利用物聯(lián)網(wǎng)、大數據等技術(shù)搭建了大東湖深隧智慧管控平臺，對預處理站、豎井及深隧進(jìn)行實(shí)時(shí)監測及運行管控，實(shí)現項目生產(chǎn)工藝控制、設備維護管理、運行風(fēng)險預警、應急輔助決策的科學(xué)、高效、自動(dòng)化管理。平臺建成投用后的近半年時(shí)間里，項目運行管理效率不斷提升，社會(huì )、經(jīng)濟效益顯著(zhù)。對大東湖深隧智慧管控平臺的建設背景、系統設計、建設內容、建成后平臺功能及應用效果進(jìn)行介紹。

1 工程概況

本工程遠期服務(wù)范圍達200余km2，建設內容包括：

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

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

2 智慧管控平臺的設計

2.1 設計目標

根據深隧系統、地表完善系統的運行調度與管理維護的需求，以輸水調度、遠程多站點(diǎn)協(xié)同管理為目標，通過(guò)構建深隧淤積預測模型、流速預測模型，建成集生產(chǎn)工藝控制、運行維護管理、運行風(fēng)險預判、智能輔助決策等多種功能于一身的定制化智慧管控平臺。

2.2 架構設計

平臺架構按數據采集層、數據及服務(wù)支撐層、深隧防淤積、應用平臺層、展示層5個(gè)層次的總體要求進(jìn)行部署設計，系統架構如圖1所示。

（1）數據采集層以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，構建布局合理、全域覆蓋、結構完備、功能齊全、高度共享的物聯(lián)感知網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)各類(lèi)傳感、檢測、視頻監控等設備，獲取穩定、可靠的深隧運行基礎數據，為深隧日常運維管理、風(fēng)險預警、輔助決策等提供基礎數據支持。

（2）數據及服務(wù)支撐層主要將數據采集層獲取的數據和各專(zhuān)業(yè)業(yè)務(wù)系統的異構數據進(jìn)行融合、集成、清洗、轉化、加載，建立統一的數據中心，為數據挖掘和分析提供基礎保證。

（3）深隧防淤積主要通過(guò)已構建的水利學(xué)模型、淤積模型等，對采集數據進(jìn)行水量調度方案效果模擬，深隧管道淤積預測，為運營(yíng)人員的水量調度、淤積預防提供輔助決策支持。

（4）平臺應用層在數據采集層、數據和服務(wù)支撐層的基礎上建立的各類(lèi)專(zhuān)業(yè)業(yè)務(wù)應用系統，具備為企業(yè)內部用戶(hù)、上下游水務(wù)部門(mén)等提供整體的信息化應用和服務(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，對系統工藝，能設備運行狀態(tài)、能耗電耗、水質(zhì)指標、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 安全設計

平臺安全設計主要通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)控制、身份認證等技術(shù)，確保平臺具有較高的信息保密性、可控性、真實(shí)性、完整性。系統安全設計的主要內容包括數據安全設計和網(wǎng)絡(luò )安全設計。

（1）數據安全設計。數據安全是整個(gè)平臺系統安全的核心和重點(diǎn)，包括數據訪(fǎng)問(wèn)安全、數據傳輸安全、數據存儲安全。平臺數據訪(fǎng)問(wèn)安全主要通過(guò)建立全局統一身份認證中心，根據數據類(lèi)型設置不同訪(fǎng)問(wèn)權限來(lái)確保數據訪(fǎng)問(wèn)安全；數據傳輸安全主要通過(guò)加密傳輸、入侵監測、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據傳輸安全；數據存儲安全則通過(guò)采用數據本地備份、設置專(zhuān)業(yè)存儲設備、建立數據恢復機制等措施，防止數據遭到意外或惡意破壞。

（2）網(wǎng)絡(luò )安全設計。平臺網(wǎng)絡(luò )安全設計內容主要包括訪(fǎng)問(wèn)安全和應用安全：平臺的訪(fǎng)問(wèn)安全除依靠主機系統自身的用戶(hù)名及口令來(lái)防范外，還配置了防火墻，加密訪(fǎng)問(wèn)控制，設置IP黑白名單防止假冒的非法訪(fǎng)問(wèn)，安裝入侵檢測系統、網(wǎng)絡(luò )安全掃描系統和防病毒軟件等方法來(lái)確保系統訪(fǎng)問(wèn)安全；平臺的應用安全則是重點(diǎn)關(guān)注Web應用中“跨站點(diǎn)腳本攻擊”和“注入缺陷”兩大安全隱患，并進(jìn)行必要的安全規則配置及網(wǎng)絡(luò )規劃，結合硬件級防火墻、入侵檢測、行為分析管理、網(wǎng)關(guān)訪(fǎng)問(wèn)控制、運維審計等一系列安全軟硬件措施，確保系統的應用安全。

3 智慧管控平臺的建設

平臺建設內容主要包括：一套基礎設施、一個(gè)數據中心、防淤積模型、一套應用平臺。

一套基礎設施包含覆蓋大東湖深隧工程所涉及的物聯(lián)感知、監測、傳輸網(wǎng)絡(luò )及平臺基礎軟硬件設施（包括：超聲波流量計、RTU及配套設備、應用服務(wù)器、工作站、企業(yè)級下一代防火墻含路由、VPN、數據采集及配套設備、企業(yè)級交換機、服務(wù)器機柜、UPS、16口KVM、配線(xiàn)架、PDU插座、機房實(shí)施與調試、SS在線(xiàn)監測儀），用以全面、實(shí)時(shí)、準確掌握相關(guān)設施、設備的監測數據和運行狀態(tài)。各預處理站配置獨立于自控系統的數據采集模塊，實(shí)現現場(chǎng)生產(chǎn)、視頻數據的實(shí)時(shí)上傳。系統預留標準化交互式通訊接口，對接深隧健康監測系統，下游北湖污水處理廠(chǎng)智慧系統，上游泵站調度系統數據進(jìn)行集成。

一個(gè)數據中心主要融合集成大東湖項目范圍內的物聯(lián)網(wǎng)監測數據、空間基礎數據、業(yè)務(wù)數據、主體數據，統一規范和標準，對多源、多格式、多類(lèi)型的數據進(jìn)行統一的存儲和管理，實(shí)現平臺各子系統間數據的統一管理、挖掘分析、共享交換、集成調用等功能。

防淤積模型主要在現有工程應用的水利模型上搭建（如表1所示），通過(guò)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），工藝設備工況參數、運行情況，進(jìn)隧流量、水位、入流SS等參數數據進(jìn)行模擬計算，預測深隧運行工況及淤積分布情況，并結合預埋的特定點(diǎn)位流量計的實(shí)際測量值進(jìn)行預測模型校驗，形成自學(xué)習閉環(huán)，不斷提高模型預測精度，指導深隧生產(chǎn)運行。

一套應用平臺采用分布式服務(wù)架構，通過(guò)制訂統一的應用系統接口規范，使得不同的系統都按照一定的標準規范實(shí)現數據集成與業(yè)務(wù)融合，建立“規范、安全、開(kāi)放”的智慧運營(yíng)應用平臺。Web前端采用現在主流的開(kāi)發(fā)框架，保證前端視覺(jué)和交互的一致性，提升用戶(hù)體驗。后端采用高擴展、高安全、高性能、高可靠微服務(wù)架構。移動(dòng)端應用擴展性強，可根據業(yè)務(wù)不同，將移動(dòng)端應用進(jìn)行模塊解耦，提高可復用度的同時(shí)，極大降低變更的復雜性，同時(shí)為快速集成做好準備。

4 智慧管控平臺的應用

4.1 平臺功能

大東湖深隧智慧管控平臺集合全維信息、績(jì)效管理、資產(chǎn)管理、生產(chǎn)管理、應急管理、數據管理、人員管理與系統管理八大功能模塊來(lái)解決深隧運維難題，強化區域運營(yíng)調度，提高運營(yíng)管理效率，保障深隧運行安全。

（1）全維信息模塊作為系統門(mén)戶(hù)頁(yè)面，對項目生產(chǎn)運行關(guān)鍵數據（輸送水量、設備工況、深隧流速、管道監控、水耗電耗、調度計劃、預警信息等）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，形成統一的監控及調度入口（見(jiàn)圖2）。此外，系統還能通過(guò)仿真模型，對各預處理站的工藝流程、運行參數、預警信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，直觀(guān)掌控項目生產(chǎn)現狀（見(jiàn)圖3）。

（2）績(jì)效管理模塊能對深隧工程績(jì)效指標進(jìn)行統一管理與維護，通過(guò)輸入項目所有績(jì)效考核指標信息，形成深隧績(jì)效指標庫。以自然年為單位，圍繞績(jì)效指標實(shí)際情況，結合項目考核對象（泵站、處理站、深隧工程），系統自動(dòng)形成一套標準的打分方式，供用戶(hù)進(jìn)行考核自評價(jià)、問(wèn)題上傳和模擬評分。系統還能根據用戶(hù)留在數據庫內的考評痕跡，對自評跟政府評進(jìn)行歸納對比，偏差分析，找出指標偏差明顯項，并給到相應的指標改進(jìn)建議。

（3）資產(chǎn)管理模塊能對資產(chǎn)的臺帳信息、設備參數、設備備件信息、和設備相關(guān)的供應商信息、相關(guān)資料、設備圖文等進(jìn)行統一管理（見(jiàn)圖4）。在設備現場(chǎng)可利用移動(dòng)端應用通過(guò)掃描設備二維碼獲取設備的基本屬性。在Web端可以根據預處理站、功能分區、啟用日期篩選，或根據設備編碼/名稱(chēng)直接搜索篩選；對設備相關(guān)文檔（說(shuō)明書(shū)、故障報告等）進(jìn)行科學(xué)、有序的管理，為設備后續的維護管理可以提供強有力的支撐。

（4）生產(chǎn)管理模塊能對當月生產(chǎn)運行主要數據（設備養護、巡檢、工單完成率、設備完好率等）進(jìn)行綜合統計分析，以了解項目生產(chǎn)運行總體情況（見(jiàn)圖5）。模塊還能對項目現場(chǎng)運行、報警、巡檢、保養、維修、排班等主要管理內容進(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、巡檢計劃、巡檢路線(xiàn)制定、巡檢任務(wù)、地圖巡檢跟蹤等；設備保養主要對設備日常保養的計劃、標準和工單進(jìn)行管理；設備維修支持缺陷問(wèn)題的移動(dòng)端和Web端申報與維修工單生成，并發(fā)送相關(guān)維修人員。問(wèn)題處理完成并經(jīng)管理人員審核通過(guò)后關(guān)閉缺陷，實(shí)現整個(gè)設備缺陷的閉環(huán)管理。

（5）應急管理模塊能對深隧內的流速、淤積進(jìn)行分析預警。依據已構建的防淤積模型進(jìn)行深隧淤積預測，通過(guò)建立規范化應急預案制度對已知風(fēng)險進(jìn)行識別、分析、處置、記錄，保障系統安全平穩運行。當部分管段出現淤積時(shí)，運營(yíng)人員可根據聯(lián)合調度方案、調度指令及淤積沖刷方案進(jìn)行系統的線(xiàn)上調度調整，提高深隧流量計流速，來(lái)進(jìn)行淤積沖刷（見(jiàn)圖6）。

（6）數據管理模塊能對獲取的各類(lèi)生產(chǎn)、經(jīng)濟指標數據，進(jìn)行分類(lèi)統計分析（見(jiàn)圖7），按照周期自動(dòng)生成各類(lèi)運營(yíng)報表，通過(guò)對這些指標進(jìn)行橫縱向對比分析，為項目生產(chǎn)運行提供決策依據。

（7）人員管理模塊主要內容包括項目運營(yíng)人員的培訓及績(jì)效管理。培訓管理主要根據人員線(xiàn)下培訓、新員工入職培訓制定培訓計劃，以培訓成果為切入點(diǎn)，結構化管理思路，實(shí)現線(xiàn)上、線(xiàn)下雙重數據疊加反饋，為后續人員培訓成果評分提供數據依據?？?jì)效管理主要通過(guò)建設人員績(jì)效考核指標庫，設定指標考核占比系數，按檔案管理思路對人員培訓記錄、職業(yè)證書(shū)、人員工單完成情況、績(jì)效/積分成績(jì)等進(jìn)行歸納匯總，排名對比，為人員績(jì)效考核、職稱(chēng)能級調整提供數據支撐。

（8）系統管理模塊主要通過(guò)嚴格的權限管理功能，采取多種措施防止內部人員對系統軟硬件資源、數據的非法利用。系統需提供統一身份認證，便于系統管理，提高口令認證系統的安全性，實(shí)現不同應用系統間的口令的統一。用戶(hù)的各個(gè)角色在登錄到系統之后，可以按照不同角色的需求和關(guān)注項定義，設置個(gè)性化定制界面，用戶(hù)在首頁(yè)就可以看到其所關(guān)注的功能點(diǎn)的最新數據（見(jiàn)圖8）。

4.2 平臺應用

（1）保障措施。大東湖深隧智慧運營(yíng)管控平臺作為項目運營(yíng)期的主要管理工具，承載著(zhù)項目生產(chǎn)管理、資產(chǎn)管理、績(jì)效考核、應急處置等多種功能。為保障平臺功能的真正實(shí)現，項目公司制定了《智慧運營(yíng)平臺運行管理辦法》，對平臺的使用進(jìn)行制度化的規范，并將平臺的使用率等指標同項目公司員工的績(jì)效考核掛鉤，通過(guò)專(zhuān)項培訓、使用考核等多種方式提高運營(yíng)人員使用技能，避免平臺在項目運營(yíng)期成為“擺設”，建而不用。此外，項目公司計劃在智慧運營(yíng)平臺投入使用一年后，會(huì )根據平臺實(shí)際使用情況，對平臺進(jìn)行功能升級改造，以完善系統功，提高平臺的友好度及使用率。

（2）效益分析。大東湖深隧智慧管控平臺利用先進(jìn)的信息化技術(shù)，對項目生產(chǎn)運行進(jìn)行智慧管控，通過(guò)收集、調度服務(wù)區域污水，統一傳輸送到下游污水廠(chǎng)進(jìn)行集中處理，解決目前現狀污水處理廠(chǎng)處理能力不足、尾水不達標排放的問(wèn)題，有效保護了城市中心湖泊和港渠水質(zhì)，有利于水環(huán)境水質(zhì)目標的實(shí)現，社會(huì )環(huán)境效益突出。平臺的建成投用實(shí)現了整個(gè)深隧系統的自動(dòng)化和智慧化運行維護，降低了項目運行維護成本，提高了運行管理效率，單位水運營(yíng)成本僅為0.13元/m3，經(jīng)濟效益突出。

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：

全國首條！武漢大東湖深隧投用 提升武昌、青山片區污水處理能力