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城市排水管网监测

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智慧排水的设计与实施

来源:《中国给水排水》2017年6月第12期“温州市从数字排水到智慧排水的思考与实践” 日期:2018-08-27 浏览:96次

智慧排水的设计与实施


智慧排水的总体框架

智慧排水总体框架包括基础层、数据服务层、业务应用层和人机交互层四层结构。

图3 智慧排水系统总体框架


(1)硬件基础平台

硬件基础平台是智慧排水的载体,是智慧排水正常运行的基础保障,主要包括硬件基础建设与网络安全建设两方面内容,高性能的基础硬件设施、畅通无阻的网络通讯支撑了智慧排水的高效运行。

(2)数据服务层

应用集成平台架起了智慧排水业务系统信息共享的通道,使各业务系统协同运行,保证基础数据畅通无阻、业务流程无障碍流转,有效提升业务系统的运行效率、打破企业信息孤岛,以系统集成技术支撑重点应用平台的建设。

(3)业务应用层

业务系统是智慧排水的组成部件,整个智慧排水由各种业务系统组成,其中规划的业务系统主要是新建系统,通过新建系统与原有系统集成的方式不断完善业务信息化的完整性,提升公司业务的综合应用能力。

(4)人机交互层

即是用户使用PC或移动终端使用和浏览系统,使用用户包括公司排水公司、运营中心团队以及员工等。

智慧排水的系统功能

① 排水综合管理平台

排水综合管理平台是一套排水设施信息展示与管理平台,采用成熟的BS系统架构,以监测点的信息展示为重心,集成视频监控、GIS系统、GPS公车管理等信息进行集中展示,逐步实现全市排水管网、泵站、污水处理厂等排水设施资源统一管理、统一监测,系统支持Oracle、SQL等主流数据库应用。平台首页以门户形式展示平台logo、用户登录信息、报警信息、发布信息、常用链接等相关内容,平台支持温州排水公司原有GIS系统接入,实现单点登录功能。

该子系统可以实现排水管网、泵站、污水处理厂等监测信息的实时状态、历史状态和报警状态的形象化展示和简单分析。所有监测信息需基于GIS地图服务上展示,并满足虚拟全国地图的方式和三维地图服务的扩展开发应用。系统支持的测点数量没有限制,允许根据工程的规模任意扩展,数据监测点与设备档案信息库之间应建立链接关系。

该系统包含了管网管理(GIS)、水位监测(数字排水的数据整合)、井盖监测、气体监测、管网及河道流量监测、闸门监测、水质监测、管道沉降监测、淤积监测等子系统的数据整合。同时,涵盖了业务管理子系统的所有内容,包括:污水厂及泵站的设施/设备的台账管理、维修养护管理、巡查管理、工程及安全台账管理、防汛监测和管理、案卷管理(社会应急联动等)、报表管理、模型模拟及管网决策等十多个业务子系统,真正实现了一个集成平台上的综合无缝管理。

② 排水生产监控平台

排水生产监控平台主要满足“监”和“控”的功能,对于实时性要求较高,同时要配合无人值守泵站的改造,全面实现厂站的监控,主要完成了28座泵站数据,实现泵站供电系统电量参数、液位(进水池、格栅池、泵池)、出水流量、气体、工艺运行设备(开停状态、轴温、电量参数、保护装置、故障信息、台时)、温湿度等数据进行实时监控。同时,根据调度需求,监控中心人员可实现对水泵、格栅机、进出水闸门、除臭设备、空压机等工艺设备的远程控制,实现对关键性设备的历史数据查询、统计、趋势图分析、打印、导出等常规功能。

③ 移动终端应用

移动终端的应用提高了管理人员的日常巡检及监控管理能力,公司领导、管理人员在移动终端上可以随时、随地查询系统信息,对于公司日常业务开展及突发性、应急性事件的处理具有重要意义。其中包括:

a)管网数据查询。随着手持移动端用户的移动,系统自动定位并搜索附近的排水管网于地图上显示,方便管理人员查看。

b)生产监测。将排水管网、泵站、污水处理厂等排水设施的主要监测数据传输至移动端进行查询。

c)设备二维码扫描。系统支持现场设备条形码扫描,自动弹出对应设备的档案信息,针对权限许可用户可提供转存、编辑、上报等功能。

d)巡检轨迹。系统自动记录巡检人员的 GPS 轨迹信息, 并发送到服务器端。管理人员可以随时查看巡检人员的实时位置及历史巡检轨迹。

e)巡检报告。手持移动端用户可浏览上报的各类报告,也可将现场照片、问题反馈、巡检记录、语音留言等信息上传。

f)数据报警。将各类报警信息推送到移动终端,方便手持移动端用户及时掌握各种风险。

智慧排水的关键技术

① 大型关系数据库的海量数据存储及工业实时数据库的应用

该系统采用空间数据引擎(ArcSDE),可以轻松实现空间数据库(GeoDatabase)和大型关系型数据库的连接访问,图形、数据的显示、查询、编辑十分迅速。同时,工业级实时历史数据库Historian完成了数据中心的SCADA数据的快速存储、归档、无损压缩及其快速检索和查询,大大提高了实时数据的存储和历史数据的查询效率。

② 统一的用户管理认证中心

实行统一的用户管理,在分散、异构的系统环境中实现统一用户管理的前提条件便是要实现用户基本信息的归一化,包括对不同应用子系统用户信息的格式转换、集中存储;与此同时,系统还提供了规范一致的注册与认证机制,方能保障实现单点登录的目标。

③ 国际化的统一接口标准

本系统可以采用国际化的标准数据传输方式WebService来实现监管数据的上行传输。它基于XML文档进行服务描述、服务请求和反馈结果,基于HTTP协议进行信息传递易于被访问和返回结果,基于WSC的开放协议,独立于平台和操作系统,实现不同平台操作系统上的互操作性,使得异构平台上的应用易于集成,

④ 基于SOA的应用系统集成

SOA既是一种企业架构、又是一个组件模型,它将应用程序的不同功能单元(称为服务)通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。接口是采用中立的方式进行定义的,它应该独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言,比如Web Service方式。这使得构建在各种这样的系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。SOA提倡将软件的功能组件化,在组件之间以提供服务/消费服务的方式实现松散耦合,以方便组件被重用。

与原有“数字排水”系统的整合和迁移

新建的智慧排水系统,将在地理信息系统层面保留已有GIS系统的所有数据,同时通过WebService技术接口,将WebGIS的数据通过网页的方式整合到新的智慧排水门户系统中,同时,GIS与其他业务子系统都整合至同一平台,根据公司各部门使用权限采用单点登录、全局访问的方式,保证了系统的安全和全面的信息整合。

智慧排水的“智慧”在实际工作中的体现

①对于城市排水管网,通过建立相应的管网模型,在水文信息、降雨和气象信息以及城市地理信息的基础上,对不同降雨强度下的城市内涝、积水状况做定量、可视化的分析,对汛情做出及时预警,并辅助水务部门做出合理的调度预案。

图4 基于模型的防汛调度系统

如图4所示,基于管网模型的城市防汛调度系统对某降雨强度下,城市特定区域积水情况的模拟预测,包括降雨量、区域内的积水量、积水深度,以及在地图上标识积水区域的实时变化,并能结合雨量及当地雨水泵站的实际运行状况,给出合适的开泵台数作为应对降雨积水的运行方案。

②对于污水处理厂,通过建立相应的污水处理工艺模型,模拟不同进水或运行工况下的出水水质及能耗状况,对潜在的水质超标做预警,并能检验各种运行方案的合理可行性,实现工艺优化。

图5 基于在线仿真的污水厂高级优化控制

如图5所示,基于在线工艺模型的污水厂模型,可结合实时进水状况,对未来数小时内的出水指标、工艺指标等做短期预测,从而提前预知不利工况,便于及时调整运行方案,提高决策能力。

③基于对污水厂的工艺和能耗仿真,结合鼓风机的基础信息,可推算曝气池的曝气量及对应的鼓风机开启数量,参照这一运行方案可实现在保证出水达标排放的前提下节约能耗,避免过量曝气带来的浪费,如图6所示。

图6 基于模型的污水厂能耗仿真系统

管网、工艺模型的运用使得智慧排水系统不再局限于对采集信息的单纯展示,而是基于采集信息之上的进一步分析、预测并提出解决方案,体现决策支持能力,因此颠覆了传统信息技术支持下的“数字排水”的概念,使得“智慧”二字名至实归,也基本达到了五维结构图中“决策支持能力”的要求。

智慧排水技术的远期拓展

随着国家对虚拟现实(VR)和人工智能等前沿技术的重视和推广,温州排水也在积极考虑如何应用这些前沿技术提高企业未来的科技发展,并大胆设想了一种基于BIM和VR技术的实施设备运维管理系统,通过该系统可以将与设施设备、管线等相关的所有信息与虚拟模型关联起来,用户可以在虚拟场景中查看这些信息,使设施设备的管理更方便、快捷,大大提高设施设备的运维保养效率,实现对设施设备管理的数字化、实时化、可视化,为管理人员和设备维护人员提供一种精准、高效、直观的设施管理模式与方法。

基于IM与VR技术的设施漫游和管理架构如图7所示。在该备管理系统中,用户可以在虚拟污水厂或泵站中漫游,根据工作需要,查看构筑物空间、工艺设备、能源或水质等信息,搜索查阅设施设备的全生命周期资料,维修保养计划、查看设备操作手册、观看检修模拟动画等,同时可以实现远程虚拟式的移动巡检,以“千里眼”的方式,在人员不必到达现场的情况下,实时掌握现场动态并根据实际情况制定巡检计划。

图7 基于BIM和VR技术的设施漫游和管理




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