1   引言

隨著全球云計算、物聯網、互聯網+等新一輪信息技術迅速發展和深入應用,城市信息化發展正醞釀著重大改革和新的突破,利用信息化技術來輔助治水工程施工管理、提質增效、截污工程管理、排水管網運營維護已成為必然趨勢。本文根據當前中國大部分城市排水設施建設與運行管理的現狀,開發出一套利用物聯網技術對排水管網實時監測的智慧監測系統,總結智慧系統在實踐過程中的建設要點與經驗。

2  關鍵技術

物聯網是信息時代的代表,也是高新技術快速發展的新成就。物聯網通過互聯網把不同的資源連接到一起。互聯網是物聯網的基礎,物聯網是互聯網功能升級的產物。通過深入研究可以發現,物聯網(iot)借助互聯網等技術,以新的方式連接傳感器、控制設備,建立了人與物的聯系方式,讓信息向朝著遠程控制和智能化的方向發展。物聯網的關鍵技術包括如下幾點：

2.1   網絡通信技術

物聯網發展過程中,最關鍵的是物和物之間的通信。對物聯網技術來說,網絡通信技術至關重要。網絡通信技術包括無線網絡技術和有線網絡技術。網絡通信技術中涉及到網絡連接、數據通信、協議三種方式,通過光纖、衛星等媒介進行信息的傳輸,進而實現對數據信息的共享。同時網絡通信技術本身具有多種管理和處理問題的能力。特別是近年來隨著科技的發展,網絡通信技術也對計算機互聯網起到巨大的促進作用。

2.2   m2m技術

m2m技術主要用于機械的智能化管理以及控制工作,也就是在機械應用的過程中,可以使機械以及人與機械間進行有效的溝通和聯系,并實現信息的傳輸從而提升管理人員間的合作效率,并促進技術融合。

通過m2m技術的應用,促進了工作人員、設備以及系統間的聯系,使信息的傳遞更便捷。同時,通過m2m技術的應用也促進了無線終端以及傳輸通道產品的誕生。在實際的應用過程中, m2m技術可以分為垂直和水平兩種不同的模式,并利用無線通信方式進行連接,保證傳輸數據和信息的綜合性,為客戶對數據的采集提供便利。

2.3  傳感器技術

無線傳感技術是傳感器節點以無線通信連接組成的無線網絡系統,在多個傳感器的感知協作下可以對某一域內的對象信息進行搜索。無線傳感技術可以實現數據的采集量化,也能實現數據的處理融合,更能實現數據的傳遞應用。傳感器原理的構成有兩部分,也即是轉換原件和敏感元件,無線傳感器系統有比較明顯的優勢,是自組織網絡、大規模網絡、可靠性的網絡及動態性網絡,也是以數據為中心的網絡傳感器技術的實際應用中,有一定的限制,如電源能量具有有限性,存儲計算能力及通信能力也具有有限性。無線傳感技術作為傳感器原理上的突破,依然在繼續創新技術造福人類。

2.4   中間件技術

物聯網在連接人與物體間時,要想思想其特殊效果,必然要忽略和隱藏上層技術的廣泛適應性,也要忽略和隱藏下層技術的復雜應用性。中間件便是承接上下層的設備以確保技術間的整合協作及交流。

當然,中間件技術在優化過程中,技術應用效率顯著提高,資源轉化能力也逐步提高,這就杜絕了資源不合理浪費。

2.5  云計算技術

互聯網的基礎是云計算,通過網絡的方式實現。它是一種高速、大量的計算方式,而且可以實現對資源的快速切換,進而實現對計算機實體的整合,提升系統的計算能力。

3  建設框架

智慧排水系統由分層支持體系、兩大保障體系共同構成,其中分層支持體系包括感知層、傳輸層、服務層、應用層(包括用戶層)。智慧排水監測系統的有效性保障主要由數據與業務系統兩大保障體系組成,數據層面保障包括建立基礎地理數據、地下管線數據、雨量監測數據、水位監測數據,并預留雨量預報數據、氣象等數據的接入;其中前端數據采集硬件的建設與日常維護是數據保障體系中最為關鍵的一環;從業務系統上為一張圖信息管理系統、流量、水質、水位監測系統,數據統計分析系統、預警預報系統、水質、水動力模型分析等系統。總體框架圖如圖1所示。

感知層：工作動態監管平臺可采集移動終端的視頻、照片與數據;可與電話、手機等通信終端互通;可利用雨量計、流量計以及水質監測設備采集城市管網基礎數據。

傳輸層:利用互聯網絡、移動通信網絡、專用互聯網與專用物聯等網絡等進行網絡的完善。

平臺層:基于運行環境、數據中心、服務支撐三個部分,統一資源服務平臺。

應用層:業務層面基于云計算平臺可實現一張圖管理系統、流量水質水位監測管理系統、數據統計分析系統、預警預報系統以及模型分析等。

4   排水管網監測方案設計

4.1  方案設計與實施流程

排水管網監測方案的制定與實施過程一般可分為選擇監測區/段、選擇監測點和設備安裝三個階段,其具體步驟如圖2所示。首先確定監測的目標,根據排水管網現狀分布和土地利用情況,分析排水管網的結構,并合理的選擇監測區/段,初步制定監測方案;

然后結合現場勘察,進一步確定滿足監測設備安裝要求的監測點;接著在選定的監測點安裝液位、流量等監測設備,并對監測設備取得的數據進行分析判別,進一步確認監測點選取的合理性,并進行監測指標、監測頻率、監測時間,甚至監測點位的調整,最終形成科學合理的監測方案,進行長時間的數據監測,為分析管網運行狀況以及管網模型的構建與模擬提供重要的數據支持。

4.2  監測布點原則與依據

4.2.1   布點原則

實用性原則

監測點的布置應與監測目的緊密聯系,監測目的根據新塘鎮排水實際業務需求來確定,而業務需求又來源于當地的排水管網、河道、土地利用類型、排水單位分布現狀。因此只有對以上信息進行充分全面的調研,才能科學合理地布置監測點。

分散與集中相結合的原則

不同類型的區域具有不同的排水特征,因此制定監測方案時應盡量將監測點分散布置于城市不同類型的區域。如可在城市不同土地利用區域(工業區、居住區、文教區、工商業居住混合區等)的區域布置監測點。

同時,為了便于對設備進行維護,在同一類型區域中不同類型的監測設備(如流量監測和水質監測)的安裝點應盡量靠近。

代表性原則

監測點附近與排水規律相關的影響因素與該地區的絕大多部分區域相近或一致,包括人口密度、交通流量、空氣污染和居民生活習慣等。

可行性原則

所選擇的監測位置要能夠方便、安全的安裝和檢修監測設備,并考慮設備的防盜。

便利性原則

水質采樣點要求盡量選擇交通便利、距離試驗室及工作人員較近的區域,在降雨前期監測人員可迅速到位,采樣后可立即將樣品送回實驗室進行分析。

4.2.2   布點依據

根據《地表水和污水監測技術規范(hj-t912002) 》,監測站點在總體和宏觀上須能反映水系或所在區域的水環境質量狀況。各站點的具體位置須能反映所在區域環境的污染特征;盡可能以最少的斷面獲取足夠的有代表性的環境信息;同時還須考慮實際采樣時的可行性和方便性。

監測站點的布設需優先考慮以下原則:

選擇水流條件較好斷面,監測斷面要求水流平順，無激流、側流、回流。

選擇管網、渠道淤積不嚴重的部位設置監測斷面。

監測斷面兩岸要求平坦、無障礙物,便于儀器設備安裝調試。

市政管網關鍵節點、收集范圍盡量全覆蓋。

一級污水干管接入污水處理廠前。

二級污水干管接入一級污水干管前。

市政管網關鍵節點、收集范圍盡量覆蓋。

5   監測站建設

5.1  邏輯結構設計

排水管道里的流量、水質數據由rtu采集通過gprs專線傳送至規定的數據接受中心。監測戰邏輯結構如圖3。

5.2   功能要點設計

監測站實現如下功能:

(1)具備定時自動采集水位、流量、水質等數據的功能,數據采集間隔時間可任意設定;

(2)具備實時召測水位數據的功能;

(3)具有水位、流量、水質加報功能,加報門檻可任意設置;

(4)具備定時自檢發送、死機自動復位、站址設定、掉電數據保護、實時時鐘校準、設備測試等功能;

(5)具備根據用戶設置的相應預警值(時段流量、水位等)實現本地預警提醒功能;

(6)具備每次向接站點中心發送的數據包帶有設備本身的工作信息(電池電壓、信號強度)的功能;

(7)具備數據補報功能,根據設定設備提供數據存儲和滯留數據(當網絡連接不好時的未發送數據)的自動補報功能,保證了數據的連續性和準確性；

5.3   安裝示意圖

考慮到項目實施的時效性、連續性、穩定性及維護方便性等因素,通常采用圖4的設備安裝方式,采用電池與太陽能電板雙供電方式,確保電源供應穩定。

若項目有多參數監測需求,可對傳感器采集模塊進行改造,例如可將多普勒流量計與水質(cod、hn)監測探頭集成三合一水質流量一體化監測站(如圖5),共用一套rtu與供電電源,極大的降低了項目材料成本與實施維護成本。

6   成功案例介紹

經過與業主溝通測試項目位于廣州天河區臨江大道入廠的監測試點,位置布設于主干管以及一級干管的關鍵位置,目標是分析管內的流量、液位、流速小時級的運行情況,項目范圍主要有2600mm管和1350mm管,井深都在4m以上,最深的井達到9m,管內流速流量都非常大,安裝難度非常大,經過項目組多次的方案討論與施工組的反復驗證,最終成功安裝與順利運營。協助業主掌握臨江大道片區內的主干管的實時運行狀態,并對日常管道養護提出建議,為項目改造的設計單位排水管提供設計依據,以及排水管道溯源管網及管網提質增效項目提供竣工驗收的數據支撐。

智慧排水管網系統平臺包排水管網二三維信息管理系統(圖7)、排水管網在線監測系統(圖8)、排水管道防洪內澇系統(圖9),排水管網智能監測app(圖10)等。