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智慧海绵系统的总体架构与关键技术初探
来源:2017年第12期杂志 | 发布时间:2018-1-8 11:34:33 | 浏览次数:

摘  要本文简要梳理了智慧城市和海绵城市的发展状况,对海绵城市与智慧城市的关系进行了论述,明确了智慧海绵的基本内涵,提出了由物联感知层、网络通信层、数据服务层、应用层和展示层构成的智慧海绵系统的总体架构,探析了建设智慧海绵系统所应突破的关键技术,指出了智慧海绵系统建设的发展趋势,提出了进一步开展智慧海绵系统理论和实践探索的重要意义。
关键词海绵城市;智慧;总体架构;关键技术
中图分类号:TP 399  文献标识码:A

Preliminary discussion and analysis of the overall architecture and key technologies of smart sponge city
Abstract A brief review of smart city and sponge city was presented. The relationship between sponge city and smart city was discussed.The basic connotation of smart sponge city system was put forward. The overall architecture of smart sponge city system composed of the interface layer, the network communication layer, the data service layer, the application layer and the display layer was proposed. The key technologies of building smart sponge city system were explored. The development trend of smart sponge city system was indicated; and the significance of further developing the theory and application of smart sponge city system was put forward.
Key wordsSponge city;Smart;Overall architecture;Key technology

“智慧城市”一词源于2007年《欧盟智慧城市报告》中提出智慧城市建设设想。2009年底,美国IBM公司正式提出“智慧城市”的概念。由此,智慧城市在全球城市化的发展建设中,扮演越来越重要的角色。

2012年6月28日,国务院《关于大力推进信息化发展和切实保障信息安全的若干意见》指出,要引导智慧城市建设健康发展。这在国内掀起了智慧城市建设的热潮。住房城乡建设部于2013年1月29日、2013年8月5日和2015年4月7日,发布了三批“智慧城市”建设试点,包含共277个城市和41个专题项目。由此,国内智慧城市建设驶入快车道。

在海绵城市建设方面,住房和城乡建设部分别于2015年4月2日和2016年4月25日公布了武汉、常德、鹤壁、南宁等16个城市以及北京、天津、大连、固原等14个城市纳入国家海绵城市建设试点。随着《海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)》的发布,海绵城市设施如何实现科学管理和绩效评价成为业界专注的热点。而构建智慧海绵,用最先进的信息化手段,实现海绵设施的科学管理,是完成海绵设施绩效考核,并最大程度发挥其效益的最佳途径。
1  智慧海绵的内涵

1.1 海绵城市与智慧城市关系

海绵城市与智慧城市,都是近些年发展起来的城市发展建设的新思想、新理念。智慧城市是全球信息化、数字化发展到一定阶段的必然要求。海绵城市是先进的雨水管理理念的中国化表述,其在中国得到了最广泛的认同和也必将得到最充分的发展。智慧城市的发展,能为海绵城市建设提供强有力的技术支撑。海绵城市的发展,又可以为智慧城市建设提供充分发挥其价值的土壤和重要的应用场景。智慧城市和海绵城市建设,均是今后新型城镇化建设的重要组成部分。
1.2 智慧海绵的基本内涵

智慧海绵是海绵城市规划、建设和运维等各个阶段的智能化。海绵城市的智能化是利用自动和远程监测技术、通信及计算机网络技术、空间地理信息技术、物联网技术、计算机建模技术和移动互联技术等,实现海绵城市建设系统自动化监测、网络化办公、信息化管理、实时化调度、科学化决策和规范化服务,为城市水安全、水环境、水资源、水生态的治理保护和开发利用提供智慧化的管理手段。智慧海绵建设,有利于提高海绵城市的规划、建设和运维的效率,降低投资成本;有利于更好地评价海绵城市建设所能发挥的效益。
2 智慧海绵的总体架构

智慧海绵的总体架构包含物联感知层、网络通信层、数据服务层、应用层和展示层等五个层次,如图1所示。

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2.1 物联感知层

结合海绵城市建设考核评价指标,建设实时采集LID设施、市政排水管渠和城市水系等运行参数,监控城市道路的内涝积水情况以及采集降雨量数据的各类设备和设施。这样才能为分析降雨规律、下垫面性质,评估排水系统排水能力和内涝风险发生几率和程度,积累大量的基础数据。
2.2 网络通信层

将传感器、在线仪表等产生的实时流量、水质监测数据,气象局实时产生的气象预报和降雨量数据,水文站实时监测的水文数据,在线监控系统形成的影像资料等,通过相应通信方式,传输至智慧海绵系统的数据中心。
2.3 数据服务层

建设智慧海绵数据中心集成平台,将城市基础设施的GIS数据、物联感知设施监测的实时数据、相关部门提供的交换信息和管理部门的应急信息等存储在一个服务器中。开发数据融合、挖掘模块,将数据进行整合,并融入到相关主题数据库中,为应用层对数据的提取提供衔接服务。打通城市水务系统信息共享的通道,保证基础数据畅通无阻、业务流程无障碍流转,有效提升业务系统的运行效率、打破企业信息孤岛,以系统集成技术支撑重点应用平台的建设。
2.4 应用层

通过一体化的应用平台,构建各子应用模块。这包括基础设施的运行、维护和管理,搭建LID设施、排水管渠和城市水系相耦合的数学模型,利用数学模型进行内涝风险预警,评估海绵设施效益,开展绩效考核,并指导应急管理等。
2.5 展示层

以智慧海绵数据中心集成平台为基础,建设三个门户。一是政务内网门户,面向业务人员,方便不同部门间的各项业务协同运行。二是政务外网门户,面向公众用户,是向公众发布信息,并引导公众参与和公众监督的平台。三是移动门户,这适应当下移动互联网应用场景,能满足业务人员在户外开展各项工作,并及时向公众发布信息,更方面地让公众参与基础设施故障举报。
3 关键技术
3.1 物联网

在智慧海绵建设中物联网是一项关键技术,包括传感器技术、自动检测技术、联网视频监控技术等。在智慧海绵领域,物联网技术主要用于对地块LID设施、排水管渠和城市水系的各维度信息进行感知和采集。这包括排水流量、水质、水文、视频录像和自动控制命令等信息。实现各类海绵设施信息的实时监控和动态采集、调度以及远程管理。
3.2 地理信息系统

在智慧海绵系统中,地理信息系统(GIS)技术是对各类海绵城市基础设施信息进行适当编码,以保存为具有良好拓扑关系,并为各类GIS数据库所能支持的文件格式的过程。目前,满足智慧海绵系统的GIS数据库软件有ArcGIS、InfoNet和MapGIS等。海绵城市基础设施数据的建设,应通过建设完善的信息共享机制,让各部门将地块LID设施、排水管渠和城市水系的新建、改扩建工程,都及时上报至智慧海绵数据中心来实现。
3.3 数学模型

数学模型的搭建是内涝模拟的前提,同时也是验证排水管渠、涝水通道、城市内河和LID设施等功能与效果的根本方法。通过建模分析,能及时排查问题所在,提出改造方案,并为这些设施的更新和规划方案提供最有效的建议。能够搭建智慧系统数学模型的软件有SWMM、Infoworks ICM和Mike Urban等。SWMM采用非线性水库模型模拟地表径流,采用圣维南方程演算管网的输送过程,累积-冲刷模式模拟地表径流的污染。SWMM可用于城市内LID设施、降雨径流、合流制管道、污水管道和其它排水系统的规划设计、情景分析和方案评估等多个方面[4]。Infoworks ICM软件能完整模拟城市雨水系统,实现了城市排水管网系统模型与河道模型的整合,更为真实地模拟地下排水管网系统与地表受纳水体之问的相互作用。它在一个独立模拟引擎内,完整地将城市排水管网及河道的一维水力模型,同城市/流域二维洪涝淹没模型结合在一起,实现了在单个模拟引擎内组合这些模型引擎及功能。Mike Urban与相关数据的衔接较为顺畅、模型较为简单、运行速度快、结果也较为精准。它不仅可以模拟城市排水管网的运行情况,还可以实现二维地面洪水的演算[5]。该模型已被广泛应用于城市排水管网的模拟评估。
3.4 内涝模拟与预警

内涝风险预警是在系统建模的主要目的。以系统建模为基础,结合气象部门发布的降雨预报信息,即可对易涝区的风险级别进行预报,从而为应急管理提供决策依据。内涝风险预警通常采用可视化的呈现方式,以提高应急管理的效率。内涝风险预警平台应及时向社会公众发布可视化的预警信息,方便市民在雨天时计划出行线路,避免内涝风险高发区的人流聚集。
3.5 移动互联

移动互联技术就是将移动通信技术与互联网结合为一体。随着4G技术的普及以及5G技术的逐渐发力,移动互联网和智能手机已经彻底改变了人们的生活方式。基于移动互联的智能手机APP,可以将移动通信和互联网的优势结合起来,用以提高智慧海绵的运作效率和管理服务水平;可以结合智能手机操作系统的开放性特征,开发操作简单、高效便捷、专注于智能海绵系统的移动管理系统,并连接PC/服务器端实现信息的共享,使智慧海绵运营企业的数据采集、设施维修、过程监控、成本管理和绩效考核均实现数字化[6]。而移动互联将作为网络通信的补充,能打通信息孤岛和业务隔阂,实现信息之间的无缝衔接,既有利于企业掌握经营全貌,也利于市民方便快捷的接受预警信息,参与海绵基础设施的故障举报。
4 发展趋势展望

目前,海绵城市建设,正在逐步从学术界的共识和领导层的高度关注,走向实实在在的城市建设的各个层次。受国家级海绵城市建设的试点的影响,河南、湖南、江西、四川等省份相继开展了省级海绵城市建设试点工作。这进一步了推进了海绵城市理念的普及。随着《海绵城市建设国家建筑标准设计体系》 [7]确定的各项标准、规范和图集的相继发布,海绵城市建设也逐渐内化为各项建设工程的重要组成部分,而自然而然地被逐步落实。各类新建的海绵设施,如何逃脱传统市政公用基础设施长期管理不善[8]的厄运,恐怕非搭乘智慧城市建设快车,将每个城市的新建海绵设施与传统排水防涝、城市水系设施一起,组建智慧海绵系统,进行现代化、科学化的运行、维护和管理莫属了。由此可见,智慧海绵建设是今后智慧城市和海绵城市建设领域的重要一环,它将极大地促进城市基础设施治理水平的提高和人居环境的改善。
5 结语

智慧城市和海绵城市是当前开展新型城镇化建设的先进理念。两者结合所形成的智慧海绵系统的建设,则是更有效地运行、维护和管理海绵设施,使其发挥最大效益的必由之路。今后,海绵设施的数量会越来越多,其信息化、数字化过程形成的数据量是巨大的,只有通过智慧化系统才能对这些大数据进行有效处理,并产生更高的社会、经济价值。因此,深入开展智慧海绵理论和实践探索,仍是科研机构、勘察设计企业和政
府管理机构的一个重要课题。
参考文献
[1] 吕淑丽,薛华,王堃.智慧城市建设的研究综述与展望[J].当代经济管理,2017,39(4):53-57.
[2] 张 金.智 慧 海 绵 在 城 市 建 设 中 的 应 用[J].智 能 城 市,2017(4):90.
[3] 刘百德.智慧水务信息系统建设标准与指南概要介绍[J].城镇供水,2016(6):10-15.
[4] 陈晓燕,张娜,吴芳芳,等.雨洪管理模型SWMM的原理、参数和应用[J].中国给水排水,2013,29(4):4-7.
[5] 谢家强,廖振良,顾献勇.基于MIKE URBAN的中心城区内涝预测与评估——以上海市霍山-惠民系统为例[J].能源环境保护,2016,30(5):37,44-49.
[6] 董海天.关于“智慧水务”平台系统的构建及关键技术分析[J].水利规划与设计,2017(2):22-24.

[7] 住房城乡建设部关于印发城市综合管廊和海绵城市建设国家建筑标准设计体系的通知[EB/OL].2016-1-22[2017-5-27].http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201602/t20160204_226594.html.

[8] 国务院.国务院关于加强城市基础设施建设的意见[EB/OL].2013-9-16[2017-7-20]. http://www.gov.cn/zwgk/2013-09/16/content_2489070.htm.


作者简介: 董金凯,硕士,工程师,研究方向为市政给水排水和城市水系工程的规划与设计。


 
 
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