CN104460577A - 一种水质安全预警决策*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水质安全预警决策***，由在线监测基站层、服务器层和水质安全预警平台层形成的全过程完整体系，以在线监测基站为基础，以服务器层为支撑，以水质安全预警平台为核心。在线监测基站包含进水单元、水质在线监测单元、泵站运行监测单元、自动控制单元、远程传输单元；水质安全预警平台包含测站信息管理、水质数据管理、统计分析管理、运行报警管理、水质安全预警和信息发布管理八大业务模块。该***能实现排水***降雨事件中管道径流水质水量在线监测、远程传输、数据存储、实时发布、水质预警与远程决策等多方面功能。本发明能为城市排水泵站设施优化运行提供支持，为排水***的防汛安全与水质安全的双赢调度模型提供决策依据。

Description

一种水质安全预警决策***

技术领域

本发明涉及水环境与水安全领域，尤其涉及一种水质安全预警决策***。

背景技术

城市排水***承担着城市污水和雨水的收集、输送、处理和排放。城市污水包括排入城镇排水管道的生活污水和工业废水，主要是点源排放，加强收集、输送和处理即可得到有效的处理。但是，对于降雨带来的降雨径流，以往所关注的焦点主要停留在保障城市水安全，体现在将暴雨城市径流及时排除，防止城市内涝。然而，暴雨城市径流，尤其是降雨初期时形成的径流直接排入水体，会对水环境造成很大的污染。在点源污染得到较大程度的治理后，排水***雨天溢流已经成为城市水体水质改善的主要制约因素之一。

随着人们环境保护意识的提高，对城市水环境安全和水环境质量的关注也提到了同一个高度，城市排水的目标从城市防汛转向于防汛与水质保护并重。为了削减排水***暴雨溢流，增强现有排水***污染减排能力，一些地区利用雨水调蓄池这一溢流污染控制措施，通过截留污染浓度最高的初期雨水，使得排入河道的为污染较轻的那部分降雨径流，既符合污染削减又实现内涝防治。但是，通过对运行的数据进行统计，调蓄池尚无法真正做到“蓄浓放清”。因此，有必要建立一套结合防汛与减排的水质安全预警决策***，为排水泵站调蓄池的运行调度提供决策支持。

为了建立水质安全预警决策***，面临两个方面的技术关键：一是针对汛期“短历时、强降雨”的降雨特征如何实时、快速获取初期雨水水质数据；二是如何建立结合防汛与减排的水质安全预警机制。

自上个世纪90年代以来，以水质在线监测仪器为核心，集成自动控制技术、无线通讯技术的水质在线监测***得到了发展，在全国主要城市和全国重点流域的水质在线监测、工业废水水质监测、污水处理厂厂进出水水质监测、水质净化厂进出水水质监测和饮用水处理过程控制等诸多领域均有较为广泛的应用，但是在线监测初期雨水水质的应用尚未多见。利用目前普遍应用的在线监测仪器获取初期雨水水质存在两个方面的问题：其一，目前普遍应用的在线监测仪器多为吸取式，存由多岐化的流路***构成，零部件多，涉及的溶液种类多、腐蚀性强，造成死角多，不易清洗，常发生堵塞和腐蚀。通常采用加温或加压的办法提高消解速度，也增加了设备的复杂性。由于这些缺陷，仪器故障率高而复杂，维护维修工作量大，对维护人员技术要求高，有的维护难度大到非专业人员不能驾驭。其二，分析频率达不到研究初期雨水水质变化规律的要求，其中尤以COD为突出，COD分析间隔最快在45min，而汛期暴雨历时多数发生在30～60min，COD分析单元有可能只测得1个有效降雨水质数据，甚至是错过降雨过程而未有降雨水质数据。

此外，现有大多水质预警机制，多采用固定的阈值报警模式，即当水质数据超过国家规定水质标准或自定义标准时，***进行报警。采用这种单一的报警模式无法适应排水泵站调蓄池“蓄浓放清”的要求，也无法实现防汛与减排共赢的调度模式。

因此，目前普遍应用的在线监测***与水质预警机制已难以满足进行初期雨水水质数据快速监测和水质安全预警的需要。建立实时、快速、自动监测初期雨水水质以及结合信息处理技术与网络技术、取代传统单一的水质超标警报的水质安全预警决策***，对实现排水泵站防汛与减排共赢的调度是具有深刻的意义的。

发明内容

本发明提供了一种水质安全预警决策***，包括若干在线监测基站、服务器和水质安全预警平台，其中，

所述若干在线监测基站设置在各排水泵站处，所述在线监测基站抽取所述排水泵站内集水池中的初期雨水径流水样进行在线监测获得水质数据，并将水质数据传输给所述服务器；

所述服务器接收所述在线监测基站的数据并存储起来，并为水质安全预警平台提供数据分析和数据挖掘支持；

所述水质安全预警平台与所述服务器相连，接收所述服务器中存储的水质数据并进行分类管理，所述水质安全预警平台根据所述在线监测基站获得的水质数据的动态变化，结合所述排水泵站历史调度信息，历史降雨信息，利用建立的知识库进行推理，针对当前进行水质进行安全预警，判断所述集水池中的初期雨水径流是直接排出还是排入所述排水泵站的调蓄池进行贮存后排出。

较佳地，所述在线监测基站包括进水单元、水质在线监测单元、泵站运行监测单元、自动控制单元和远程传输单元；

所述进水单元为所述水质在线监测单元提供实时水样并充当测量载体；

所述水质在线监测单元对所述进水单元中抽取的初期雨水径流水样进行在线监测，所述泵站运行监测单元对泵站降雨、泵机开停、调蓄池进水阀门启闭、调蓄池水位信息等进行监测；

所述自动控制单元对所述进水单元和所述水质在线监测单元进行自动控制；

所述远程传输单元将所述水质在线监测单元和所述泵站运行监测单元的数据上传给所述服务器。

较佳地，所述进水单元包括依次相连的进水管路、引水筒、进水电磁阀、取水泵、电磁流量计、工作水箱、出水管路和自动采样器，其中，

所述进水管路与所述排水泵站的集水池相连通，并抽取所述集水池中的初期雨水径流送入所述工作水箱内，所述出水管路与所述集水池相连通将所述工作水箱中的水排入所述集水池内；

所述引水筒与所述进水电磁阀之间的管路上还设置有反冲洗管路，所述反冲洗管路的一端连接所述引水筒与所述进水电磁阀之间的管路，另一端连接外部水源；

所述工作水箱内设置有水位预警装置。

所述自动采样器连接所述工作水箱，抽取所述工作水箱中的水并存储起来。

较佳地，所述水质在线监测单元包括依次相连的在线监测探头、控制器和数据记录仪，所述在线监测探头位于所述工作水箱内，所述控制器通过所述数据记录仪将所述在线监测探头测得的相关水质数据传输给所述远程传输单元。

较佳地，所述在线监测探头采用测量周期最快可达到分甚至是秒级别的浸入式探头，所述在线监测探头采包括代表有机类污染指标的探头、代表营养类污染指标的探头、代表水质污染直接感官指标的探头以及代表水质酸碱度指标的探头。

较佳地，所述水质安全预警平台包括测站信息管理模块、水质数据管理模块、统计分析管理模块、运行报警管理模块、水质安全预警模块和信息发布管理模块。

较佳地，所述测站信息管理模块对所述在线监测基站内所有设备的***工艺图、电气图以及空间位置的相关数据进行存储和管理。

较佳地，所述统计分析管理模块实现对单场降雨与长序列多场降雨环境效益方面的数据统计与分析；所述统计分析管理模块包括雨量统计分析、截流输送量统计分析、调蓄量统计分析、溢流量统计分析、溢流水质浓度、溢流污染负荷、溢流削减率。

较佳地，所述运行报警管理模块针对所述进水单元与所述水质在线监测单元设低流量报警、低液位报警与水质上下限报警。

较佳地，所述水质安全预警模块建立预警服务数据库，所述预警服务数据库包括预警方法库、预警知识库和调度预案库；所述水质安全预警管理模块通过建立的预警服务数据库，根据气象预报数据结合实时降雨情况与所述在线监测基站获得的数据，匹配所述调度预案库中合适的调度方案，对警戒高浓度水质进行预警，以实现调蓄减排设施“蓄浓放清”高效运行，污染排放削减。

较佳地，所述预警方法库由方法库和方法库配置管理两部分组成；所述方法库主要由字典库、方法文件库组成。

较佳地，所述预警知识库通过对不同等级降雨事件中监测污染物水质浓度进行阶梯划分，确定各水质浓度样本占同等级降雨事件总样本的百分比情况，来实现分档归类，为所述水质安全预警模块提供标准。

较佳地，所述调度预案库通过对降雨事件中排水设施设备实际调度数据自学习、自适应，形成数据和分析闭环运行，随着数据积累，形成对不同等级降雨事件水环境与水安全双赢的运行预案，实现针对初期雨水更大效果上的排水泵站运行指导。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有的优点和积极效果为：

本发明提供的水质安全预警***，实现排水***降雨事件中管道径流水质水量在线监测、远程传输、数据存储、实时发布、水质预警与远程决策等多方面功能，从而满足进行初期雨水水质数据快速监测和水质安全预警的需要。本发明能为城市排水泵站设施优化运行提供支持，为排水***的防汛安全与水质安全的双赢调度模型提供决策依据。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1是本发明的水质安全预警决策***框架图；

图2是本发明的水质安全预警决策***的监测基站示意图；

图3是本发明的水质安全预警决策***的水质安全预警模块技术路线图；

图4是本发明的水质安全预警决策***的预警方法库结构图。

具体实施方式

参见本实施案例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

参考图1-4所示，本发明提供了一种安全预警决策***，是由若干在线监测基站1、服务器2和水质安全预警平台3形成的全过程完整体系，详见附图1。该***能实现排水***降雨事件中管道径流水质水量在线监测、远程传输、数据存储、实时发布、水质预警与远程决策等多方面功能。每个设置水质安全决策***的排水泵站都设有调蓄池，降雨发生时，降雨径流通过管道排入泵站集水池中，一部分通过截流进入下游管网，而超过截流倍数的降雨径流一部分进入调蓄池，调蓄池满后剩下的那部分降雨径流将排放河道。调蓄池与集水池相连，且调蓄池的入口设置有阀门；进入调蓄池内的那部分降雨径流经过一段时间的贮存，在降雨过后管道流量小时排入下游管道。由于调蓄池体积有限，应尽可能将污染浓度最高的那部分降雨径流贮存在调蓄池中。

同时，本发明能为城市排水泵站设施优化运行提供支持，为排水***的防汛安全与水质安全的双赢调度模型提供决策依据。以下分别对安全预警决策***的三大组成部分进行逐一说明：

一、在线监测基站

若干在线监测基站1设置在各排水泵站处，是水质安全决策***的基础设施，主要负责自动控制、水质分析和数据上传，在线监测基站1包括进水单元、水质在线监测单元、泵站运行监测单元、自动控制单元和远程传输单元。进水单元从排水泵站的集水池中抽取水样，并充当水质在线监测单元的测量载体，水质在线监测单元通过将探头伸进进水单元的水样中进行水质监测，远程传输单元将水质在线监测单元和泵站运行监测单元获取的数据上传给服务器。

A、进水单元

参考图2，进水单元包括依次相连的进水管101、引水筒102、进水电磁阀104、取水泵105、电磁流量计106、工作水箱107和出水管路；进水管101与排水***所属泵站处的集水池相连通，并在取水泵105的作用下抽取集水池中的污水依次经进水管101、引水筒102、进水电磁阀104、取水泵105、电磁流量计106后流入到工作水箱107内，再由出水管路排出流回到集水池中。在本实施例中，进水单元还包括自动采样器114，自动采样器114从工作水箱107内吸取水样并储存起来，用于实验室比对水质在线监测单元的准确性及补充水质在线监测单元未监测到的水质指标，可通过编写的程序使其自动运行。

其中，进水管101的进水口设置设在集水池沉积泥层以上，避免受到底泥影响，且进水管101进水口的下方加设不锈钢防护网，防止进水口淤积和杂物堵塞；在进水管101与取水泵105之间的管路上设置常开式进水电磁阀104，通过编写的程序对其进行控制。引水筒102具体可为圆柱形不锈钢桶，作用为使取水泵105在停止运行时处于自灌状态。电磁流量计106的作用为便于远程监控水泵工作状态。

在本实施例中，引水筒102与取水泵105之间的管路上还连接有一反冲洗管路，反冲洗管路的一端连接到引水筒102与取水泵105之间的管路上，另一端连接外部水源，且反冲洗管路上设置有常闭式反冲洗电磁阀103，通过编写的程序对其进行控制；反冲洗管路在非降雨期间或者进水管101出现堵塞的情况下，引自来水对取水泵105前段的进水管路进行反冲洗。

在本实施例中，取水泵105根据具体情况选择合适的流量与扬程，流量的选取保证工作水箱107内的水在5min内得到完全替换，且同时自动采样器114采满水样；扬程的选取需综合考虑排水泵站开车水位和停车水位的影响、地面标高、管损及泵损、引水筒有效水深等因素。

在本实施例中，在工作水箱107的设计确保在设定监测频率下，监测水样在水位在线监测单元的工作间隔时间内得到完全替换，且无水力死角；并且在工作水箱107内安装有保证水质在线监测单元运行安全的水位预警装置109，当水位低于某一水平时可通过远程传输单元报警。为了优化工作水箱107内水力条件，避免对水位在线监测单元产生影响，配水方式采用稳定性进水方式，且将工作水箱107分为进水导流区和水质在线监测单元工作区，确保水位在线监测单元区无气泡，从而确保测量的准确性。

在本实施例中，出水管路分为两类：出水管112和放空管。出水管112保持工作水箱107内监测水样在水位在线监测单元工作间隔时间内得到替换，为保持工作水箱107内的常水位，出水管112安装标高与工作水箱107进水处的管路的安装标高保持齐平，兼当溢流管的功能，且出水管112的管径比工作水箱107进水口的管路大1—2号。放空管用于在工作水箱107检修时放空污水，管径亦比工作水箱107进水口的管路大1—2号，放空管上装有常闭式放空电磁阀113，与出水管112相接后排入集水池。

进水单元的运行模式有两种，即按照非降雨模式和降雨模式运行：

在非降雨模式下，取水泵105每小时启动一次，向工作水箱107内充水，自动采样器114采集一次水样，同时记录水质在线监测单元的监测数据。具体工作过程为：(1)反冲洗电磁阀103打开，进水电磁阀104关闭，反冲洗2min；(2)反冲洗电磁阀103关闭，进水电磁阀104打开，取水泵105启动，工作水箱107进水10min；(3)自动采水器114采集一次水样。(4)取水泵105停止运行。

在降雨模式下，当降雨强度信号值大于0时，进水单元切换为降雨模式运行。取水泵105连续运行以保持水样流通，自动采样器114每5min采集一次水样，直至切换到非降雨模式。具体工作过程为：(1)反冲洗电磁阀103打开，进水电磁阀104关闭，反冲洗2min；(2)反冲洗电磁阀103关闭，水进水电磁阀104打开，水箱进水10min；(3)自动采水器114每5min采集一次水样；(4)取水泵105持续运行直至降雨停止。

B、水质在线监测单元

水质在线监测单元用于实时监测排水泵站降水径流的水质数据，包括在线监测探头108、控制器110和数据记录仪111，其中在线监测探头108采用测量周期可达分甚至是秒的浸入式探头。在线监测水质的指标一般包括代表有机类污染指标的COD、代表营养类污染指标的NH4+-N、代表水质直接感官指标的浊度以及代表水质酸碱度指标的pH值，因此在线监测探头108一般包括UVAS sc在线有机物分析仪、NH4D sc氨氮分析仪、SOLITAX sc悬浮固体/浊度分析仪及GLI差分pH/ORP电极，各在线监测探头108的监测频率设定为5min。GLI差分pH/ORP电极、solitax浊度/悬浮物分析仪浸入式传感器、NH4D SC离子电极法氨氮仪探头、UVASsc在线COD分析仪探头并列布置在工作水箱107的水质在线监测单元工作区内，且各在线监测探头108的外部套设有防护套，由支架固定在工作水箱107内，工作水箱107的尺寸应满足各探头的工作所需，并不相互干扰的要求。控制器110的型号为sc200，控制器110连接各在线监测探头108，读取各在线监测探头108的水质数据，控制器110再通过数据记录仪111将相关水质数据传输给远程传输单元。

C、泵站运行监测单元

泵站运行监测单元用于实时监测排水泵站的运行情况，并将排水泵站的相关数据传输给远程传输单元；泵站运行监测单元所要监测的数据包括集水池液位、降雨量、泵站泵机开停状态、调蓄池阀门启闭状态。(这段话中的泵机，是指设置在哪里的泵机)

D、自动控制单元

自动控制单元通过可编程逻辑控制器(PLC)分别对进水单元和水质在线监测单元进行自动控制，使其按照编织的程序步骤运行。

在本实施例中，自动控制单元利用施耐德中型PLC M340(含DI模块，DO模块，RS485模块)进行数据采集与逻辑控制。PLC的CPU负责***控制逻辑、现场数据处理，将现场数据处理后通过无线网络提供给远传终端。其中：(1)DI模块收集进水单元和水质在线监测单元中各仪器设备的干接点信号，判断此类设备的运行状态、故障状态等信息，并将相关信息传输给远程传输单元；(2)DO模块与进水单元和水质在线监测单元中各仪器设备地干接点设备通讯，控制此类设备的启停；(3)RS485模块与在线监测探头108通讯，进行数据采集及设备控制。

E、远程传输单元

远程传输单元用于将进水单元运行参数、水质在线监测单元监测到的水质数据以及泵站运行监测单元获取的数据上传到服务器，以提供给水质安全预警平台使用。

具体的，远程传输单元可采用GPRS/CDMA 1x通信方式，采用DTU7710进行数据传输。上位机通过internet网访问固定域名，下位机是MODBUS RTU串口协议之RS485模块，通过DTU搭建链路至internet网访问固定域名，至此上位机和下位机产生协同通讯，进行数据的远程传输。

其中，数据的远程传输通过中间文件方式，以文本文件TXT方式进行交换。每分钟覆盖写一次指定的TXT文件，读取一次TXT文件，避免造成数据丢失。TXT文本组成共24行，每行1个字段，格式如下：时标(年-月-日 时-分)、是否降雨(0代表未降雨，1代表降雨)、NH4+-N、COD、NTU、pH、泵站1#泵机、泵站2#泵机、泵站3#泵机、泵站4#泵机、泵站5#泵机、泵站6#泵机、泵站7#泵机、泵站8#泵机、泵站9#泵机、泵站10#泵机、雨量、流量-截流、流量-调蓄、流量-放江、调蓄1#阀门、调蓄池2#阀门、调蓄池1#液位、调蓄池2#液位。

二、服务器

服务器包括数据通讯模块、网络服务器和数据库服务器。网络服务器通过数据通讯模块接收来自在线监测基站的远程传输单元传输的水质与运行数据，并将数据保存在数据库服务器中。在本实施例中，各类服务器构建在已有的内部以太网上，保持与已建在线监测基站的相关***在同一网络上，方便相关实时数据可安全、快速传递到水质安全预警平台，供水质安全预警平台使用。

三、水质安全预警平台

水质安全预警平台3采用Java开发体系，以J2EE为基础搭建“水质安全预警决策平台”，建立基于Web形式的B/S***，可以让使用者摆脱对客户端的依赖，通过浏览器使用平台，同时也便于对平台进行升级维护。采用Java开发体系可以提供跨平台的特性，便于用户今后***的移植和扩展，平台在严格的安全机制确保数据的安全性前提下，以Web Service的方式对内、对外提供服务。底层数据库采用企业级Oracle数据库平台，采用此种关系型数据库，为数据分析和挖掘乃至于数据仓库的建立奠定基础。其中，水质安全预警平台3包括测站信息管理模块、水质数据管理模块、统计分析管理模块、运行报警管理模块、水质安全预警模块和信息发布管理模块。

A、测站信息管理模块

测站信息管理模块主要包括各在线监测基站内各设备仪器的详细资料、***工艺图、电气图等内容。可以通过该功能模块查询各在线监测基站的空间信息、基本信息等内容，同时可关联查询到工艺图、电气图等信息。

其中，测站信息管理模块可以通过空间位置查询、测站名称查询登录进该功能模块，浏览方式分为地图浏览方式和表格浏览方式两种。两种查询模式提供不同的关注重点，空间位置查询为是指在电子地图上通过选择各在线监测基站，可快速定位到其实际位置；基本信息查询是指通过选择在线监测基站，可查看该在线监测基站的基本信息以及主要工艺信息。

B、水质数据管理模块

水质数据管理模块主要实现对数据库服务器中的在线监测到的数据的管理，提供有关各在线监测基站相关的水质信息和运行信息；水质数据管理模块主要分为实时数据管理与历史数据管理。

1、实时数据管理

实时数据管理可根据使用需要，进一步的拆分成实时数据监视、实时进水水质监视、实时雨量流量监视、实时调蓄池监视等子功能模块，更好的满足便捷快速查看相关信息。

其中，实时数据监视针对所有指标内容的实时数据监视管理，分类情况如下：

(1)进水水质：NH4+-N、COD、NTU、pH；(2)泵站水雨情：雨量、集水池液位、流量-截流、流量-调蓄、流量-放江；(3)调蓄池液位：调蓄池1#液位、调蓄池2#液位；(4)调蓄池阀门：调蓄池1#阀门、调蓄池2#阀门；(5)放江泵机：泵站1#泵机、泵站2#泵机、泵站3#泵机、泵站4#泵机、泵站5#泵机、泵站6#泵机；(6)调蓄泵机(指设置于调蓄池内用于调蓄池存水放空，可用以计算调蓄浏览)：泵站7#泵机、泵站8#泵机；(7)截流泵机(设置于泵站内用以将旱流污水和初期雨水截流进入下游管道的泵机)：泵站9#泵机、泵站10#泵机。

实时进水水质监视主要针对进水水质的监视，包括NH4+-N、COD、NTU、pH，用四张图表同时进行展现。

实时雨量流量监视主要针对排水泵站水雨情的监视，包括雨量、总流量、流量-截流、流量-调蓄、流量-放江，用两张图表同时进行展现；第一张图表展现雨量信息，第二章图表集成展现总流量、流量-截流、流量-调蓄、流量-放江信息。

实时调蓄池监视主要针对排水泵站内调蓄池的监视，包括集水井液位、调蓄池1#液位、调蓄池2#液位、调蓄池1#阀门、调蓄池2#阀门、泵站7#泵机、泵站8#泵机。总共用四张图表进行展现，第一张图表展现集水井液位，第二张图表包括调蓄池1#液位、调蓄池2#液位，第三张图表包括调蓄池1#阀门、调蓄池2#阀门，第四张图表包括泵站7#泵机、泵站8#泵机。

2、历史数据管理

历史数据管理以选择不同在线监测基站的不同指标在某个时间段实现历史数据的查询。历史数据管理模块分为历史数据查询、历史进水水质监视、历史雨量流量监视、历史调蓄池监视等子功能模块。在查看历史数据时，可实现表格式的查看并可根据需要导出成excel文件。同时，可实现图形方式对历史数据的浏览。

C、统计分析管理模块

统计分析管理模块主要对数据库服务器中的各类数据进行统计分析，实现对降雨减排环境效应方面的数据统计及分析，主要包括雨量统计分析、截流输送量统计分析、调蓄量统计分析、溢流量统计分析、溢流水质浓度、溢流污染负荷、溢流削减率。

例如，单场降雨的事后统计分析，实现单场降雨溢流对河道污染程度的影响分析，为决策者提供数据分析支撑，更好的进行决策。对单场降雨实现事后统计分析，主要算法如下所示：

雨量统计分析：包括该次降雨过程的总降雨量(累计降雨量)，人工判别选择降雨类型(小雨、中雨、大雨、暴雨)，生成雨量图(坐标倒置方式)。

三个方向的累计流量统计分析：自动生成“流量-截流、流量-调蓄、流量-放江”的饼状图，展现各累计流量及所占比例。算法如下：

溢流污染负荷分析评估：包含三组，分别是COD、NH4+-N、NTU，算法如下：

溢流污水平均浓度分析评估：包含三组，分别是COD、NH4+-N、NTU，算法如下：

溢流量削减率分析评估，算法如下：

统计分析管理模可根据历史数据及相应算法，自动计算生成各相关数据，实现降雨事后对雨量、各方向流量、污染浓度、溢流量、削减率的统计分析，降低人员参与计算的要求，提高了分析效率。

D、运行报警管理模块

运行报警管理模块主要针对进水单元和水质在线监测单元可能出现的故障进行报警，确保其稳定运行。运行报警管理模块包括低流量报警、低液位报警、水质上下限报警子模块和历史报警。其中：

低流量报警：在自动状态下，取水泵105启动后，当电磁流量计106的读数为0时，进行低流量报警。报警后***自动停止取水泵105运行，反冲洗电磁阀103打开，取水泵105的进水电磁阀104关闭，反冲洗2min，然后反冲洗电磁阀103关闭，进水电磁阀104打开，取水泵105启动，直到电磁流量计106的读数不为0时解除警报。

低液位报警：工作水箱107液位低于规定值时，***自动低液位报警。报警后***监测取水泵105和放空电磁阀113的状态：(1)当取水泵105停止，放空电磁阀113开启状态下，关闭放空电磁阀113，反冲洗电磁阀103打开，取水泵105的进水电磁阀104关闭，反冲洗2min，然后反反冲洗电磁阀103关闭，进水电磁阀104打开，取水泵105启动，直到高于液位开关解除警报，10min后泵停止。(2)当取水泵105停止，放空电磁阀113关闭状态下，反冲洗电磁阀103打开，进水电磁阀104关闭，反冲洗2min，然后反冲洗电磁阀103关闭，取水泵105进水阀门打开，取水泵105启动，直到高于液位开关解除警报，10min后取水泵105停止。(3)当取水泵105运行，放空电磁阀113开启状态下，放空电磁阀113关闭，直到高于液位开关解除警报，取水泵105按照原有运行模式运行。(4)当取水泵105运行，放空电磁阀113关闭状态下，水位高于液位开关解除警报，取水泵105按照原有运行模式运行。

水质上下限报警：根据设定的水质上下限进行报警。

E、水质安全预警模块

水质安全预警模块通过建立预警服务数据库，综合水质、水量信息及数据挖掘信息，结合操作经验及行业算法，通过对在线监测水质的实时监控及泵站相关实时信息的监视，解决在防汛期间初期雨水处理、排放的预警及预案，提供围绕“蓄浓放清”目的的泵站运行调度建议。参照图3，为水质安全预警模块的技术路线图。

预警服务数据库由预警方法库、预警知识库和调度预案库组成。其中：

1、预警方法库

预警方法库是支撑安全预警平台的基础算法，通过各类方法实现数据挖掘和数据分析的各类算法的建立。预警方法库主要由方法库和方法库配置管理两部分组成。方法库主要由字典库、方法文件库组成。通过方法库配置管理功能，可实现对字典库、方法文件库的配置管理。预警方法库配置管理根据其完成功能的不同分成2个功能模块：字典库管理功能模块和方法文件处理功能模块，具体参照图4为预警方法库的结构图。

2、预警知识库

通过对不同等级降雨事件中监测污染物水质浓度进行阶梯划分，确定各水质浓度样本占同等级降雨事件总样本的百分比情况，来实现分档归类，为水质安全预警提供标准。

首先对降雨情况进行分类，包括1小时降雨和24小时降雨两种情况，在每种情况下，将降雨分成小雨、中雨、大雨三种情况，对应的水质浓度进行3档划分，预警知识库的建立核心主要是通过水质浓度阶梯划分基础算法来实现分档归类。水质浓度阶梯划分范围目的是：降雨时，对COD、NH4+-N、NTU三因子进行阶梯划分，确定各水质浓度样本占总样本的百分比情况，为水质安全预警提供标准。阶梯范围分档方法采用直线分布法。假设样本数为100，60个样本数的取值小于Va，30个样本数的取值小于Vb大于Va，10个样本数的取值小于Vc大于Vb，Va、Vb、Vc即是范围界定值。随着采集数据的不断增加，样本总量不断增加，Va、Vb、Vc的取值在持续更新。

3、调度预案库

根据预警知识库的分档分类，建立相应情况下排水泵站的调度预案库。

具体的，结合雨水、水量、水质的动态变化，使用RBR推理、CBR推理，同时建立BP神经网络模型，建立能够自学习、自适应的动态预警决策支持***，***经过不断累积，会更准确、更及时的为决策人员提供依据。采用上述步骤，形成数据和分析闭环运行，随着数据积累、知识分类细化，预案库可实现针对初期雨水更大效果上的泵站运行指导工作。

F、信息发布管理模块

信息发布管理模块主要实现在线监测基站数据信息的发布、水质分析结果的发布、预警信息的发布等内容。信息发布管理模块将信息通过两种模式进行分发，具体为数据的方式和服务的方式。

数据的方式：开发数据库部分权限让其他***用户读取访问或通过数据接口主动发送至其他***的数据库中。

服务的方式：若其他***基于EIP技术构建搭建，则通过Web Service的方式将数据内容以服务的方式直接发送至页面。

根据以上所述，同时结合图3对水质安全预警平台的工作原理详细描述如下：

首先根据运行报警管理模块中的历史调度预案库、水质管理模块里的历史水质数据、历史数据管理中的历史降雨数据，通过预案方法库进行数据挖掘和数据分析，将挖掘分析出来的数据结合知识库从调度预案库中初步获取各排水泵站的运行预案；然后再结合实时数据管理中的实施雨量、气象预报数据、排水泵站的水质浓度数据、各设备的水位数据，对运行预案进行修正获得最终排水泵站的运行方案，并通过信息发布管理模块发布给各排水泵站；同时，将此次的相关运行方案数据进行信息存储，以供下次使用。

综上所述，本发明提供的一种水质安全预警决策***，该***是由在线监测基站层、服务器层和水质安全预警平台层形成的全过程完整体系，***以在线监测基站为基础，以服务器层为支撑，以水质安全预警平台为核心。在线监测基站包含进水单元、水质在线监测单元、泵站运行监测单元、自动控制单元、远程传输单元；水质安全预警平台包含测站信息管理、水质数据管理、统计分析管理、运行报警管理、水质安全预警和信息发布管理八大业务模块。该***能实现排水***降雨事件中管道径流水质水量在线监测、远程传输、数据存储、实时发布、水质预警与远程决策等多方面功能。本发明能为城市排水泵站设施优化运行提供支持，为排水***的防汛安全与水质安全的双赢调度模型提供决策依据。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (13)

1.一种水质安全预警决策***，其特征在于，包括若干在线监测基站、服务器和水质安全预警平台，其中，

所述若干在线监测基站设置在各排水泵站处，所述在线监测基站抽取所述排水泵站内集水池中的初期雨水径流水样进行在线监测获得水质数据，并将水质数据传输给所述服务器；

所述服务器接收所述在线监测基站的数据并存储起来，并为水质安全预警平台提供数据分析和数据挖掘支持；

所述水质安全预警平台与所述服务器相连，接收所述服务器中存储的水质数据并进行分类管理，所述水质安全预警平台根据所述在线监测基站获得的水质数据的动态变化，结合所述排水泵站历史调度信息，历史降雨信息，利用建立的知识库进行推理，针对当前进行水质进行安全预警，判断所述集水池中的初期雨水径流是直接排出还是排入所述排水泵站的调蓄池进行贮存后排出。

2.如权利要求1所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述在线监测基站包括进水单元、水质在线监测单元、泵站运行监测单元、自动控制单元和远程传输单元；

所述进水单元为所述水质在线监测单元提供实时水样并充当测量载体；

所述水质在线监测单元对所述进水单元中抽取的初期雨水径流水样进行在线监测，所述泵站运行监测单元对泵站降雨、泵机开停、调蓄池进水阀门启闭、调蓄池水位信息等进行监测；

所述自动控制单元对所述进水单元和所述水质在线监测单元进行自动控制；

所述远程传输单元将所述水质在线监测单元和所述泵站运行监测单元的数据上传给所述服务器。

3.如权利要求2所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述进水单元包括依次相连的进水管路、引水筒、进水电磁阀、取水泵、电磁流量计、工作水箱、出水管路和自动采样器，其中，

所述进水管路与所述排水泵站的集水池相连通，并抽取所述集水池中的初期雨水径流送入所述工作水箱内，所述出水管路与所述集水池相连通将所述工作水箱中的水排入所述集水池内；

所述引水筒与所述进水电磁阀之间的管路上还设置有反冲洗管路，所述反冲洗管路的一端连接所述引水筒与所述进水电磁阀之间的管路，另一端连接外部水源；

所述工作水箱内设置有水位预警装置；

所述自动采样器连接所述工作水箱，抽取所述工作水箱中的水并存储起来。

4.如权利要求2所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述水质在线监测单元包括依次相连的在线监测探头、控制器和数据记录仪，所述在线监测探头位于所述工作水箱内，所述控制器通过所述数据记录仪将所述在线监测探头测得的相关水质数据传输给所述远程传输单元。

5.如权利要求4所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述在线监测探头采用测量周期最快可达到分甚至是秒级别的浸入式探头，所述在线监测探头采包括代表有机类污染指标的探头、代表营养类污染指标的探头、代表水质污染直接感官指标的探头以及代表水质酸碱度指标的探头。

6.如权利要求1所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述水质安全预警平台包括测站信息管理模块、水质数据管理模块、统计分析管理模块、运行报警管理模块、水质安全预警模块和信息发布管理模块。

7.如权利要求6所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述测站信息管理模块对所述在线监测基站内所有设备的***工艺图、电气图以及空间位置的相关数据进行存储和管理。

8.如权利要求6所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述统计分析管理模块实现对单场降雨与长序列多场降雨环境效益方面的数据统计与分析；所述统计分析管理模块包括雨量统计分析、截流输送量统计分析、调蓄量统计分析、溢流量统计分析、溢流水质浓度、溢流污染负荷、溢流削减率。

9.如权利要求6所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述运行报警管理模块针对所述进水单元与所述水质在线监测单元设低流量报警、低液位报警与水质上下限报警。

10.如权利要求6所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述水质安全预警模块建立预警服务数据库，所述预警服务数据库包括预警方法库、预警知识库和调度预案库；所述水质安全预警管理模块通过建立的预警服务数据库，根据气象预报数据结合实时降雨情况与所述在线监测基站获得的数据，匹配所述调度预案库中合适的调度方案，对警戒高浓度水质进行预警，以实现调蓄减排设施“蓄浓放清”高效运行，污染排放削减。

11.如权利要求10所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述预警方法库由方法库和方法库配置管理两部分组成；所述方法库主要由字典库、方法文件库组成。

12.如权利要求10所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述预警知识库通过对不同等级降雨事件中监测污染物水质浓度进行阶梯划分，确定各水质浓度样本占同等级降雨事件总样本的百分比情况，来实现分档归类，为所述水质安全预警模块提供标准 。

13.如权利要求10所述的水质安全预警决策***，其特征在于，所述调度预案库通过对降雨事件中排水设施设备实际调度数据自学习、自适应，形成数据和分析闭环运行，随着数据积累，形成对不同等级降雨事件水环境与水安全双赢的运行预案，实现针对初期雨水更大效果上的排水泵站运行指导。