深隧智慧管控平臺(tái)：污水“駛”入地下“快車道”

利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)搭建了大東湖深隧智慧管控平臺(tái)，對(duì)預(yù)處理站、豎井及深隧進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及運(yùn)行管控，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目生產(chǎn)工藝控制、設(shè)備維護(hù)管理、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、應(yīng)急輔助決策的科學(xué)、高效、自動(dòng)化管理。平臺(tái)建成投用后的近半年時(shí)間里，項(xiàng)目運(yùn)行管理效率不斷提升，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。對(duì)大東湖深隧智慧管控平臺(tái)的建設(shè)背景、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)內(nèi)容、建成后平臺(tái)功能及應(yīng)用效果進(jìn)行介紹。

1 工程概況

本工程遠(yuǎn)期服務(wù)范圍達(dá)200余km2，建設(shè)內(nèi)容包括：

（1）污水深隧系統(tǒng)：一條長(zhǎng)17.5km主隧（直徑D3 000~3 400）和一條長(zhǎng)1.7km支隧（直徑2~D1 500）。

（2）地表完善系統(tǒng)：沙湖提升泵站（1m3/s）、二郎廟預(yù)處理站（9.8m3/s）、落步嘴預(yù)處理站（5.7m3/s）、武東預(yù)處理站（2.4m3/s）及配套管網(wǎng)。

2 智慧管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)深隧系統(tǒng)、地表完善系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度與管理維護(hù)的需求，以輸水調(diào)度、遠(yuǎn)程多站點(diǎn)協(xié)同管理為目標(biāo)，通過構(gòu)建深隧淤積預(yù)測(cè)模型、流速預(yù)測(cè)模型，建成集生產(chǎn)工藝控制、運(yùn)行維護(hù)管理、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判、智能輔助決策等多種功能于一身的定制化智慧管控平臺(tái)。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)架構(gòu)按數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)及服務(wù)支撐層、深隧防淤積、應(yīng)用平臺(tái)層、展示層5個(gè)層次的總體要求進(jìn)行部署設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集層以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，構(gòu)建布局合理、全域覆蓋、結(jié)構(gòu)完備、功能齊全、高度共享的物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò)，通過各類傳感、檢測(cè)、視頻監(jiān)控等設(shè)備，獲取穩(wěn)定、可靠的深隧運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為深隧日常運(yùn)維管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、輔助決策等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

（2）數(shù)據(jù)及服務(wù)支撐層主要將數(shù)據(jù)采集層獲取的數(shù)據(jù)和各專業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、集成、清洗、轉(zhuǎn)化、加載，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，為數(shù)據(jù)挖掘和分析提供基礎(chǔ)保證。

（3）深隧防淤積主要通過已構(gòu)建的水利學(xué)模型、淤積模型等，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行水量調(diào)度方案效果模擬，深隧管道淤積預(yù)測(cè)，為運(yùn)營(yíng)人員的水量調(diào)度、淤積預(yù)防提供輔助決策支持。

（4）平臺(tái)應(yīng)用層在數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)和服務(wù)支撐層的基礎(chǔ)上建立的各類專業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，具備為企業(yè)內(nèi)部用戶、上下游水務(wù)部門等提供整體的信息化應(yīng)用和服務(wù)功能。

（5）展示層主要在企業(yè)大屏端、服務(wù)器端、移動(dòng)終端，對(duì)系統(tǒng)工藝，能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、能耗電耗、水質(zhì)指標(biāo)、人員巡檢、實(shí)時(shí)視頻等多維度信息進(jìn)行多角度集中展示。

2.3 安全設(shè)計(jì)

平臺(tái)安全設(shè)計(jì)主要通過訪問控制、身份認(rèn)證等技術(shù)，確保平臺(tái)具有較高的信息保密性、可控性、真實(shí)性、完整性。系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)。

（1）數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)安全是整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)安全的核心和重點(diǎn)，包括數(shù)據(jù)訪問安全、數(shù)據(jù)傳輸安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全。平臺(tái)數(shù)據(jù)訪問安全主要通過建立全局統(tǒng)一身份認(rèn)證中心，根據(jù)數(shù)據(jù)類型設(shè)置不同訪問權(quán)限來確保數(shù)據(jù)訪問安全；數(shù)據(jù)傳輸安全主要通過加密傳輸、入侵監(jiān)測(cè)、安全漏洞掃描、安裝防毒殺毒軟件、安裝防火墻等途徑保障數(shù)據(jù)傳輸安全；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全則通過采用數(shù)據(jù)本地備份、設(shè)置專業(yè)存儲(chǔ)設(shè)備、建立數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制等措施，防止數(shù)據(jù)遭到意外或惡意破壞。

（2）網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)。平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括訪問安全和應(yīng)用安全：平臺(tái)的訪問安全除依靠主機(jī)系統(tǒng)自身的用戶名及口令來防范外，還配置了防火墻，加密訪問控制，設(shè)置IP黑白名單防止假冒的非法訪問，安裝入侵檢測(cè)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全掃描系統(tǒng)和防病毒軟件等方法來確保系統(tǒng)訪問安全；平臺(tái)的應(yīng)用安全則是重點(diǎn)關(guān)注Web應(yīng)用中“跨站點(diǎn)腳本攻擊”和“注入缺陷”兩大安全隱患，并進(jìn)行必要的安全規(guī)則配置及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，結(jié)合硬件級(jí)防火墻、入侵檢測(cè)、行為分析管理、網(wǎng)關(guān)訪問控制、運(yùn)維審計(jì)等一系列安全軟硬件措施，確保系統(tǒng)的應(yīng)用安全。

3 智慧管控平臺(tái)的建設(shè)

平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容主要包括：一套基礎(chǔ)設(shè)施、一個(gè)數(shù)據(jù)中心、防淤積模型、一套應(yīng)用平臺(tái)。

一套基礎(chǔ)設(shè)施包含覆蓋大東湖深隧工程所涉及的物聯(lián)感知、監(jiān)測(cè)、傳輸網(wǎng)絡(luò)及平臺(tái)基礎(chǔ)軟硬件設(shè)施（包括：超聲波流量計(jì)、RTU及配套設(shè)備、應(yīng)用服務(wù)器、工作站、企業(yè)級(jí)下一代防火墻含路由、VPN、數(shù)據(jù)采集及配套設(shè)備、企業(yè)級(jí)交換機(jī)、服務(wù)器機(jī)柜、UPS、16口KVM、配線架、PDU插座、機(jī)房實(shí)施與調(diào)試、SS在線監(jiān)測(cè)儀），用以全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確掌握相關(guān)設(shè)施、設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)。各預(yù)處理站配置獨(dú)立于自控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。系統(tǒng)預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)化交互式通訊接口，對(duì)接深隧健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，下游北湖污水處理廠智慧系統(tǒng)，上游泵站調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成。

一個(gè)數(shù)據(jù)中心主要融合集成大東湖項(xiàng)目范圍內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、主體數(shù)據(jù)，統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)多源、多格式、多類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)和管理，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、挖掘分析、共享交換、集成調(diào)用等功能。

防淤積模型主要在現(xiàn)有工程應(yīng)用的水利模型上搭建（如表1所示），通過前期收集的深隧建筑信息（幾何屬性、材料屬性），邊界條件（深隧流體邊界、豎井流體邊界），工藝設(shè)備工況參數(shù)、運(yùn)行情況，進(jìn)隧流量、水位、入流SS等參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)深隧運(yùn)行工況及淤積分布情況，并結(jié)合預(yù)埋的特定點(diǎn)位流量計(jì)的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行預(yù)測(cè)模型校驗(yàn)，形成自學(xué)習(xí)閉環(huán)，不斷提高模型預(yù)測(cè)精度，指導(dǎo)深隧生產(chǎn)運(yùn)行。

一套應(yīng)用平臺(tái)采用分布式服務(wù)架構(gòu)，通過制訂統(tǒng)一的應(yīng)用系統(tǒng)接口規(guī)范，使得不同的系統(tǒng)都按照一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與業(yè)務(wù)融合，建立“規(guī)范、安全、開放”的智慧運(yùn)營(yíng)應(yīng)用平臺(tái)。Web前端采用現(xiàn)在主流的開發(fā)框架，保證前端視覺和交互的一致性，提升用戶體驗(yàn)。后端采用高擴(kuò)展、高安全、高性能、高可靠微服務(wù)架構(gòu)。移動(dòng)端應(yīng)用擴(kuò)展性強(qiáng)，可根據(jù)業(yè)務(wù)不同，將移動(dòng)端應(yīng)用進(jìn)行模塊解耦，提高可復(fù)用度的同時(shí)，極大降低變更的復(fù)雜性，同時(shí)為快速集成做好準(zhǔn)備。

4 智慧管控平臺(tái)的應(yīng)用

4.1 平臺(tái)功能

大東湖深隧智慧管控平臺(tái)集合全維信息、績(jī)效管理、資產(chǎn)管理、生產(chǎn)管理、應(yīng)急管理、數(shù)據(jù)管理、人員管理與系統(tǒng)管理八大功能模塊來解決深隧運(yùn)維難題，強(qiáng)化區(qū)域運(yùn)營(yíng)調(diào)度，提高運(yùn)營(yíng)管理效率，保障深隧運(yùn)行安全。

（1）全維信息模塊作為系統(tǒng)門戶頁面，對(duì)項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)（輸送水量、設(shè)備工況、深隧流速、管道監(jiān)控、水耗電耗、調(diào)度計(jì)劃、預(yù)警信息等）進(jìn)行全局三維展示，并將各生產(chǎn)單位的地理位置融入GIS地圖界面，形成統(tǒng)一的監(jiān)控及調(diào)度入口（見圖2）。此外，系統(tǒng)還能通過仿真模型，對(duì)各預(yù)處理站的工藝流程、運(yùn)行參數(shù)、預(yù)警信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，直觀掌控項(xiàng)目生產(chǎn)現(xiàn)狀（見圖3）。

（2）績(jī)效管理模塊能對(duì)深隧工程績(jī)效指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一管理與維護(hù)，通過輸入項(xiàng)目所有績(jī)效考核指標(biāo)信息，形成深隧績(jī)效指標(biāo)庫(kù)。以自然年為單位，圍繞績(jī)效指標(biāo)實(shí)際情況，結(jié)合項(xiàng)目考核對(duì)象（泵站、處理站、深隧工程），系統(tǒng)自動(dòng)形成一套標(biāo)準(zhǔn)的打分方式，供用戶進(jìn)行考核自評(píng)價(jià)、問題上傳和模擬評(píng)分。系統(tǒng)還能根據(jù)用戶留在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的考評(píng)痕跡，對(duì)自評(píng)跟政府評(píng)進(jìn)行歸納對(duì)比，偏差分析，找出指標(biāo)偏差明顯項(xiàng)，并給到相應(yīng)的指標(biāo)改進(jìn)建議。

（3）資產(chǎn)管理模塊能對(duì)資產(chǎn)的臺(tái)帳信息、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備備件信息、和設(shè)備相關(guān)的供應(yīng)商信息、相關(guān)資料、設(shè)備圖文等進(jìn)行統(tǒng)一管理（見圖4）。在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)可利用移動(dòng)端應(yīng)用通過掃描設(shè)備二維碼獲取設(shè)備的基本屬性。在Web端可以根據(jù)預(yù)處理站、功能分區(qū)、啟用日期篩選，或根據(jù)設(shè)備編碼/名稱直接搜索篩選；對(duì)設(shè)備相關(guān)文檔（說明書、故障報(bào)告等）進(jìn)行科學(xué)、有序的管理，為設(shè)備后續(xù)的維護(hù)管理可以提供強(qiáng)有力的支撐。

（4）生產(chǎn)管理模塊能對(duì)當(dāng)月生產(chǎn)運(yùn)行主要數(shù)據(jù)（設(shè)備養(yǎng)護(hù)、巡檢、工單完成率、設(shè)備完好率等）進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，以了解項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)行總體情況（見圖5）。模塊還能對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行、報(bào)警、巡檢、保養(yǎng)、維修、排班等主要管理內(nèi)容進(jìn)行集中管控。巡檢管理主要包括巡檢點(diǎn)管理、巡檢步驟管理、巡檢計(jì)劃、巡檢路線制定、巡檢任務(wù)、地圖巡檢跟蹤等；設(shè)備保養(yǎng)主要對(duì)設(shè)備日常保養(yǎng)的計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)和工單進(jìn)行管理；設(shè)備維修支持缺陷問題的移動(dòng)端和Web端申報(bào)與維修工單生成，并發(fā)送相關(guān)維修人員。問題處理完成并經(jīng)管理人員審核通過后關(guān)閉缺陷，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備缺陷的閉環(huán)管理。

（5）應(yīng)急管理模塊能對(duì)深隧內(nèi)的流速、淤積進(jìn)行分析預(yù)警。依據(jù)已構(gòu)建的防淤積模型進(jìn)行深隧淤積預(yù)測(cè)，通過建立規(guī)范化應(yīng)急預(yù)案制度對(duì)已知風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、分析、處置、記錄，保障系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)部分管段出現(xiàn)淤積時(shí)，運(yùn)營(yíng)人員可根據(jù)聯(lián)合調(diào)度方案、調(diào)度指令及淤積沖刷方案進(jìn)行系統(tǒng)的線上調(diào)度調(diào)整，提高深隧流量計(jì)流速，來進(jìn)行淤積沖刷（見圖6）。

（6）數(shù)據(jù)管理模塊能對(duì)獲取的各類生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析（見圖7），按照周期自動(dòng)生成各類運(yùn)營(yíng)報(bào)表，通過對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行橫縱向?qū)Ρ确治?，為?xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)行提供決策依據(jù)。

（7）人員管理模塊主要內(nèi)容包括項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)人員的培訓(xùn)及績(jī)效管理。培訓(xùn)管理主要根據(jù)人員線下培訓(xùn)、新員工入職培訓(xùn)制定培訓(xùn)計(jì)劃，以培訓(xùn)成果為切入點(diǎn)，結(jié)構(gòu)化管理思路，實(shí)現(xiàn)線上、線下雙重?cái)?shù)據(jù)疊加反饋，為后續(xù)人員培訓(xùn)成果評(píng)分提供數(shù)據(jù)依據(jù)。績(jī)效管理主要通過建設(shè)人員績(jī)效考核指標(biāo)庫(kù)，設(shè)定指標(biāo)考核占比系數(shù)，按檔案管理思路對(duì)人員培訓(xùn)記錄、職業(yè)證書、人員工單完成情況、績(jī)效/積分成績(jī)等進(jìn)行歸納匯總，排名對(duì)比，為人員績(jī)效考核、職稱能級(jí)調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

（8）系統(tǒng)管理模塊主要通過嚴(yán)格的權(quán)限管理功能，采取多種措施防止內(nèi)部人員對(duì)系統(tǒng)軟硬件資源、數(shù)據(jù)的非法利用。系統(tǒng)需提供統(tǒng)一身份認(rèn)證，便于系統(tǒng)管理，提高口令認(rèn)證系統(tǒng)的安全性，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用系統(tǒng)間的口令的統(tǒng)一。用戶的各個(gè)角色在登錄到系統(tǒng)之后，可以按照不同角色的需求和關(guān)注項(xiàng)定義，設(shè)置個(gè)性化定制界面，用戶在首頁就可以看到其所關(guān)注的功能點(diǎn)的最新數(shù)據(jù)（見圖8）。

4.2 平臺(tái)應(yīng)用

（1）保障措施。大東湖深隧智慧運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)作為項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期的主要管理工具，承載著項(xiàng)目生產(chǎn)管理、資產(chǎn)管理、績(jī)效考核、應(yīng)急處置等多種功能。為保障平臺(tái)功能的真正實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目公司制定了《智慧運(yùn)營(yíng)平臺(tái)運(yùn)行管理辦法》，對(duì)平臺(tái)的使用進(jìn)行制度化的規(guī)范，并將平臺(tái)的使用率等指標(biāo)同項(xiàng)目公司員工的績(jī)效考核掛鉤，通過專項(xiàng)培訓(xùn)、使用考核等多種方式提高運(yùn)營(yíng)人員使用技能，避免平臺(tái)在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期成為“擺設(shè)”，建而不用。此外，項(xiàng)目公司計(jì)劃在智慧運(yùn)營(yíng)平臺(tái)投入使用一年后，會(huì)根據(jù)平臺(tái)實(shí)際使用情況，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行功能升級(jí)改造，以完善系統(tǒng)功，提高平臺(tái)的友好度及使用率。

（2）效益分析。大東湖深隧智慧管控平臺(tái)利用先進(jìn)的信息化技術(shù)，對(duì)項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行智慧管控，通過收集、調(diào)度服務(wù)區(qū)域污水，統(tǒng)一傳輸送到下游污水廠進(jìn)行集中處理，解決目前現(xiàn)狀污水處理廠處理能力不足、尾水不達(dá)標(biāo)排放的問題，有效保護(hù)了城市中心湖泊和港渠水質(zhì)，有利于水環(huán)境水質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，社會(huì)環(huán)境效益突出。平臺(tái)的建成投用實(shí)現(xiàn)了整個(gè)深隧系統(tǒng)的自動(dòng)化和智慧化運(yùn)行維護(hù)，降低了項(xiàng)目運(yùn)行維護(hù)成本，提高了運(yùn)行管理效率，單位水運(yùn)營(yíng)成本僅為0.13元/m3，經(jīng)濟(jì)效益突出。

作者：曾磊、周毅、王小虎、廉文杰、曾利華、黃凱、劉暢；作者單位：中建三局綠色產(chǎn)業(yè)投資有限公司。

延伸閱讀：

全國(guó)首條！武漢大東湖深隧投用 提升武昌、青山片區(qū)污水處理能力