城市排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用
城市排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用
劉旭輝1，張金松1，王榮和2，趙冬泉3
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055；2.清華大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055；3.北京清控人居環(huán)境研究院，北京100083)
以深圳市福田保稅區(qū)為研究對象，探討了城市排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建方法和應(yīng)用前景。首先介紹了排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)涵，并結(jié)合排水管網(wǎng)系統(tǒng)特點闡述了排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中三個層次的設(shè)計方法；其次通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的后臺主機系統(tǒng)分析功能對排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀運行情況和存在問題進行了評估；最后總結(jié)了示范區(qū)排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建方法和應(yīng)用前景。
近幾年，我國多個城市在雨季發(fā)生了不同程度的內(nèi)澇事件。城市內(nèi)澇的成因較綜合、復(fù)雜，既有城市下墊面硬化造成的洪峰提前和匯流量急劇增加，也有城市熱島效應(yīng)造成的極端氣候頻發(fā)；既有排水管道規(guī)劃設(shè)計重現(xiàn)期偏小，也有管道設(shè)計方法的不科學(xué)；既有城市建設(shè)過程中管道施工質(zhì)量欠佳，也有管道建成后運營管理手段薄弱。在城市下墊面、氣候變化、既有管道結(jié)構(gòu)及質(zhì)量等客觀因素?zé)o法改變的城市建成區(qū)，只有通過加強管網(wǎng)運營管理手段，才能在一定程度上減少或避免城市內(nèi)澇的頻繁發(fā)生。
目前，對國內(nèi)大多數(shù)排水管網(wǎng)運營企業(yè)來講，排水管網(wǎng)的日常運營基本屬于被動和無序組織狀態(tài)，大部分城市排水管網(wǎng)資產(chǎn)不清、管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)不明、信息化管理手段嚴重落后。改變此種現(xiàn)象的主要技術(shù)方法即為大力發(fā)展排水管網(wǎng)信息化，有條件的地區(qū)可以建立排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過運行參數(shù)的長期監(jiān)測，輔助應(yīng)急事件的預(yù)警與處置，從而制定科學(xué)合理的管網(wǎng)養(yǎng)護方案。
1 排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述
排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層組成（見圖1）。從仿生學(xué)觀點來看，感知層類似于“感覺器官”，網(wǎng)絡(luò)層類似傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”，應(yīng)用層就是識別分析和智能控制的“大腦”。
1.1 感知層
感知層主要由位于排水系統(tǒng)各個關(guān)鍵節(jié)點上的液位、流量、水質(zhì)、毒性等在線監(jiān)測儀表以及視頻監(jiān)控設(shè)備組成，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸至應(yīng)用層，通過識別篩選、建模分析，獲取針對性的實時應(yīng)用信息，智能化地制定各種運行調(diào)控措施。
1.2 網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層是連接感知層和應(yīng)用層的紐帶。目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括3G、Zigbee、Wlan、Wimax、UWB、WSN、藍牙和移動通訊等形式，可根據(jù)排水系統(tǒng)采集點的分布特點分別采用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集點分布較為分散，采用有線網(wǎng)絡(luò)費用較高，無線傳輸較為適宜，如3G、GPRS網(wǎng)絡(luò)等；在進行排水管網(wǎng)流量液位監(jiān)測時，需要實現(xiàn)井下設(shè)備與井外中繼器的即時通訊，可采用Zigbee等短距離無線通訊技術(shù)。
1.3 應(yīng)用層
應(yīng)用層是整個排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的中樞機構(gòu)，匯聚了排水管理各項業(yè)務(wù)應(yīng)用中的公共或可復(fù)用的業(yè)務(wù)處理邏輯，形成標準化的軟件資源。在排水運營管理方面，需要建立數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建云服務(wù)平臺，為管網(wǎng)委托運營提供支持；在排水設(shè)施資產(chǎn)管理方面，需要利用GIS對排水管網(wǎng)空間分布及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行管理，并通過感知層的監(jiān)測和檢測設(shè)備監(jiān)控排水系統(tǒng)的動態(tài)運行規(guī)律；通過數(shù)據(jù)甄別、數(shù)理統(tǒng)計與排水管網(wǎng)模型等綜合分析模式的應(yīng)用，輔助排水系統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理，為排水戶管理、泵站調(diào)度、應(yīng)急處置、設(shè)施升級改造等具體業(yè)務(wù)工作提供支持。
2 示范區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建
福田保稅區(qū)內(nèi)部的雨水管道總長度為33.2 km，共有12個排放口，其中9個排放口雨水進入深圳河，3個排放口雨水進入新洲河，全部為重力自流，無雨水泵站。按照排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的層次和結(jié)構(gòu)，結(jié)合片區(qū)實際情況，本次排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的各層次設(shè)計如下：
2.1 感知層——現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備
由于排水管道埋藏于地下，管網(wǎng)數(shù)量多、范圍廣，且管道內(nèi)部水力和水質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境惡劣，排水管網(wǎng)監(jiān)測通常具有較高的成本和實施風(fēng)險。因此，在制定排水管網(wǎng)監(jiān)測方案時必須充分考慮實用性、分散與集中相結(jié)合、代表性和可行性等原則。
根據(jù)以上原則，本次排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備選用管道液位計、河道液位計和雨量計，后期增加管道流量計及水質(zhì)采樣器。目前，已有的液位計分為智能型和非智能型兩類。智能型傳感器與非智能型傳感器相比，具有數(shù)模轉(zhuǎn)換、上下限報警、設(shè)備參數(shù)網(wǎng)絡(luò)更新等功能。本次研究示范區(qū)管道液位計選用SmartWater智能監(jiān)測液位儀，該儀器采用雙壓力冗余探頭，通過合理搭配，避免測量盲區(qū)，提高測量精度，監(jiān)測頻率為1次/min。另外，可通過云服務(wù)管理平臺，根據(jù)需要修改和設(shè)置報警上下限及設(shè)備運行參數(shù)。
智能監(jiān)測液位計安裝地點選擇在檳榔道和桃花路交界處以南的雨水檢查井內(nèi)，該井地面標高為3.78 m、井底標高為-0.46 m、井深為4.24 m。井上下游為DN1 800雨水管道。另外一個安裝地點在檳榔道和桃花路交界處以南的污水檢查井內(nèi)，由于本次分析對象為雨水系統(tǒng)，故本文僅對雨水管道液位計數(shù)據(jù)進行分析。
為了更好地建立排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并對排水水力模型進行校核，本次研究中在保稅區(qū)內(nèi)部安裝了雨量計和河道的液位計。其中雨量計安裝在污水泵站內(nèi)，為翻斗式，每隔5 min記錄并傳遞一次數(shù)據(jù)，河道液位計每隔5 min記錄并傳遞一次數(shù)據(jù)。
通過上述現(xiàn)場在線監(jiān)測設(shè)備的布設(shè)，初步構(gòu)建了福田保稅區(qū)排水系統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場運行情況，增加高可靠性設(shè)備的監(jiān)測布點密度，并進一步測試排水流量與水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用，可逐步構(gòu)建完善、可靠、可長期運行的排水管網(wǎng)在線監(jiān)測體系。
2.2 網(wǎng)絡(luò)層——數(shù)據(jù)通訊技術(shù)
建立低成本、可靠的通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可將城市排水系統(tǒng)納入實時監(jiān)控和動態(tài)管理，使技術(shù)管理人員全面系統(tǒng)地了解排水系統(tǒng)的運行狀況，做出及時有效的管理對策。由于排水管網(wǎng)大多分布于城市道路下，覆蓋面廣，故最適合的數(shù)據(jù)通訊方式應(yīng)為無線通訊。以智能監(jiān)測液位計為例（見圖2），井內(nèi)的主機和井外的中繼器實行分體式設(shè)計,井內(nèi)主機設(shè)備通過低功耗短距通訊與中繼器快速連接，中繼器可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將主機記錄的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_主機系統(tǒng)。為保證中繼器和后臺主機系統(tǒng)及時通訊，現(xiàn)場需選擇最佳的安裝位置，一般中繼器可安裝在距離主機30 m以內(nèi)的范圍，例如電線桿、樹木上等。通過分體式設(shè)計，可以減少井內(nèi)主機設(shè)備的維護周期，并保證主機被淹沒后仍然能進行正常通訊；同時，中繼器的安裝位置較為靈活，可以同時考慮GPRS信號的優(yōu)良性以及今后現(xiàn)場維護的方便性。
2.3 應(yīng)用層——后臺主機系統(tǒng)
主機系統(tǒng)一般可設(shè)置在排水管理中心，也可設(shè)置在云端。排水管理人員通過分析所收集的運行數(shù)據(jù)，并結(jié)合氣象、水文、季節(jié)、時間等因素，可以根據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型，生成管理策略和全局性的運行參數(shù)，實施對整個管網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的管理工作。如果設(shè)置在用戶單位的管理中心，則需配置專用的計算機、相關(guān)的數(shù)據(jù)庫軟件，并需要定時的維護和管理，一定程度上會造成排水管理企業(yè)工作量的增加。如果設(shè)置在云端服務(wù)器，不僅可克服以上問題，而且設(shè)備還同時具備全網(wǎng)時間同步、數(shù)據(jù)永久儲存、數(shù)據(jù)永久在線快速查詢、數(shù)據(jù)故障自動恢復(fù)等功能。故本次排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的后臺主機系統(tǒng)設(shè)在云端服務(wù)器。
通過以上三個物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)層次的組合，排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)初步建立。用戶可以通過網(wǎng)頁端、手機端微信公眾號、手機端瀏覽器等多種方式在線查詢降雨量、管道液位等數(shù)據(jù)。并通過對數(shù)據(jù)的在線分析，判斷排水管網(wǎng)的運行狀況。如利用關(guān)鍵節(jié)點的監(jiān)測流量進行圖表和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可直觀發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點上下游排水管道的過載、溢流、淤積和滲漏等問題，并可進行定量化評估；在實際的管網(wǎng)系統(tǒng)管理中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以對排水管網(wǎng)的偷排、錯接等現(xiàn)象進行分析。
3 分析與討論
3.1 監(jiān)測液位數(shù)據(jù)
通過對2014年9月1日—9日的液位監(jiān)測資料和香港尖鼻咀水文站潮汐水位（見圖3）對比，發(fā)現(xiàn)兩者的液位變化曲線形狀基本一致。9月1日，監(jiān)測點的最低液位為0.992 m、黃海高程為0.532 m，最高液位為2.633 m、黃海高程為2.173 m。而香港尖鼻咀的最低液位約為0.7 m，最高液位約為2.38 m，因兩個點之間存在一定的距離，潮水倒流進入雨水管道需要一定的時間，亦存在一定的水面差，但兩個點的最低和最高液位基本接近，相差約0.2 m。這反映出福田保稅區(qū)雨水管道受潮位影響較為嚴重，DN1 800的雨水管道平時充滿度皆在50%以上，一天內(nèi)約有25%以上的時間管道內(nèi)水深超過管頂標高，管道利用效率較低，暴雨時如果同時發(fā)生潮水倒灌，則極易造成管道排水不暢而引起路面積水。
3.2 數(shù)據(jù)分析
該監(jiān)測點上游和下游共有30個雨水管道和31個檢查井，雨水管道的長度為974 m，其中DN800的雨水管道為291 m、DN1 500的雨水管道為450 m、DN1 800的雨水管道為233 m。根據(jù)9月1日—10日的液位監(jiān)測數(shù)據(jù)，最低液位的標高約為0.4 m，最高液位標高約為2.7 m，則可推出最高液位時檳榔道幾乎全部管道為滿水位，地下雨水管網(wǎng)利用效率較低，存在一定功能缺陷。
3.3 模型建立及評估
為了對該段雨水管道的排水能力和設(shè)計成果進行評估，需要建立排水水力模型，利用模型的分析功能，對不同潮位、不同降雨強度的情景進行模擬［3］。本次研究利用InfoWorks CS商業(yè)模型軟件，通過一系列步驟，最終建立福田保稅區(qū)排水管網(wǎng)模型。模型建立完成后，可通過設(shè)定不同降雨和潮汐水位情景的結(jié)合，利用水力模型的分析功能，分析排水管網(wǎng)系統(tǒng)存在問題、利用效率，并提出優(yōu)化的設(shè)計方案。
除了對現(xiàn)狀排水管網(wǎng)進行評估外，排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還實現(xiàn)了管網(wǎng)資產(chǎn)管理、排水戶管理、管網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)控、報警設(shè)置等，大大增加了企業(yè)對排水管網(wǎng)的管理效率。
4 結(jié)論與建議
隨著監(jiān)測和通訊技術(shù)的發(fā)展和進步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于排水管網(wǎng)運行管理是可行的。通過示范區(qū)排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)了關(guān)鍵點液位的實時監(jiān)測，結(jié)合排水管網(wǎng)水力模型的分析功能，可以對現(xiàn)狀排水管網(wǎng)的運行狀況進行綜合評估，并對下一步管網(wǎng)改造、系統(tǒng)升級提供客觀的數(shù)據(jù)支撐。
排水管網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是行業(yè)發(fā)展的趨勢，亦是解決排水管網(wǎng)運營管理中存在問題的最先進有效的方法。但由于排水管網(wǎng)覆蓋面廣、流域眾多，現(xiàn)場傳感器安裝等受多方面因素限制，因此需要進一步擴大范圍試點，優(yōu)化傳感器技術(shù)性能，并嘗試研究現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型的基礎(chǔ)應(yīng)用模式，最終達到“動態(tài)監(jiān)控管網(wǎng)運行情況、及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)風(fēng)險、科學(xué)進行管網(wǎng)調(diào)度”的目標。
（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第3期“技術(shù)總結(jié)”欄目）
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