1   引言

隨著全球云計算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+等新一輪信息技術(shù)迅速發(fā)展和深入應(yīng)用,城市信息化發(fā)展正醞釀著重大改革和新的突破,利用信息化技術(shù)來輔助治水工程施工管理、提質(zhì)增效、截污工程管理、排水管網(wǎng)運(yùn)營維護(hù)已成為必然趨勢。本文根據(jù)當(dāng)前中國大部分城市排水設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行管理的現(xiàn)狀,開發(fā)出一套利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對排水管網(wǎng)實時監(jiān)測的智慧監(jiān)測系統(tǒng),總結(jié)智慧系統(tǒng)在實踐過程中的建設(shè)要點與經(jīng)驗。

2  關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是信息時代的代表,也是高新技術(shù)快速發(fā)展的新成就。物聯(lián)網(wǎng)通過互聯(lián)網(wǎng)把不同的資源連接到一起?；ヂ?lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)功能升級的產(chǎn)物。通過深入研究可以發(fā)現(xiàn),物聯(lián)網(wǎng)(iot)借助互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),以新的方式連接傳感器、控制設(shè)備,建立了人與物的聯(lián)系方式,讓信息向朝著遠(yuǎn)程控制和智能化的方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括如下幾點：

2.1   網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中,最關(guān)鍵的是物和物之間的通信。對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來說,網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)包括無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中涉及到網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)通信、協(xié)議三種方式,通過光纖、衛(wèi)星等媒介進(jìn)行信息的傳輸,進(jìn)而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的共享。同時網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)本身具有多種管理和處理問題的能力。特別是近年來隨著科技的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也對計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)起到巨大的促進(jìn)作用。

2.2   m2m技術(shù)

m2m技術(shù)主要用于機(jī)械的智能化管理以及控制工作,也就是在機(jī)械應(yīng)用的過程中,可以使機(jī)械以及人與機(jī)械間進(jìn)行有效的溝通和聯(lián)系,并實現(xiàn)信息的傳輸從而提升管理人員間的合作效率,并促進(jìn)技術(shù)融合。

通過m2m技術(shù)的應(yīng)用,促進(jìn)了工作人員、設(shè)備以及系統(tǒng)間的聯(lián)系,使信息的傳遞更便捷。同時,通過m2m技術(shù)的應(yīng)用也促進(jìn)了無線終端以及傳輸通道產(chǎn)品的誕生。在實際的應(yīng)用過程中, m2m技術(shù)可以分為垂直和水平兩種不同的模式,并利用無線通信方式進(jìn)行連接,保證傳輸數(shù)據(jù)和信息的綜合性,為客戶對數(shù)據(jù)的采集提供便利。

2.3  傳感器技術(shù)

無線傳感技術(shù)是傳感器節(jié)點以無線通信連接組成的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),在多個傳感器的感知協(xié)作下可以對某一域內(nèi)的對象信息進(jìn)行搜索。無線傳感技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化,也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理融合,更能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞應(yīng)用。傳感器原理的構(gòu)成有兩部分,也即是轉(zhuǎn)換原件和敏感元件,無線傳感器系統(tǒng)有比較明顯的優(yōu)勢,是自組織網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、可靠性的網(wǎng)絡(luò)及動態(tài)性網(wǎng)絡(luò),也是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的實際應(yīng)用中,有一定的限制,如電源能量具有有限性,存儲計算能力及通信能力也具有有限性。無線傳感技術(shù)作為傳感器原理上的突破,依然在繼續(xù)創(chuàng)新技術(shù)造福人類。

2.4   中間件技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)在連接人與物體間時,要想思想其特殊效果,必然要忽略和隱藏上層技術(shù)的廣泛適應(yīng)性,也要忽略和隱藏下層技術(shù)的復(fù)雜應(yīng)用性。中間件便是承接上下層的設(shè)備以確保技術(shù)間的整合協(xié)作及交流。

當(dāng)然,中間件技術(shù)在優(yōu)化過程中,技術(shù)應(yīng)用效率顯著提高,資源轉(zhuǎn)化能力也逐步提高,這就杜絕了資源不合理浪費。

2.5  云計算技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是云計算,通過網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)。它是一種高速、大量的計算方式,而且可以實現(xiàn)對資源的快速切換,進(jìn)而實現(xiàn)對計算機(jī)實體的整合,提升系統(tǒng)的計算能力。

3  建設(shè)框架

智慧排水系統(tǒng)由分層支持體系、兩大保障體系共同構(gòu)成,其中分層支持體系包括感知層、傳輸層、服務(wù)層、應(yīng)用層(包括用戶層)。智慧排水監(jiān)測系統(tǒng)的有效性保障主要由數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)兩大保障體系組成,數(shù)據(jù)層面保障包括建立基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)、雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)、水位監(jiān)測數(shù)據(jù),并預(yù)留雨量預(yù)報數(shù)據(jù)、氣象等數(shù)據(jù)的接入;其中前端數(shù)據(jù)采集硬件的建設(shè)與日常維護(hù)是數(shù)據(jù)保障體系中最為關(guān)鍵的一環(huán);從業(yè)務(wù)系統(tǒng)上為一張圖信息管理系統(tǒng)、流量、水質(zhì)、水位監(jiān)測系統(tǒng),數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析系統(tǒng)、預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)、水質(zhì)、水動力模型分析等系統(tǒng)?？傮w框架圖如圖1所示。

感知層：工作動態(tài)監(jiān)管平臺可采集移動終端的視頻、照片與數(shù)據(jù);可與電話、手機(jī)等通信終端互通;可利用雨量計、流量計以及水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備采集城市管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

傳輸層:利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)、專用互聯(lián)網(wǎng)與專用物聯(lián)等網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的完善。

平臺層:基于運(yùn)行環(huán)境、數(shù)據(jù)中心、服務(wù)支撐三個部分,統(tǒng)一資源服務(wù)平臺。

應(yīng)用層:業(yè)務(wù)層面基于云計算平臺可實現(xiàn)一張圖管理系統(tǒng)、流量水質(zhì)水位監(jiān)測管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析系統(tǒng)、預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)以及模型分析等。

4   排水管網(wǎng)監(jiān)測方案設(shè)計

4.1  方案設(shè)計與實施流程

排水管網(wǎng)監(jiān)測方案的制定與實施過程一般可分為選擇監(jiān)測區(qū)/段、選擇監(jiān)測點和設(shè)備安裝三個階段,其具體步驟如圖2所示。首先確定監(jiān)測的目標(biāo),根據(jù)排水管網(wǎng)現(xiàn)狀分布和土地利用情況,分析排水管網(wǎng)的結(jié)構(gòu),并合理的選擇監(jiān)測區(qū)/段,初步制定監(jiān)測方案;

然后結(jié)合現(xiàn)場勘察,進(jìn)一步確定滿足監(jiān)測設(shè)備安裝要求的監(jiān)測點;接著在選定的監(jiān)測點安裝液位、流量等監(jiān)測設(shè)備,并對監(jiān)測設(shè)備取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判別,進(jìn)一步確認(rèn)監(jiān)測點選取的合理性,并進(jìn)行監(jiān)測指標(biāo)、監(jiān)測頻率、監(jiān)測時間,甚至監(jiān)測點位的調(diào)整,最終形成科學(xué)合理的監(jiān)測方案,進(jìn)行長時間的數(shù)據(jù)監(jiān)測,為分析管網(wǎng)運(yùn)行狀況以及管網(wǎng)模型的構(gòu)建與模擬提供重要的數(shù)據(jù)支持。

4.2  監(jiān)測布點原則與依據(jù)

4.2.1   布點原則

實用性原則

監(jiān)測點的布置應(yīng)與監(jiān)測目的緊密聯(lián)系,監(jiān)測目的根據(jù)新塘鎮(zhèn)排水實際業(yè)務(wù)需求來確定,而業(yè)務(wù)需求又來源于當(dāng)?shù)氐呐潘芫W(wǎng)、河道、土地利用類型、排水單位分布現(xiàn)狀。因此只有對以上信息進(jìn)行充分全面的調(diào)研,才能科學(xué)合理地布置監(jiān)測點。

分散與集中相結(jié)合的原則

不同類型的區(qū)域具有不同的排水特征,因此制定監(jiān)測方案時應(yīng)盡量將監(jiān)測點分散布置于城市不同類型的區(qū)域。如可在城市不同土地利用區(qū)域(工業(yè)區(qū)、居住區(qū)、文教區(qū)、工商業(yè)居住混合區(qū)等)的區(qū)域布置監(jiān)測點。

同時,為了便于對設(shè)備進(jìn)行維護(hù),在同一類型區(qū)域中不同類型的監(jiān)測設(shè)備(如流量監(jiān)測和水質(zhì)監(jiān)測)的安裝點應(yīng)盡量靠近。

代表性原則

監(jiān)測點附近與排水規(guī)律相關(guān)的影響因素與該地區(qū)的絕大多部分區(qū)域相近或一致,包括人口密度、交通流量、空氣污染和居民生活習(xí)慣等。

可行性原則

所選擇的監(jiān)測位置要能夠方便、安全的安裝和檢修監(jiān)測設(shè)備,并考慮設(shè)備的防盜。

便利性原則

水質(zhì)采樣點要求盡量選擇交通便利、距離試驗室及工作人員較近的區(qū)域,在降雨前期監(jiān)測人員可迅速到位,采樣后可立即將樣品送回實驗室進(jìn)行分析。

4.2.2   布點依據(jù)

根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(hj-t912002) 》,監(jiān)測站點在總體和宏觀上須能反映水系或所在區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量狀況。各站點的具體位置須能反映所在區(qū)域環(huán)境的污染特征;盡可能以最少的斷面獲取足夠的有代表性的環(huán)境信息;同時還須考慮實際采樣時的可行性和方便性。

監(jiān)測站點的布設(shè)需優(yōu)先考慮以下原則:

選擇水流條件較好斷面,監(jiān)測斷面要求水流平順，無激流、側(cè)流、回流。

選擇管網(wǎng)、渠道淤積不嚴(yán)重的部位設(shè)置監(jiān)測斷面。

監(jiān)測斷面兩岸要求平坦、無障礙物,便于儀器設(shè)備安裝調(diào)試。

市政管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點、收集范圍盡量全覆蓋。

一級污水干管接入污水處理廠前。

二級污水干管接入一級污水干管前。

市政管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點、收集范圍盡量覆蓋。

5   監(jiān)測站建設(shè)

5.1  邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

排水管道里的流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)由rtu采集通過gprs專線傳送至規(guī)定的數(shù)據(jù)接受中心。監(jiān)測戰(zhàn)邏輯結(jié)構(gòu)如圖3。

5.2   功能要點設(shè)計

監(jiān)測站實現(xiàn)如下功能:

(1)具備定時自動采集水位、流量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)的功能,數(shù)據(jù)采集間隔時間可任意設(shè)定;

(2)具備實時召測水位數(shù)據(jù)的功能;

(3)具有水位、流量、水質(zhì)加報功能,加報門檻可任意設(shè)置;

(4)具備定時自檢發(fā)送、死機(jī)自動復(fù)位、站址設(shè)定、掉電數(shù)據(jù)保護(hù)、實時時鐘校準(zhǔn)、設(shè)備測試等功能;

(5)具備根據(jù)用戶設(shè)置的相應(yīng)預(yù)警值(時段流量、水位等)實現(xiàn)本地預(yù)警提醒功能;

(6)具備每次向接站點中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包帶有設(shè)備本身的工作信息(電池電壓、信號強(qiáng)度)的功能;

(7)具備數(shù)據(jù)補(bǔ)報功能,根據(jù)設(shè)定設(shè)備提供數(shù)據(jù)存儲和滯留數(shù)據(jù)(當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接不好時的未發(fā)送數(shù)據(jù))的自動補(bǔ)報功能,保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性；

5.3   安裝示意圖

考慮到項目實施的時效性、連續(xù)性、穩(wěn)定性及維護(hù)方便性等因素,通常采用圖4的設(shè)備安裝方式,采用電池與太陽能電板雙供電方式,確保電源供應(yīng)穩(wěn)定。

若項目有多參數(shù)監(jiān)測需求,可對傳感器采集模塊進(jìn)行改造,例如可將多普勒流量計與水質(zhì)(cod、hn)監(jiān)測探頭集成三合一水質(zhì)流量一體化監(jiān)測站(如圖5),共用一套rtu與供電電源,極大的降低了項目材料成本與實施維護(hù)成本。

6   成功案例介紹

經(jīng)過與業(yè)主溝通測試項目位于廣州天河區(qū)臨江大道入廠的監(jiān)測試點,位置布設(shè)于主干管以及一級干管的關(guān)鍵位置,目標(biāo)是分析管內(nèi)的流量、液位、流速小時級的運(yùn)行情況,項目范圍主要有2600mm管和1350mm管,井深都在4m以上,最深的井達(dá)到9m,管內(nèi)流速流量都非常大,安裝難度非常大,經(jīng)過項目組多次的方案討論與施工組的反復(fù)驗證,最終成功安裝與順利運(yùn)營。協(xié)助業(yè)主掌握臨江大道片區(qū)內(nèi)的主干管的實時運(yùn)行狀態(tài),并對日常管道養(yǎng)護(hù)提出建議,為項目改造的設(shè)計單位排水管提供設(shè)計依據(jù),以及排水管道溯源管網(wǎng)及管網(wǎng)提質(zhì)增效項目提供竣工驗收的數(shù)據(jù)支撐。

智慧排水管網(wǎng)系統(tǒng)平臺包排水管網(wǎng)二三維信息管理系統(tǒng)(圖7)、排水管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)(圖8)、排水管道防洪內(nèi)澇系統(tǒng)(圖9),排水管網(wǎng)智能監(jiān)測app(圖10)等。