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基于ArcGIS的排水管网在线监测与分析系统开发与应用
2012-05-08  作者：毛楠　聂新宇　张志轶　赵冬泉   来源：北京清华城市规划设计研究院
1  引言
　　具体情随着城市的发展，城市地下排水管网建设迅速扩张，传统的纸图和经验式管理已经无法满足城市发展和排水系统现代化运营管理的需要。地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）强大的空间分布可视化和海量信息存储管理能力，结合暴雨管理模型（Storm Water Management Model，简称SWMM）专业的排水系统水文水力分析优势，为城市排水管网高效运营和科学决策提供了有效工具。同时，为了及时掌握管网运行状态，需要合理部署管道监测网络。在国外，排水管道流量监测设备的发展已经有三十多年的历史，很多城市建立了流量监控网络，用于排污收费、入流入渗消除和溢流控制等。如：美国马里兰州通过排水管网平台和排水管道流量监测以减少入流和入渗现象的发生；田纳西州诺克斯维尔市建立FlowAlert预警系统，用于监控液位变化以消除污水溢流的发生，该系统利用包含100台流量计的监控网络，指导了223处管道修复工程，减少了77%的合流制管网溢流（CSOs）和78%的污水管网溢流（SSOs）。1990年，澳大利亚悉尼市建成了超过400台流量计的监测网络，有效的保证了悉尼的排水安全。
　　ArcGIS Engine是一个创建定制的GIS桌面应用程序的开发产品。ArcGIS Engine包括构建ArcGIS产品ArcGIS Desktop和 ArcGIS Server的所有核心组件。ArcGIS Engine 提供了COM、.NET和C++的应用程序编程接口(API)。这些编程接口不仅包括了详细的文档，还包括一系列高层次的组件，使得编程人员能够较快的创建ArcGIS应用程序。所以，排水管网在线监测与分析系统以ArcGIS为开发平台，集成排水管网模型，配合管道在线监测网络的合理部署，能够实现排水管网信息实时采集、动态监测和决策分析，不仅可以为管网应急事故处理处置、管网运行状态评估、运行调度和防洪决策等行为提供技术支持，还可以为排水模型的率定和验证提供数据支撑，实现模拟分析，从而大大提高城市排水设施的安全输配性、管理服务水平和效率，实现排水系统管理的科学化、智能化和联动性。
2  在线监测与分析系统设计开发
　　基于ArcGIS的排水管网在线监测与分析系统采用C/S结构，以满足对GIS图形数据的大量复杂操作和对系统响应时间的要求，系统逻辑结构如图1所示，管网实时运行数据由现场监测设备进行采集，通过无线或有线方式传至管网数据采集工作站，通过软件平台进行实时显示、控制、数据管理、数据存储等工作，并通过接口程序将实时数据存进管网运行数据服务器的数据库中。根据管网运行数据库的监测数据，向相关部门分发相应的数据，更新频率可以根据程序具体使用要求设定。管理调控人员由监控工作站软件系统通过调用管网运行数据服务器的实时数据库数据进行生产监控和管理工作。系统主要包括监测信息实时查询显示、在线报警和数据统计分析等功能。

图 1排水管网在线监测与分析系统逻辑结构
2.1 管网监测信息实时查询显示
　　现场监测设备实时获取排水管网运行数据后，生成监控区域内管网运行信息动态监测画面。为方便用户决策，系统设计了多种显示模式。如运行监控模式显示监测管段的管道充满度、泵前液位等，如下图所示。通过监测数据的地图显示，排水管理人员可实时监测管辖区域内管网系统的整体运行状态，为区域内泵站联合调度决策提供直观的依据，改变传统的单泵站本地控制对区域管网状态不能整体把握的局限性。

图 2排水管网在线监测数据实时显示界面
2.2在线报警
　　在线报警功能主要对实时监测的数据进行分析，对各类运行设备的运行状态进行自动判断，并将在线监控的数据与系统的预设标准进行对比分析，如果排水设施运行过程中的监测值超标及监测设备发生故障或监测数据缺失时，系统将自动发出报警信息，并以不同的警戒颜色显示，以提醒管理人员和相关部门对异常进行处理，从而保障城市排水系统安全稳定的运行。

图 3实时报警信息显示界面
　　报警分为管网风险报警和泵站运行报警。当管道充满度或检查井液位达到警界阈值时，系统自动发出报警信息上传至监控中心，监控中心立即生成应急工单并自动启动GPRS短信功能，派发应急工单到相关工作人员手机，通知相关工作人员报警位置和警情，迅速启动应急预案，实施抢修。现场人员处理后需将处理信息包括现场图片实时上传到监控中心，监控中心指挥人员需对处理情况进行审核。系统会自动记录警情的处理情况及应急工单的状态。
2.3入流入渗统计分析
　　由于管道错接、地下水入渗等原因引发的过量入流入渗问题，不仅降低了管道系统的设计负荷，影响排水系统的正常功能，同时造成的系统溢流频率增加，污染负荷加重，成为困扰排水系统正常运作的顽疾。监测技术是进行入流入渗诊断的重要措施之一。入流入渗统计分析功能利用连续监测数据，通过分析监测点、监测点上下游间的水量水位关系，查找排水管网超负荷运行的原因，辅助决策制定。
　　基于监测区域连续监测，入流入渗统计分析功能可以实现旱季入流和降雨入流入渗分析。归纳旱季入流的波动规律，分析旱流工况下运行异常。将管网雨天排放的雨污水进行区分和量化，通过分析入流入渗的变化规律，从而判断管道破损、混接或非法排放情况。入流入渗变化曲线如图 4所示。

图 4 排水管网降雨入流入渗分析界面
3  系统实施案例
　　在南方某市，通过安装管道流量、液位监测设备，以ArcGIS为平台开发排水管网在线监测与分析系统，增强了对地下排水管网运行状态的掌握该市基本实现了城区的主干管全覆盖，但是在管理上存在排水系统雨季水量冲击负荷较大、雨季水质偏差、雨季管网溢流风险较高、管网监测控制调度能力不够、管道运行维护管理科学性不高等问题。通过前期现场调研和管网现状模拟分析，项目科学合理地设计和部署监测实施方案，从而使管网运营管理人员能够及时准确地掌握管道水力状况和整个区域的管网运行状态，实现泵站优化调度和污水系统协同控制。
　　基于ArcGIS的排水管网在线监测与分析系统的部署和实施在该城市排水管网运行管理过程中主要发挥了以下作用：（1）发现偷排漏排现象，并进行有效处理，保障污水厂稳定运行和受纳水体生态环境安全；（2）缩短应急响应时间，提高管理部门对管网突发事故的应急响应能力；（3）辅助科学决策，降低管网溢流量和溢流频率。管理部门利用实时监测数据及时跟踪管网内水力状况，利用决策支持系统提供的科学依据，做出强排、泄洪等科学决策，减少污水溢流。
4  结语
　　随着城市基础设施建设的不断发展和排水管网运营管理难度的不断加大，专业化模型和排水管网监测网络在排水管网数字化管理过程中的重要作用日益显现。基于GIS的排水管网在线监测与分析系统通过软硬结合的方式，实现了排水管网运行状态数据实时查看、管网运行调度分析和应急方案评估等功能，有助于管理人员及时发现偷排漏排现象，提高突发事故响应能力，降低管网溢流流量和频率，从而降低管网运行风险，提高城市排水管网运行管理的效率和科学性。基于GIS的排水管网在线监测与分析系统的设计和开发为城市排水系统运营管理提供了一种全新的模式，该系统的应用和实施显著地提高了城市排水系统运营管理水平，有效地推动了城市信息化建设。