南京市污水處理監管信息平臺設計與應用

馬丁山,楊 銳,馬智宸,田 芮,趙明進

(1. 南京市供水節水指導中心,江蘇 南京 210004;2. 南京市水務設施管理中心,江蘇 南京 210036;3. 南京市測繪勘察研究院股份有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引 言

隨著經濟的快速發展,城鄉居民物質生活水平不斷提高,環境問題日益突出。環境是人類賴以生存的空間,環境污染直接影響人類的生活和發展;因此,對環境污染的治理將是一項不可或缺的重要工作,而污水處理則是其中重要的組成部分。南京市作為國家重要中心城市和發達地區省會,截至2020年,城市常住人口931.97萬人,污水年排放量108 857萬噸,污水處理率97.9%[1]。污水處理廠出水水質是否達標、污水管網“健康狀況”如何、污泥最終如何處置等,直接關系到城市水環境與生態環境的安全。

隨著物聯網、新一代移動網絡、大數據等智能信息技術的迅猛發展,信息技術化發展正醞釀著重大變革和新的突破,更高階段的智慧化發展已成為必然趨勢[2-3]。信息技術水平的不斷提高,為解決南京市城市污水治理推進過程中的問題提供了新的思路和途徑。城市污水處理監管的信息化是當前改善城市水環境的客觀需求,也是加強城市污水處理監管的必要手段[4-5],但目前水務行業管理信息化建設中,仍存在監測體系不完善、信息孤島問題突出、信息服務及監管方式落后等問題[6]?；谖锫摼W、大數據、地理信息等技術,建立先進的南京市污水處理監管信息平臺,實現污水處理的實時與有效監管,提高污水監管工作的規范化、精細化、智能化管理水平。

1 需求分析

1.1 水務數據中心建設需求

污水處理監管業務繁雜、涉及信息面廣、各類信息分布零散,隨著南京市城市污水處理信息化的不斷推進,水務信息資源管理與系統利用面臨著信息資源分散、交換共享不暢、利用效率不高、系統間接口繁雜等問題,亟需構建統一的大數據中心,有效地收集污水處理廠運營數據、污泥處置數據、再生水利用數據、排水管網及運維數據、泵站運維數據、排水戶數據等各類污水監管數據,實現信息資源的匯聚、存儲、清洗、管理、分析和配置,為城市污水處理監管信息平臺提供高效的數據服務管理功能,實現污水信息的“有序整合、高效共享”。

1.2 物聯感知體系建設需求

物聯感知體系是實現污水處理信息化監管的必備前提。污水管線的運行狀況主要靠人員巡檢、管道CCTV(Closed Circuit Television )檢測等手段獲取,對污水管線的養護工作也基于管線破損事故或者養護團隊的經驗進行。運用物聯網技術,結合大數據分析技術,為污水管線、提升泵站、污水處理廠實現“廠站網”一體化的運行狀態感知和運行分析,是當前污水處理監管工作的主要任務?；谀暇┦鞋F有基礎感知條件,根據實際業務需求,在管網關鍵節點安裝流量、液位等監測儀表,結合污水處理廠和泵站的監測數據,形成監測類型豐富、監測手段多樣、信息傳輸穩定的物聯感知體系,為污水處理廠網系統的建設、運行、維護以及污水處理業務監管與排水監管執法,提供信息化輔助決策手段。

1.3 監管業務應用建設需求

面向污水處理廠監管覆蓋面少、排水許可證后監管難度大、缺乏實時有效的移動端監管手段等問題,基于監管業務實際應用需求分析,建立集信息共享、運行監控、綜合態勢分析于一體的多功能監管信息平臺,實現各類污水處理數據可視化管理、數據及時更新與維護、污水設施維護管理高效考核、各項業務監管信息化提升,打造城市污水處理監管信息平臺全功能體系,為污水治理提質增效提供有效支撐。

2 總體設計

2.1 總體目標

南京市污水處理監管信息平臺總體目標是充分利用新一代信息技術,采用微服務架構模式,構建智能感知、數據融合和智慧應用三大體系,實現污水智能感知、運營、監管及決策的全過程智能管控。

(1)一張圖覽全局

構建污水設施數據底座,水務數字資產“一圖總覽”。匯聚排水戶、污水管網、泵站、污水處理廠等基礎設施的空間信息一張圖,總覽城市污水設施全局,為規劃設計、工程改造、運行管理、應急搶險提供可靠依據和決策建議。

(2)一張網全感知

借助窄帶物聯網等通信技術,建成全面感知污水處理“空天地”一體的智能感知網絡體系,更好地以信息化手段感知污水基礎信息及水情、雨情、工情等信息。

(3)一體系全監管

緊扣水務管理實際業務需求,建成基于大數據和人工智能的監管和決策輔助體系,提供可視化的污水處理廠監管、排水許可批后監管、泵站監管等決策支持服務,實現信息化、智能化的城市污水智慧化監管。

(4)一APP聯業務

搭建“水務易”移動端應用系統,實現污水監管業務管理服務隨時、隨處可用,打造便捷高效的城市污水監管服務應用體系。

2.2 架構設計

根據對污水處理監管業務需求的充分調研與工程應用實際需求的理解,搭建系統實現的核心構架,如圖1所示,總體系統架構設計采用SOA的技術架構,形成“五橫兩縱”的體系結構。其中,“五橫”包括感知層、網絡層、數據層、應用層和用戶層,“兩縱”包括安全保障與標準規范體系、污水管理相關機制,形成以污水設施基礎數據匯聚和各感知監測點數據采集為基礎,平臺為核心,通過統一門戶實現對污水數據、應用和服務的集成。全面提升南京市污水處理監管信息平臺系統效能,實現污水管理的更全面的感知、更主動的服務、更整合的資源、更科學的決策、更主動的控制和更及時的應對。

圖1 南京市污水處理監管信息平臺總體架構

(1)感知層

感知層通過各種物聯網設備提供對各類污水設施監測監控信息的實時、動態感知與傳輸服務[7],是系統平臺各種實時數據的來源,包括視頻監控、水質監測、液位監測、流量監測、電氣控制等。

(2)網絡層

網絡層即指計算機硬件支撐中心,解決信息資源的硬件支撐問題,包括基礎環境、網絡環境、機房環境、物聯網?；A環境包括計算、存儲、安全資源池,網絡環境包括電子政務網、互聯網、移動互聯網等。

(3)數據層

數據資源層指明了數據的來源,包括各類數據在數據庫中的存儲內容、組織方式和存儲機制。存儲方式可采用文件系統與數據庫軟件相結合,滿足基礎空間數據、實時監測數據、三維模型數據和文件、多媒體的不同存儲要求[8]。

(4)應用層

應用層針對污水管理部門用戶提供與污水管理相關的應用服務,包含智慧監測、水務設施GIS一張圖、污水處理廠運營監管、排水許可證后監管、泵站監管、污泥處置監管、水務易APP等。

(5)用戶層

滿足不同用戶在綜合監管、智慧調度、態勢分析、輔助決策等方面的管理需求。

(6)平臺安全保障與標準規范體系

涉及以上各層次的安全,同時需要建立安全支撐環境和安全管理制度以及建設和遵循的數據標準規范和技術標準規范。

(7)污水管理相關機制

包括污水管理涉及的監督機制、處置機制以及考評機制。

3 應用場景

南京市污水處理監管信息平臺建設自2016年起啟動,經過兩期的項目建設,充分整合污水設施數據資源、物聯感知設備資源、信息化系統資源,實現全息化、集中化、實時化、智能化的污水運營管理新模式。利用最新信息技術手段,基于已建的排水設施,為提質增效、黑臭水體治理等水務重點業務的完成提供信息化保障,為城市污水行業監管提供強有力的支撐。

3.1 污水設施精細管理

針對城市水務發展的現狀,建成基于戶(排水戶)、網(污水管網)、站(泵站)、廠(污水處理廠)等設施“一張圖”的污水處理監管信息平臺。實現源頭、管道末端、污水處理廠內全方位的立體管控,為污水處理監管工作提供基礎數據支撐,同時構建廠站三維模型、管網三維場景,實現設施的二三維一體化展示,如圖2所示,提供一個掌握設施總體情況的數據駕駛艙,滿足污水管理的精細化要求,提高了污水設施建設和發展過程中的管理水平。

圖2 排水設施二三維一體化展示圖

3.2 水質水情智能預警

通過立體的物聯感知網絡,實時獲取監測數據,感知水質、管網液位、雨量等信息。系統支持以污水處理廠納污范圍為單元查詢整個污水系統范圍內的監測點的實時液位數據,方便相關人員掌握該系統內排水管網監測點的數量以及存在高水位運行的點位,同時根據疊加在管網上的監測點的監測數據可對該集水區域的數據進行分析評估是否有溢流的風險,為污水處理廠的運行調度、滿管溢流整治以及管網的問題溯源提供數據支撐。

3.3 智慧物聯關聯分析

系統依據污水管網的拓撲關系,通過監測點與上游管井或下游管井的監測點進行關聯,可一鍵獲取監測點的上游或下游監測點的液位信息。通過管井上下游液位的變化情況,分析該管網的運行狀況,分析是否存在管道堵塞、管道破裂等情況。

3.4 定量分析輔助規劃

針對污水管網長期監測數據缺失問題,按照管網主干節點優先、管網分支節點次之的原則,布設長期流量液位監測點,用于管網監測數據的長期獲取和定量化分析。通過對液位、管網、氣象等多種數據進行大數據分析,結合經驗模型與水力分析模型,實現監測期液位水量統計計算和變化分析、旱季管道外來水入滲分析、降雨期污水管道雨水流入分析、泵站及污水處理廠來水流量分析等方面的分析,支持污水管網規劃設計與運營管理。

3.5 排水許可批后監督

通過掌握南京市重點排水戶的基礎屬性與實時監測信息,結合地圖管線數據,輔助查看排水戶周邊可接入管網的情況,實現對新辦證的排水戶進行掛接許可證、更新排水戶信息等功能,結合排水許可信息,實現許可證到期排水戶的系統自動報警提示。對已下發排水許可證的排水戶進行批后監管,在系統上可查看排水戶的現場核查結果,提高排水戶監管能力。

3.6 水廠運營立體管控

系統通過接入36家污水處理廠水質水量的動態監測數據,包括水質、流量、氨氮、總氮、化學需氧量、總磷、懸浮物和pH等指標,有效地收集污水處理廠運營數據,監管污水處理廠超標排放。同步凈水公司建設的自動化控制管理系統的業務數據,供移動端等系統使用。以動畫、專業圖表、專題地圖等形式展示水務感知信息,結合數據填報、臺賬報表、績效管理等業務功能,有效管理分析考核區域內污水處理情況,形成立體管控機制,提高監管工作的現代化管理水平。

3.7 污泥運輸有效監管

為了確保污泥運輸作業合規,根據污水處理廠污泥車運輸監管工作需要,建立污泥運輸信息化監管系統,通過車輛監管、運輸監管、報警管理、運單管理等業務功能模塊,實現“車輛現在在哪里”“車輛從哪里出發去哪里”“倒斗報警查看與處置”“污泥運輸臺賬”等應用。根據車輛運行速度和倒斗狀態持續時間的綜合分析,有效避免因污泥車監控設備運行工況環境惡劣導致的重復報警問題,實現污泥運輸過程中的及時報警與有效監管。

3.8 水務信息高效共享

建立水務設施地理信息共享服務平臺,包括門戶子系統、服務目錄管理子系統、服務監測子系統。門戶系統是各類水務設施空間數據資源、各種應用系統的集中展示中心,實現一站式服務,同時向政府、企事業單位提供排水專題空間數據服務。服務目錄管理子系統為分系統各類數據服務提供統一的管理界面,保證用戶能實現對空間信息的在線獲取與應用。提供服務監測功能,發現問題或故障可及時告警,確保服務、數據庫、網絡環境正常、安全運行,保障平臺安全、穩定、高效的運行。

4 結 語

南京市污水處理監管信息平臺以集約化、綠色運營為理念,具有硬件資源統一化、數據資源標準化、業務應用平臺化、執法監管可視化、業務決策大數據化等特點。通過監管信息平臺的應用,極大地減少了水務工作人員的業務工作量,讓信息化真正成為污水處理監管業務工作的提升引擎,提高城市污水業務處置與應急響應能力,加快城市水務管理的現代化進程。