第28卷第6期
2012年3月
中国给水排水
CHINAWATER&WASTEWATER
V01．28No．6
Mar．2012
基于物联网技术的智慧排水系统构建
薛敏，李大成，沈晓铃
(无锡市政设计研究院有限公司，江苏无锡214072)
摘要：介绍了物联网的基本概念，分析了无锡市主城区智慧排水系统的建设需求，简要阐
述了智慧排水系统的感知层、网络层以及应用层三个方面的网络架构，结合物联网技术在智慧排水
系统中的应用，针对性地提出了智慧排水系统发展中所面临的在线监测设备的研发、系统的安全机
制以及标准化体系等关键问题。
关键词：排水管网；物联网；智慧排水系统
中图分类号：TU992文献标识码：C文章编号：1000—4602(2012)06一0062—03
ConstructionofSmartDrainageSystemBasedonInternetofThings
XUEMin，LIDa—cheng，SHENXiao—ling
(‰i^z“nic咖ofDes留n口ndReseorc^‰fi￡u把I力．儿d．，Ⅱ-聊i214072，C危ino)
Abstract：Thebasicconceptionofinternetofthings(10T)isintroduced．Therequirementfor
constlllctionofsmartdrainagesysteminthemainareaofWuxiCityisanalyzed．Thethreenetworkarchi—
tecturesofthedrainagesystemincludingtheperceptionlayer，networl(1ayerandapplicationlayerareex—
plained．Combiningwiththeapplicationof10Ttechnologyinthesmartdrainagesystem，somekeyissues
whicharefacedinthedevelopingprocessofsmartdIainagesystemareposed，includingtheresearchof
onlinemonitoringequipment，thesecuritymechanismsofthesystem，andthestandardizationsystem．
Keywords：drainagepipenetwork；intemetofthings；smartdrainagesystem
物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实
现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其主要
特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界
的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络进行信
息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分
析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能
化的决策和控制。
依托无锡市较好的物联网支撑产业基础，结合
无锡市国家传感网创新示范区的建设，无锡市启动
了主城区排水物联网试点工程。无锡市主城区共有
污水处理厂3座，现状总处理规模为65×104m3／d；
有人值守泵站44座，无人值守泵站52座(主要为截
流泵站)；现状污水管道总长约1456km。无锡市
主城区管网系统已采用了基于GIS系统的管理模
式，在国内处于相对领先地位，但该系统专业分析功
能较弱，缺少网络分析、动态模拟、优化分析以及厂
网联动控制等专业功能，已无法满足无锡市主城区
排水系统的管理需求。故决定通过应用物联网技
术，构建主城区排水系统的资产管理、业务管理以及
基于模型分析计算的决策支持系统，最终通过先进
的传感技术、无线传输技术和信息建模分析技术以
及云计算实现排水系统的智能化实时调度。
1智慧排水系统建设需求
1．1综合分析和管理需求
通过管网数据的有序输入，无锡市主城区管网
系统现有的GIs管理模式基本实现了排水管道基础
资料的有效管理，但业务分析功能及设施管理功能
还处于空白阶段，亟需填补。尤其是近年来，污水管
网覆盖率和污水集中处理率逐步提升，部分早期敷
设的污水管老化淤堵，过流能力急剧下降；同时由于
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万方数据
薛敏，等：基于物联网技术的智慧排水系统构建第28卷第6期
开发力度的加大，造成部分地块排水量远远高于规
划水量，原有污水管不能满足实际排水要求，排水系
统的压力越来越大。故通过智慧排水系统的建设，
开发综合分析及设施管理功能，全面、及时、准确地
反映排水系统的实际情况，系统地指导排水系统的
规划、设计以及巡检养护。
1．2污水泵站的调度管理需求
无锡市主城区污水泵站存在的问题集中反映在
以下两点：①分散、不系统的管理模式，该模式体现
不出排水管网的网络特征，宏观层面的管理调度无
法实现；②对于低洼地区雨季时的溢流现象，不能基
于管网系统实时监测数据采取科学的预警和应急措
施。智慧排水系统通过大量监测数据的储存逐步构
建强大的数据库，最终开发出基于实时监测数据的
动态模拟和分析功能，实现排水管网的安全运行和
宏观层面的智能化管理调度。
1．3污水处理厂建设管理需求
无锡市主城区三座污水处理厂处理工艺各异，
在“十一五”期间均进行了改扩建工程，在实现“提
高污水处理能力、提高城市污水处理率”后，无锡市
“十二五”期间还面临着“如何确保污水厂一级A稳
定达标以及提高污水处理工艺水平”的问题。这一
方面是工艺稳定运行上的需求，如污水厂进水碳源
偏低，为了总氮达标不得不额外投加碳源；城北污水
处理厂长期面临工业废水的冲击，经常有污泥中毒
的危险等。另一方面是工艺节能降耗的需求，由于
设计停留时间偏长、自动控制水平不高等原因，污水
处理厂的能耗物耗比较高，导致污水处理的成本偏
高，因此迫切需要稳定可靠的控制系统技术，实现工
艺运行的节能降耗。
主城区污水处理厂对智慧排水系统建设的需求
有：①节能降耗需求。现有加药系统及曝气系统不
能根据实际负荷需要实时调控，运行成本较高。②
水质监管需求。在管网的日常运行过程中，污水管
网被动接受排放的污水，排人管网的水质情况比较
复杂，而且又时有偷排事件发生。仅2009年，城北
污水厂就曾多次发生污泥中毒事件，可能为高浓度
工业废水排入，工业废水的冲击主要表现为重金属
含量高、浊度高、酸碱物质含量高或某种有机物质浓
度偏高等。③厂网联动控制需求。由于区域产业结
构不同，各厂受水质、水量冲击的差异较大，出水稳
定达标存在极大的风险。
通过构建基于实际运行负荷的智慧加药系统及
精确曝气系统，最大程度地节能降耗，降低厂区运行
成本。同时感知层需重点监控重点排水户外排废水
中的重金属含量、酸碱强度以及惰性有机物浓度。
对此，智慧排水系统将通过对污水处理厂上游管网
的来水进行针对性的原位监测，尤其是对主要的工
业废水管网接入点进行对应的预警监测，依据重点
监控、分级设防的原则，对重点工业企业排水口加装
水质监测一级防护，从源头加以控制；对重点污水泵
站加装水质监测二级防护，通过厂外管网系统调控，
尽量削弱对厂区的不利影响；对进厂工业废水比重
较大的污水厂加装水质监测三级防护，并根据监测
获得的信息提前采取一定的预警措施，调控厂网联
动运行策略，削弱进水异常对污水厂运行的冲击。
2智慧排水系统网络架构
无锡市主城区智慧排水系统网络架构主要由三
部分组成，分别是感知层、网络层及应用层。从仿生
学观点来看，感知层类似于“感觉器官”，网络层类
似传递信息的“神经系统”，应用层就是识别分析和
智能控制的“大脑”。
2．1感知层
感知层是智慧排水系统综合分析及运行调控的
基础，负责信息数据的采集。主要由位于排水系统
各个关键节点上的水质、流量、液位、毒性等在线监
测仪表以及视频监控设备组成，利用网络技术传输
至应用层，通过识别筛选、建模分析，获取针对性的
实时应用信息，智能化地制定各种运行调控措施。
2．2网络层
网络层是促进物联网发展的主要动力。目前的
网络技术包括3G、zigbee、wLAN、wiMax、uwB、
wsN、蓝牙和移动通信等形式，可根据排水系统采集
点的分布特点分别采用不同的网络技术。如厂区数
据采集点分布相对集中，则采用有线网络；厂外管网
数据采集点分布较为分散，则采用有线网络费用较
高，无线传输较为适宜，如zigbee网络、3G网络、
GPRS网络等。在网络架构和管理方面，智慧排水
系统要求网络技术具有集成有线和无线网络技术，
实现透明的无缝衔接，并实现自我配置和有层次的
组网结构。
2．3应用层
应用层是整个智慧排水系统的中枢机构，应用
层汇聚了各项业务应用中的公共或可复用的业务处
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第28卷第6期中国给水排水’、w．watergasheatjcom
理逻辑，形成标准化且开放的软件资源，基于应用支
撑平台的应用系统开发，一方面可以不断充实共享
软件资源集，另一方面也可以不断地共享已有的软
件资源，从而实现软件资源共享，减少重复开发，降
低运行维护成本。
由于排水系统始终处于扩建延伸和改造状态，
因此智慧排水系统建设中应用的支撑平台应是可持
续升级和扩展的平台，以便满足排水管理部门现在
和将来的业务需要，避免重复建设导致硬件资源浪
费。一般而言排水物联网建设中的硬件支撑平台在
功能上可分为管网在线监测平台、信息网络平台、数
据存储平台和监控中心的大屏幕展示平台，涉及监
测、通信、网络、安全、服务器等多方面的内容。
3智慧排水系统发展的关键问题
物联网技术已在多个领域得到了初步应用，由
于其涉及的技术很多，目前各应用领域还算不上真
正意义的物联网，影响智慧排水系统发展的关键问
题主要有以下三个方面。
3．1在线监测设备
在线监测设备处于智慧排水系统的感知层，其
监测结果直接关系着系统的实时调度决策。在线监
测设备常需面对如下问题：①通常设置于城市污水
中，环境条件较为恶劣；②由于排水管网的种种不确
定性，系统中的水量、水质变化幅度较大；③城市污
水成分较为复杂，管底部的沉积物可能会导致传感
器的灵敏度大大降低；④排水系统覆盖范围较广，通
讯及电力设施很难配套，常需电池供电和无线通讯。
因此，在线监测设备的选择，除了需要满足常规性的
技术指标外，还需特别注意上述问题。针对智慧排
水系统的发展，还需进一步提升在线监测设备的功
能和性能，大力发展各种低功耗、高性能、低成本及
智能化、网络化、集成化的新型在线监测设备。
3．2智慧排水系统安全机制
物联网作为前沿综合交叉技术，其安全问题受
到广泛关注。无锡市主城区智慧排水系统作为无锡
市市政物联网系统的一个子平台，需要与上级管理
部门共享数据。在数据交互共享的过程中很容易遭
受攻击而导致数据泄露，因此特别要考虑网络安全。
在各物联网平台间及外网间建立安全控制机制是保
证智慧排水系统安全运行的重要基础。
无锡市主城区智慧排水系统建设过程中遵循了
两点基本原则：①系统必须具备足够的安全权限，保
证数据不被非法访问、窃取和破坏。②系统要具备
足够的容错能力，以保证合法用户操作时不至于引
起系统出错，充分保证系统数据的逻辑准确性。
安全机制是对整个网络系统平台做出的一个多
层次的体系结构。通过在物理层、网络层、应用层和
系统层使用安全技术Hj，最终通过内部的安全管理
规定，协调统一地构成完整的系统安全机制。
3．3智慧排水系统标准化体系
标准化是促进智慧排水系统成功的一个关键性
因素。如果没有统一的标准，就会使整个行业混乱，
极大地制约物联网技术在排水系统中的发展以及相
关终端产品的研发与应用，同时也严重阻碍排水系
统应用软件的设计与开发旧-。
无锡市主城区智慧排水系统充分考虑了数据变
动、业务流程变化、软硬件升级等不确定因素，在设
计和开发过程中，强化了系统的兼容性及可扩展性。
总体来说，智慧排水系统是一项庞大的系统工程，其
标准化体系的构建是一个复杂、长期的过程，在储备
和掌握相关核心技术的基础上，需要各方面的协调
和配合，有条件地逐步制定较为成熟的技术和应用
标准，最后逐步和系统性地进行完善和融合口J。
4结语
物联网技术是未来竞争的制高点和产业升级的
核心驱动力，对国家发展和社会生活都将产生深远
影响。各级政府相继出台了相关产业的鼓励、扶持
及保障措施，极大地推动了物联网技术在各领域的
发展应用，但还必须清醒地认识到物联网本身还有
诸多问题有待解决，同时在智慧排水系统的实际应
用中，必须足够重视排水系统的复杂性和不确定性。
只要综合利用性能稳定可靠的软硬件设备，熟练掌
握应用技巧，智慧排水系统在实际应用中必然会产
生良好的社会效益、环境效益和经济效益。
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参考文献：
[1]陈吉宁，赵冬泉．城市排水管网数字化管理理论与应
用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2010．
[2]翟惠云，徐海波．物联网在水资源管理方面的应用技
术初探[J]．水利信息化，2010，(5)：6—10．
[3]宁焕生，徐群玉．全球物联网发展及中国物联网建设
若干思考[J]．电子学报，2010，(11)：2590—2599．
E—man：xuemin@wxmedi．com
收稿日期：2011—10—16
万方数据
基于物联网技术的智慧排水系统构建
作者：薛敏，李大成，沈晓铃，XUEMin，LIDa-cheng，SHENXiao-ling
作者单位：无锡市政设计研究院有限公司,江苏无锡,214072
刊名：中国给水排水
英文刊名：ChinaWater&Wastewater
年，卷(期)：2012,28(6)
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