2024优秀案例丨黄孝河机场河流域智慧管控平台

随着城市的快速扩张，生活污水量剧增、雨污分流不彻底、建筑排水汇入，导致晴天截污不彻底、雨季合流制污水溢流、汛期河道漫滩等问题突出。以黄孝河机场河流域为代表的水安全水环境流域治理迫在眉睫，在对应的污水处理系统、CSO系统、排涝系统建成后，面对流域内数量庞大、点位众多、逻辑复杂、状态多变的排水设施，管理人员仅靠经验进行单点调度无法达到理想效果。搭建一个全流域的智慧管控平台，实现全流域感知、智慧化预测预警、全自动远程控制具有十分的必要性和紧迫性。

黄孝河机场河流域智慧管控平台服务于“武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理二期PPP项目”，在全流域范围内进行智慧监测、预测与综合调控管理，同时考核、评估项目建设与运营效果，实现信息发布与公众参与。服务范围覆盖黄孝河、机场河明渠及上游暗涵，同时包括河道沿岸排水管网、纳入“武汉市黄孝河、机场河水环境综合治理二期PPP项目”运维与考核的所有新建及原有设施。依托于物联网监测、通信、远程控制等技术的“全流域联动联调智能动态管理”理念，是针对近年来城市水环境系统日益复杂的运维与管理需求，而提出的全新解决方案亦即“物联网+智慧水务”系统。通过对整个流域内的各水务要素，包括河道、污水厂、污水泵站、排涝泵站、闸站、调蓄设施、管网、监测站点等的全面监测、实时管理和联控联调，并借助于外部气象预报数据等，实现全流域的水量管理、水质管理和设施维护的精细化、科学化、动态化管理，减少合流制溢流及其对城市和自然环境的影响，实现全流域尺度下的水安全、水环境目标。

1 总体架构

总体架构体系按“五个层次”的总体要求部署。其中数据的感知采集和网络通信层实现数据的采集功能；数据中心层对采集的数据进行集成、清洗、转化、加载功能，为数据挖掘和分析提供基础和保证；应用平台层以应用业务为导向，涵盖各种运营管理功能；集中展示层提供形式多样，内容丰富的展示效果，实现系统可视化功能。系统开发基于.NET Framework和RESTful API的B/S架构技术，使用HTML、CSS、JavaScript 和服务器脚本创建网页和网站，应用Vue进行前端组建化页面构建，结合Web API2.0 进行后端服务接口构建，并遵循Swagger标准进行定义实现。采用Git或其他类似代码管理软件进行源码的统一管理。页面前端采用WebGL渲染模型模拟结果和其它动态数据，WebGL是一种3D绘图标准，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，这样系统就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示模拟场景和模型，特别是针对大数据量GIS数据渲染能丰富可视化效果，能够极大提高系统数据编辑交换的效率和运行展示的流畅度。

智慧管控平台总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

2 系统和平台

2.1 基础信息管理子系统（流域一张图）

流域一张图从自然－社会二元水循环理论出发，既强调黄孝河、机场河流域自然本底情况、讲述其自然属性特征，也强调在人类活动干预下所进行的管理规划、建立的一系列工程改造措施，为恢复黄孝河、机场河自然生态原貌，实现“水清、岸绿、景美”的幸福蓝图目标做出的努力。黄孝河、机场河流域一张图集自然属性介绍、社会工程建设、设备信息感知、流程管理服务为一体，作为平台第一个展示窗口，以故事情节穿插，充分描述和表达《黄孝河、机场河水环境综合治理工程》的科学性、合理性，也为黄机流域水环境智慧管控平台的建立打下坚实的基础。该板块布局见图2。

图2.流域一张图

2.2 监测与监控平台子系统（数据分析）

数据分析以地图和表格形式展示各类站点降雨、水质、水力等实时数据和统计数据情况，另包括了各类站点及设备的视频监控和事件管理情况，包括监测数据、统计分析、视频监控、事件管理等模块。该系统能展示降雨日历，并结合降雨预警阈值展示实时或历史降雨分布情况，同时具备数据下载功能。各类站点空间位置相关的信息与GIS地图紧密结合，可在地图上直观展示相应地图信息，包括视频监控与事件管理信息，见图3。

图3.数据分析板块

2.3 实时预测预警子系统（预测预警）

管网预警：基于实时更新的降雨实测数据、短时气象预报数据、管网流量与液位监测数据以及设施运行数据，依托已率定验证的水文与水力模型对当前和未来一段时间内的气象状况、径流、管网水流状态等情况驱动实时模拟，并将计算结果实时生成预测与预警信息进行发布，见图4。

河道行洪：当发生暴雨、大暴雨等极端降雨时，基于实时更新的河道起端与沿程各测站的液位与流量监测数据、关键入流点的流量监测数据以及末端泵站设施运行数据，依托已率定验证的河道一维水力模型，对黄孝河及机场河的河道行洪排涝进行实时模拟，并将计算结果实时生成预测与预警信息进行发布，同时支持将该在线模拟方案保存至方案库中。

河道水质恢复：主要依托河道水质模型，基于黄孝河、机场河上、中、下游不同里程数实时更新的水质监测信息，各补水点的补水量及补水水质信息，以及河道末端排涝泵站的运行规则作为边界条件，评估雨后在污水厂尾水补水状态下的污染物在河道中的迁移及扩散情况，并预测河道水质改善情况。支持一键将该在线方案保存至情景方案库中，辅助后续补水调度。

图4.预测预警板块

2.4 实时动态管理子系统（动态调度）

在模型预测模拟的基础上，通过设定的算法，选取当前全流域系统水文、水力、水质现状与趋势下最优运行策略，通过自动生成“最优”的运行调度指令，自动操作关键泵站、闸门等调控设施，实现对流域管理的实时动态联控联调，见图5。

图5.动态调度板块

2.5 运维外业及资产管理子系统（管理运维）

运维外业及资产管理板块见图6，主要包括以下两块内容：

1)设备设施维修管理，包括流域内相关设施、设备的台账信息管理、历史保养、维修记录管理、备件管理、相关文档附件管理等。

2)巡检与工单系统，包括站外日常例行巡检、保养计划的制定、工单派发，工单流程管理以及异常事件管理。同时还包括站点相关人员班组的管理，制定相关计划工单时指派相关班组或人员。

图6.管理运维板块

2.6 管理及运维绩效评估子系统（绩效考核）

绩效管理主要分为绩效考核指标库、绩效考核评价、考核结果、统计分析四个模块。绩效的考核指标紧密围绕现场实际考核需要，设立完备指标评价体系，不同指标对应其考核权重比例设置以及指标评价依据。提供便捷新增、查询指标考核结果上报功能，落到实处，并给出历年来指标评价得分的统计情况以及趋势，分析得出偏差指标项，指导评价工作。见图7。

图7.绩效考核板块

2.7 中控中心综合显示子系统

中控中心综合显示子系统位于调度中心现场，以大屏的形式集成展示各个子系统及外部关键信息，能够满足运行调度管理人员快速了解系统运行的关键信息与数据，及时发布预警与动态管理调控的需求，从而提高运维效率。

2.8 移动业务终端APP

手机APP让管理人员充分应用移动+互联的管理手段，实现业务分散式的高效管理，展示页面如图8。系统可实现对设备设施动态数据的实时监测，保证各级管理和操控人员在第一时间及时掌握运行状态；同时巡检/维修/养护人员可使用移动应用对设备设施现场进行巡检及维修养护并可拍照上传，支持从移动端提交现场巡检异常信息到工单完结的闭环管理流程。

图8.移动业务终端APP

3 典型应用场景

该系统可应用于流域水环境的全周期（事前、事中、事后）调度生产中，具有数据实时传输、预测预警准确度高、调度效率显著提升等优点。

3.1 调度方案自动生成

利用预测预警结果和调度模型算法，提供适用于多种天气状况的流域多目标调度决策支持。

平台依托内置的模型和算法，具备多种降雨状况下的流域设施的调度管理策略，即在晴天和大雨及以下降雨强度时，平台可生成以保证流域水环境为调度目标的调度管理策略；在短时强中雨或大雨时，平台可生成以保证流域水环境，兼顾流域水安全的调度管理策略；在暴雨及以上降雨时，平台自动生成以保证流域水环境为调度目标的调度管理策略，为流域城市内涝防治和水环境一体化调度提供决策支持。该模块详见图5。

3.2 调度策略智动调整

在降雨或异常工况中，利用监测监控体系中的实时数据（包括但不限于实时降雨数据、水务设施运行数据、管网和河道液位数据），动态调整流域各厂站设施的调度策略，以保证调度工作及时性与高效性。

3.3 降雨事件分析复盘

降雨及异常工况后根据调度记录数据，与调度预案对比分析，复盘总结调度事件，积累模型模拟的经验数据，提升模型的准确度，不断优化调度预案。

3.4 运行实例

9月10日至9月13日期间总降雨量为63.3mm。收到降雨预报后，平台动态调度板块会根据降雨信息，结合调度预案和调度模型生成两种调度方案，通过管理人员审核后，通过平台下发至各厂站。管理人员通过SCADA系统查看各厂站设施指令的执行情况。

降雨过程中，结合平台实时的降雨监测数据、流域内泵站和污水处理厂运行数据、流域内闸站的视频监控数据，结合以往降雨事件积累的经验，及时更新流域调度策略，使黄机两河成功抵御了本场大到暴雨，实现了上游未发生溢流、下游未发生河道漫滩及水质快速恢复的水安全、水环境目标。降雨期间两河暗涵液位及明渠水质变化情况见图9。

图9.9/11-9/14降雨两河暗涵液位及明渠水质变化情况

雨后，项目公司依托平台的监测监控板块的数据分析功能，对降雨事件进行复盘总结，建立经验数据库，并将平台预测模拟结果与过程中实施监测的实际情况进行对比分析，通过经验数据不断优化模型参数，为后续流域调度决策的制定提供了重要参考，见图10。

图10.通过历史降雨数据优化预测模拟结果精准度

1 建立全流域尺度下的水务全要素实时监测监控体系

平台在整个流域范围构建涵盖63个水务设施、降雨、2条港渠、56个易涝点、51个排污口、7个明渠补水口等水务全要素关键指标的实时监测监控体系，打造适应不同终端设备，兼容多种网络端浏览器接入，支持本地、远程多种操控模式的数据库。打通搭建智慧水务数据底板，建立完备的数据库，为流域精细化管理提供了重要的数据支撑。

全流域的实时监控监测体系主要包括雨量监测、易涝点水位监测、暗涵液位流量监测、污水厂水质水量监测、污水泵站水量水位监测、调蓄设施及配套低位箱涵启闭水量水位监测、河道流量液位监测、闸站启闭及液位监测、排涝泵站液位水量监测、重要点位视频监控。从暗涵到明渠，从进水到出水，从数据到画面，全维度展示流域情况，见图11。

图11.实时监控监测展示

2 基于SWMM模型的全流域水文水动力水质模型搭建技术

基于SWMM模型，利用流域监测数据与实时更新的降雨预报数据，通过河道与管网的水动力模型、流域水文模型、河道水质模型，对未来2h流域水安全、设施运行负荷、河道水环境等指标进行全方位预测模拟，并对两河暗涵溢流风险、河道漫滩风险、明渠水质超标风险进行预警。同时，利用历史监测数据不断率定模型参数，优化模型模拟结果，提高预测预警准确度，见图12。

图12.全流域水文水动力水质模型

3 基于经验数据与实时控制模型最优算法的联控联调技术

流域的动态调度以预测预警结果为基础，利用传感器的实时监测数据，依靠内置的模型和算法每15min进行一次运算，生成全流域设施的调度管理策略及操作指令，并通过平台下发至各个厂站，实时反馈执行情况。在降雨结束后对调度情况进行复盘，不断提升模型模拟精度及预报、预警、预演、预案的准确性，见图13。

流域调度管理以平台预测预警结果为基础，利用传感器的实时监测数据，结合规则调度与RTC模型生成不同的调度方案优化算法，每15min运算一次，生成全流域设施的调度策略，并通过平台下发至各厂站，依托SCADA系统实时反馈指令执行情况。

图13.全流域动态调度

4 基于数字化运维的异常事件闭环管理技术

建立设施、设备、资产的电子化管理模块，利用数字化技术结合无人机巡线技术对内部巡检工单、外部举报巡检工单、异常事件巡检创建工单，对工单进行“工单创建—工单派发—工单执行及反馈—工单复核—工单关闭”全生命周期闭环管理，同时建立与移动端巡检养护系统的数据接口，以供巡检、维护人员现场查看实时数据与设备状态，实现设施设备和人员的全资产在线管理，见图14。

图14.数字化运维管理

项目通过建设智慧调度系统，逐步实现黄孝河、机场河河道及相关治理设施的自动化和智慧化运行维护。两河的社会效益、经济效益、环境效益得以有效提升，十分具有推广价值。

1.社会效益

有效改善武汉市水环境，推进“四水共治”工程，助力武汉市“共抓长江大保护”的创新实践，解决汉口片区的污水溢流、城市内涝等问题，全面提升区域生态环境，响应国家生态文明建设。

黄孝河、机场河水环境综合治理二期PPP项目投运以来，接待了院士团队、水务局考察团队等31批次450人次调研；通过与华科大、周边社区学校共建共享，建立了产学研教育示范基地及科普站，定期开展教研和科普活动，接待师生22批次638人次；通过智慧平台开放宣传展示，对公众加强环境宣传与教育，倡导绿色生活，普及城市水环境治理与保护的基础知识，提高公众对河道水环境保护的科学认识，合理引导公众对水生态环境的需求与预期。运营期首年居民满意度调查结果显示，周边居民满意率达95%以上。

2 经济效益

通过平台快速、精准制定流域设施调度策略，指导流域设施和相关项目的实际运营管理工作，可以减少人力资源投入，加快问题决策流程，提升运营团队工作效率，进一步释放管理效能，节省资源消耗。

2.1 减少人工费：

经初步估算，模型平台投运后可替代约15人规模的流域调度管理团队，根据湖北省统计局相关信息，2021年武汉市城镇单位在岗职工年平均工资9.8483万元，通过使用平台每年可减少劳动力成本约147.72万元，15年运营期可节省费用约2215.87万元。

2.2 降低运营成本：

通过模型的精准预测，优化了调度方案，可在保证不溢流的情况减少降雨时CSO (Combined Sewer Overflow)系统的频繁启用，通过执行模型调度策略可降低约20%设备启用次数，可以有效降低电耗和药耗。按年均减少启用设备15次计算，年均可减少处理水量525万吨；按CSO系统污水处理费用为0.4元/吨计算，15年运营期可降低成本525×0.4×15=3150万元。

综上，可产生经济效益5365.87万元。

3 环境效益

根据市生态环境局数据，黄孝河明渠起端水质在2022年11月、2023年1月、4月、8月达到了Ⅲ类，机场河明渠水质2022年12月全线达到Ⅲ类，为历史首次。自2023年8月以来，黄孝河、机场河水质均保持在地表Ⅳ类及以上，其中11月两河均达到地表水Ⅲ类标准。与项目完工前相比两河水质明显好转，不仅改善了周边居民的休闲环境质量，更为保障府澴河的水环境作出了贡献。

4 推广价值

本项目被住建部科技与产业化发展中心评选为2023年智慧水务典型案例，同时也是湖北省数字孪生流域试点，荣获湖北省工程建设优秀QC成果大赛I类成果、最佳课题、最佳发布，武汉市科普教育基地、华科产学研教育示范基地、河湖长制实践基地等9项国家级、省级、市级荣誉；科技成果方面，产出了4片论文、1篇软著、2份成果评价（国际先进）、2份发明专利、1份实用新型专利，并在2023年长江经济带水·生态环境科技博览会、第六届城市防洪排涝国际论坛等学术会议中进行经验分享与交流。

平台及项目所获荣誉成果情况详见表1。