随着城市建设规模的不断扩展,很多城市出现排水基础设施建设相对落后、城市内涝等严重问题^[1]。首先是城区管网普及率不足的问题,以西安市为例,通过普查数据知,城区二环路以内及其沿线区域管网普及率不足85%,二环至三环以及三环其沿线区域管网普及率不足40%;其次,雨污分流改造滞后造成水体污染和内涝,老城区域尤为显著;再次是城市蓄洪功能退化,退水能力不足。城市排水问题的形成与管网设计和建设阶段的局限性有关,部分排水设施超期服役、年久失修,难以适应城市高速度、高品质发展的要求,城市排水管理的信息化程度低,对排水系统实际状况掌握不清、了解不实^[2],无法提供完善的预警和应急决策信息^[3]。

利用信息技术,建设智慧城市,是当今世界城市发展的趋势和特征。城市地下管线是城市基础设施建设管理工作中最重要的一环,是智慧城市建设中不可缺少的部分^[4]。对地下管线进行数字化、智能化、规范化管理^[3],对排水管网进行监测,对排水量等信息的定量化规划设计和控制至关重要。在目前的技术条件下,将城市排水管网与大数据平台相结合,能够为城市排水问题提供新的设计思路和有效的管理方法。

排水大数据是指运用大数据理念、技术和方法,解决城市排水数据的采集、存储、计算与应用等一系列问题的技术,是大数据理论和技术在城市市政领域的应用。城市排水管网大数据平台运用全域感知、万物互联、大数据、机器学习、GIS、三维仿真等技术,对城市排水基础设施进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的描述,建立可交互操作的数字环境,通过实时调用共享平台数据,进行动态演示、快速查询,为现有管道的维护、优化提供实时数据,为未来新建管道与管理原有管道提供科学的规划。

排水大数据平台的建设应用,可以为排水管网规划和城乡规划的编制与管理提供实际意义上的支撑,能够为城市排水管网规划甚至城乡规划带来诸多的转变,为城市管网和城市规划相关情况提供科学的现状评估,实现由片面粗放到全面精确的转变;为规划的基础信息提供详细的解读,实现由局部情况的掌握到全局情况掌握的转变;为规划模型的建立提供多样实时数据基础,实现由静态分析到动态演变分析的转变;为规划提供具有时效性的资料,实现信息滞后到及时获取实地信息的转变;为规划的方式提供新的思路,实现从依靠人和公式经验到信息智能化的转变;为规划的策略优化提供更多可能性,实现单方案到多方案比较的转变;为规划的反馈机制提供保障路径,提供更有效的规划反馈信息。大数据平台对城市排水管网规划的影响如图1所示。

平台建设具体目标包括:及时感知城市内生活污水、工业废水和天然雨水,避免污水和雨水在城市内的累积;科学决策、主动防控,减轻积水与洪涝灾害对城市威胁;主动应对城市水环境污染与净化需求,高效、安全地通过管网将污水收集传输到污水处理设施,避免大量污染物集中排入水体而对环境造成难以恢复的破坏;促进市政综合信息化建设及数字化转型。该平台功能范围涵盖决策支持、信息交互、规划评估、在线感知、巡查养护、运行维护、监控报警、应急管理等方面,实现设施属性、地理位置等静态数据与动态监测数据以及相关业务数据等多维数据的联动分析和决策功能。

本文参考一般大数据的系统结构,从8个层面设计了城市排水大数据平台的总体构架,包括感知层、传输层、云计算基础资源、物联网管理中心、大数据处理中心、应用支撑系统、业务应用系统、安全保障系统。城市排水管网大数据平台构架如图2所示。

感知层包括传感器和传感器网关,提供排水设备和设施的状态感知及物理量监测,主要有排水管网水质监测、流速和流量监测、液位监测、SS监测、雨量计量、窨井盖倾斜和丢失感知、水泵等设备的数据接入和视频感知等。主要功能是实时在线采集流量、雨量、浊度等信息。内容包括空间位置、尺寸规格、材质、传输物质、传输状态、腐蚀情况、泄漏点位置、大小等管线自身健康情况信息^[3]3]。

传输层主要负责传递感知层采集的数据信息。支持各类异构网络,包括2G、3G、4G、NB-IoT、LoRa等无线通信网络,也支持各类有线通信网络,以及短距离通信的自组网络,比如:WIFI、蓝牙等。

云计算基础资源包括:①云数据中心操作系统,是在数据中心大规模服务器集群之上构建的数据中心级别的操作系统,为云数据中心提供统一的管理、调度、运维接口,以层次化、模块化为核心,统一技术框架、统一流程管理,提高资源的综合利用率、自动化管理、简化调度和运维工作;②云服务器,将服务器的基础资源重新整合,以虚拟机的方式给上层提供计算能力;③云数据库,主要实现结构化和非结构化数据存储管理,用于各类需要数据库的业务场景;④对象存储,是分布式架构的一种存储解决方案,用来存储大量不同大小、格式的非结构化数据,比如视频、音频、图像、日志、文本文件等;⑤云负载均衡,是在云平台上提供高效负载及负载分发的服务,通过负载分配算法将大量来自客户端的应用请求分配到后端不同的服务器进行处理。

基于运营管理、数据管理和设备管理3个中心部署,为城市排水大数据平台提供感知设备接入管理、感知设备资产管理、数据资产管理及开放、事件运营处置、事件配置管理等主要核心能力,为智慧应用提供平台支撑,增强平台的可扩展性、稳定性、安全性、可靠性、可维护性和兼容性。

提供数据采集、数据清洗、数据开发、实时分析、数据资产管理、数据质量、数据安全以及数据服务的能力,为智慧排水大数据应用提供有效支撑。水务大数据中心一般包括空间数据和属性数据两大类^[5]5]。提供如下业务:①大规模数据计算服务,基于分布式平台的海量数据离线处理服务,主要应用于日志分析、机器学习、数据仓库、数据挖掘、商业智能等领域;②分析型数据库计算服务,构建在分布式操作系统之上的基于MPP架构并融合了分布式检索技术的分布式实时计算系统;③流式计算,一个实时的增量计算服务,通过Map Reduce Merge计算模型完成增量式计算;④大数据开发套件,可对数据进行数据传输、数据转换、数据处理等相关操作,从不同的数据存储引入数据,对数据进行加工,最后将数据提取到其他系统。

提供GIS、BIM、可视化工具、图像分析、数据分析、机器学习、人脸识别、全文检索、日志服务等通用的应用支撑能力,支撑应用快速上线和创新。相比于传统图表与数据仪表盘,如今的数据可视化致力于用更生动、友好的形式,大数据可视化旨在让更多的人看到数据可视化的魅力,帮助非专业的工程师通过图形化的界面轻松搭建专业水准的可视化应用。以GIS为基础的排水管网计算机管理系统,包括了数据库、现状分析、管网模型、GIS、优化调度等模块。应用GIS功能的排水业务管理系统,可实现管网信息更新、模型管理与实测数据统一,有效地避免工作重复,大大提高工作效率。基于BIM技术进行有效协同管理^[6]6]。在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

面向终端用户提供日常生产操作的各类应用,通过业务应用体系,可提供数据归集、日常运营、业务管理、应急指挥、决策支持、智慧调度等应用,并可实现大屏可视化服务、基础业务服务、考核评估服务、公众服务^[7]7]。

平台的安全主要通过技术和组织两方面来保障。大数据平台的技术保障主要包括基础设施安全、云平台安全、云租户安全、平台安全运维和平台合规审计,通过技术手段来确保数据在传输、存储和使用中的安全。以行业领先的安全技术为基础,以国内外适用的标准为依据,将数据安全及合规的概念融入运营机制中,通过授权、管理、监督、审计等多个维度来确保数据安全。

规划的编制首先要把握现状,全面了解管网、场地等相关设施的情况,大数据平台可以提供完备的数据信息,并可转化为图示语言与规划相结合;在规划方案的编制过程中,可利用大数据平台,通过建立模型,实现不同需求的场景描述和分析;可实现多方案的模拟仿真比较,选择利于经济社会发展的最优方案;为规划提供有效的支持和反馈,基于反馈数据,对模型进行评估优化,实现规划的积极演进。

基于排水大数据平台,规划师可获取完备的现状信息。传统规划需要大量的图纸资料,需要花大量时间调查整理,而使用传感器全覆盖的大数据监测系统,可以及时获取最新、最全面的管网布局和使用状况。传统采用的如抽样调查此类的方法,在大数据平台基础上,转变为全面、高精度的数据信息普查,将片段的、片面的调研资料,以全面的信息数据及图示语言表达出来,为规划工作提供充足清晰的依据。具体到各类设施要素,获得多种设施的现状信息,主要包括以下方面:

利用排水大数据平台,可直接生成城市某区域内管网的分布情况,分析得出管网在规划范围内的覆盖率,从而制定全面的规划方案。

排水大数据平台利用传感器、物联网技术,能够呈现所有管网的饱水、空置、锈蚀、漏水等情况,为规划提供科学依据,可优化管网密度、管径尺寸等技术设置,并能更好地利用道路场地的高差,实现规划协同。

大数据平台提供不同时段、地段排水变化情况,如高峰时段、极端天气、暴雨时的管网使用情况,有助于规划师获取实时信息,制定合理的方案,同时也为排水规范提供修改依据。

传统排水规划方案的制定,主要以相关规范、专业计算公式、规划设计师的工作经验为基础,而规范、公式、经验都是在一次次现实的问题解决中进行修改,再用到下一次的规划,在使用、维修上都浪费了大量的人力物力。利用排水大数据平台所获取的信息,在规划方案制定上,可采用单个或多个复杂的模型,以数据及其分析为基础,模拟设施的运行,模拟多个变量的结果,进行多方案的比较分析。使问题暴露在模型阶段,进而调整方案,以得出最适宜的结论,保障规划方案科学有效,基础设施布局合理、高效。

对城市空间要素、规划布局的动态仿真有助于提升规划的精确性、科学性和合理性。与大数据结合,实现动态的预测和模拟过程,不仅能够形成科学合理的预测结果和规划方案,还能够以丰富成果直观地表达出来,形象体现规划的价值。通过空间的多情景模拟仿真,对地块、街巷空间利用进行预测分析,为城市设计、有机更新、环境品质提升等提供技术支撑和决策依据,并作为成果表达的创意方式^[8]8]。空间仿真模型能够模拟排水系统空间工作状况,用多种可视化方法加以表达,使城市规划、给水排水等市政各专业更好的沟通,提高工作效率,最终将成果服务于城市。

基于排水大数据平台,规划师可获得真实、及时、可视的运行结果,将此反馈于方案的仿真模型中,进行合理的调整。传统规划方案的评估,在一定的周期进行,耗费人力物力,得到一个使用情况的书面报告,而以大数据平台为基础,用可视化模型表达,可以做到评估的因子更全面,系统构架更合理,结论更切合实际,同时也节省人力成本。

城市排水系统的大数据平台建设,为城市规划、城市建设的管理提供信息与技术支撑^[9]9],对城市洪涝问题提供有效的辅助和技术支撑^{[10,11]10,11]},与大数据结合是城市规划转型与规划技术发展的契机,大数据让城市规划更加理性化。

利用大数据、物联网等信息技术,对城市排水系统进行现代化管理,有助于全面、定量化了解城市排水系统的资产现状和运行缺陷,可为相关规划设计提供现状依据,帮助有效决策,也可以辅助城市规划编制的方案决策和情景分析,并通过建设运行效果的跟踪,将结果反馈到城市规划的更新优化的工作,有助于更为科学的城市规划决策和运行管理。