胡臻 黄贤亮 武今巾 何巍伟

（1.长沙市城区排水事务中心 湖南长沙 410000；2.合肥中科国禹智能工程有限公司 安徽合肥 230031）

城市排水系统主要由排水管网、雨（污）水泵站及污水处理厂构成，对处理和排除雨（污）水发挥着重要作用。但是，随着经济的发展和城镇化的不断推进，城市排水系统的负荷大大增加，纳污量大幅提升，污水管网老化淤堵严重，过流能力急速下降。此外，管网等排水设施因建造年代不同、分布范围广、设备类型多样等因素，导致排水系统内部工艺水平和实际处理能力水平的差异，给人工监管带来很大困难。为科学、高效地对排水设施进行管理，提高应急应变能力，保障城市排水系统稳定安全运行，亟需对排水设施（如市政管网、污水处理厂，以及雨、污泵站等）建立统一综合管理平台，即可实现实时预警、动态监测、智慧运维的排水系统管理体系。通过排水系统智慧化建设，转变传统排水系统管理思维及模式，提升运维及排水防涝能力，提高管理水平，提供决策支撑，保证排水系统良好运行。

1 排水系统智慧化建设的需求及意义

据有关部门统计，目前我国城镇排水系统采用的设计标准较低、排水能力有限，管网渗漏、破损、雨污混接等状况突出，存在很大的安全隐患，导致了黑臭水体下河污染河流、雨天极易形成内涝等城市病的存在。由于没有建立统一的排水系统设施的运行监管平台，无法对排水设施的规划、建设、运行管理及养护做出科学决策，这让城市排水管理部门“无能为力”，为了解决上述问题，提升城市排水系统的管理水平，可以结合感知设备，通过获取排水业务数据实现排水系统智慧化建设，保障城市排水系统的安全稳定运行。智慧排水系统管控平台建设具有如下重要的意义。

（1）无人值守，减少企业运行成本。通过排水系统智慧化建设，实时监控各排水设施，可依据设施、设备的运行状况实现统一监控和调优，无需人员值班看守，从而节约大量人力资源成本，有效减少运行维护费用。

（2）运用物联网技术，减少风险与隐患。通过汇总设备和业务数据，进行平台实时展示与监控，对突发情况迅速响应，实时预警，当异常情况出现时，能够及时进行干预和处置，保证安全。

（3）联合调度，实现智慧决策。通过利用数学建模、物联网、大数据、云计算、地理信息系统等技术，实现排水系统监测、巡查、调度、决策等过程的智慧化，实现从被动处置到主动作为的转变，提高决策能力和管理水平，与此同时，通过智慧排水系统建设，探索研究管网、泵站等设施联合调度及自动化改造，全面提升城市排水治理能力现代化，为智慧城市建设赋能。

2 关键技术

2.1 地理信息系统（GIS）技术

排水地理信息系统包含有管线、排水设施等的基础信息数据，同时还可以实现对排水管网、污水处理厂等的网络分析、空间可视化分析，这大大提高了市政排水管理部门对排水系统精细化管理的水平，为城市排水防涝、污水处理等工作提供了科学的决策支撑。在每年汛期来临之前，有关部门可以借助GIS 分析时下的气象灾害信息，模拟计算出更为精细、准确的区域降水参数数据，这对城市防洪应急工作具有十分重要的意义。此外，利用地理信息系统的空间拓扑功能，并结合渗水、蓄水的统计数据，建立相关的模型，评价城市水域（河道、蓄水库等）的储水能力，综合起来可预判城市发生内涝的概率。

2.2 物联网技术

物联网主要是利用智能传感设备，按照一定的规则实现人和人之间、人和物之间、物和物之间的互联互通，可采集、获取物质世界的各种信息，同时借助互联网、通信技术实现信息传递、管理、分析，从而达到实现对物质世界的智慧决策。

2.3 移动终端技术

随着信息技术与集成电路技术的快速发展，移动终端的应用场景也变得越来越丰富，除了具有通信功能以外，还可以进行信息处理、分析与展示。其在排水系统管理方面具体表现为通过开发小程序、APP 等方式，实现在移动客户端实现地理信息地图、管网管理，对水质、水量及排水设施进行监控（如视频监控、水位流量监控、污水厂、泵站监控）等功能。

2.4 雨洪模型分析技术

在城市地势比较低的地方，尤其是下穿桥、立交桥桥洞、地铁、地下人行通道、地下车库等地段，在降水比较密集的时候，很容易发生内涝灾害，而雨水管网承担着迅速排水的重任，有效降低发生内涝的风险。通过构建雨洪模型，模拟区域的降水情况，预测发生内涝的可能性，还可以为雨水管网、城市排水体系的建设提供决策支撑。

3 智慧排水系统建设管理现状

美国是第一个探索建立市政排水设施管理系统的国家，其利用GIS 技术设计了包括泵站的地理位置分布、管网的空间分布等内容的城市排水信息系统。反观国内，2004年，李金平等科研人员采用Visual Basic为编程语言、MapX 为开发工具，进行市政排水管网信息系统的设计，并实现了地下管网科学化、信息化管理；2008年，周旭东等研究人员在苏州市建立地下管线综合系统，研究通过GIS应对管网突发情况的方法，主要包括原理、实现方法和过程；2017年，闫晓涛等研究人员提出运用物联网等信息技术手段建立智慧排水的方法。

此外，我国部分较发达的城市也逐步建立了城市排水的管理系统。例如，上海建成的排水设施管理信息系统可以实现排水设施的信息查询、实时动态监测、水情信息报讯、气象灾害信息的收集与处理以及数据制图输出。北京的排水公司经过多年的实践，也摸索出一套完善、成熟的信息管理系统，主要由以下几个部分组成：（1）核心指标数据的采集、处理；（2）信息基础设施服务；（3）业务管理平台展示。2011年，杭州市也开始排水信息业务管理系统的建设，搭建了相应的排水信息管理平台，建立了排水信息的数据库。这些城市的排水信息管理系统不仅可以实现对排水系统的数据查询、检测及获取远程监控系统回传的语音等相关资料，还可以查询和管理排水设施的运行情况。此外，一些排水管理系统平台还可以进行计算模拟，如利用雨洪积水模型，对积水过程进行模拟，并计算出完全排除积水所需的时间。

4 智慧排水系统建设管理存在的问题

建立智慧排水系统，对于推动城市管理水平的提升及促进社会经济的发展具有重要作用，然而现有的智慧排水系统仍在探索中，依然存在很多不足，主要集中在以下几个方面。

4.1 信息化基础设施建设明显不足

现阶段，信息化建设还不够，相关基础设施相对薄弱，信息资源不足，信息种类不全，内容不够丰富，信息的数字化和规范化程度太低。排水工程自控建设还处于摸索阶段，排水通信网络覆盖范围还满足不了需求，各类排水工程自动监控系统的建设还处于起步阶段，排水通信网在覆盖范围和容量上还远远满足不了需要，支撑水利各类业务应用的综合性平台不够健全，安全保障不够。

4.2 排水数据采集程度不高

排水数据的获取主要是依靠智能感知设备的采集，而目前监测范围、设备都很有限，导致基础数据采集范围覆盖不够全面，信息内容完整性不够，此外，排水管网一般都在地下，布设的感知设备长期处于恶劣的环境中，地下的通信信号较弱，导致设备需要经常维护、更新，数据的实时动态展示能力也很差。

4.3 缺乏顶层设计

目前，排水信息化建设很少考虑统筹规划，城乡之间、各个部门之间分割现象明显，导致建设体系和标准很难统一，无法开展业务协同。一方面，没有从城市发展的整体出发，建立排水信息综合管理系统，对信息化建设缺乏顶层设计，各自为政，孤立发展，服务对象单一。另一方面，排水管线数据来自设计、建设和管理部门，建立排水综合管理平台与各部门需求十分密切，而系统建设没有考虑“一盘棋”的整体谋划，随着各种部门用户的人数增多，相应的需求也在不断增多和变化，系统变得杂乱无章，难以服务排水行业的发展。

4.4 数据孤岛亟待消除

虽然，目前国内主要城市已建成一些排水管理系统，但是大都是独立、分开的，彼此之间没有建立数据资源共享机制。此外，网络系统的软硬件基础设施还很不成熟，信息资源共享也缺乏技术支撑，导致大量基础性业务数据无法被用来指导排水管理活动。

4.5 智慧决策水平不够

排水系统建设重业务管理，导致大量的排水数据没有得到充分利用与深入挖掘、分析，决策还是以人工经验为主，数据对决策的支撑工作需要加强。

5 排水系统智慧化运营的优化思考

针对上述排水系统建设管理中存在的问题，本文从以下3个方面对排水系统智慧化建设进行分析。

5.1 加强顶层设计

排水水务企业和有关部门需要加强顶层设计和统筹谋划。在智慧排水管理平台建设过程中，需要统筹考虑企业运行、业务需求、软硬件设施的关系，并注重提升排水业务问题的解决能力，注重对采集数据的深入挖掘和分析。在以上工作的基础上，进行顶层设计和开展业务，同时使排水管理平台具备更新换代能力。

5.2 消除“数据孤岛”

针对目前数据孤岛的问题，首先，需要建立统一的排水水务标准体系，包括规范统一的数据采集标准，各排水部门需要严格按照标准规范收集各类排水业务信息，形成数据库中心。其次，需要构建标准化、规范化的数据结构与服务接口，这不仅可以提高数据采集的效率，还可以实现不同系统间的数据流通、融合、共享，实现业务联动和协同。

5.3 智慧管理平台升级

目前，很多地方已经建成排水系统管理平台，并取得了一定的应用效果，但是，随着用户量的增加及需求的加大，需要升级现有的系统管理平台，优化智慧排水总体架构体系，主要包括以下几点内容。

第一，开发智能管网巡查系统。结合相关的水文数据及地质体模型，排查有安全风险区域的管线（如土壤松散、渗水的管段），并充分探究管道健康和排水管网水力模型系统的运行情况，自行确定巡检养护范围。此外，还可以通过“智慧井盖管理系统”建设，完成井盖等市政资产的在线监控和精细化管理，保障市民出行安全。

第二，升级流域截污治理系统。聚焦控源截污、管网提质增效。从现实情况出发，做好水环境污染现状分析，识别流域污染特征，实现管线系统优化，以及厂、站、网、河四级联合调度。通过建立相应的数学模型，评估排水设施的现状情况等，进行模拟分析对比（包括排水系统的溢流风险及溢流量），对管线设计方案进行调整和优化，并利用模型开展常态化模拟，为管网截污提供全周期支持。

第三，整合防洪应急管理平台。有效整合排水管理平台内所有的视频监控点位，通过三维洪水风险图展现平台，获取洪水路径（淹没及退水），预先调动防汛物资，汛期后完成评估、完善及总结工作并录入系统。构建“预警及时、调度有序、评估科学”的防洪体系，合理调度防洪资源。

6 结语

目前，智慧排水系统建设已经取得一定进展，西方国家在排水系统领域的研究已逐步从理论过渡到实践应用阶段，并取得良好的效果，在遭遇突发性事件时，可以及时参与应急响应和科学决策。国内智慧排水系统研究起步较晚，但是也取得一定的成果，部分东部城市通过建立城市排水管理系统，提高了业务能力和水平。与此同时，智慧排水系统建设管理也存在一些问题，如排水数据信息滞后、管理体制混乱、排水信息化顶层设计缺乏等。针对目前排水系统建设管理中存在的问题，未来需要进行优化升级，包括加强顶层设计、消除“数据孤岛”以及排水系统管理平台再升级等，最终实现城市排水系统智能化。