基于物联网的智慧排水系统建设研究

基于物联网的智慧排水系统建设研究

物联网是信息交换设备，可以根据约定的协议实现人类、人类、材料和材料的全面互联网络。它的主要特点是通过高频传感器和传感器从物理世界接收各种信息，并将信息传输到网络、移动互联网和其他网络以进行互动。智能计算和信息分析采用先进的信息技术来分析和处理信息，提高对物质世界的感知能力，实现智能决策和控制。依托无锡市较好的物联网支撑产业基础,结合无锡市国家传感网创新示范区的建设,无锡市启动了主城区排水物联网试点工程。无锡市主城区共有污水处理厂3座,现状总处理规模为65×104m3/d;有人值守泵站44座,无人值守泵站52座(主要为截流泵站);现状污水管道总长约1456km。无锡市主城区管网系统已采用了基于GIS系统的管理模式,在国内处于相对领先地位,但该系统专业分析功能较弱,缺少网络分析、动态模拟、优化分析以及厂网联动控制等专业功能,已无法满足无锡市主城区排水系统的管理需求。故决定通过应用物联网技术,构建主城区排水系统的资产管理、业务管理以及基于模型分析计算的决策支持系统,最终通过先进的传感技术、无线传输技术和信息建模分析技术以及云计算实现排水系统的智能化实时调度。1智能网络系统的建设1.1污水管网覆盖率低,排水压力通过管网数据的有序输入,无锡市主城区管网系统现有的GIS管理模式基本实现了排水管道基础资料的有效管理,但业务分析功能及设施管理功能还处于空白阶段,亟需填补。尤其是近年来,污水管网覆盖率和污水集中处理率逐步提升,部分早期敷设的污水管老化淤堵,过流能力急剧下降;同时由于开发力度的加大,造成部分地块排水量远远高于规划水量,原有污水管不能满足实际排水要求,排水系统的压力越来越大。故通过智慧排水系统的建设,开发综合分析及设施管理功能,全面、及时、准确地反映排水系统的实际情况,系统地指导排水系统的规划、设计以及巡检养护。1.2管网系统不健全无锡市主城区污水泵站存在的问题集中反映在以下两点:①分散、不系统的管理模式,该模式体现不出排水管网的网络特征,宏观层面的管理调度无法实现;②对于低洼地区雨季时的溢流现象,不能基于管网系统实时监测数据采取科学的预警和应急措施。智慧排水系统通过大量监测数据的储存逐步构建强大的数据库,最终开发出基于实时监测数据的动态模拟和分析功能,实现排水管网的安全运行和宏观层面的智能化管理调度。1.3智慧排水系统建设的需求无锡市主城区三座污水处理厂处理工艺各异,在“十一五”期间均进行了改扩建工程,在实现“提高污水处理能力、提高城市污水处理率”后,无锡市“十二五”期间还面临着“如何确保污水厂一级A稳定达标以及提高污水处理工艺水平”的问题。这一方面是工艺稳定运行上的需求,如污水厂进水碳源偏低,为了总氮达标不得不额外投加碳源;城北污水处理厂长期面临工业废水的冲击,经常有污泥中毒的危险等。另一方面是工艺节能降耗的需求,由于设计停留时间偏长、自动控制水平不高等原因,污水处理厂的能耗物耗比较高,导致污水处理的成本偏高,因此迫切需要稳定可靠的控制系统技术,实现工艺运行的节能降耗。主城区污水处理厂对智慧排水系统建设的需求有:①节能降耗需求。现有加药系统及曝气系统不能根据实际负荷需要实时调控,运行成本较高。②水质监管需求。在管网的日常运行过程中,污水管网被动接受排放的污水,排入管网的水质情况比较复杂,而且又时有偷排事件发生。仅2009年,城北污水厂就曾多次发生污泥中毒事件,可能为高浓度工业废水排入,工业废水的冲击主要表现为重金属含量高、浊度高、酸碱物质含量高或某种有机物质浓度偏高等。③厂网联动控制需求。由于区域产业结构不同,各厂受水质、水量冲击的差异较大,出水稳定达标存在极大的风险。通过构建基于实际运行负荷的智慧加药系统及精确曝气系统,最大程度地节能降耗,降低厂区运行成本。同时感知层需重点监控重点排水户外排废水中的重金属含量、酸碱强度以及惰性有机物浓度。对此,智慧排水系统将通过对污水处理厂上游管网的来水进行针对性的原位监测,尤其是对主要的工业废水管网接入点进行对应的预警监测,依据重点监控、分级设防的原则,对重点工业企业排水口加装水质监测一级防护,从源头加以控制;对重点污水泵站加装水质监测二级防护,通过厂外管网系统调控,尽量削弱对厂区的不利影响;对进厂工业废水比重较大的污水厂加装水质监测三级防护,并根据监测获得的信息提前采取一定的预警措施,调控厂网联动运行策略,削弱进水异常对污水厂运行的冲击。2网络层、应用层的结构无锡市主城区智慧排水系统网络架构主要由三部分组成,分别是感知层、网络层及应用层。从仿生学观点来看,感知层类似于“感觉器官”,网络层类似传递信息的“神经系统”,应用层就是识别分析和智能控制的“大脑”。2.1在线监测仪表感知层是智慧排水系统综合分析及运行调控的基础,负责信息数据的采集。主要由位于排水系统各个关键节点上的水质、流量、液位、毒性等在线监测仪表以及视频监控设备组成,利用网络技术传输至应用层,通过识别筛选、建模分析,获取针对性的实时应用信息,智能化地制定各种运行调控措施。2.2采集点网络方式网络层是促进物联网发展的主要动力。目前的网络技术包括3G、Zigbee、WLAN、WiMax、UWB、WSN、蓝牙和移动通信等形式,可根据排水系统采集点的分布特点分别采用不同的网络技术。如厂区数据采集点分布相对集中,则采用有线网络;厂外管网数据采集点分布较为分散,则采用有线网络费用较高,无线传输较为适宜,如Zigbee网络、3G网络、GPRS网络等。在网络架构和管理方面,智慧排水系统要求网络技术具有集成有线和无线网络技术,实现透明的无缝衔接,并实现自我配置和有层次的组网结构。2.3智慧排水系统建设的应用支撑应用层是整个智慧排水系统的中枢机构,应用层汇聚了各项业务应用中的公共或可复用的业务处理逻辑,形成标准化且开放的软件资源,基于应用支撑平台的应用系统开发,一方面可以不断充实共享软件资源集,另一方面也可以不断地共享已有的软件资源,从而实现软件资源共享,减少重复开发,降低运行维护成本。由于排水系统始终处于扩建延伸和改造状态,因此智慧排水系统建设中应用的支撑平台应是可持续升级和扩展的平台,以便满足排水管理部门现在和将来的业务需要,避免重复建设导致硬件资源浪费。一般而言排水物联网建设中的硬件支撑平台在功能上可分为管网在线监测平台、信息网络平台、数据存储平台和监控中心的大屏幕展示平台,涉及监测、通信、网络、安全、服务器等多方面的内容。3影响智慧排水系统发展的关键问题物联网技术已在多个领域得到了初步应用,由于其涉及的技术很多,目前各应用领域还算不上真正意义的物联网,影响智慧排水系统发展的关键问题主要有以下三个方面。3.1排水系统的安全隐患在线监测设备处于智慧排水系统的感知层,其监测结果直接关系着系统的实时调度决策。在线监测设备常需面对如下问题:①通常设置于城市污水中,环境条件较为恶劣;②由于排水管网的种种不确定性,系统中的水量、水质变化幅度较大;③城市污水成分较为复杂,管底部的沉积物可能会导致传感器的灵敏度大大降低;④排水系统覆盖范围较广,通讯及电力设施很难配套,常需电池供电和无线通讯。因此,在线监测设备的选择,除了需要满足常规性的技术指标外,还需特别注意上述问题。针对智慧排水系统的发展,还需进一步提升在线监测设备的功能和性能,大力发展各种低功耗、高性能、低成本及智能化、网络化、集成化的新型在线监测设备。3.2网络安全的保障物联网作为前沿综合交叉技术,其安全问题受到广泛关注。无锡市主城区智慧排水系统作为无锡市市政物联网系统的一个子平台,需要与上级管理部门共享数据。在数据交互共享的过程中很容易遭受攻击而导致数据泄露,因此特别要考虑网络安全。在各物联网平台间及外网间建立安全控制机制是保证智慧排水系统安全运行的重要基础。无锡市主城区智慧排水系统建设过程中遵循了两点基本原则:①系统必须具备足够的安全权限,保证数据不被非法访问、窃取和破坏。②系统要具备足够的容错能力,以保证合法用户操作时不至于引起系统出错,充分保证系统数据的逻辑准确性。安全机制是对整个网络系统平台做出的一个多层次的体系结构。通过在物理层、网络层、应用层和系统层使用安全技术,最终通过内部的安全管理规定,协调统一地构成完整的系统安全机制。3.3排水系统应用软件设计与开发的阻碍标准化是促进智慧排水系统成功的一个关键性因素。如果没有统一的标准,就会使整个行业混乱,极大地制约物联网技术在排水系统中的发展以及相关终端产品的研发与应用,同时也严重阻碍排水系统应用软件的设计与开发。无锡市主城区智慧排水系统充分考虑了数据变动、业务流程变化、软硬件升级等不确定因素,在设计和开发过程中,强化了系统的兼容性及可扩展性。总体来说,智慧排水系统是一项庞大的系统工程,其标准化体系的构建是一个复杂、长期的过程,在储备和掌握相关核心技术的基础上,需要各方面的协调和配合,有条件地逐步制定较为成熟的技术和应用标准,最后逐步和系统性地进行完善和融合。4物联网存在的问题物联网技术是未来竞争的制高点和产业升级