CN103543706A - 一种排水物联网系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种排水物联网系统，其包括感知层、网络层和应用层，所述感知层位于排水物联网系统的最底层，由各种传输设备组成；所述网络层位于排水物联网系统的中间层，是联系监控中心与各个现场站点之间的纽带。网络层通过现有的有线网、无线网等来实现应用层与感知层之间信息双向传输；所述应用层位于排水物联网系统的最顶层，主要是基于相关性分析、聚类分析等数据分析方法或水动力学模型实现对感知层采集并通过网络层传输的数据进行汇总分析和深度挖掘，以指导排水系统的管理与运营维护。该排水物联网系统的应用改变了传统的排水管理方式，实现了排水系统的运行监管、科学预警和统一调度，有效提高排水系统的智能化、数字化管理水平。

Description

一种排水物联网系统

技术领域

本发明涉及一种排水物联网系统，尤其涉及一种基于互联网技术的排水物联网系统。

背景技术

城市排水系统是保障城市正常运行的重要基础设施，随着我国城市化进程的加快，城市排水系统快速增长，排水管网遍布城市各个角落，整体规模持续扩大，同时由于其埋藏于地下，具有隐蔽性、网络结构复杂性和排水特征随机性等特点，使得排水系统在管理上的难度越来越大，主要体现在如下几个方面：

（1）大部分城市排水系统数据资料管理方式分散、不系统，排水系统数据不完整、不准确；

（2）由于缺乏有效的排水系统状态评估和运行监测及检测手段，不能及时、准确地掌握排水系统运行状况的变化等；

（3）排水管网的调度控制分析、布局优化分析和应急事故分析缺乏科学依据，流域级别的管理模式无法实现。

因此，基于上述实际问题，迫切需要一个先进的系统能够将排水系统的各类信息进行互联、有效识别、可视化和统一管理。

随着物联网技术的发展和应用，构建排水互联互通信息系统成为可能。所谓物联网是通过各种信息传输设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网络等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网由于具有“全面感知、可靠传递、智能处理”等基本特征，已经被运用于城市公共安全、工业安全生产、环境监控、智能交通、智能家居、公共卫生和健康监测等多个领域。

因而，通过应用物联网技术，构建排水物联网系统，运用各种排水管道专用传感器，如压力传感器、超声波液位传感器、流速传感器、管道内窥检测摄像头以及移动终端等准确获知所有的排水信息（如流量、液位、设备损害状况等），通过有线或无线方式进行数据传输与交互，统一进行数据的分析、处理与应用，实现排水系统的运行监管、科学预警和统一调度，最终实现排水系统的智能化、数字化管理，可有效解决排水系统管理中的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种排水物联网系统，能够将研究区域内各种设备采集的排水信息通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通讯网络实现互联互通，在内网、专网、和/或互联网环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、统计报表、决策支持等管理和服务功能，实现对排水系统相关设施的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化以及排水系统的数字化信息管理。

本发明的排水物联网系统从技术架构上包括三层，即感知层、网络层和应用层。

所述感知层位于排水物联网系统的最底层，由各种传输设备组成，全面获取和感知排水系统静态数据和动态数据，实现现场动态信息的监测、检测、采集以及相关设备状态的有效控制，为排水物联网系统应用层的构建及系统应用提供重要的数据支撑和数据来源。传输设备包括基础数据采集设备、监测及检测设备、现场业务处理移动终端等，采集数据包括基础数据、设施监测及检测数据、业务管理数据等。

所述基础数据采集设备包括经纬仪、全站仪、地下管线探测仪、测地雷达、遥感卫星数据采集系统等，所述采集的基础数据包括基础地形数据、排水设施数据、遥感卫星数据及社会经济统计数据等，是排水系统的资产静态数据，帮助掌握排水系统的基础设施及地形状况。

所述监测及检测设备包括流量计、液位计、水质监测仪、水质自动采样器、内窥检测、本地的PLC系统、远程终端单元、现场设备、现场仪表等，用于采集检查井、管道、泵站、污水厂的流量、液位、溶解氧、悬浮物等监测数据、泵站自控信息等，是反映排水系统动态变化的数据，帮助掌握排水系统实时状态。

所述现场业务处理移动终端包括工业级PDA、平板电脑、智能手机等，用于采集管网巡查、养护、应急等业务数据，具体包括业务人员位置信息、事故现场信息、处理过程信息等，帮助记录业务管理的过程数据，协助基于数据进行精细化的管理和分析。

所述网络层位于排水物联网系统的中间层，是联系监控中心与各个现场站点之间的纽带，根据实际情况采用有线通讯或无线通讯或两者结合的方式，具体通过现有的有线网、无线网等网络，将感知层的数据上传到监控中心，同时将监控中心的指令下发，实现应用层与感知层之间信息双向传输。

所述监控中心是接收、处理信息，进行统一调度和协调的中央控制室。

所述网络层信息双向传输的同时，采用相应的保障机制如断网续传等来保证数据的完整性以及数据压缩机制来保证数据的传输速度。

所述应用层位于排水物联网系统的最顶层，主要实现对感知层采集并通过网络层传输的数据管理，同时基于相关性分析、聚类分析等数据分析方法和水动力学模型进行数据汇总分析和深度挖掘，以指导排水系统的管理与运营维护，并最终形成排水系统的智能化管理。

所述应用层位于所述的监控中心。

所述应用层具体包括四个部分，即资产管理、在线监测、业务管理以及决策分析。

所述资产管理实现对感知层或其他途径如普查等获取的设施基础数据的管理和维护，包括数据查询、数据统计分析、数据编辑维护、网络分析、三维显示等功能，为进行业务管理和决策分析提供基础数据支撑。

所述在线监测通过感知层监测及检测设备采集的检查井、管道、泵站、污水厂的流量、液位、溶解氧、悬浮物等监测数据及泵站自控信息等，帮助及时掌握排水系统的运行状态和污染负荷，为决策分析提供可靠的数据来源。

所述业务管理基于对感知层现场业务处理移动终端采集的管网巡查、养护、应急等业务现场数据（具体包括巡查养护现场人员位置信息、现场处理情况、事故现场信息等）进行管理和分析，实现业务处理过程从计划制定、工单生成、工单派发、工单处理及记录、回单、工单审核等信息流转，从而辅助进行业务工作的绩效考核和评估。

所述决策分析基于数据统计分析方法对感知层采集的设施监测及检测数据进行深度挖掘，实现系统规律分析、预警预报等，同时构建排水系统的动态仿真模型，通过不同情景的设置，模拟和反映不同状态下系统的运行状况，从而辅助管理者进行排水系统的现状评估诊断、规划设计、联合调度等科学决策。

采用本发明所述的排水物联网系统，其优点在于：

（1）所述排水物联网系统能够将排水系统的各类信息进行汇总，实现排水相关信息可视化、管控一体化、管理集中化的高效管理模式，改变了排水系统数据资料管理方式分散、不系统，数据不完整、不准确的管理方式；

（2）所述排水物联网系统通过感知层实时、准确地采集排水系统巡查、养护、应急等业务管理数据，并将数据上传至监控中心，实现监控中心与数据采集现场排水信息的交互和共享，使管理者全面、及时地了解业务现场的详细信息，帮助管理者从计划制定、计划审核、工单派发、工单处理到回单实现业务过程的全流程、精细化管理，提高业务的处理效率和监管力度；

（3）所述排水物联网系统通过将在线监测数据分析方法和模拟技术的结合，一方面，分析和获取排水系统的运行规律和管网负荷变化，提升对排水系统事故的预警和处理能力；另一方面，通过设定不同分析情景仿真模拟排水系统，辅助管理者识别和诊断系统缺陷，同时为排水系统的规划设计、应急调度、布局优化等提供更为科学指导和实施方案；

（4）所述排水物联网系统用于采集数据的传感器可以安装在城市的任何地方，适用范围能够涵盖整个城市甚至延伸至整个流域，从而能够实现流域级别的排水系统综合管理和调度。

综上可知，本发明的排水物联网系统具有全面感知、可靠、智能、开放等特征，将所有的排水信息进行汇总，通过有线或无线方式进行数据传输和交互，统一进行数据的维护、分析、处理与应用，实现排水系统的运行监管、科学预警和统一调度，最终实现排水系统的智能化、数字化管理。

附图说明

图1是发明的排水物联网系统的总体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。以下实施方式对本发明进行更为详细的描述，但其并不限制本发明的范围。具体而言，下面以构建某市排水物联网系统为例来说明本发明的一些具体实施方式。

如图1所示，本发明所述排水物联网系统包括三层，即感知层、网络层和应用层。所述感知层位于排水物联网系统的最底层，由各种传输设备组成，包括基础数据采集设备、监测及检测设备以及现场业务处理移动终端等，利用这些传输设备采集排水设施基础数据、设施监测及检测数据、业务管理数据等排水系统的静态数据和动态数据，为排水物联网系统应用层的构建及系统应用提供重要的数据支撑和数据来源；所述网络层位于排水物联网系统的中间层，是联系监控中心与各个现场站点之间的纽带。网络层通过现有的有线网、无线网等来实现应用层与感知层之间信息双向传输；所述应用层位于排水物联网系统的最顶层，主要是基于相关性分析、聚类分析等数据分析方法和水动力学模型实现对感知层采集并通过网络层传输的数据进行汇总分析和深度挖掘，以指导排水系统的管理与运营维护。

（实施例）

某市为县级市，排水管理部门为该市的排水管理处，该市排水系统包括11个污水分区，272.5公里管网，11座污水厂，15座泵站，其中雨水泵站4座，污水泵站11座。2007年至今陆续构建了排水管网地理信息系统管理软件、污水厂自控子系统、雨、污水泵站监控子系统、排水泵站网络视频监控子系统等软件系统。这些系统在过去排水系统管理中发挥了一定的作用，但是在使用过程中存在如下不足，且随着排水系统的不断扩张，问题日益突出，具体包括：现有系统功能不全面且较为单一，许多业务工作无法在系统中体现，各个子系统之间存在一定的“信息孤岛”，缺少信息共享；管网数据不完整、不准确，管理方式分散、不系统；主要的排水管理业务采用纸质方式进行流转，人工经验判断为主，无法实现业务过程的有效记录和跟踪监管；应急调度业务牵涉部门太多且流程复杂，不利于事故的应急处理；已建监控系统未对排水管网关键点位进行监控，并仅实现数据的采集未实现数据的深度分析，导致无法及时掌握排水系统的整体实时状况。

因此，需要构建该市排水物联网系统，实现排水系统各类信息的互联和动态实时的显示，辅助管理人员有效地识别排水系统运行中出现的问题并及时做出响应，从而实现该市排水系统管理的统一调度、实时监管和科学预警。

参照图1，某市排水物联网系统的具体构建步骤如下：

（1）感知层构建：具体包括基础数据采集设备、监测及检测设备以及现场业务处理移动终端的选型、采购、安装。同时根据需求进行监测点位的选择。采集的数据包括基础数据、设施监测及检测数据、业务管理数据。

基础数据包括基础地形数据、排水设施数据、遥感卫星数据及社会经济统计数据，排水设施数据通过测绘和普查获得，基础地形数据、遥感卫星数据及社会经济统计数据等通过购买或收集获取。监测及检测数据主要通过安装在居住区、典型商业区、商业居住混合区、污水厂出水口上游干管、取水口、泵站等关键点位的21台流量计和40台液位计获取检查井、管道、泵站、污水厂的流量、液位监测数据以及通过2台多参数便携式水质分析仪、2台便携式自动采样器获取相关水质检测数据，包括溶解氧、悬浮物、生化需氧量（BOD₅）、化学耗氧量（COD_Cr）等。同时集成和接入原有的污水厂、泵站监测数据。

业务管理数据主要通过配备现场业务处理移动终端即工业级PDA获取，包括管网巡查、养护、应急等现场工作的位置、路线、现场问题、处理情况等信息，根据业务人员数量配备了10台工业级PDA。

（2）网络层构建：该层主要通过现有的移动通信网（如GSM网、TD-SCDMA网）、无线接入网、无线局域网等基础设施，将来自感知层的信息传送至监控中心，同时实现监控中心指令的下发。在本实施例中，为了保证数据的完整性，采用有线和3G网络互为备份进行数据的远程传输，同时采用断网续传机制实现对网络故障期间的数据缓存后上传。此外，考虑到由于感知层数据采集点多，数据量大，可能造成数据存储空间以及数据传输速度受限等问题，采用压缩编码算法实现采集过程数据的压缩以减少存储空间和提高传输效率。本实施例中保证1000个数据点的1次采集传输数据量不大于10KB。

（3）应用层构建：通过数据库技术和云计算技术，并结合排水系统相关模型对感知层采集并通过网络层传输的海量数据和信息进行分析与处理，实现物联网在该市排水行业资产管理、在线监测、业务管理及决策分析等方面的应用，最终形成该市的智能排水系统，为排水管理提供支撑平台和工具，具体包括设施资产管理子系统、在线运行监控子系统、巡查养护子系统、应急管理子系统、排水户管理子系统、排水现状评估及监测预警子系统、规划管理子系统及联合调度子系统等8个子系统。

1）资产管理

资产管理主要实现对感知层获取的排水设施数据进行管理和维护，包括基础地形数据、排水设施包括检查井、管道、泵站、污水厂等的空间和属性数据、遥感卫星数据及社会经济统计数据等，构建设施资产管理子系统，实现数据查询、数据统计分析、数据编辑维护、网络分析、三维显示等功能，同时形成规范的数据维护流程，实现数据的统一更新和维护，为业务管理和决策分析提供重要、统一的基础数据支撑。

2）在线监测

全面准确地掌握排水系统的运行状况对于排水管理处的安全生产和有效运营影响重大，依托感知层监测及检测设备采集的检查井、管道、泵站、污水厂的流量、液位等监测数据，溶解氧、悬浮物、BOD₅、COD_Cr等水质检测数据，以及接入的原有的污水厂、泵站监测数据在内的数据，构建统一的平台在线运行监控子系统，进行数据的集中展示和管理，为管理决策和科学分析提供实时数据支撑。

3）业务管理

结合该市对巡查养护、应急管理、排水户管理等业务的电子化、流程化、精细化的管理需求以及相关业务特征分析结果，在对感知层现场业务处理移动终端获取的管网巡查、养护、应急等现场工作的位置、路线、现场问题、处理情况等信息进行处理的基础上，构建巡查养护子系统、应急管理子系统和排水户管理子系统3个子系统，实现巡查养护、应急、排水户管理等业务的全过程信息管理，包括计划制定、工单或申请过程管理、统计分析及绩效评估等功能，为户外作业人员与管理人员提供信息交流平台，全面保障排水系统的安全运行。

4）决策分析

在基础数据收集和整理的基础上，一方面，基于数据统计分析方法对感知层获取的实时数据进行深度挖掘，识别系统运行规律进行系统运行状态预报预警；另一方面，构建排水系统的动态仿真模型，利用监测及检测数据进行模型的校验，通过不同情景的设置，模拟和分析系统在设定情景下的运行状态和规律，辅助排水系统的规划改造科学评估和“管网-污水厂-泵站”联合调度分析。最终形成排水现状评估及监测预警子系统、规划管理子系统、联合调度子系统3个子系统，为排水运营管理提供决策支撑的平台和工具。

由此，构建的基于物联网的数字排水系统，将全市污水厂、管网、泵站整合进行一体化系统化管理，实现了全面监控、全局把握，极大地提升了该市排水管理工作水平和工作效率，具有显著的环境、经济和社会效益。

Claims (9)

1.一种排水物联网系统，其特征在于，

包括感知层、网络层和应用层，

所述感知层位于所述系统的最底层，由各种传输设备组成，用于全面获取和感知排水系统的静态数据和动态数据，实现现场动态信息的监测、检测、采集以及相关设备状态的有效控制，为所述系统的应用层的构建及系统应用提供重要的数据支撑和数据来源，其中，所述传输设备包括基础数据采集设备、监测及检测设备、现场业务处理移动终端，所述传输设备采集的数据包括基础数据、设施监测及检测数据、业务管理数据；

所述网络层位于所述系统的中间层，是联系监控中心与各个现场站点之间的纽带，可根据实际情况采用有线通讯或无线通讯或两者结合的方式，具体通过现有的有线网或无线网网络，将感知层的数据上传到监控中心，同时将监控中心的指令下发，实现应用层与感知层之间信息双向传输；

所述应用层位于所述系统的最顶层，主要实现对感知层采集的并通过网络层传输的数据管理，同时基于数据统计分析方法和水力动力学模型进行数据汇总分析和深度挖掘，以指导排水系统的管理与运营维护，并最终形成排水系统的智能化管理。

2.根据权利要求1所述的排水物联网系统，其特征在于，

所述基础数据采集设备包括经纬仪、全站仪、地下管线探测仪、测地雷达、遥感卫星数据采集系统，所述基础数据采集设备采集的基础数据包括基础地形数据、排水设施数据、遥感卫星数据及社会经济统计数据，所述基础数据是排水系统的资产静态数据，用以帮助掌握排水系统的基础设施及地形状况。

3.根据权利要求1所述的排水物联网系统，其特征在于，

所述监测及检测设备包括流量计、液位计、水质监测仪、水质自动采样器、内窥检测、本地的PLC系统、远程终端单元、现场设备、现场仪表等，其用于采集检查井、管道、泵站、污水厂的流量、液位、溶解氧、悬浮物等监测数据以及泵站自控信息，所述监测数据和泵站自控信息是反映排水系统动态变化的数据，用以帮助掌握排水系统的实时状态。

4.根据权利要求1所述的排水物联网系统，其特征在于，

所述现场业务处理移动终端包括工业级PDA、平板电脑、智能手机，用于采集管网巡查、养护或应急业务数据，具体包括业务人员的位置信息、事故现场信息、处理过程信息，帮助记录业务管理的过程数据，协助基于数据进行精细化的管理和分析。

5.根据权利要求1所述的排水物联网系统，其特征在于，

所述监控中心是接收、处理信息，进行统一调度和协调的中央控制室。

6.根据权利要求1所述的排水物联网系统，其特征在于，

所述网络层信息在双向传输的同时，采用断网续传机制来保证数据的完整性以及数据压缩机制来保证数据的传输速度。

7.根据权利要求1所述的排水物联网系统，其特征在于，

所述应用层位于所述监控中心。

8.根据权利要求1所述的排水物联网系统，其特征在于，

所述应用层包括资产管理、在线监测、业务管理以及决策分析。

9.根据权利要求8所述的排水物联网系统，其特征在于，所述资产管理实现对感知层或其他途径获取的设施基础数据的管理和维护，包括数据查询、数据统计分析、数据编辑维护、网络分析、三维显示功能，为进行业务管理和决策分析提供基础数据支撑；

所述在线监测通过感知层监测及检测设备采集的检查井、管道、泵站、污水厂的流量、液位、溶解氧、悬浮物等监测数据及泵站自控信息，帮助及时掌握排水系统的运行状态和污染负荷，为决策分析提供可靠的数据来源；

所述业务管理基于对感知层现场业务处理移动终端采集的管网巡查、养护或应急业务现场数据进行管理和分析，实现业务处理过程从计划制定、工单生成、工单派发、工单处理及记录、回单、工单审核过程信息流转，从而辅助进行业务工作的绩效考核和评估；

所述决策分析基于数据统计分析方法对感知层采集的设施监测及检测数据进行深度挖掘，实现系统规律分析、预警预报，同时构建排水系统的动态仿真模型，通过不同情景的设置，模拟和反映不同状态下系统的运行状况，从而辅助管理者进行排水系统的现状评估诊断、规划设计、联合调度科学决策。

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