A3：科技智慧
01 系统总体框架
1.1 系统总体技术架构
本平台总体架构包括信息采集层、基础设施层、通讯网络层、数据资源层、平台支撑层、智慧应用层、用户层、标准规范体系、运维管理体系、信息安全保障体系9大部分。
1.2 网络拓扑结构
整个系统平台网络拓扑结构由物联感知设备、传输网络、政务云、用户四个部分组成。网络拓扑结构主要依托政务云资源进行设计，分政务外网区和互联网区两个安全域，政务外网区与互联网区采用跨域交换系统/网闸进行数据摆渡，实现安全区域的物理隔离。
1.3 数据库结构
整个系统平台数据库结构由地理信息数据库、运行管理数据库、运营监测数据库、文档多媒体数据库、模型模拟数据库五个部分组成。数据库按照《城市排水防涝设施数据采集与维护技术规范》（GB/T 51187-2016）要求，并结合当地需求对数据进行统一分层、编码、存储和管理。
地理信息数据库主要存放基础地形图、影像图、DEM数据三类数据，三类数据均采用石家庄市当地坐标系作为标准坐标系。
运行管理数据库主要存储智慧项目全过程运行管理及全要素信息，包括排水设施数据、水利工程数据、配置管理数据等信息。排水设施数据包含排水管网、泵站、污水处理厂、排口闸等资产空间、属性信息；水利工程数据包含河道闸门、坝体等资产空间、属性信息；配置管理数据包含用户权限管理数据和采集传输系统与应用系统参数管理数据。
运营监测数据库主要存储在线监测设备所采集的雨量、流量、液位、水质、设备运行状态等数据，以及其他部门共享的相关数据，包括气象统计数据、积水点信息、水质定期检测数据等。
文档多媒体数据库主要存储与业务相关的各类文档、图片、视频等资料，包括政策文件文档、项目相关资料文档、现场采集图片与视频等资料。
模型模拟数据库主要存储与模型相关的数据，包括模型基础数据、模型参数数据、模型校验数据、模拟分析数据、模拟结果数据等。
02 功能设计与实现
2.1 综合展示一张图子系统
综合展示一张图子系统主要采用浏览器/服务器（B/S）架构，作为智慧管控平台的驾驶舱，是运营单位管理者对城市水系基础设施运行情况进行监控与管理的主要窗口。
该子系统主要包括两个核心模块，一是“大屏展示”，二是“一张图”。“大屏展示”包括水资源、水安全、水环境、水景观、水事务、水交互六大板块，旨在综合展示城市水系所涉雨情、水情、防汛动态、闸-坝-泵站运行情况、城市道路积水处置情况、河道补水退水情况、河道水质水位信息、水系设施管护情况以及监督上报等信息。“一张图”重点整合设施设备、监测设备、河道水系在不同排水分区、养护分区、行政分区等各类分区上的空间分布情况，以便快速定位职责部门，提高管理效率。
综合展示一张图子系统通过后台数据提取，将独立的各个子系统数据进行计算整合，使各个子系统间的核心数据充分融合，综合展示监控与管理重点关注数据，实时掌握城市水系水资源调配、水污染控制及防汛应急指挥等信息，保证石家庄市城市水务问题第一时间进行可视化展示，便于管理者开展决策判断，提高问题处理处置效率。
2.2 设施管理子系统
设施管理子系统主要采用浏览器/服务器（B/S）架构，作为智慧管控平台的底层数据基础，是运营单位对排水管网设施进行管理的主要平台。
通过该子系统，可直观查看城市各个类型排水设施，包括雨污水管网、污水处理厂、泵站、雨水排口、河道闸-坝等设施的空间分布信息，并可对其进行查询与统计。同时可对排水设施进行管网连通性、上下游关系、纵断面等空间分析，以及管网逆坡、雨污混接、大管接小管、无下游等数据质量分析，强化排水设施管理工作。
2.3 综合监控子系统
综合监控子系统主要采用浏览器/服务器（B/S）架构，作为智慧管控平台运行监测数据的数据中台，是运营单位对涉水设施进行监控与管理的主要平台，通过搭建“天、空、地、人”立体化全天候监测监控体系，为防汛指挥、水环境质量监控、水量调度、模型模拟预测四大应用场景提供信息支撑，实现城市水系全过程动态监管。
综合监控主要对涉水环节进行雨量、水量、水质、液位、视频等方面的监控，包括对管网关键节点、河道关键断面、城市下凹桥处、历史积水点等重要位置。其中，雨量计按4~6km2/台均匀布设，采集区域雨量数据，为管网排水能力评估及河道水动力与水质模拟提供数据基础；同时，通过掌握实时雨量数据，实现雨期能够快、准、好的应对防汛工作。采用一体化水质监测站与在线监测设备组成水量、水质监测系统，实现对管网关键节点、排口、河道关键断面的化学需氧量、氨氮、总氮、总磷、电导率、水量等指标的在线监测。水量、液位、视频监测设备则对下凹桥、历史积水点、排水泵站、闸坝控制站等节点进行在线监测。
2.4 模型模拟子系统
模型模拟子系统采用浏览器/服务器（B/S）架构，主要基于城市排水管网与水系底层数据，借助水、雨情监控数据，建立管网-内涝模型和河道模型，进行仿真模拟与可视化表达，实现排水系统现状能力分析、洪涝灾害风险预测与事后评估、智慧调度决策辅助等。
2.4.1 管网-内涝模型
管网-内涝模型主要基于Digital Water Drainage Simulation模拟平台开发的可视化建模与管网-内涝模拟。管网-内涝模型主要由降雨模型、地表产流模型、入渗模型、地表汇流模型、管道水动力模型组成。降雨模型采用芝加哥设计暴雨雨型进行计算。地表产流模型对于不透水区域采用固定径流系数法，对于透水汇水区域采用Horton产流模型。雨水入渗地面采用Horton模型。地表汇流模型由连续性方程和曼宁方程联合求解。管道水动力模型采用圣维南方程组求解。通过排水管网概化、汇水分区、地表网格化、边界处理、模型参数设置、率定与验证等一系列操作，最终完成管网-内涝模型搭建。
管网-内涝模型采用3场实际降雨场景，对模型参数进行率定与验证。结果表明，纳什效率系数NSE均在0.7以上，说明模型计算结果与实测数据匹配度较好，能够有效反应排水系统运行情况，为管网-内涝模型在排水系统排水能力评估、区域内涝风险评估、防汛方案优化等方面的应用建立良好的分析基础。
2.4.2 河道模型
河道模型主要基于Digital Water Simulation River模拟平台开发的可视化建模与地表水动态模拟。河道模型主要由水动力模型、水质模型、水工构筑物模型组成。水动力模型运用垂直静压力、自由表面、紊流平均的动量平衡方程，在水平方向上采用正交曲线坐标系，在垂直方向上采用Sigma坐标系。水质模型采用质量守恒方程，同时考虑温度与传热模块和物质循环模块。水工构筑物模型，通过液压方程或标定曲线对液压结构和低弦结构的构筑物进行建模。通过水系概化、网格划分、排口入汇、水工构筑物、模型参数设置、率定与验证等一系列操作，最终完成河道模型搭建。
河道模型采用3场实际降雨场景，对模型参数进行率定与验证。结果表明，决定系数R2均在0.6以上，说明模型计算结果与实测数据匹配度较好，可用于解释河道水位与水质的变化情况，为河道模型在防洪预警评估、河道闸（坝）联合调度、一闸一策方案优化、河道水质变化评估等方面的应用建立良好的分析基础。
2.5 防汛指挥子系统
防汛指挥子系统采用浏览器/服务器（B/S）和移动/服务器（M/S）架构，该系统结合气象、雨情、水情、模型模拟、实时监测等数据，实现人员、物资、防汛车辆的联动响应和各项信息的全方位掌握，实现防汛准备、预警、调度、警情上报、工单接收与处理反馈、以及讯后评估等防汛全生命周期工作，是运营单位对防汛工作进行动态管理的主要平台。
2.6 智能调度子系统
智能调度子系统采用浏览器/服务器（B/S）架构，该系统通过录入调度指令，利用OPC Server、WebService等先进技术与厂、站、闸、坝自控系统建立实时双向通讯信道，集成厂、站、闸、坝自控系统数据，实现对厂、站、闸、坝的在线远程控制。同时，生成调度记录，充实调度预案库，优化调度策略，辅助管理人员进行科学的调度决策。
2.7 巡查养护子系统
巡查养护子系统主要采用浏览器/服务器（B/S）和移动/服务器（M/S）架构，是运营单位对涉水设施和设备进行巡查与运维养护的全流程、精细化、 标准化的管理平台。
该系统可实现现场巡查人员与监控中心及时进行信息沟通。现场巡查人员通过手持设备可查看业务信息，并将巡查信息及时反馈至平台；管理人员可通过Web 系统进行工单派发和信息查询与审核，随时掌握巡养情况。该系统同时提供数据记录功能，按需显示现场信息和巡查工作进展，便于指挥调度。
2.8 污染溯源子系统
污染溯源子系统主要采用浏览器/服务器（B/S）架构，是运营单位对城市河道水质污染及溯源管理的主要窗口。
该子系统基于水质、水量监测数据、沿河排口资料与排污单位分布情况等信息，并以《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ类水水质为基准，采用综合水质评价法进行污染贡献计算，推送潜在污染源，逐级溯源河道、排口、管网、用户，锁定水体污染疑似源头，为预防和及时发现污染事件提供预警与溯源功能，为运营单位提供决策依据。
2.9 配置管理子系统
配置管理子系统主要采用浏览器/服务器（B/S）架构，是智慧管控平台的核心，是运营单位实现对系统运行设置的管理平台，包括对用户、权限、菜单、部门和参数等信息开展管理工作。
2.10 功能模块实现示例
以2023年7月29日石家庄市降雨防汛为示例，该智慧管控平台功能模块实现示例如图1所示。根据平台监控数据可知，石家庄市主城区降雨量达到188.4~281.2 mm，该次防汛出动人员共计299人次，出动移动泵车和龙吸水车辆共计20辆，石家庄市城市水系智慧管控平台在该次降雨防汛中发挥着重要作用。
图1 石家庄市城市水系智慧管控平台功能模块实现示例
在汛前准备阶段，平台发出降雨预警，防汛人员根据平台模型模拟子系统模拟的管网薄弱环节、易涝点以及历史风险点，开展防汛布防工作。布防人员、物资、车辆均为防汛子系统中的在库人员、物资和车辆，并可通过平台实现联动响应。
在讯中，通过综合展示一张图子系统，实时掌握雨情、水情、警情、现场视频、闸坝开启情况、泵站运行情况以及人员、车辆到位情况；智能调度系统根据预设指令，在线控制闸坝开度；实现统观全局，灵活调度，智慧决策的效果。
在汛后评估阶段，防汛子系统可直接生成评估报告，内容包含降雨信息、警情上报情况、风险点情况、闸坝开启情况、泵站运行情况、人员出动情况等信息，为后续优化防汛方案、调度方案和模型方案提供实例依据。
03 平台特色及应用效果
3.1 平台特色
3.1.1 内容感知数字化
智慧管控平台对城市水系、排水管网、污水处理厂、泵站、排口、下凹桥等涉水区域，实现全链条监控，构建全面准确的数据采集、数据存储、数据报警、数据融合、数据分析的水务数据中心。将管网、泵站、污水处理厂、闸坝等智能监控数据进行统一接入与融合，实现数据共享与统一管理，打破信息孤岛与流程孤岛。
通过数据可视化技术，将数据以图表、报表等形式展示，用户可直观掌握排水设施空间分布情况、防汛指挥情况、智能调度情况、巡查养护情况、设施运行状态、水质监测结果等水务信息，有利于进行远程监控与管理，提高决策效率和准确性。
3.1.2 数据分析智能化
以排水管网数据、降雨数据、地形数据等平台内数据为基础，通过水力模型的建设、率定与分析，实现管网排水能力分析、城市内涝风险评估、城市积水风险分析等智能化分析。同时，利用排水管网模型在拟定降雨情境下，对闸门不同启闭方案进行智能化分析，判断闸门启闭方案的合理性，不断优化调度方案，以便汛期提前部署，及时应对不同降雨情景。以2023年7月29日石家庄市强降雨数据为例进行分析，具体情况见图2和图3。
图2 2023年7月29日降雨2h时刻管网平均过载倍数情况
图3 2023年7月29日降雨2h时刻淹没水深情况内涝风险评估
图2可以直观展示石家庄市2023年7月29日降雨2小时时排水管网的排水能力分布情况，图3可以直观展示石家庄市2023年7月29日降雨2h时城市积水水深风险情况。
3.1.3 协同决策智慧化
智慧管控平台通过物联网、大数据、云计算、人工智能等技术，实时监测和收集水务信息，如雨量、水量、水质、液位、视频、设备运行参数等数据，结合数据分析、模型模拟与智能算法，自动识别监测数据中的异常值，及时发现问题并进行预警，为水务管理提供智能决策支持。管理人员可以直接在平台建立巡养任务、调度方案、防汛指挥等操作，提高水务管理效率。
3.2 应用效果
3.2.1 直接经济效益分析
（1）降低运营成本。智慧管控平台通过实时监控、预警系统以及智慧化管理，能够实时监测排水设备的运行状态，及时发现潜在故障并进行预警，做好事前预防。减少设备故障导致的维修和更换成本，提高了设备的可靠性和使用寿命；显著减少人工巡检的频率和强度，节省了人力成本。此外，通过优化设备运行和资源使用，亦可降低运营成本。结合项目实际情况，排水设施管理年度运营成本主要包括人工费用、设备维护费用、设施更新费用和其他相关费用。据统计，智慧管控平台投入使用后，每年排水设施的运营成本降低了约30%。
（2）提高水资源利用效益。智慧管控平台通过实时监测和分析排水数据，避免河道“一放了之”、“一拦了之”，实现水资源的精准调度和高效利用。在保障排水安全的前提下，减少水资源的浪费，提高水资源的综合利用效率。结合项目实际情况，河道水资源利用主要包括河道引用上游河道水或水库水进行补水，以及河道引用再生水进行补水两个部分。据统计，智慧管控平台投入使用后，每年河道水资源利用效益提升了约20%。
3.2.2 间接经济效益分析
优化排水效率，减少城市内涝。智慧管控平台投入使用后，可实时监测排水管道的水量、水位等信息。当遇到暴雨时，可准确预测排水需求并提前做出调度安排，降低了城市内涝的风险和损失。例如受台风“杜苏芮”影响，2023年7月29日，石家庄市连续三天的大暴雨，通过智能调度和科学管理，石家庄市城区未出现严重积水情况，减少因内涝造成的经济损失和社会影响。
推动数字化转型，提升城市吸引力。智慧管控平台的建立，展示了石家庄市在城市管理和服务模式方面的创新和转型，提高了城市管理效率和服务水平，提升了城市的形象和吸引力，有助于吸引更多的投资、人才和旅游资源，进一步推动城市的经济发展。
3.2.3 环境效益分析
智慧管控平台的应用，可以实现对水质、水量、水位、雨量、设备运行状态等参数进行实时、连续性的监测，不仅能够提高水资源利用效率，减少污水排放，改善水环境质量；还能够降低能源消耗，减少碳排放，促进节能减排。例如当水质超过标准或出现异常情况时，系统自动发出预警并给出解决建议，提高问题处置效率，避免水环境污染事件的扩大。又如，根据系统指令自动或者远程控制泵站、闸门的启闭，降低能耗，减少能源的浪费，削减碳排放。
04 结 语
石家庄市城市水系智慧管控平台聚焦城市水系，统筹水安全、水资源、水环境、水生态，以智慧监测为基础，以模型分析为手段，搭建了一个大数据中心、构建“物联感知，闸坝自控和仿真模拟”三个板块，开发了9个智慧应用，以支撑涉水多元用户管理决策，实现石家庄市中心城区水系业务日常管理精细化、水系风险预警预报、防汛应急指挥决策辅助、河道水系智慧调度。通过对智慧管控平台的应用，排水设施年度运营成本降低约30%，河道水资源年度利用效益提升约20%。在优先保障城区水安全的基础上，提高水资源利用率，有效保持河道景观水位和水质，降低对河道生态环境的扰动，为市民提供“水清、河畅、景美”的高质量生活环境。
（给水排水）