基于空间大数据与物联网感知技术的污水管网排外水应用研究

污水系统排外水工作，主要是指通过减少“外水”（山泉水、河湖水、雨水等）进入污水系统，实现“污水入厂、清水入河”，最终目标是解决污水管网高水位、污水入厂低浓度的问题，有效腾挪污水管网的收集空间，充分发挥污水处理能力。在实际分析中发现，污水系统进入“外水”的渠道很多，需要从源端到末端进行统筹治理，精细化管理，优先解决重点问题与关键环节，确保能在2021年内完成工作目标。这就需要我们排水管理者借助新兴科技力量，有效把脉城市污水处理厂进厂水质浓度偏低的症结，通过科技与管理双管齐下，快速推动污水管网排外水工作的落实。

中工智慧排水业务中台技术架构图

本研究应用领域与技术原理

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本研究采用大数据、物联网、微服务、分布式、互联网+、地理信息系统等科学技术 *** 和手段搭建了一个提质增效专题管理系统。

以微服务、分布式理念，搭建统一的污水管网排外水工作中心，实现提质增效统一管理、专题管理；基于物联网、GIS一张图实现排水设施、排水单元和运营管理信息的汇聚、互联及可视化管理，方便管理者宏观掌握排污管网运行总体情况，掌握排水户排污情况；对排水设施地理空间大数据和在线监测物联大数据进行汇聚、处理、展示，实现提质增效工作方案辅助支撑和成效回顾；借助APP移动端，满足一线工作人员应对接驳井关联、提质增效专题查看、排水管网追溯分析等现场作业场景需求。

提质增效专题管理系统实现了排水设施可视化、污水排向可溯化、进厂水质在线化、工作考核精细化，有效提高工作人员的工作效率、减少运营成本，为排水设施的运营管理、为提质增效的决策管理提供全面的信息来源和管理服务，促进提质增效工作信息化、物联化、智慧化、精细化管理水平达到新高度，达到城镇污水处理提质增效三年行动方案总体要求。

以微服务和业务中台理念，我们建设了一个在线监测中心，以分布式部署为沃特云提供各项数据查询服务、更新服务、数据管理服务等，维护性、扩展性、稳定性与性能比传统一体化系统要高，满足海量排水在线监测数据的接入、存储与共享。

服务端程序采用当前先进微服务架构思想，利用Spring Boot、Spring MVC、Spring Data JPA等框架，以分布式部署方式为沃特云提供各项数据查询服务、更新服务、设备管理服务等，维护性、扩展性、稳定性与性能比传统一体化系统要高，满足海量排水设施设备数据的接入、存储与共享。

物联网平台以profile文件和解编码器为不同类型的设备定义好接入配置，一种类型设备对应一套profile文件和解编码器，一套profile文件和解编码器就相当于是一种逻辑上的设备，本研究涉及的前端感知设备（管网液位仪）能通过统一的协议与灵活的配置，接入沃特云平台。

本系统设计遵循先进、科学、实用、可行、安全、稳定、可扩展的原则。在设计过程中充分依照国际上的规范、标准，借鉴国内外目前成熟的主流 *** 和综合信息系统的体系结构，以保证系统具有较长的生命力和扩展能力，保证先进性的同时还要保证技术的稳定、安全性。同时，系统的安装调试、软件编程和操作使用又应简便易行，容易掌握。集国际上众多先进技术于一身，体现当前计算机控制技术与计算机 *** 技术的最新发展水平，适应时代发展的要求。其主要功能包括以下几点：

基于地理信息系统技术及物联网感知技术、GNSS技术，建设排水资产一张图系统。通过系统，实现工作区域地图上叠加展示水务运营单位权属的排水管网及其附属设施数据，包括排水设施、河道、泵站、水闸等设施数据基于GIS地图集中在一张图上展示，实现数据的汇聚融合与可视化管理，方便领导者对管理的设施家底和管养工作进行宏观掌握，可以实现各种设施相关资料的科学有效管理和查询，以及人员有效调度，为提质增效业务应用提供数据基础、工作底图。

接入排水设施的实时监测数据，包括管网关键节点的水位监测、泵站水位流量、污水处理厂进水口水质水量监测、河涌水位水质、潮汐水位变化，结合排水资产一张图，构建一个可视化的城市提质增效实景平台，方便相关人员随时掌握排水设施的运行状况和提质增效工作的推进效果，同时也为排水户整治和黑臭水体治理提供基础数据支撑。

系统通过动态监测数据和静态排水管网GIS数据，实现监测设备数据上下游联动分析、管网设施上下游的联动综合分析。一方面通过管道上下游空间关系分析，人类活动时间与管道水位变化关系分析，自身同比时间变化规律分析，分析高水位运行、进厂浓度低等原因，找出问题嫌疑点，为下一步管网工程改造提供决策支持；另一方面，通过接入污水处理厂进水水质监测点数据，掌握和预判污水处理效率，辅助工作人员提前进行污水收水分析，针对性制定“一厂一策”方案，提高污水集中处理效率。再者，基于管网的拓扑关系分析结果，与管网液位监测、雨情数据联动分析，快速查明排水管网中任一节点的污水可能流经管道，从而清楚了解污水的来龙去脉，为有效发现违法排水行为、外水接入点、清下水混接点，摸清问题关键节点，“对症下药”提供基础数据支撑。

基于已入库的排水设施大数据和在线设备监测数据，通过排水管网设施的坐标、埋深、高程、管径等地理空间数据，通过数据模型分析存在的排水管网混接等问题，为排水管网收集效能提供评估依据，为实施清污分流改造工程提供科学数据来源。并可通过对片区和管网关键点的水质分析数据持续记录，便于回顾工作成效及围绕服务片区管网制定“一厂一策”系统化整治方案。

建设提质增效管理系统，将有效监督各单位提质增效关键问题排查工作，强化日常运营管理。基于排水管网排查和定期检测制度，全面排查区域内污水管网等设施功能状况、错接混接等基本情况及排水户接入情况并进行账册化、信息化记录，实现管网混接问题点、重点排水户水质水量和管网关键节点水位水质情况的忠实记录与动态更新，有效开展排水单元内山水和雨水混接入污水管网、旱天生活污水直排、雨天合流制溢流污染、生活污水管网空白区等问题处理提供数据基础，有效把脉城市污水处理厂进厂水质浓度偏低的症结，指导污水提质增效工作的落实。

基于API的能力中心与新应用

1. 基于排水系统设施海量属性数据――理清污水管网脉络。以污水处理系统为单位，从源头到末端，系统梳理核查区域内的各类排水设施，将新建工程和现有普查管网数据进行资产入库，对数据进行预处理和编码工作，包括污水管、雨水管、合流管、污水厂、泵站、闸站等基础设施。通过对排水管网的梳理、划分主次干管和对河涌、厂泵闸站信息数据收集、整理，理清资产家底和设施空间关系，最终形成“厂、网、河”一张作战图。

2. 建立了排水单元―接驳井―市政管网的关联关系，落实正本清源工作。排水小分区管理作为城镇污水处理提质增效工作的源头控制环节，实际梳理排查工作中面临数量多、梳理复杂、参考信息不全等情况。基于污水系统，以排水小分区与市政管网的接驳井为抓手，以便对排水小分区的排水行为纳入日常监管范围，建立排水单元-接驳井-市政管网的关联关系，通过管网追溯分析对分区范围内出现的水质异常进行溯源查找。根据周边市政排水管网情况现场核实排水单元接户井的接驳情况，并予以登记在册，以便后续施工改造或排污追溯。

3. 掌握排水设施存在的症结，落实挤外水、提浓度的目标。整合河涌、闸门、泵站、管网、污水厂的各项运行要素，制定合理控制河湖水体水位的条件方案，妥善处理河湖水位与市政排水的关系，防止河湖水倒灌进入市政排水系统，大幅减少晴天河涌水倒灌以及雨季合流水进入污水管网，降低河涌水及雨水对管网内污水浓度的影响。

4. 划分排水管理小片区，精细化管理颗粒度。提质增效工作是一个系统工程，其建立在完善的排水设施数据基础及大量的监测设备基础上，以便及时掌握排水系统运行状况，制定科学有效决策。结合城镇排水业务特点，以污水管网为脉络，以湖河排口、污水处理厂、污水提升泵站和相关排水设施为界限，以在关键节点部署的在线监测物联设备为眼线，分段划分提质增效专题分析小区块，既能缩小排污追溯排查范围，也便提高排污追溯排查效率。

5. 数据化的工作看板能够全面发现问题，提高提质增效工作效率。通过整合多源头数据、内部数据、监测数据以及第三方关联系统数据等，实现全市水质净化厂、排水泵站、调蓄设施、污水管网、雨水管网以及合流管网等的实时运行状态的感知以及可视化管理。当液位或流量超过报警值或设备异常时将会进行实时告警，通过多终端报警模式，通知相关人员，让相关人员知悉处置。通过长期数据积累分析，掌握长期高水位运行的管网，并绘制成专题图，为后期规划设计提供数据基础。

污水管网提质增效专题管理系统的建设，紧密围绕城镇污水提质增效的总体要求，健全排水管理体系，填补排水户管理真空，通过排水单元登记、排水单元信息核查、统计功能，提升排水户问题发现及整改工作效率，提升对排水户排污溯源效率。系统以排水系统设施海量空间数据为基础，液位在线感知为辅助，展现提质增效全景专题视角，向用户提供末端到源端的污水收集、管网排向、管道状态信息，打通全过程管理监测，实现把排水管网作为污水处理提质增效的关键核心，把污水处理厂水质作为污水处理提质增效度量指标，打通源端到末端的管理监督。

自本应用研究研发以来，已在广州市、珠海市、佛山市相继落地推广应用，目前珠三角其余地区相关项目也正紧密建设中，未来将辐射至长三角地区更多地方。