截流倍数和设计值对比计算 设施能力评估分值；水厂及泵站等以现状设施规模和 实际水量需求计算设施能力评估分值。泵站控制指 令发布是通过调取气象雷达预测数据，预判未来降 雨、管道排水及河道水质情况，基于优化控制目标，提 出可控水工设施优化调度运行规划，见图4。优化运 行规则包含旱天运行指令发布以及雨天优化运行指 令发布。旱天优化运行指令发布功能为以旱天管道 低水位运行(优先级低)、旱天污染溢流削减(优先级 高)为综合目标，结合旱天运行方案模拟优化可控水
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工设施运行规则，提出旱天控制指令(河道控制水位、
泵站控制水位)要求。雨天优化运行指令发布功能基
于管控平台调取气象预测数据.以内涝程度缓解（优
先级高）、溢流污染削减(优先级低）为综合目标，结合
雨天运行方案模拟优化调整可控水工设施运行状态，
提出当前控制指令(河道泄流降水位、泵站开启空容
积)要求。
Fig. 4 Model calculation module
3.6动态巡检
传统的排水管道巡检一般根据人工经验编制维 护计划，由于缺少科学依据，常出现“头痛医头脚痛 医脚”的结果，造成管道维护效率低下。为提高排水 设施维护的信息化管理水平，智慧排水系统设计外 业动态巡检功能，实现基于管网健康度评估诊断、监 测数据判断分析、模型计算综合评估，计算管道问题 的优先级别，自动制定最优化的巡检方案，分配并派 单外业人员、车辆、工具、任务量。同时根据标准化 的作业成果要求，现场巡查过程与结果相关信息提 供巡检记录报表，可通过移动端记录，同步反馈给智 慧排水系统，实现数据更新。动态巡检功能结构见 图5。
4结语
“源一网一厂一河”一体化智慧排水系统以更加 信息化、数字化的方式，有效梳理片区管网的连接关 系，对于错混接、断头、变形、破损等排水管网问题实 现广动态展7K；对于管网关键节点的水位、流量、水 质实现了动态监测；根据模型系统实现了排水系统 的动态计算，保障污水系统的提质增效；基于系统的 智能管控，实现了系统决策与外业巡检的结合，达到 动态巡检的目标；实时动态预警预报将排水系统被
图5动态巡检功能结构身份认证系统
Fig. 5 Function diagram of the dynamic inspection
动防御改变成主动应急。通过智慧排水系统建设和 运行，理顺旧城市排水系统的管网拓扑关系，实现基 础数据实时更新，为运行管理提供实时准确的基础 资料，节省大量的重复投入，提高排水系统建设和运 营管理的工作效率；结合各类基础信息进行模型分 析，提前通过系统可以模拟出可能发生的灾害的等 级•以便做到事前控制。
参考文献
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与现代化，2015(7): 112-115.
〇通信作者：荣宏伟，男.1973年出生，博士.教授。主要研究方向为给水处理理论与技术、污水处理理论
技术以及水务信息化。
收稿日期：2〇2〇-〇8-27
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