導讀：廣州市東濠涌流域排水系統(tǒng)由淺層排水系統(tǒng)與深層隧道排水系統(tǒng)組合而成，系統(tǒng)構成復雜，且在國內無可參考的調度運行經驗，管理難度較大?；趶V州深層隧道排水系統(tǒng)東濠涌試驗段工程的建設，結合給水排水、物聯(lián)網和自動化控制等專業(yè)技術，設計構建了一套排水管網液位在線監(jiān)測系統(tǒng)，使得調度人員能夠遠程掌握排水管網的實時液位情況，及時作出調度決策。經測試運行，該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)內澇點液位、設備工況等數(shù)據(jù)信息的實時采集與無線遠程傳輸，液位信息在線查詢以及歷史數(shù)據(jù)調用，實現(xiàn)對東濠涌深隧排水系統(tǒng)內澇監(jiān)測優(yōu)化，并為深隧排水系統(tǒng)優(yōu)化調度研究提供實時、準確的基礎數(shù)據(jù)，有利于最大化發(fā)揮深隧排水系統(tǒng)減少內澇和溢流污染的作用，同時以優(yōu)先利用淺層排水系統(tǒng)為原則，降低深層隧道的使用頻率，降低運行成本。

近些年來，我國諸多城市在雨季發(fā)生了危害市民人身和財產安全的內澇事件，所引發(fā)的城市內澇和溢流污染問題備受關注。城市內澇的成因較綜合，既有城市下墊面硬化造成的洪峰提前和匯流量急劇增加，也有城市熱島效應造成的暴雨頻率增加;既有城市排水管網設計重現(xiàn)期偏小，也有管道建成后運營管理手段薄弱等不足。對于城市建成區(qū)，城市下墊面和氣候條件等客觀因素無法改變，而且城市老城區(qū)建筑密集，加上地鐵和綜合體開發(fā)，淺層地下空間利用難度和成本都越來越大。為此，需尋找新的思路解決中、大型城市老城區(qū)的城市內澇問題，深隧排水系統(tǒng)(簡稱深隧)建設在地面以下40m左右的深層地下空間，可避免大量征地和拆遷，在國外已得到諸多工程應用，為改善城市排水能力的重要手段之一。但深隧因深埋于地下，并且需做好與淺層排水管網的配合使用，管理難度大，傳統(tǒng)的排水管網管理手段已不能滿足此類復雜排水系統(tǒng)的現(xiàn)代化管理需求。因此，提出通過建設現(xiàn)代化的排水管網液位在線監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)化排水管網的運行調度方式。

1 液位在線監(jiān)測系統(tǒng)建設需求

1.1

深隧排水系統(tǒng)調度運行需求據(jù)廣州市水務相關部門統(tǒng)計，自2010年至2014年，廣州東濠涌流域發(fā)生過內澇的地點約30處，重現(xiàn)期處于0.5~5年之間不等，為提高深隧排水系統(tǒng)對內澇的調控能力，需對深隧排水系統(tǒng)上游的淺層管網內澇點進行實時監(jiān)測，采集更廣泛的數(shù)據(jù)作為調度控制依據(jù)。因此，如何獲取精確、實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)是實現(xiàn)深隧排水系統(tǒng)精確調度運行的重要問題。液位在線監(jiān)測系統(tǒng)通過不斷采集大量的內澇點液位數(shù)據(jù)，建立龐大的數(shù)據(jù)庫，可開發(fā)出基于實測內澇點液位數(shù)據(jù)的深隧排水系統(tǒng)調度運行方案，指導相關閘、泵的開或關，可使深隧排水系統(tǒng)的調度控制方案更加科學、精確，實現(xiàn)對城市內澇的精確控制。

1.2

排水管網運行管理和優(yōu)化需求現(xiàn)階段，我國大部分城市判斷排水管網狀況時，多采用經驗判斷而非科學有效的技術手段。經調研，東濠涌流域內的排水泵站和閘站等排水設施的運行，通常是根據(jù)經驗水位進行泵、閘的開啟和關閉，存在調度時間滯后、準確性不高等缺陷。

通過內澇水位監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對排水管網液位實時、動態(tài)的監(jiān)測，不僅是深隧排水系統(tǒng)精確調度運行的重要手段，同時也為其他類型排水系統(tǒng)的運行管理提供了科學、信息化的手段。基于實測的液位數(shù)據(jù)，可對排水泵站的水泵組合進行優(yōu)化，不僅可以減少能耗，而且能提高閘、泵站對城市內澇的調控能力。監(jiān)測數(shù)據(jù)還可供防汛、運行管理、養(yǎng)護等相關部門使用, 為實現(xiàn)排水管網科學管理和管網改造提供依據(jù)。

1.3

內澇預警需求我國部分城市正在開展路面積水在線監(jiān)測和預警,通過實時監(jiān)測掌握道路積水情況。然而，僅監(jiān)測路面積水情況，無法在內澇發(fā)生前采取控制措施，常處于事后處理的局面。而排水管網水位監(jiān)測系統(tǒng)的液位監(jiān)測設備可安裝在窨井內，當內澇點井內水位達到警戒值時，防汛部門可提前根據(jù)實時數(shù)據(jù)作出應急措施，如啟用深隧排水系統(tǒng)或進行淺層排水泵站、閘站的調度，防止內澇發(fā)生。當路面淹水發(fā)生內澇時，本系統(tǒng)的液位監(jiān)測設備亦可監(jiān)測到路面積水情況，便于防汛部門及時采取相關措施及時提醒人民群眾出行注意安全。

2 液位在線監(jiān)測系統(tǒng)結構

液位在線監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、網絡傳輸層、應用管理層和信息發(fā)布層四部分組成。液位在線監(jiān)測系統(tǒng)的基本架構如圖1所示，其中液位計傳感器安裝于內澇點處的排水管網檢查井中以及閘前、泵站集水池處，用于測量內澇點處管網水位和閘門、泵站液位。東濠涌流域設有20余個內澇液位監(jiān)測點和雨量監(jiān)測點，數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)通過GPRS無線網絡，將傳感器測量得到的液位數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌骱笈_。服務器后臺則存儲和處理各個內澇點的實時液位數(shù)據(jù)，作為深隧調度運行和排水管網養(yǎng)護管理的依據(jù)。

圖1 液位在線監(jiān)測系統(tǒng)架構示意

2.1

數(shù)據(jù)采集層數(shù)據(jù)采集層主要由液位計傳感器、數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)和電源組成。

(1)液位計傳感器

液位計傳感器是內澇監(jiān)控點液位監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成，其監(jiān)測數(shù)據(jù)直接影響到排水管網的調度管理決策及深隧排水系統(tǒng)的調度優(yōu)化研究結果。液位計傳感器需要選擇精度高、量程合適、穩(wěn)定性好的類型。此外，由于內澇點通常位于城市的馬路上或人行道上，并且分布較為分散，電力和通訊設備難以匹配到位，應選取低能耗的類型;且排水管網的污水環(huán)境較為惡劣，需選用防水等級IP68、材質耐腐蝕的設備。針對本系統(tǒng)所選用的壓阻式液位傳感器，在實驗室模擬排水管道窨井，放入液位計并改變窨井中液位，進行實際測量液位與設定液位的線性回歸分析，測量液位值呈現(xiàn)的線性度良好，測量值與設定值線性相關系數(shù)為0.9975，誤差較小，精度符合要求(見圖2)。此外，在測試過程中，同一液位情況下，多次進行測量，測量液位變化不大，穩(wěn)定性良好。

圖2 液位計實驗室測試結果線性回歸分析

(2)數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元(DTU)是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉換為IP數(shù)據(jù)，通過無線通信網絡把數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_服務器的無線終端設備，實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。DTU安裝于內澇點現(xiàn)場，通過模擬量通道或通過Modbus總線技術讀取液位計實時液位數(shù)據(jù)，根據(jù)預先設定的時間間隔接收從液位計傳感器傳來的液位數(shù)據(jù)，再通過GPRS將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿庸緮?shù)據(jù)中心，再傳輸?shù)酵ㄓ嵎掌鞴┛刂婆_、WEB服務器和數(shù)據(jù)服務器等使用。

通常情況下DTU處于一直在線的狀態(tài)，隨時保持數(shù)據(jù)傳輸通道的暢通，從而及時傳輸應用數(shù)據(jù)。但受內澇點環(huán)境的限制，本系統(tǒng)采用鋰電池供電，為降低設備能耗，旱天時可讓DTU處于待機休眠狀態(tài)，減少設備運行時間，延長數(shù)據(jù)采樣周期。當發(fā)生降雨時，再通過DTU內部的激活方式，如通過電話呼叫DTU或給DTU發(fā)送特定短信，使其上線，建立數(shù)據(jù)傳輸通道。DTU每隔一段時間向服務器后臺發(fā)送一個心跳包，檢測傳輸設備的在線狀態(tài)，發(fā)生掉線情況將會自動重連。

(3)電源

此設計采用160A˙h的鋰電池供電，可反復充電使用。相比市電供電和太陽能供電等方式，電池供電的優(yōu)點為：

①土建開挖少，減少監(jiān)測系統(tǒng)的建設費用;

②克服監(jiān)測點附近供電配套設施不完善等問題;

③減少雷擊對監(jiān)測設備的影響;

④可有效避免市電供電方式中的意外斷電或太陽能供電方式中遭遇連續(xù)陰雨天導致太陽能供電不足等問題。

⑤若將監(jiān)測設備移往它處時，可反復充電的鋰電池便于更換和再利用，避免浪費。

經測試，在不進行設備休眠的情況下，160A˙h鋰電池可維持內澇點在線監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)工作3個月。若進行設備休眠，換電池的間隔時間可達半年以上。

2.2

網絡傳輸層目前的網絡技術包括GPRS、zigbee、WLAN、藍牙和移動通信等形式，可根據(jù)排水系統(tǒng)采集點的分布特點分別采用不同的網絡技術。由于城市排水系統(tǒng)規(guī)模巨大，內澇點較為分散，常位于馬路上，有線傳輸網絡存在布線成本高、信號衰減等問題，因此本液位在線監(jiān)測系統(tǒng)采用GPRS通訊技術。GPRS通訊技術具有資源利用率高、計費便宜靈活、覆蓋范圍廣、傳輸速率高等特點，適用于在線采集的液位數(shù)據(jù)的傳輸要求。監(jiān)測設備傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字信號，通過TCP/IP協(xié)議轉換成IP數(shù)據(jù)包，再利用GPRS網絡傳輸?shù)焦潭↖P地址的服務器后臺。

此外，本設計通過中國移動物聯(lián)網卡的短信功能，實現(xiàn)對監(jiān)測系統(tǒng)的喚醒和休眠模式的轉換控制，以及可選擇通過語音功能確保在緊急情況下進行監(jiān)測系統(tǒng)的喚醒激活。經測試，每套內澇液位監(jiān)測設備一個月平均所需流量不超過5MB，所需費用僅為5元/月。監(jiān)測系統(tǒng)的GPRS網絡數(shù)據(jù)流量所產生的費用較低，合理且容易接受。

2.3

應用管理層液位監(jiān)測系統(tǒng)通過GPRS DTU實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集設備通信，采集所得數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。主要功能如下：

(1)數(shù)據(jù)監(jiān)測實時展示

實時顯示從系統(tǒng)獲得的各監(jiān)控點的液位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件根據(jù)通信協(xié)議解析數(shù)據(jù)，在界面上以表格形式顯示數(shù)據(jù)或以實時動態(tài)圖或趨勢圖的界面形式顯示。在發(fā)生降雨時，調度管理人員可通過展示界面，實時了解各個內澇點的液位情況，以便于及時獲得內澇情況并采取應對措施。

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存與查詢

在通信正常情況下，數(shù)采設備每1min自動發(fā)送內澇點液位、電池電量等數(shù)據(jù)傳到服務器后臺系統(tǒng)。因市內GPRS信號較好，通信狀況良好，且設置了斷線自動重連程序，因此無需數(shù)采設備具有存儲功能。

服務器后臺系統(tǒng)能夠存儲海量采集到的數(shù)據(jù)，并且具有強大的歷史數(shù)據(jù)查詢功能，可選擇不同的內澇監(jiān)測點，進行任何時刻、任何參數(shù)(液位、電量等)的歷史數(shù)據(jù)查詢，這為排水系統(tǒng)研究工作提供了數(shù)據(jù)基礎。

(3)數(shù)采設備監(jiān)測管理

采用160A˙h鋰電池供電的監(jiān)控點設備，在實行旱季休眠/雨季喚醒的運行機制后，預計可為內澇液位監(jiān)測設備持續(xù)供電半年以上。為保證監(jiān)測設備正常工作，利用DTU電壓監(jiān)測的功能，實時監(jiān)測各個內澇監(jiān)測點設備供電情況。此外，還可通過軟件界面實現(xiàn)對監(jiān)測點運行情況的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)測設備掉線等異常情況。當出現(xiàn)電量達到警戒值或設備出現(xiàn)故障時，可通過軟件界面以及短信通知等方式提醒操作人員進行及時處理，以防RTU和設備不能正常工作。

(4)數(shù)據(jù)共享

液位在線監(jiān)測系統(tǒng)與其他可兼容系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時雙向連接，或共享數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。通過ODBC 提供的SQL驅動與監(jiān)控系統(tǒng)建立連接，對數(shù)據(jù)進行預處理，并存儲到獨立的數(shù)據(jù)庫中，供其他應用程序調用該連接能讓系統(tǒng)以一定時間間隔從SCADA 系統(tǒng)中獲取測量數(shù)據(jù)，并回送特定的數(shù)據(jù)，如仿真結果、報警信號等。

除上述功能外，還能提供繪制歷史趨勢曲線、多條曲線對比，并能夠按照用戶的需求內容和格式制作并打印報表，以及提供端口配置、數(shù)據(jù)庫配置的系統(tǒng)設置功能。為了保證整個系統(tǒng)(服務器系統(tǒng)和監(jiān)測設備終端)時鐘的一致，以服務器系統(tǒng)的時鐘為準，定時發(fā)送時鐘信息到各個監(jiān)測設備終端進行校對。

2.4

信息發(fā)布層信息發(fā)布采用網站發(fā)布和短信發(fā)布相結合的方式，其中信息發(fā)布網站可通過電腦或者手機使用Internet瀏覽。深層隧道排水區(qū)域液位在線監(jiān)測系統(tǒng)是如圖3所示東濠涌深隧優(yōu)化調度系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)布網站由主頁、實時監(jiān)視、報表、系統(tǒng)設置、聯(lián)系方式等幾部分組成，可通過發(fā)布網站查詢液位監(jiān)測點的具體位置，在線查詢即時數(shù)據(jù)，以及使用報表查詢各個監(jiān)測點的歷史數(shù)據(jù)，并可通過系統(tǒng)設置功能在線查詢設備工況，以及喚醒已休眠的設備。短信發(fā)布功能則利用短信平臺執(zhí)行，在達到警戒水位的時候，采用群發(fā)短信的形式將預警短信發(fā)送給預先在系統(tǒng)中設定好的調度管理人員，使得調度人員能夠及時采取調度措施。

圖3 液位在線監(jiān)測系統(tǒng)信息發(fā)布網站

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)與運行

3.1

監(jiān)測設備安裝(1)在線監(jiān)測設備組成

為適應污水管道中惡劣的環(huán)境，并應對內澇點發(fā)生水浸時對整套監(jiān)測設備的影響，采用防水等級為IP68的鑄鋁防水箱對監(jiān)測設備進行保護。監(jiān)測設備可分為液位計傳感器、DTU控制箱、電源箱三部分，分別通過IP68防水等級的航空插頭相連接，由電池給DTU控制箱供電，再由DTU控制液位計傳感器(見圖4)。

圖4 排水管網液位監(jiān)測設備

(2)監(jiān)測設備安裝

目前，液位計監(jiān)測系統(tǒng)已在研究區(qū)域所選的內澇點的雨水井中運行，在線監(jiān)測設備安裝如圖5所示。

圖5 監(jiān)測設備現(xiàn)場安裝

結合實際安裝環(huán)境，考慮到監(jiān)測設備日后的維護，以及克服管網污水對液位的影響，監(jiān)測設備安裝需考慮以下幾點：

①DTU控制箱和電池箱靠檢查井口安裝，方便后期更換電池等維護工作;

②液位計傳感器采用鍍鋅不銹鋼管固定保護，可防止雨水井內有較大的沖擊水流，使得液位計傳感器持續(xù)晃動，影響液位測量準確性，同時可避免污水的生活垃圾對液位計傳感器的影響;

③為防止井底淤泥對液位計傳感器的影響，用人工插桿試探后，估計數(shù)值，將探頭從淤積層抬高一定的高度?？杀苊夥e淤對傳感器的堵塞;

④液位計固定支架、DTU控制箱和電池箱安裝緊貼井壁，盡可能少地占用井內空間，減少對管網管理部門清淤維護工作的影響。

3.2

系統(tǒng)在線運行測試2016年7月起，開始對朱子寮后街、法政路、黃華路、區(qū)莊立交等多個液位監(jiān)測點進行在線液位監(jiān)測設備的安裝，部分液位監(jiān)測點配套安裝了雨量計，并在安裝現(xiàn)場對在線監(jiān)測設備的讀數(shù)與人工測量值進行了對比，在線監(jiān)測設備測量結果滿足精度要求。

目前液位數(shù)據(jù)的采集周期為1min，即每1min讀取采集一個瞬時液位值和電壓等參數(shù)。為確保監(jiān)測設備的正常運行，系統(tǒng)運行測試期間對監(jiān)測點定期現(xiàn)場巡查，對排水管網液位監(jiān)測設備工況進行檢查。期間發(fā)現(xiàn)，華樂隧道內澇監(jiān)測點液位計固定支架上被少量生活垃圾纏繞，但并未影響液位計的正常數(shù)據(jù)采集，可見液位計套管能夠有效保護液位傳感器，避免污水中雜物影響傳感器的正常工作。因此，當設備運行穩(wěn)定后，可2~3個月前往現(xiàn)場巡查一次即可，維護工作量較小。

每次去現(xiàn)場維護時，將對在線監(jiān)測設備的讀數(shù)進行校準，運行3個月后，儀表讀數(shù)與人工測量值之間的誤差在±5cm以內，仍能滿足精度要求。在雷雨天氣中，對液位計運行情況進行觀察發(fā)現(xiàn)，液位計工作不受打雷影響，讀數(shù)與人工測量值之間的誤差在±5cm以內，仍能滿足精度要求。

液位計采集到的數(shù)據(jù)信息被上傳到后臺服務器后，把監(jiān)測系統(tǒng)軟件安裝在Web服務器上，通過電腦或手機登陸指定發(fā)布網站即可實現(xiàn)對各個內澇實時液位信息、雨量信息、電量信息的查詢以及歷史數(shù)據(jù)的查看等功能(見圖6)。

圖6 排水管網監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)信息

在近幾個月的排水管網液位在線監(jiān)測中，于2017年6月2日監(jiān)測到朱子寮后街的井內水位達到126cm，而井深僅為138cm，存在發(fā)生內澇的風險;2017年3月31日和6月6日在黃華路省委黨校門口和華樂隧道液位在線監(jiān)測點也分別監(jiān)測到有發(fā)生內澇風險的水位(井深分別為230、250 cm，而井內水位分別達到了194、195cm)。當監(jiān)測到有發(fā)生內澇風險的警戒水位時，排水管網在線監(jiān)測系統(tǒng)可即時將液位數(shù)據(jù)和報警信息發(fā)送給排水管網調度人員，為調度人員及時、準確地進行調度決策提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

4 結論與建議

獲取城市內澇實時的、準確的水位數(shù)據(jù)信息，是進行深隧排水系統(tǒng)優(yōu)化調度運行、內澇預警和科學管理的基礎?；谏鲜鲂枨?，結合排水管網在線監(jiān)測存在的困難以及現(xiàn)階段路面積水在線監(jiān)測的不足，設計并建立東濠涌深層隧道排水區(qū)域液位在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對排水管網關鍵點的液位、雨量遠程在線監(jiān)測。經實際運行情況分析，該排水管網液位在線監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，結合即將建立的東濠涌深隧排水系統(tǒng)優(yōu)化調度運行模型，有助于充分發(fā)揮東濠涌深層隧道減少內澇和河涌污染的作用。

創(chuàng)新點說明

實現(xiàn)了對此類復雜排水系統(tǒng)液位的在線監(jiān)測。該液位在線監(jiān)測系統(tǒng)在排水管網的窨井內布設壓阻式液位計，測量精度不受污水中懸浮物的影響;采用鋰電池供電，成套設備均布設在窨井內，地面無需安裝任何裝置，因此不受路面情況的影響，可安裝在位于車行道的窨井內。

東濠涌流域面積為12.47平方公里，該液位在線監(jiān)測系統(tǒng)在此范圍內布設了26個液位計進行液位在線監(jiān)測，并配套了6套雨量計，監(jiān)測點位包含內澇黑點、關鍵閘站、泵站，對液位信息的采集密度較大。

來源:中國給水排水  作者:周午陽 

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