监测系统构建的基本流程—智慧排水之乱弹（41）

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小编按：排水管网在线监测怎么做？有哪些重要的流程？郭博士从监测点数量确定、布点位置筛选、数据质量评价与可视化综合诊断4个方面进行概要分析。帮助大家能建立更为有效合理的在线监测系统，采集有用、有效的数据，发挥数据价值，提高排水管网的定量化管理水平。

随着社会的发展，计算机、云计算、互联网等技术逐渐普及并得到广泛应用，城市排水管理所面对的问题也日趋复杂，排水管理模式向数字化方向发展。数字化排水趋势下，为实现智慧排水管理，对排水在线监测工作的开展提出了新的要求与挑战，要充分关注自动化与定量化，能够结合计算机软件技术，尽可能减少人为主观臆断和工作量，提高排水管理的效率。针对如何开展排水在线监测工作，综合研究和项目经验，笔者从监测点数量的确定、位置的筛选、数据质量的评价与综合诊断分析四个方面，提出了一些自己的思考和建议，以促进城市数字化排水管理模式的建立。

1 在线监测点数量的确定

不同城市区域的基础条件不同，所面临的问题也有所差异，对应的监测目的也就存在较大的差别。有些城市排水系统基础资料清晰且有一定的监测基础，需要解决的问题比较具体；但也有一些城市的基础条件还不完善，缺少必要的基础资料和工作基础，即使开展在线监测也很难一步到位，需要先了解城市排水的整体基本情况。将监测分为整体监测、分区监测和精细监测三个层级（图1），不同层级的监测要素不同，所需的监测布点数量逐级增加。整体监测仅能支持基础性工作的开展，如信息化管理平台的开发、水环境质量整体改善效果评估及区域排水概化模型的建立等，在分区监测层级可支持大部分排水管网问题的诊断分析，而达到精细监测层级后，监测涵盖了最初的源头排水户，能够实现对单个排水单元的有效管理。

图1 分层级的监测

目前监测点数量的确定缺少统一的标准和依据，在数量确定方面存在很强的主观性和不确定性。在分级监测的体系下，应设置最优的监测布点数量，并制定统一的评分标准，在无法达到最优或推荐的监测布点数量时，应能够明确不同数量设置所能实现的监测效能。在分级监测体系下，各层级应通过设置评分标准，充分体现监测点数量设置的定量化，增强不同数量设置的可比性。

2 监测点位置的筛选

对于城市排水系统，需要开展在线监测的要素包括排水户、管网节点、排水设施（包括泵站、污水厂、调蓄池等）以及排口。其中，排水管网节点数量众多，受监测成本的限制，需要筛选代表性节点开展监测。虽然目前对于监测布点方法都已达成了一些共识，很多研究也提出了一些通用原则，但在实际工程项目中，具体的点位设置仍主要依赖人为主观的经验判断。

已有研究中，排水管网监测点位置筛选与优化主要分为依赖统计学原理和运筹学的最优化，不同的理论方法有不同的优势，但对实测数据的依赖性都比较强。随着计算机技术的成熟和应用，大数据分析与计算能力显著提升，监测点位置的识别应关注所有节点的运行规律。在数字化管理模式下，监测点位置的筛选应根据提出的原则，实现自动化。能够利用模型模拟和软件计算，在所有监测点中自动识别最具代表性的监测点，并对最终监测选点位置的可靠性给出定量评价。

4 数据质量评价与修正

对于排水在线监测数据而言，可能出现的问题主要包括零值、缺失值、异常值和突变值等，但由于排水系统存在出现的突发情况和偶然事故的可能性，如管网淤积、偷排漏排等，异常值和突变值的出现并不一定是问题数据，因此，在问题数据识别环节，主要针对零值和缺失值进行识别和判断，作为数据质量评价的依据。

通过缺失值和问题零值的识别，可以对监测数据的质量进行整体的判别。以每分钟持续监测为例，一天1440个数据，若都正常则数据质量没有问题；若发现问题数据，则要对问题数据的个数进行统计，若问题数据量超过一定比例，则监测点该时间段内的数据质量较低不应用于后续分析；若存在问题数据但相对较少，则可进行适当的修正，再用于后续的分析诊断。

监测数据质量评价与控制部分的整体技术路线图如图2所示。

图2 监测数据质量评价与修正流程图

5 排水系统分析诊断

对于日常出行而言，智慧交通图能够实时显示道路的拥堵情况，指导城市居民合理安排外出活动。对于排水系统而言，利用典型节点的实时在线监测数据，结合模型模拟及对排水系统运行规律的认知，可实时预测所有节点和管线的充满度，并利用不同颜色予以表征，绘制排水系统运行负荷图（图3）。

图3 雨水管网降雨期间负荷示意图

利用实时更新的排水系统负荷图，可以对排水系统进行有效的预警和报警。积水内涝、污水溢流可通过对液位数据设置阈值，及时进行预警和报警；对于雨水排口的旱天排水，一旦监测到水流，则很可能是污水直排；对于偷排漏排等事故，应识别监测点位的异常数据，在无降雨情况下，监测数据超过历史数据最大值则应进行报警。

除利用排水系统实时运行负荷图进行事故预警报警，还可在积累一段时间的监测后，对运行负荷图进行对比分析，对区域排水系统的水量平衡、雨污混接、入流入渗等问题进行分析评估。排水在线监测可获取大量数据，是城市建设数字化排水管理模式的基础，充分利用监测数据，与模型模拟功能相结合，还可进一步支持排水系统的优化调度及实时控制。

后记：开展排水系统的在线监测，是建立排水数字化管理模式的必要内容，在大数据发展的背景下，只有获取有效、有用的数据，才能真正支持排水的管理。为了提高在线监测工作开展的效率，减少人为主观臆断，并确保数据的准确性以及分析的及时性，需要从监测点数量确定、位置识别、数据质量评价与控制及系统分析诊断四个方面进行综合的研究与实践。各环节都应建立一定的方法和标准，既需要考虑与传统认为主观判断分析的统一性、延续性，更需要充分关注自动化与定量化，随着排水在线监测的普及性，排水管理所获取的数据量会日益庞大，为计算机进行自动标准化的处理提供可能性。

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