1、引言
城市排水问题的重要性不言而喻。一部城市发展史,必然伴随一部城市地下排水系统发展史。但在我国城市化发展过程中,城市排水系统的规划、建设跟不上城市规模的快速扩张。近年来,城市内涝、河道污染、雨污混流、污水偷排等问题日趋凸显,城市管理部门年年加大管理力度和投资力度,年年梳理问题根源,但效果差强人意。《广州市治水三年行动计划(2017—2019年)》已明确要求,全面完成国家和省的水环境治理任务,营造市民满意的水生态环境,改善城市环境质量。
随着全球云计算、物联网、互联网+等新一轮信息技术迅速发展和深入应用,城市信息化发展正酝酿着重大改革和新的突破,利用信息化技术来辅助治水工程施工管理、提质增效、截污工程管理、排水管网运营维护已成为必然趋势。本文根据当前中国大部分城市排水设施建设与运行管理的现状,开发出一套利用物联网技术对排水管网实时监测的智慧监测系统,总结智慧系统在实践过程中的建设要点与经验。
2、关键技术
物联网是信息时代的代表,也是高新技术快速发展的新成就。物联网通过互联网把不同的资源连接到一起。互联网是物联网的基础,物联网是互联网功能升级的产物。通过深入研究可以发现,物联网(IOT)借助互联网等技术,以新的方式连接传感器、控制设备,建立了人与物的联系方式,让信息向朝着远程控制和智能化的方向发展。物联网的关键技术包括如下几点：
2.1 网络通信技术
物联网发展过程中,最关键的是物和物之间的通信。对物联网技术来说,网络通信技术至关重要。网络通信技术包括无线网络技术和有线网络技术。网络通信技术中涉及到网络连接、数据通信、协议三种方式,通过光纤、卫星等媒介进行信息的传输,进而实现对数据信息的共享。同时网络通信技术本身具有多种管理和处理问题的能力。特别是近年来随着科技的发展,网络通信技术也对计算机互联网起到巨大的促进作用。
2.2 M2M技术
M2M技术主要用于机械的智能化管理以及控制工作,也就是在机械应用的过程中,可以使机械以及人与机械间进行有效的沟通和联系,并实现信息的传输从而提升管理人员间的合作效率,并促进技术融合。
通过M2M技术的应用,促进了工作人员、设备以及系统间的联系,使信息的传递更便捷。同时,通过M2M技术的应用也促进了无线终端以及传输通道产品的诞生。在实际的应用过程中, M2M技术可以分为垂直和水平两种不同的模式,并利用无线通信方式进行连接,保证传输数据和信息的综合性,为客户对数据的采集提供便利。
2.3 传感器技术
无线传感技术是传感器节点以无线通信连接组成的无线网络系统,在多个传感器的感知协作下可以对某一域内的对象信息进行搜索。无线传感技术可以实现数据的采集量化,也能实现数据的处理融合,更能实现数据的传递应用。传感器原理的构成有两部分,也即是转换原件和敏感元件,无线传感器系统有比较明显的优势,是自组织网络、大规模网络、可靠性的网络及动态性网络,也是以数据为中心的网络传感器技术的实际应用中,有一定的限制,如电源能量具有有限性,存储计算能力及通信能力也具有有限性。无线传感技术作为传感器原理上的突破,依然在继续创新技术造福人类。
2.4 中间件技术
物联网在连接人与物体间时,要想思想其特殊效果,必然要忽略和隐藏上层技术的广泛适应性,也要忽略和隐藏下层技术的复杂应用性。中间件便是承接上下层的设备以确保技术间的整合协作及交流。当然,中间件技术在优化过程中,技术应用效率显著提高,资源转化能力也逐步提高,这就杜绝了资源不合理浪费。
2.5 云计算技术
互联网的基础是云计算,通过网络的方式实现。它是一种高速、大量的计算方式,而且可以实现对资源的快速切换,进而实现对计算机实体的整合,提升系统的计算能力。
3、建设框架
智慧排水系统由分层支持体系、两大保障体系共同构成,其中分层支持体系包括感知层、传输层、服务层、应用层(包括用户层)。智慧排水监测系统的有效性保障主要由数据与业务系统两大保障体系组成,数据层面保障包括建立基础地理数据、地下管线数据、雨量监测数据、水位监测数据,并预留雨量预报数据、气象等数据的接入;其中前端数据采集硬件的建设与日常维护是数据保障体系中最为关键的一环;从业务系统上为一张图信息管理系统、流量、水质、水位监测系统,数据统计分析系统、预警预报系统、水质、水动力模型分析等系统。总体框架图如图1所示。
感知层：工作动态监管平台可采集移动终端的视频、照片与数据;可与电话、手机等通信终端互通;可利用雨量计、流量计以及水质监测设备采集城市管网基础数据。
传输层:利用互联网络、移动通信网络、专用互联网与专用物联等网络等进行网络的完善。
平台层:基于运行环境、数据中心、服务支撑三个部分,统一资源服务平台。
应用层:业务层面基于云计算平台可实现一张图管理系统、流量水质水位监测管理系统、数据统计分析系统、预警预报系统以及模型分析等。
4、排水管网监测方案设计
4.1 方案设计与实施流程
排水管网监测方案的制定与实施过程一般可分为选择监测区/段、选择监测点和设备安装三个阶段,其具体步骤如图2所示。首先确定监测的目标,根据排水管网现状分布和土地利用情况,分析排水管网的结构,并合理的选择监测区/段,初步制定监测方案;
然后结合现场勘察,进一步确定满足监测设备安装要求的监测点;接着在选定的监测点安装液位、流量等监测设备,并对监测设备取得的数据进行分析判别,进一步确认监测点选取的合理性,并进行监测指标、监测频率、监测时间,甚至监测点位的调整,最终形成科学合理的监测方案,进行长时间的数据监测,为分析管网运行状况以及管网模型的构建与模拟提供重要的数据支持。
4.2 监测布点原则与依据
4.2.1 布点原则
实用性原则：监测点的布置应与监测目的紧密联系,监测目的根据新塘镇排水实际业务需求来确定,而业务需求又来源于当地的排水管网、河道、土地利用类型、排水单位分布现状。因此只有对以上信息进行充分全面的调研,才能科学合理地布置监测点。
分散与集中相结合的原则：不同类型的区域具有不同的排水特征,因此制定监测方案时应尽量将监测点分散布置于城市不同类型的区域。如可在城市不同土地利用区域(工业区、居住区、文教区、工商业居住混合区等)的区域布置监测点。
同时,为了便于对设备进行维护,在同一类型区域中不同类型的监测设备(如流量监测和水质监测)的安装点应尽量靠近。
代表性原则：监测点附近与排水规律相关的影响因素与该地区的绝大多部分区域相近或一致,包括人口密度、交通流量、空气污染和居民生活习惯等。
可行性原则：所选择的监测位置要能够方便、安全的安装和检修监测设备,并考虑设备的防盗。
便利性原则：水质采样点要求尽量选择交通便利、距离试验室及工作人员较近的区域,在降雨前期监测人员可迅速到位,采样后可立即将样品送回实验室进行分析。
4.2.2 布点依据
根据《地表水和污水监测技术规范(HJ-T912002) 》,监测站点在总体和宏观上须能反映水系或所在区域的水环境质量状况。各站点的具体位置须能反映所在区域环境的污染特征;尽可能以最少的断面获取足够的有代表性的环境信息;同时还须考虑实际采样时的可行性和方便性。
监测站点的布设需优先考虑以下原则:
选择水流条件较好断面,监测断面要求水流平顺，无激流、侧流、回流。
选择管网、渠道淤积不严重的部位设置监测断面。
监测断面两岸要求平坦、无障碍物,便于仪器设备安装调试。
市政管网关键节点、收集范围尽量全覆盖。
一级污水干管接入污水处理厂前。
二级污水干管接入一级污水干管前。
市政管网关键节点、收集范围尽量覆盖。
5、监测站建设
5.1 逻辑结构设计
排水管道里的流量、水质数据由RTU采集通过GPRS专线传送至规定的数据接受中心。监测战逻辑结构如图3。
5.2 功能要点设计
监测站实现如下功能:
(1)具备定时自动采集水位、流量、水质等数据的功能,数据采集间隔时间可任意设定;
(2)具备实时召测水位数据的功能;
(3)具有水位、流量、水质加报功能,加报门槛可任意设置;
(4)具备定时自检发送、死机自动复位、站址设定、掉电数据保护、实时时钟校准、设备测试等功能;
(5)具备根据用户设置的相应预警值(时段流量、水位等)实现本地预警提醒功能;
(6)具备每次向接站点中心发送的数据包带有设备本身的工作信息(电池电压、信号强度)的功能;
(7)具备数据补报功能,根据设定设备提供数据存储和滞留数据(当网络连接不好时的未发送数据)的自动补报功能,保证了数据的连续性和准确性；
5.3 安装示意图
考虑到项目实施的时效性、连续性、稳定性及维护方便性等因素,通常采用图4的设备安装方式,采用电池与太阳能电板双供电方式,确保电源供应稳定。
若项目有多参数监测需求,可对传感器采集模块进行改造,例如可将多普勒流量计与水质(COD、HN)监测探头集成三合一水质流量一体化监测站(如图5),共用一套RTU与供电电源,极大的降低了项目材料成本与实施维护成本。
6、成功案例介绍
经过与业主沟通测试项目位于广州天河区临江大道入厂的监测试点,位置布设于主干管以及一级干管的关键位置,目标是分析管内的流量、液位、流速小时级的运行情况,项目范围主要有2600mm管和1350mm管,井深都在4m以上,最深的井达到9m,管内流速流量都非常大,安装难度非常大,经过项目组多次的方案讨论与施工组的反复验证,最终成功安装与顺利运营。协助业主掌握临江大道片区内的主干管的实时运行状态,并对日常管道养护提出建议,为项目改造的设计单位排水管提供设计依据,以及排水管道溯源管网及管网提质增效项目提供竣工验收的数据支撑。
智慧排水管网系统平台包排水管网二三维信息管理系统(图7)、排水管网在线监测系统(图8)、排水管道防洪内涝系统(图9),排水管网智能监测APP(图10)等。
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（来源：本文转自地下管线管理）