基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧排水系統(tǒng)建設(shè)研究

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧排水系統(tǒng)建設(shè)研究

物聯(lián)網(wǎng)是信息交換設(shè)備，可以根據(jù)約定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)人類、人類、材料和材料的全面互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。它的主要特點(diǎn)是通過高頻傳感器和傳感器從物理世界接收各種信息，并將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和其他網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)行互動(dòng)。智能計(jì)算和信息分析采用先進(jìn)的信息技術(shù)來分析和處理信息，提高對(duì)物質(zhì)世界的感知能力，實(shí)現(xiàn)智能決策和控制。依托無錫市較好的物聯(lián)網(wǎng)支撐產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),結(jié)合無錫市國家傳感網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)的建設(shè),無錫市啟動(dòng)了主城區(qū)排水物聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)工程。無錫市主城區(qū)共有污水處理廠3座,現(xiàn)狀總處理規(guī)模為65×104m3/d;有人值守泵站44座,無人值守泵站52座(主要為截流泵站);現(xiàn)狀污水管道總長約1456km。無錫市主城區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)已采用了基于GIS系統(tǒng)的管理模式,在國內(nèi)處于相對(duì)領(lǐng)先地位,但該系統(tǒng)專業(yè)分析功能較弱,缺少網(wǎng)絡(luò)分析、動(dòng)態(tài)模擬、優(yōu)化分析以及廠網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制等專業(yè)功能,已無法滿足無錫市主城區(qū)排水系統(tǒng)的管理需求。故決定通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),構(gòu)建主城區(qū)排水系統(tǒng)的資產(chǎn)管理、業(yè)務(wù)管理以及基于模型分析計(jì)算的決策支持系統(tǒng),最終通過先進(jìn)的傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和信息建模分析技術(shù)以及云計(jì)算實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的智能化實(shí)時(shí)調(diào)度。1智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)1.1污水管網(wǎng)覆蓋率低,排水壓力通過管網(wǎng)數(shù)據(jù)的有序輸入,無錫市主城區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)有的GIS管理模式基本實(shí)現(xiàn)了排水管道基礎(chǔ)資料的有效管理,但業(yè)務(wù)分析功能及設(shè)施管理功能還處于空白階段,亟需填補(bǔ)。尤其是近年來,污水管網(wǎng)覆蓋率和污水集中處理率逐步提升,部分早期敷設(shè)的污水管老化淤堵,過流能力急劇下降;同時(shí)由于開發(fā)力度的加大,造成部分地塊排水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)劃水量,原有污水管不能滿足實(shí)際排水要求,排水系統(tǒng)的壓力越來越大。故通過智慧排水系統(tǒng)的建設(shè),開發(fā)綜合分析及設(shè)施管理功能,全面、及時(shí)、準(zhǔn)確地反映排水系統(tǒng)的實(shí)際情況,系統(tǒng)地指導(dǎo)排水系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及巡檢養(yǎng)護(hù)。1.2管網(wǎng)系統(tǒng)不健全無錫市主城區(qū)污水泵站存在的問題集中反映在以下兩點(diǎn):①分散、不系統(tǒng)的管理模式,該模式體現(xiàn)不出排水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特征,宏觀層面的管理調(diào)度無法實(shí)現(xiàn);②對(duì)于低洼地區(qū)雨季時(shí)的溢流現(xiàn)象,不能基于管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)采取科學(xué)的預(yù)警和應(yīng)急措施。智慧排水系統(tǒng)通過大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存逐步構(gòu)建強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫,最終開發(fā)出基于實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)模擬和分析功能,實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)的安全運(yùn)行和宏觀層面的智能化管理調(diào)度。1.3智慧排水系統(tǒng)建設(shè)的需求無錫市主城區(qū)三座污水處理廠處理工藝各異,在“十一五”期間均進(jìn)行了改擴(kuò)建工程,在實(shí)現(xiàn)“提高污水處理能力、提高城市污水處理率”后,無錫市“十二五”期間還面臨著“如何確保污水廠一級(jí)A穩(wěn)定達(dá)標(biāo)以及提高污水處理工藝水平”的問題。這一方面是工藝穩(wěn)定運(yùn)行上的需求,如污水廠進(jìn)水碳源偏低,為了總氮達(dá)標(biāo)不得不額外投加碳源;城北污水處理廠長期面臨工業(yè)廢水的沖擊,經(jīng)常有污泥中毒的危險(xiǎn)等。另一方面是工藝節(jié)能降耗的需求,由于設(shè)計(jì)停留時(shí)間偏長、自動(dòng)控制水平不高等原因,污水處理廠的能耗物耗比較高,導(dǎo)致污水處理的成本偏高,因此迫切需要穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)工藝運(yùn)行的節(jié)能降耗。主城區(qū)污水處理廠對(duì)智慧排水系統(tǒng)建設(shè)的需求有:①節(jié)能降耗需求?，F(xiàn)有加藥系統(tǒng)及曝氣系統(tǒng)不能根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需要實(shí)時(shí)調(diào)控,運(yùn)行成本較高。②水質(zhì)監(jiān)管需求。在管網(wǎng)的日常運(yùn)行過程中,污水管網(wǎng)被動(dòng)接受排放的污水,排入管網(wǎng)的水質(zhì)情況比較復(fù)雜,而且又時(shí)有偷排事件發(fā)生。僅2009年,城北污水廠就曾多次發(fā)生污泥中毒事件,可能為高濃度工業(yè)廢水排入,工業(yè)廢水的沖擊主要表現(xiàn)為重金屬含量高、濁度高、酸堿物質(zhì)含量高或某種有機(jī)物質(zhì)濃度偏高等。③廠網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制需求。由于區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同,各廠受水質(zhì)、水量沖擊的差異較大,出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)存在極大的風(fēng)險(xiǎn)。通過構(gòu)建基于實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷的智慧加藥系統(tǒng)及精確曝氣系統(tǒng),最大程度地節(jié)能降耗,降低廠區(qū)運(yùn)行成本。同時(shí)感知層需重點(diǎn)監(jiān)控重點(diǎn)排水戶外排廢水中的重金屬含量、酸堿強(qiáng)度以及惰性有機(jī)物濃度。對(duì)此,智慧排水系統(tǒng)將通過對(duì)污水處理廠上游管網(wǎng)的來水進(jìn)行針對(duì)性的原位監(jiān)測,尤其是對(duì)主要的工業(yè)廢水管網(wǎng)接入點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的預(yù)警監(jiān)測,依據(jù)重點(diǎn)監(jiān)控、分級(jí)設(shè)防的原則,對(duì)重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)排水口加裝水質(zhì)監(jiān)測一級(jí)防護(hù),從源頭加以控制;對(duì)重點(diǎn)污水泵站加裝水質(zhì)監(jiān)測二級(jí)防護(hù),通過廠外管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)控,盡量削弱對(duì)廠區(qū)的不利影響;對(duì)進(jìn)廠工業(yè)廢水比重較大的污水廠加裝水質(zhì)監(jiān)測三級(jí)防護(hù),并根據(jù)監(jiān)測獲得的信息提前采取一定的預(yù)警措施,調(diào)控廠網(wǎng)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行策略,削弱進(jìn)水異常對(duì)污水廠運(yùn)行的沖擊。2網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的結(jié)構(gòu)無錫市主城區(qū)智慧排水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由三部分組成,分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層。從仿生學(xué)觀點(diǎn)來看,感知層類似于“感覺器官”,網(wǎng)絡(luò)層類似傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”,應(yīng)用層就是識(shí)別分析和智能控制的“大腦”。2.1在線監(jiān)測儀表感知層是智慧排水系統(tǒng)綜合分析及運(yùn)行調(diào)控的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)信息數(shù)據(jù)的采集。主要由位于排水系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的水質(zhì)、流量、液位、毒性等在線監(jiān)測儀表以及視頻監(jiān)控設(shè)備組成,利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸至應(yīng)用層,通過識(shí)別篩選、建模分析,獲取針對(duì)性的實(shí)時(shí)應(yīng)用信息,智能化地制定各種運(yùn)行調(diào)控措施。2.2采集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)方式網(wǎng)絡(luò)層是促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括3G、Zigbee、WLAN、WiMax、UWB、WSN、藍(lán)牙和移動(dòng)通信等形式,可根據(jù)排水系統(tǒng)采集點(diǎn)的分布特點(diǎn)分別采用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。如廠區(qū)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布相對(duì)集中,則采用有線網(wǎng)絡(luò);廠外管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布較為分散,則采用有線網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用較高,無線傳輸較為適宜,如Zigbee網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)等。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理方面,智慧排水系統(tǒng)要求網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有集成有線和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實(shí)現(xiàn)透明的無縫銜接,并實(shí)現(xiàn)自我配置和有層次的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。2.3智慧排水系統(tǒng)建設(shè)的應(yīng)用支撐應(yīng)用層是整個(gè)智慧排水系統(tǒng)的中樞機(jī)構(gòu),應(yīng)用層匯聚了各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用中的公共或可復(fù)用的業(yè)務(wù)處理邏輯,形成標(biāo)準(zhǔn)化且開放的軟件資源,基于應(yīng)用支撐平臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā),一方面可以不斷充實(shí)共享軟件資源集,另一方面也可以不斷地共享已有的軟件資源,從而實(shí)現(xiàn)軟件資源共享,減少重復(fù)開發(fā),降低運(yùn)行維護(hù)成本。由于排水系統(tǒng)始終處于擴(kuò)建延伸和改造狀態(tài),因此智慧排水系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)用的支撐平臺(tái)應(yīng)是可持續(xù)升級(jí)和擴(kuò)展的平臺(tái),以便滿足排水管理部門現(xiàn)在和將來的業(yè)務(wù)需要,避免重復(fù)建設(shè)導(dǎo)致硬件資源浪費(fèi)。一般而言排水物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的硬件支撐平臺(tái)在功能上可分為管網(wǎng)在線監(jiān)測平臺(tái)、信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)和監(jiān)控中心的大屏幕展示平臺(tái),涉及監(jiān)測、通信、網(wǎng)絡(luò)、安全、服務(wù)器等多方面的內(nèi)容。3影響智慧排水系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問題物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用,由于其涉及的技術(shù)很多,目前各應(yīng)用領(lǐng)域還算不上真正意義的物聯(lián)網(wǎng),影響智慧排水系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵問題主要有以下三個(gè)方面。3.1排水系統(tǒng)的安全隱患在線監(jiān)測設(shè)備處于智慧排水系統(tǒng)的感知層,其監(jiān)測結(jié)果直接關(guān)系著系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度決策。在線監(jiān)測設(shè)備常需面對(duì)如下問題:①通常設(shè)置于城市污水中,環(huán)境條件較為惡劣;②由于排水管網(wǎng)的種種不確定性,系統(tǒng)中的水量、水質(zhì)變化幅度較大;③城市污水成分較為復(fù)雜,管底部的沉積物可能會(huì)導(dǎo)致傳感器的靈敏度大大降低;④排水系統(tǒng)覆蓋范圍較廣,通訊及電力設(shè)施很難配套,常需電池供電和無線通訊。因此,在線監(jiān)測設(shè)備的選擇,除了需要滿足常規(guī)性的技術(shù)指標(biāo)外,還需特別注意上述問題。針對(duì)智慧排水系統(tǒng)的發(fā)展,還需進(jìn)一步提升在線監(jiān)測設(shè)備的功能和性能,大力發(fā)展各種低功耗、高性能、低成本及智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的新型在線監(jiān)測設(shè)備。3.2網(wǎng)絡(luò)安全的保障物聯(lián)網(wǎng)作為前沿綜合交叉技術(shù),其安全問題受到廣泛關(guān)注。無錫市主城區(qū)智慧排水系統(tǒng)作為無錫市市政物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)子平臺(tái),需要與上級(jí)管理部門共享數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)交互共享的過程中很容易遭受攻擊而導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露,因此特別要考慮網(wǎng)絡(luò)安全。在各物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)間及外網(wǎng)間建立安全控制機(jī)制是保證智慧排水系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。無錫市主城區(qū)智慧排水系統(tǒng)建設(shè)過程中遵循了兩點(diǎn)基本原則:①系統(tǒng)必須具備足夠的安全權(quán)限,保證數(shù)據(jù)不被非法訪問、竊取和破壞。②系統(tǒng)要具備足夠的容錯(cuò)能力,以保證合法用戶操作時(shí)不至于引起系統(tǒng)出錯(cuò),充分保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的邏輯準(zhǔn)確性。安全機(jī)制是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺(tái)做出的一個(gè)多層次的體系結(jié)構(gòu)。通過在物理層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和系統(tǒng)層使用安全技術(shù),最終通過內(nèi)部的安全管理規(guī)定,協(xié)調(diào)統(tǒng)一地構(gòu)成完整的系統(tǒng)安全機(jī)制。3.3排水系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)的阻礙標(biāo)準(zhǔn)化是促進(jìn)智慧排水系統(tǒng)成功的一個(gè)關(guān)鍵性因素。如果沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),就會(huì)使整個(gè)行業(yè)混亂,極大地制約物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在排水系統(tǒng)中的發(fā)展以及相關(guān)終端產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用,同時(shí)也嚴(yán)重阻礙排水系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。無錫市主城區(qū)智慧排水系統(tǒng)充分考慮了數(shù)據(jù)變動(dòng)、業(yè)務(wù)流程變化、軟硬件升級(jí)等不確定因素,在設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中,強(qiáng)化了系統(tǒng)的兼容性及可擴(kuò)展性?？傮w來說,智慧排水系統(tǒng)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程,其標(biāo)準(zhǔn)化體系的構(gòu)建是一個(gè)復(fù)雜、長期的過程,在儲(chǔ)備和掌握相關(guān)核心技術(shù)的基礎(chǔ)上,需要各方面的協(xié)調(diào)和配合,有條件地逐步制定較為成熟的技術(shù)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),最后逐步和系統(tǒng)性地進(jìn)行完善和融合。4物聯(lián)網(wǎng)存在的問題物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是未來競爭的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)