保定市排水总公司下辖3座污水处理厂、约800km污水管网、35座雨污水泵站。考虑到资金问题,保定市智慧排水系统分期建设,一期涉及18座道桥泵站、5座污水泵站及3座污水处理厂,道桥泵站在相应的地道桥下面安装摄像头,雨季时检测实时水位、实时情况;7座污水量比较大的泵站进行远程数据及视频的采集并进行远程控制;3座污水处理厂的主要视频信号上传到数字化信息管理中心,并对重要岗位视频进行远控,重要的运行生产数据上传,辅助决策。保定市智慧排水系统于2012年12月建成投入使用。

2015年根据前期实际运行中存在问题,通过升级改进,改善了数据库运行速度慢的问题,增加了道桥水位标尺、道桥汛情提示屏及开发了手机APP。2018年重点对城区积水点、道桥液位、河道液位等防汛相关单元进行了一系列的物联网工程改造;增建实时雨量工作站,结合云计算、大数据,通过泵站的提升情况和河道液位的实时监测,能够计算出积水点水位的排放事件,从而实现了对城区防汛的动态管理。

保定市智慧排水系统综合监控平台具有联动控制、远程管理调度功能,综合监控平台软件界面具有地图功能,综合显示各站位置,鼠标点击某站位置,可显示该站自控数据和视频图像,可多画面同时将数据和视频显示在同一屏,也可以将数据显示在另一屏,视频显示在另一屏,视频和自控数据可完全融合在一个软件平台。同时音频可实现对讲及广播,控制中心电脑可以通过软件平台与泵站现场实现远程一对一对讲,也可对每个站同时广播指挥调度或发布信息通知。一旦某站现场数据超过设定值出现水位或其他异常,系统软件可自动弹出自控数据画面,同时联动显示现场视频画面,并可立即通过音频对讲系统指挥调度,处理紧急情况,避免事故的发生,同时系统可自动保存整个过程的数据,录像录音,真正实现智能联动控制,远程调度管理。

软件采用可视化的界面组态技术,提供丰富的图形组态、动画效果、图库管理等功能,能支持C/S、B/S结构的客户端访问,并可针对不同类型的终端设备和网络环境提供自适应的软件界面。分布式运算、负载均衡,可以适应超大规模的应用。采用模块化分布式结构,各模块之间不相互干扰,一个子系统出现故障不影响其他子系统的运行,其他子系统照常运行。模块化结构让系统维护更方便更快捷,大大降低系统软硬件维护成本。

针对应用服务器的类型和业务需求,为界面层提供不同的应用服务^[1]。采用插件机制,用户可以随时根据需求进行定制,实现对建设项目平台功能的扩充;操作系统及数据库,平台基于主流服务器操作系统Microsoft X64架构的Windows Server2008操作平台。在数据库上,用SQL Server2008作为数据库服务器。

(1)积水点硬件系统。易积水点大多处于城区低洼路段的交叉路口,考虑到现场设备的防盗、防淤、防破坏,以及设备的供电、传输模式,特别设计选用了太阳能供电一体化安装方式。安装完毕后的积水点监测系统集成了视频监控和液位自动监测上传系统。

(2)平台软件系统。城市道路积水测报上位监测软件具有数据采集、存储和数据分析功能。城市道路积水测报上位监测软件生成的演进模型用于对整个被监测区域内全部城市道路积水测报终端参数采集,包括:内涝是否发生、内涝强度分布、各道路水位、持续时间、对应时间日期、电池电量、通讯网络信号强度、设备睡眠状态及所记录的历史数据等。监测软件结合天气预报和雨情测报系统及对应时间,可用于分析根据降雨强度和降雨分布、道路排水效果与道路积水水位及可能造成的危险之间的关系,根据历史记录,结合气象预报对可能发生的内涝做出预案。城市道路积水测报上位监测软件以用户提供的道路分布图为背景,通过数据库标记测点在该道路分布图上的位置,在图上显示测点位置,测点信息以标注形式显示(可以自定义显示数据量、标签颜色、连线颜色、标签透明度、水位图),标签可以任意拖动,背景图可以任意拖动,通过站点列表可以快速定位测点。

(3)城市道路积水测报软件特点,包括:演进模型,显示测点位置,测点信息;列表方式显示最新一次更新的数据;按测点、时间段、字段查询历史数据,具备打印,导出为Excel功能;月报表:按测点、年月份查询月报,以天为单位记录水位峰值和实际水位;按测点、时间段、绘制水位曲线,曲线可以缩放打印、显示各点数据;可实现任意测点、任意字段、任意数量曲线在同一时间段的对比;添加、删除、修改站点信息,方便用户自己变更设备。

(4)软件涉及数据,包括:上报时间、水位分布、持续时间、电池电量、网络信号强度等参数。

雨量自动采集系统是智慧排水最前端的物联网感知系统,是云计算的重要参考值。雨量自动采集系统将检测到的雨量数据实时上传至服务器,通过PC端、手机对数据进行查看、记录,可采用无线和有线相结合的传输方式。

系统能全天候采集数据,按照工业化设计,可以适应各种恶劣环境,可对降水量的数据自动采集、存储和传输,当无人坚守时也可正常工作。检查人员可通过数据中心实时查看雨量数据,包括历史数据。该系统还可将采集到的数据自动上报。雨量采集系统可以根据不同的场景灵活安装在不同的开阔无遮挡的构筑物上,如太阳能监控站点、河道液位监测站点及独立成站。

保定年平均气温12℃,年降水量550mm,汛期一般6～9月份。长时间、多频次的反复降雨引发城市内涝,直接影响人们的出行安全,给交通、电力、市政等管理部门带来了巨大的压力,而且给广大人民群众的生命及财产安全构成了巨大的威胁,保定市下穿隧道就曾因内涝灾害导致安全事故,现专门就市区这类典型地势提出内涝预警方案。

(1)城市防汛测报仪(包含水位计)。(1)安装于下穿立交桥下最低点,监测水位变化,在积水达到设定水深时,通过GPRS/ADSL网络向管理部门进行报警,同时启动下穿桥入口附近的现有本地声光报警和交通疏导文字提醒设备,测报仪不但可以按中心的下设指令工作,驱动外围设备,而且在出现通讯故障无法和中心连接时,可以按预设的模式,根据不同的水位变化,启动外围设备反映不同内容;(2)城市防汛测报仪(路口固定),驱动外围警示设备;(3)外围警示设备由LED屏、室外防水音箱、闪光报警器等组成;(4)附加功能:下穿桥下的城市防汛测报仪可以将4～20mA的水位信号送至就近的排水泵站控制系统。

(2)设备功能。桥下车流量大、速度快,给安装和维护增大了难度,积水产生需要及时预警和疏导,以最快速度排除险情。设备要满足安装、使用、后期维护的简便性,能够满足远程更新维护的要求;满足水位量程宽,安装维护方便。须实现:(1)下穿桥积水监测设备水位预警值可以远程修改、设定;(2)与城市防汛可移动式报警系统实现自动无线联接,实时自动将水位数据发送给位于桥端或路口的城市防汛可移动式报警;(3)桥下积水监测,实时将数据上传到防汛指挥系统,并接收中心下发的指令,通过现有本地无线网络将中心指令下设给城市防汛可移动式报警系统;(4)支持多种远程网络通讯模式,有线网络接口采用TCP/IP网口和RS485接口,可连接有线网络或光纤网络,无线网络接口采用GPRS公网;(5)现有本地通讯网络2.4G、433 M、915 M;(6)支持远程IP设定和远程数据更新;(7)水位采集频率、水位的上报频率,远程可修改、设定;设备时钟自动校准;(8)自动预警的配置,可人工设定为开或关的状态;(9)水位计能够在远程手工校正,即在视频摄像头的帮助下,手工校准水位值。

(3)下穿桥备选方案———城市防汛可移动式。针对一些下穿桥两侧引桥或现场无法安装LED屏等大型警示设备的情况,要求提供城市防汛可移动式监控系统,与安装在桥下最低点的下穿桥积水监测系统无线联接,在汛情严重的主要积水路段实现现场的声光报警、语音提示、水情显示、交通信息显示,及时预防险情发生,配合交通管制和现场车辆疏导,避免出现人身事故。设备功能包括:(1)可折叠、便于组装,能够车载移动;(2)能够与下穿桥积水监测系统现有本地网络无线联系;(3)系统包括:控制箱、有源室外音箱、闪光报警器、LED信息屏和可更换蓄电池箱;(4)现场布设后能实时接收积水水位信息;(5)在水位达到设定值时启动声、光、信息报警设备;(6)LED显示屏、语音播报的内容可以根据水位由中心软件下设,也可以脱离中心按预设模式独立工作;(7)现有本地通讯网络2.4G、433 M、915 M;(8)支持远程IP设定和远程数据更新。

保定地区水系丰富,城区内9条河流贯穿南北,加之保定市的强降雨大多发生在夜间,雨情分布不平均,及时掌握降雨量分布和河道水位数据尤为重要。大范围强降雨后,易引发部分中小河流漫堤溃堤、一些中小水库出险和局部山洪地质灾害,应加强对突发强降水观测的针对性,解决观测数据时效性差、时空密度不足的问题,全面、及时反映降水情况。

自动雨量站具备强降水观测能力,并能把观测数据及时传回数据中心,作为防汛抗灾的重要参考数据。自动雨量站采用翻斗雨量传感器和智能数据处理与控制单元,具有可持续监测突发强降水特点,既可以作为雨量监测站独立使用,也可以作为雨量智能传感器接入到自主设计的一体化自动水雨情监测站上。具有集成度高、微功耗、智能化、高可靠、易维护等特点,能达到当前先进的自动化观测水平,为防汛抗灾服务提供高质量的观测资料。一体化自动水雨情工作站能够同时监测雨情和现场河道水位的变化。实时上传到防汛指挥中心,为全市的防汛指挥调度提供依据。

指挥中心除了实现PC端进行自动监测系统部署,同时也在手机端开发部署了智慧水务移动APP应用,使污水处理厂可以在移动端,实现工艺数据、报表数据的查看,功能包括工艺监控查看、报表查询、历史数据。

随着保定市经济建设和城市规模的不断发展,污水排放量越来越大,污水入渗直接影响地下水,且污水直接排河对生态环境造成了严重的破坏,对周围人民生活及身体健康构成威胁,给蚊虫传染病的蔓延造成隐患。一体化泵站对保护保定市水资源环境,促进社会经济发展,提高人民生活质量,有着重要的意义。因此,一体化泵站作为智慧排水的一个重要组成部分,对其设备进行了远程控制,对现场的液位、水质、设备及视频信号进行了远程采集,并且已部署到手机APP端。

管网智能感知采集系统由液位监测、管道流量监测、井盖位移监测、窨井标签管理4部分构成。

(1)监测点位置遍布排水管网系统的上游、中游、下游和一些积水点(低洼地势地区、老城区)。上游位置水位监测反映检查井本段流量;中游监测汇水节点或分水节点及重要管道两端的水位,用于分析管道水位运行状况及是否堵塞等。下游主要监测进入泵站前的水位。特殊积水点监测的内容是积水深度(随时间变化情况)、积水时间等。

(2)大管径管道交汇处设立监测点。无论是合流制管道还是分流制管道,在大型管道交汇处,水量突然增加,水位会发生巨大的变化,需要及时监测。

(3)在雨污截流井前设置监测点,因为雨污截流井前后水位相差较大,前端设置监测点能反映管网中真实水量状况。

(4)中途提升泵站或者污水处理厂前设置监测点。

主要采集点为管道支管进入主干管道的节点处,后期项目建设进行全市加密覆盖。其选点原则如下:(1)主干管和区域边界的重要节点;(2)污水处理厂主干管;(3)井盖位移监测:根据往年维护记录,对经常发生被盗、位移、损坏、冒溢点等处进行井盖位移监测;(4)窨井电子标签管理:在井盖内侧及井壁上安装基于RFID的无源电子标签,为井盖唯一的身份标识,对井盖的信息(归属单位、负责人、GPS位置、井盖大小、井下情况等)统一归档、统一管理,方便查询,数字化管理^[2]。

项目提供RFID桌面发卡器,主要用于电子标签管理子系统中电子标签的发行,也就是井盖信息写入电子标签并完成电子标签数据与后台数据库数据的关联。

系统按照信息化标准体系建设开展系列工作,具体如图1所示。

(1)集成开发环境。支持软件系统的客户方二次开发,监控系统提供完整的开发平台,支持插入各种Windows控件,支持完整的VB Script语言;系统采用主从服务器结构,各个从服务器可以独立管理一部分数据及音视频设备,主服务器可以根据权限对所有从服务器实现远程监控管理。

(2)全开放模式。系统具有较好的开放性,不仅可以向下集成各种软硬件接口(OPC、DDE、ODBC、API、RS232/485、TCP/IP等),还可对外提供各种接口(OPC、DDE ODBC、API、TCP/IP等),完全实现与其他平台的无缝对接,传递各种报警信息。

(3)远程维护。管理者可通过任意终端方便地远程查看各设备、系统的运行状况,以及各类曲线、报表,如果权限允许也可对设备、系统进行控制管理,各系统一旦发现设备故障,将自动通过各种告警方式报告管理人员,并能根据控制中心的具体情况给出相应的处理建议。

(4)专家诊断。系统必须具有专家诊断功能,各系统一旦发现设备故障,将自动通过各种告警方式报告管理人员,并能根据控制中心的具体情况给出相应的处理建议。

(5)设置灵活。根据系统的实际情况,系统采样周期、界面显示刷新周期、系统通讯异常时重试时间间隔、网络周期等的设置均为毫秒级。

(6)视频集成。与视频监控系统无缝集成,在监控平台同样可以观看所有的视频信息,并可以对球机等进行远程控制,可以与中心监控平台实现语音对讲,真正实现“三流合一”,即视频流、音频流和数据流集成在同一个平台上。

(7)联动控制。子系统间的联动控制通过组态不需编程实现,可减少由于编程人为造成的错误,即通过组态可以方便地将不同子系统进行联动,即可以设定一些事件触发条件,当满足这些条件的时候,系统会自动执行某个功能或者启动另外一个子系统的设备执行相应的动作等。

(8)巡视功能。为了便于管理,在日常管理工作中,针对不同系统不同设备的重要程度,系统允许用户自行定义监控画面按照预先设计好的顺序、时间间隔等进行巡视。当无人操作时,系统显示页面可按照一定顺序(可随意更改编辑)自动显示。页面一旦出现报警点,监控的页面会自动跳转,切换到报警点所在的页面上。

(9)实时数据采集。将现场的实时数据送入计算机,并置入实时数据库的相应位置,常规控制计算与数据处理。

(10)电子地图功能。引入电子地图功能,使各泵站、积水点、污水处理厂能在地图上显示,接收、处理和显示各子系统传来的实时采集数据、报警和音视频等信息。

(1)服务器存储备份。运行指挥中心监控平台,是集成了SCADA技术、数据库技术、WebService、短信管理平台、视频监控系统等多种技术的一个信息采集、分析处理、发布和控制平台^[3]。

(2)服务器系统。为了保证软件及数据安全,设置了数据库服务器系统(2台)、应用服务器(2台),磁盘阵列1台(套)。其中服务器为双机热备。

(3)数据存储备份系统。备份软件能兼容微软Windows操作系统、Linux和ORACLE、SQL Server数据库。备份软件具备通过增加代理模块的方式获得更多备份功能,增加模块不用重装备份软件或是备份主机,且备份软件有试运行的功能。

(4)通信协议。新上设备具有通信统一支持TCP/IP协议。如果旧设备只提供其他硬件接口,则要通过协议转换器进行连接。指挥中心各子系统要具备OPC Server或DDE Server功能,以便今后系统扩容或者向上级部门接入数据提供标准的OPC、DDE接口。

(1)排水设施编码标准。规定排水管理信息的分类体系和编码;确定排水制图符号标准;界定排水管理的各种术语。

(2)排水设施数据库建设与维护更新标准。排水设施数据库建设包含设施数据测绘、调查及数据库设计、建库等相关标准和规定。排水数据库格式标准约定数据入库的存储方式、存储介质、存储平台等与数据存储相关的标准规范。便于数据库系统的更新维护及与其他系统的数据交换提供基本依据,管线数据库和各业务数据库具有时态性,要求提供安全、稳定、可回溯的数据建立和维护更新机制,建立健全资源数据管理制度和标准规范。目前该系统已完成排水管网数据设计、建库以及相关标准和规定的约定,将现有管网基础数据整理入库,后期对排水管网设施数据进行逐步完善和补充。

(3)数据接入规范。建立健全管网、泵站、污水处理厂等各类业务运行数据接入规范及标准,对排水在线运行监测范围及内容、监测设备选型及安装、通信协议、数据有效性判定、监测系统的验收检测及校验等方面进行规定,统一排水在线运行监测信息采集、传输、处理的标准,规范排水在线监测系统建设和运行管理,提升保定市排水管理现代化水平。

(4)数据共享交换标准。主要是用于约定各类子系统之间的系统交互,可以便于将来的业务协同工作,缺少数据交换标准规范,各子系统间相互剥离,不能满足日益变化的业务需求。需要在项目中制定数据转换及数据传输的标准规范。其中,数据转换要考虑多种转换方式并存;数据传输主要完成数据交换双方以异步或同步的方式互相传递信息,同时数据交换标准需要制定松耦合的数据交换体系。

(5)排水信息系统运维管理办法。主要内容包括系统运维组织架构、职责分工、故障管理、问题管理、系统变更管理、维护作业计划管理、巡检管理、备份与日志管理、安全保密管理等。

(1)系统集成及平台软件动态防汛功能建设有待加强。尽管系统目前相关的硬件已经完成了闭环建设,形式上已经集成到了一个信息平台,但平台的不同功能模块之间还相对孤立,在实际使用中所产生的数据还不能精确提炼、汇集成整个智慧排水系统的大数据库,难以实现对整个城市排水系统的方案制订和决策提供全方位客观数据支撑。系统中特别是软件平台的动态防汛功能,目标是根据雨量站的实时雨量数据、排水管道的液位数据,结合提升泵站的实时运行数据及收水河道的实时液位数据,通过长时间的数据积累,整合形成大数据分析,支撑保定市防汛排涝软件模型的建立,最终结合实际雨量及积水点液位数据对模型进行率定,可以在后期提前预测出城区排水设施及各积水点的内涝情况,也能够预测出各积水点多大的雨量需要多长时间能够排完。但是目前该部分功能的建设稍显弱化,历史数据的积累不够丰富,不能有效支撑起模型的建立,平台功能不够全面,难以统筹形成大数据库,需要公司根据运行情况对硬件平台和相应的软件平台进行建设并不断升级才可以达成上述目标。

(2)泵站的远程控制有待提高。保定市排水总公司根据系统建设的需要对雨污水泵站进行了自动化改造,使之具备了本地手动控制、本地自动控制及远程控制功能。但在实际操作过程中,由于信息中心的人员配备较少,加上泵站工作人员文化水平和技术水平的参差不齐,至今还没有达到智慧排水预期的“无人或少人值守泵站”目的。公司后续会组织集中培训提升工作人员的技术水平,同时结合实际运行过程中的经验和问题,不断升级优化系统,实现泵站运行的无人化和智慧化。

(3)水质监测设备数量较少。随着污水处理厂出水水质标准的提高,对未知污染源的追根溯源更加重要。前期整套系统中只在少量污水泵站设置了水质检测设备,随着污水处理厂提标改造的需求和越来越严峻的环保形势,所有污水泵站包括关键管道接入点增加水质监测设备势在必行。

保定市智慧排水系统目前运行稳定,达到了及时把握、调控城区排水、污水处理运行情况的效果,提高了污水处理厂、泵站运行管理、防汛指挥调度效率、准确性。在增加了智慧水务手机APP后使得管理者在把握各工序运行情况,处理运行、防汛出现的问题更加便捷,在应对污水处理厂中控室设备小故障的过程中也验证了该系统的优越性。智慧排水系统的运行使得保定市在排水数字化管理水平迈上了一个崭新的台阶,在排水、污水处理运行、雨污水泵站管理及防汛中发挥了巨大作用。