一、研究背景
　　
　　城市排水系统承担着防汛排涝、污水收集、输送的任务，作为城市重要基础设施，是保证城市正常运转的生命线。排水系统的建设维护工作非常困难。城市排水系统管理维护不到位会造成管道淤塞、水流不畅、管道渗漏、冲蚀土壤造成地下水污染和路面坍塌，对城市内涝、城市建筑安全、路面塌陷、城市地下水质、城市环境的破坏都具有重大影响。目前城市排水系统的实际运行状况缺少信息化支撑，日常管理工作存在诸多问题。
　　
　　二、主要问题
　　
　　1）排水系统运行状态无法实时监控,模式被动
　　
　　无法实时掌握排水系统运行数据、真实情况,导致被动应急抢险的被动工作模式。一旦城市内涝过于严重,现有模式将无法承载整个排水系统的问题,更无法预测问题的发生,提前处置问题。同时也无法精准定位问题点。
　　
　　2）排水系统维护工作方式传统,依赖人工
　　
　　日常维护管理工作针对性不强,往往以人工巡检为主,需要投入大量的人力物力,成本也比较高。加之巡检人员经验水平不同,往往难以发现隐患点位。随着城市发展规划不断加速,管理范围、管理难度、工作量都随之增加。对传统维护工作提出了更高的要求和挑战。
　　
　　3）排水系统健康管控缺乏技术手段，亟待提升
　　
　　基于信息技术实现排水系统的智能规划引导、排水线路的智能管理和功能障碍的报修警示措施的加强,是保证城市排水系统及附属构件处于经济高效且健康运作的基础支撑。只有加强对城市排水体系的智能养护管理,实时的掌控城市排水系统运行状态,才能维护排水系统的健康运行,使排水系统及所辖管网发挥其功能作用,为城市经济的发展与保障居民生活质量做出该有的贡献。
　　
　　三、解决方案
　　
　　基于数字孪生技术、物联网技术,建设智慧排水感知体系建设,实现排水“数字化、动态化、智慧化、精细化”管理,统筹协调、有序发展。
　　
　　1）排水养护管理数据监测
　　
　　排水设施日常巡查养护监管系统是实现排水设施精细化管理的重要手段,也将为全市排水设施数据不全不新的问题提供重要的解决途径。摸清排水设施管养现状和管养责任,统一建立每一设施与管养单位的责任关系。接入巡查养护监管系统数据,在数字孪生平台中实时展示业务人员日常巡检、维护等工作结果数据,人员巡查路线、工作点位。包括巡检方案、巡检工单,现场巡检人员,来自现场巡检人员上报的任务数据等。
　　
　　2）黑臭水体监管数据监测
　　
　　在线监管实现河流人工检测及在线监测水质信息的显示和水体水质分析预警。系统可进行河流的人工检测数据管理,对水质信息进行实时在线监测,通过分析发现异常及时预警。通过运用数字孪生技术、系统科学等理论,利用空间数据管理功能和模型分析能力,将水环境质量、水污染状况及地理信息等集合在一起,对水质数据进行综合分析、计算和评价,对突发水环境事故进行预警预判。同时使水质信息从单一、抽象、枯燥的表格和数据变成生动、直观、易于理解的图形和图像,为水质预警提供可操作的环境管理决策支持。
　　
　　在线监测数据为河流跨区界断面、入江口断面监测数据,重点监测站指标包括:pH、浊度、溶解氧、ORP、电导率、COD、氨氮、总氮、总磷、液位、流量。一般监测站指标包括:PH、浊度、溶解氧、ORP。此外,对水位和流量进行监
　　
　　测。通过数字孪生平台接入在线监测数据,实现所有物联网监测设备及信息的综合展示,并且提供按照用户定制需求展示某一类型、某一区域或某一阈值范围的信息等功能。实现监测设备及监测信息的个性化展示,关键数据的重点展示。配合人工的巡查、督查,提升河流水质数据监管的实时性、准确性,全面落实不同等级危险源的安全监测与信息展示。同时提供动态监测信息统计分析功能。单独对各水质指标监测数据进行统计,并根据时间段、监测值范围等进行统计分析。通过对这些监测数据统计，整理输出所需的监测成果，编制各类数据成果图表，包括过程线图、对比曲线图、监测成。
　　
　　二、数据采集
　　
　　自动采集污水处理厂入口、出口、治理的各类数据,实现数据包的有效性检查、解析和入库(数据存储);采用多线程异步通信技术与各监测点通信,可查看原始数据报文,并可实现数据同步转发。支持接入协议的启用和停止,支持原始数据查询,支持污染源国标接入协议标准,可实现向导式的数据接入配置。
　　
　　1.运行状态判定
　　
　　基于运行状况规则判断引擎和设施运行状态判定方法,根据采集的运行状态数据,实时自动判定治理设施的运行状况。
　　
　　1）治理设施运行状态定义
　　
　　设施的运行状态包括正常、停运、偷排、异常、超标5种状态。
　　
　　2）治理设施运行状态判定方法
　　
　　治理设施运行状况的变化,随其运行的主要参数的变化而变化,直接影响治理设施的运行效果。因此通过对治理设施关键运行参数的监测,来监控其运行状况。
　　
　　2.实时工况
　　
　　1)多点监测
　　
　　集中监控所有设施实时运行状况(正常、异常、停运、偷排)、污染物排放状态、污染治理效率及联网情况,统计不同运行状态设施的数量,设施联网率,从而掌握设施的总体运行状况。
　　
　　在设施数量比较多的时候,可根据地区、企业名称、设施运行状态快速查询所关注的设施。在发现设施有运行异常或排放有超标时,可快速查看造成设施运行异常的诊断结果,准确定位问题异常点,并可进一步查看最近24小时内是否有其他异常情况。可通过工艺图、图表方式查看每个设施生产、治理、排放各个环节监测数据的和数据变化趋势。
　　
　　2）单点监测
　　
　　单点监控实现对单个治理设施运行状况的实时监控。采用曲线图动态展示单个污水治理设施多个不同监测因子的实时变化趋势;采用工艺流程图动态展示入口、处理、出口各个工艺环节的全过程监控数据。
　　
　　3.工况核查
　　
　　工况核查使监察部门能够掌握治理设施的历史运行状态。可按区域、企业、设施、运行状况、时间条件查询设施的历史运行状态、污染物排放状态以及核查依据。
　　
　　1）水质核查
　　
　　对污水处理厂每天污水治理的情况进行水质核查,核查结果包括日期、进水情况、治理情况、出水情况。
　　
　　2）水量核查
　　
　　对污水处理厂每天污水治理的情况进行水量核查,核查结果包括进水泵运行时间、进水泵流量、理论进水量、实际进水量、实际进水和理论进水误差、设计进水量、实际进水和设计进水误差、实际出水总量、实际出水和实际进水误差,并生成核查结论。
　　
　　3）电耗核查
　　
　　基于物料衡算算法对污水处理厂污水治理的情况进行电耗衡算,生成的衡算结果包括治理水量、理论电耗量、进水泵实际电耗量、曝气机实际电耗量、实际总电耗、实际总电耗与理论总电耗误差、最终结论。
　　
　　4）去除率核查
　　
　　基于污水处理厂污染物进出口浓度数据,以天为单位计算污染物的去除率,通过与标准值的对比,判定污水处理设施是否正常运行。
　　
　　4.工况报警
　　
　　在治理设施运行出现异常、偷排、停运等状况时,及时通知监察部门相关人员。报警方式包括短信报警,网页消息提醒;可按地区、企业名称、报警类型、时间等条件查询设施历史报警信息。
　　
　　5.运行统计
　　
　　1）单点统计
　　
　　工况统计使监察部门能够了解每套设施的总体运行情况。系统按月份统计每套设施的运行状况,包括正常运行时间、停运时间、偷排时间和异常时间,通过状态图直观展示每天的运行状况。
　　
　　2）效率统计
　　
　　包括运转率统计和去除率统计。运转率是治理设施的运行时间与企业的生产时间的比值,去除率反映治理效果的好坏。按区域、企业、月份统计治理设施的治理效率和投运率,可对治理效率和投运率进行排序。
　　
　　6.实时视频监控
　　
　　在国控、省控、市控污水排口进行视频在线监控,通过视频在线监控能够直观查看现场状况,为监察执法提供证据与依据。实现实时视频监控,清晰拍摄前端实际情况及周边环境情况。支持根据内置模型算法智能识别排污画面,自动进行抓拍、录像,防止偷排漏排。
　　
　　7.基础设置
　　
　　1）企业及设施管理
　　
　　实现企业及治理设施基础信息的管理,可添加新的企业和设施信息,更新或删除已有的企业和设施信息。
　　
　　2）因子配置
　　
　　管理员可根据不同的设施及工艺类型配置每套治理设施监控的参数,包括参数名称、参数编码、单位、精度、上限、下限、参数描述。
　　
　　3）报警配置
　　
　　针对设施运行不正常的情况,可针对每套治理设施进行报警配置,配置内容包括短信通知人、邮件通知人、系统消息、是否开启通知、通知内容模板设置等。
　　
　　4）字典管理
　　
　　字典管理实现监测因子库、因子分组、单位、单位类型、行政区划、工艺类型等基础数据的管理。因子库管理实现监测因子名称、编码、单位、默认精度、计算公式的管理。因子分组帮助管理员实现因子的分类管理和分类查询展示。工艺类型实现工艺类型及工艺类型对应的监测因子的管理。
　　
　　四、厂网河一体化数据监管
　　
　　实现所有排水设施综合数据监测,包括排水设施的自动采样、流量在线监测、主要污染因子在线监测等信息;实时掌握城市排水系统运行情况及各排水管理专题总览,实现监测数据自动传输;由监测点对水质参数自动采集、处理、保存和远程通讯传输,监测中心通过对数据进行汇总、整理,实现对厂网河排水运行状态的分析。
　　
　　1.排水设施总览
　　
　　基于数字孪生模型对繁冗复杂的数据进行梳理与整合,方便从专业角度了解排水总体情况。主要包括内涝点专题数据、交界断面专题数据、雨水口分布专题数据、排水户专题数据、溢流口分布专题数据、满管高水位管线分布专题数据、泵站分布专题数据、污水厂运行负荷专题数据、窨井安全专题数据等。
　　
　　模型的形式显示所有污水厂、泵站、积水点、检查井、排放口、河道水系、黑臭水体、海绵城市、养护工作等信息,对于全市排水设施可执行以下操作:
　　
　　地图定位:在地图上能定位排水设施的位置、真实模型,并显示其基本信息;
　　
　　视频监控:可以查看排水设施,包括污水厂、泵站、积水点关联的视频信息;
　　
　　实时运行数据:在孪生模型上展示实时运行数据,体现市厂网河一体系统的日常运行状态。
　　
　　预警信息:实时监测厂网河系统主要设备的运行状态、报警信息以及水质监测项预警信息。
　　
　　2.运行指标KPI展示
　　
　　1）污水厂运行状况分析结果展示
　　
　　通过对污水厂污水处理量、进出水浓度变化情况等指标进行对比分析，在数字孪生体上真实反应出污水厂的运行状况，并针对分析结果提供对应的解决方案，为污水厂提高污水处理能力提供支撑。
　　
　　2）污水泵站运行工况分析结果展示
　　
　　实时对污水泵站提升污水量和进水浓度、提升泵使用效率和用电量进行统计,以月或日为单位,通过环比、同比的分析发现水量、浓度变化的原因,并对使用效率进行评价。
　　
　　3）污水管网运行状态分析结果展示
　　
　　根据物联网监测设备回传的污水管线水位信息,结合管网淤积及溢流情况,基于模型对污水管网运行状态进行评估、实时动态展示,进而为污水处理工作改善,提高污水厂运行效率提供依据。
　　
　　4）城市水环境质量分析结果展示
　　
　　结合黑臭水体质量监管数据,展示、模拟城市水环境问题的衍变,提高城市水环境质量。
　　
　　3.重点工程挂图作战
　　
　　在GIS上结合各类数字孪生模型,实现全市各区县及相关单位,重点工程实施进展情况跟踪。并对重点工程进展情况进行汇总、分析、对比、展示。从而实现工程快速推进,精准跟踪。
　　
　　五、城市排涝监测与应急响应管理系统数据监测
　　
　　1）防汛预警一张图
　　
　　建立市城市防汛预警“实景一张图”管理。实现对城市积水点、窨井、内河水位等排涝监测信息的远程实时监测挂图监管,提高监测的准确性和实时性。
　　
　　2）水位数据展示
　　
　　在城市模型上实时显示监测点、节水闸对应的水位信息,同时根据多种条件查询监测点、节水闸的历史水位情况。
　　
　　3）气象数据展示
　　
　　可接入气象信息,在数字孪生城市上实时模拟显示天气变化情况,及时发现雨情。
　　
　　4）雨量数据展示
　　
　　雨量数据展示包括实时降雨量和雨量分布情况。利用数字孪生技术在地图上实时展示雨量监测点的雨情,了解雨量的大小及分布,为防汛预警提供决策依据。
　　
　　5）视频监控管理
　　
　　可接入监测点的视频信息,实时监控易涝点环境信息,提供更真实的现场情况。
　　
　　6）监测预警管理
　　
　　从日常管理的系统数据、日常管理作业流程、各种监测数据(视频监控系统和SCADA系统)，通过数据的抽取发现突发事件的隐患，利用各种数据挖掘工具，对突发排水事件的信息进行挖掘分析，做到突发事件及早发现，提前预防、及时处理。
　　
　　7）统计报表管理
　　
　　可根据不同时间段,不同监测点等多种查询条件查询雨量及水位的历史数据。通过柱状图、曲线图、饼状图等多种形式进行展示,对雨量及水位信息一目了然,为判断汛情的发展趋势提供支持。
　　
　　8）防汛值班管理
　　
　　防汛值班人员信息列表,相关人员联系方式、职责、工作范围等信息管理,实现短信通知、查询联系方式等功能。
　　
　　9）应急资源管理
　　
　　应急资源地图展示危险源、应急机构、物资仓库、避难场所等资源位置。点击对应的地图标注符号弹窗显示对应的信息详情。支持用户按照事故类型、预案类别等属性对预案进行分类浏览,可根据事故类型等关键字进行预案检索。可在CIM平台中展示救援队伍到事故地点救援路线、事故地点到解决方案中避难场所撤离路线。
　　
　　10）辅助决策支撑
　　
　　排水辅助决策指挥支撑支持多形式的(丰富的图表、报表)展示方式,通过为管理者提供城市排水运营管理各个环节的关键指标,辅助决策者从全局角度对市“智慧排水”工作进行把控。
　　
　　能够在宏观上将诸如区县、水务集团等各级单位的考核成绩汇总呈现,统计如漏接、错接整改的工作进度;并能对每一项统计结果向下钻取,落实到每一个细节,聚焦于单一的关键问题。
　　
　　实现重大事故预警和排水指标数据汇总,提供常规统计分析(各类常规统计分析方法的模型库,如参数统计分析、回归分析、时间序列分析等)及辅助决策分析(统计图表与分析结果的展示、发展状态比对)功能。
　　
　　六、结论
　　
　　基于数字孪生技术的智慧排水感知体系建设,将实现市排水“数字化、动态化、智慧化、精细化”管理、统筹协调、有序发展。优化生态环境提升城市安全指数和市民获得感,建立的市智慧排水系统将转变传统的排水管理模式,将以前的被动管理模式变为主动的防范功能,以支持市排水系统的发展和运行效率,提升水质优化率提高水体的环境容量,修复水生动植物的生态环境,并为市生态环境定基础。同时推进城市排水系统管理由经验向知识的智慧化管理转型,实现由单一部门独立运行走向多部门协作运行,从而支撑排水行业现代化管理模式的建立。通过“物联网+智慧排水”的建设,帮助排水管理部门及时准确地预测内涝点分布及动态变化情况,通过精细化内涝预测与管控,最大限度地减少内涝损失和人员伤亡。通过厂网河一体化调度,充分发挥现有污水厂处理能力,最大程度减少污水排放量,为生态城市建设发挥巨大的作用。
　　
　　作者简介
　　
　　徐军,数字化转型咨询顾问,多年政府、企业数字转型咨询经验。主导全国多个地市的智慧城市、数字政府、经开区智慧园区顶层规划。对数字孪生技术在能源转型、城市规划、综合执法、社会综合治理、环境保护监管等领域的落地有丰富经验。擅长大数据技术、数字孪生技术、AR技术与业务的深度融合设计。
　　
　　编辑：Harris