智慧排污系统在城市生活污水处理中的应用

李鹏程

摘要：为有效治理城市生活污水，通过借鉴国内城市排水系统智能化建设先进经验，并结合云南某市城市排水系统现状，利用物联网技术、GIS系统、水利模型、智能仪表，及云平台、计算机信息化等技术建设城市智慧排污系统。结合实际应用场景对智慧排污系统的基础架构和建设内容进行介绍，表明了智慧排污系统的实际应用价值。

关键词：智慧排水 ；污水；GIS系统 ；云平台 ；物联网

为切实推动城市高质量发展和改善人居环境，根据国家发改委对“厂网河（湖）岸一体、泥水并重、流域区域综合治理、资源循环利用”和“一座城市、一个主体、一种模式”的要求，以系统化思维为引领，推进“智慧水务”建设，各城市及各大水务集团也在积极着力的打造“智慧排水平台”，实现污水处理和排水系统信息监管与数据分析，增强排水系统运营养护管理水平，提高企业的核心竞争力和经济效益，同时也为城市防洪排涝、管网设备资产、排水安全保障等提供有力的支撑。

1 项目建设目标

以辅助污水“提质增效”任务的圆满完成为近期目标，最终打造一个覆盖城市排污水的规范化、精细化、智慧化的“智慧排水”一体化管控平台。平台以管网监测为基础，以污水管网系统、水力模型与算法为核心，实现对排水系统各要素全过程的运行（水质、流量、液位）动态监管、数据分析、报表管理、区域网格化管理、管道养护监管、巡检调度等。平台集成排水管网的设施管理、实时监控、运维管理、综合调度等重要业务，实现污水系统运行的一体化智慧管理。

2 总体技术路线

智慧排污平台的总体技术路线是以数据为核心，先通过水质监测站点、液位计、流量计等相关设备来对污水管网关键节点进行监测预警，通过管网GIS系统实现管网的数据监测、报警、运维与调度。然后通过对模型软件、数据应用基础平台的开发以及基础数据的处理，建设统一平台，以构建数据中心及云平台为基础，通过共享服务、数据服务、Web服务、协同应用等实现整合集成。最后基于数据中心的GIS平台、地图空间数据及云平台，结合JavaEE开发框架，进行数据智慧中心建设，结合手机APP应用，实现对城市排污系统进行管理、展示和应用，最终使智慧排污系统能够真正的使用起来，帮助用户解决实际的问题。

3 智慧排污系统的基础架构

智慧排污平台围绕安全及组织保障体系、运维运营管理及规范体系的应用系统，总体架构划分为智能感知层、基础设施层、平台层、数据层、应用层及展示层六个层次，以实现智慧排污平台中各功能和相关业务的应用，支撑城市排污向智能化、信息化、协同化方向发展。具体如下图所示:

平台框架示意图

3.1感知层

通过对水质监测站、流量计、液位计、雨量计、视频监控设备等在线监测设备进行科学合理的布设，充分利用覆盖排污管网、污水处理厂、泵站、河道等排水系统全过程的多类型感知设备，对液位、流量、水质、雨量等数据进行采集与控制，为应用层提供信息服务。建立城市排污管网在线监测与预警系统并长期有效运行，形成系统化的物联感知体系。

3.2基础设施层

基础设施层即为网络系统层，主要部署在机房与智慧中心，包括云服务器、无线网络、有限网络、设备自带的RTU数据传输系统等，利用4G/5G 或 NB-IoT 无线技术将现场设备采集的各项实时数据通过无线的方式上传至信息管理平台，实现数的传输与储存。所有采集数据均经过网关、防火墙等安全设备监测后进入信息管理平台的数据库，工作站与移动端通过 B/S 应用与 APP获取相应的数据。通过严格的外网IP管理和服务器分区隔离管理，保证各类数据共享交互在安全可靠的网络里进行。

3.3平台层

平台层主要包括管网水力模型平台、GIS系统、视频平台、数据采集平台等。数据通过平台搭载的水力模型、GIS应用软件、报表开发工具、工作流引擎、数据采集平台等，完成管网运行数据的采集、储存、更新、分析及处理，实现排污管网等运行工况的实时感知，借助 GIS独有的空间分析和可视化表达，对排污管网系统进行查询、管理、维护、设计及各种辅助决策。为动态监视、运维养护、优化运行、统计分析、业务应用等提供基础数据资源。

3.4数据层

数据层是系统信息汇集和数据存储与管理的基础，提供数据访问、数据存储、数据备份、数据挖掘等各项数据管理服务，包括解析水厂传输数据的数据接收器，构建数据资源管理云平台，支撑城市排污系统管理各类基础数据、多媒体数据等信息资源的采集、接受处理、交互服务，同时共享地理空间、自然资源等信息，形成智慧排污综合信息资源库。数据层主要组成内容如下图所示：

3.5应用层

业务应用层是系统应用的核心，基于数据层，利用粒度适当、具有独立应用功能、协议标准、接口开放可复用的组件开放技术，构建综合业务应用平台，主要包括排水生产监管系统、管网管理系统、智慧排水中心等。

排水生产监管系统主要由排水一张图、运行监管系统、专题数据分析及报表管理系统组成。排水一张图是基于 GIS 地理信息技术实现排水管网、设施综合管理的平台，具有管网、水厂及监测点的可视化展示、管网监测信息查询、工单联动、消息报警、管网运行分析等功能。通过运行监管系统实现水质、水量、液位、视频监控、设备运行状态等数据的实时查看，为管理人员提供一体化监控管理的窗口，提升运营管理效率。

管网管理系统的应用实现管网数据的处理、更新，用户可发布管道检测及维修养护情况；通过本系统对排污系统进行区域网格化管理，实时监控区域运行状态并对运行状态进行分析、预警、定位，让用户快速了解区域水量实际变化情况，结合水力模型等技术手段，精准识别入流入渗、管网淤堵等系统问题，指导用户对入流入渗区域管网改造与维护，提升污水系统与雨水系统的协同运行效能。

智慧排水中心大屏系统基于 GIS 扩展系统，及对管网进行三维建模，可实现三维管网生产运行状态综合展示，同时可实现公司日常动态发布，对管网综合调度进行监控。

3.6展示层

组建智慧中心，安装配置电脑终端对平台的展示、大屏展示系统及移动APP端，用户可以通过不同展示界面随时随地查看城市排污系统的各项数据。同时结合大屏、智慧排水中心，通过一张图的形式，精细化展示城市排污系统运行工况全貌，同时也可通过移动APP端实现排水生产的快速管控，多方式多维度的交互管理与协同运维，提高排污系统运行管理水平。

4 管理模式

平台以管网监测为基础，以污水管网系统、水力模型与算法为核心，建设“一个平台、排水一张图、两个体系、6个层次、9大功能和N个功能点”相结合的综合智慧排污一体化平台，实现对排污系统各要素全过程的运行（水质、流量、液位）动态监管、专题数据分析分析、管网信息管理、管道养护监管、风险处置辅助决策、巡检调度等，实现污水系统运行的一体化智慧管理。通过管网监测报警、一体化调度、辅助排水管网运营优化、巡查养护、绩效考核等多功能于一体的应用平台，结合手机移动端实现随时随地排水监管、生产调度等，全方位满足污水系统建设的过程监管、运行管理与绩效考核等业务功能。

5 新技术的应用

5.1数字孪生技术及三维建模技术应用

基于数字孪生技术及三维建模技术的应用，平台可对排污主干管网、周围环境、监测站的排污系统进行动态三维还原，实现排水系统的可视化管理，可对排污管网监测点进行数字孪生监控，可查看现场的三维站点运行状态，用户点击可查看详细生产数据和监测设备运行工况，生产数据如 COD、氨氮、SS、液位、流量，动态展示关键路段管网水质、水量、液位信息。

5.2GIS地理信息系统应用与拓展

排水一张图为基于 GIS 地理信息技术实现排污管网、设施综合管理的平台，以“一张图”的形式进行全面展示，如管线坐标、管线编号、管线高程、埋深、管径、管料、长度等数据信息，能够整体展现主要排水与污水处理设施的GIS分布，并为其他的应用提供基础。对覆盖范围内的排水管网、监测点等进行全方位可视化管理，使管理人员能快速了解排污系统总体分布、排水设施基础信息、监测情况及相互间的拓扑关系，全面、动态、准确地掌握排水运营状况。

6 项目实施效果

通过智慧排污系统的运行，可实现全天候实时对污水处理和排污系统信息监管、传输和分析，为运营监督工作提供全面合理的数据决策支撑，将传统多班组人工“逐片区-逐网线-逐问题点”检查转变为线上一张图“点对点”精准检查，既节约了大量的人工与机械台班，又可快准好的解决问题，提高了问题处理的及时性，以信息化手段提高排污系统运行效率。在信息化平台上建设水质监测站，实现对氨氮、COD、SS、pH等关键水质指标的在线监测与实时传输，以对地下管网中的水质进行监测。在信息化平台基础上，引入智能算法，实现对排污管网的全过程水文水质动态监管、液位流量模拟分析、防涝应急跟踪等功能，提高了排污系统的智能化水平。充分利用GIS系统、模型分析、物联网、大数据等技术，实现排污系统智慧监测、智慧巡检、智慧调度、智慧决策等，从传统的被动处置变为主动响应，提高运营管理和科学决策水平，从而降低排水管网、泵站、污水处理厂等设施的运行难度和管理成本。

7 结语

通过智慧排污一体化平台将物联网技术、互联网技术、智能控制技术和大数据分析处理技术与排水管网、污水厂、泵站等高度集成，实现排污系统的实时监测与管控，可及时发现城市排污系统运行的异常情况，减少城市内涝、污水溢流等现象。智慧污水处理系统解决了信息孤立，实现智能化、自动化排污管理，提高管理效率和综合效益，辅助水务企业形成先进的智能控制管理技术和管理理念。

参考文献

[1] 闫晓涛，桂芳.智慧水务在城市生活污水处理中的应用研究.甘肃科技.2017.33.17

[2]刘玉涛.基于物联网等技术的城市智慧排水系统建设应用研究[J].仪器仪表用户，2022，29(02):21-24.

[3]张彦晶.上海中心城区智慧排水管理平台构建.城市道桥与防.2021(05):146-148+19.

[4]鄢琳，菜宏伟，谭锦欣，等.“源-网-厂-河”一体化智慧排水系统的构建设计[J].给水排水，2021，57(03):150-154.