城市排水工程全生命周期数字化管理关键技术与应用

杨凯霖，罗 港，林远勤，周新民，林 旭，曹 雁

（1、广州市河涌监测中心 广州 510060；
2、广东建科创新技术研究院有限公司 广州 510665）

城市排水工程是城市市政基础设施建设的重要组成部分，是城市防洪排涝、水安全、水污染防治的重要保障体系。近年来，由于资金和管理投入不足，许多城市排水管道老化严重，导致出现了堵塞、淤积、黑臭水体、污水横流、河面垃圾漂浮物、违法排污、城市内涝等严重的社会环境问题［1-2］。因此，亟需加强城市排水工程建设，改善工程建设管理手段，提高管理水平。

城市排水工程具有点多面广、工程变化快、隐蔽性强、工期短、作业面分散等特点，涉及多方面业务，包括工程审批、建设、运维、后评价等［3］，存在监管人员不足、监管难度大、工作效率较低等问题。目前，有关业务部门根据自身需求建立了独立的业务系统，但由于建设过程中目标单一，缺乏业务质间联动性，导致部门间难以实现信息资源互联互通。因此，为减少管理盲区，解决当前排水工程监管存在的问题，加强对排水工程信息采集、追踪、分析和处理，提高工程管理信息化水平，需要采用数字化技术，结合全生命周期管理理念，全面改善排水工程监管手段和效能。

本研究采用物联网、云计算、大数据等新一代信息通信技术，实现城市排水工程全生命周期数字化管理，有效地解决因人力限制带来的项目管理问题，促使各业务间相互完善、动态优化［4-6］，破除部门间数据资源共享难、信息传递差等难题，提高智能运算、决策辅助能力，实现排水工程规范化、精细化管理。

城市排水工程全生命周期数字化管理平台的总体架构如图1所示，以构建一体化智能管理平台（数据中心）为目标，整体上分为3 个部分，包括业务工作部分、工程建设管理部分和数据部分。其中，业务工作将排水工程全生命过程进行划分，具体涉及规划计划、项目立项、招标投标、工程报监、施工许可、建设实施、竣工验收和工程评价等；
工程建设管理功能模块对接上述具体工作的管理，又包括方案联审决策、企业诚信评价与招投标监管、质量安全巡检、设施运维以及竣工联合验收等子模块；
而数据模块作为基础，为项目的立项、可实施性评价、方案论证、设备安装及调试运行等提供基础保障，也为项目的后续评价提供依据。

图1 城市排水工程全生命周期一体化管理平台Fig.1 Integrated Management Platform of Urban Drainage Project Life Cycle

该一体化管理平台的构建，从内容上将城市排水工程的全生命周期各个环节纳入到一个大系统进行管理，构成水务工程的“四横两纵”顶层框架，突出大感知、大平台、大数据和大应用，强化标准和安全，是高度融合了集约化、一体化、智慧化的水务信息体系，可以实现排水工程项目从策划、评估、决策、设计、施工到竣工验收整个建设过程的全面信息化管理。

2.1 城市排水工程联审决策数字化管理技术

城市排水工程联审决策数字化管理技术旨在通过构建城市排水工程项目建设方案联审决策系统功能和应用，打造联合审批统一申报入口，大力推进网上申报及网批，实现统一受理、联合审批、实时流转、跟踪督办、信息共享，为各审批阶段实现“一份办事指南、一张申请表单、一套申报材料”提供信息技术支撑，还可强化工程建设项目审批管理系统与多规合一管理平台和各部门审批业务系统等之间的互联互通。此外，通过材料共享复用、电子证照接入等方式，能减少建设单位的材料提供，提高联合审批的效率。通过固定资产投资项目代码制度，实现对工程项目全流程审批数据的跟踪记录。

系统采用主流的基于J2EE 及SOA 的架构思想，J2EE 技术是基于JAVA 语言的面向企业级应用的技术标准簇，J2EE 平台适用多层次分布式应用模型，有利于降低信息系统拥有成本，也有利于适用快速变化的市场需求。SOA 是一种分布式的软件模型，其主要组件包括服务、动态发现和消息，SOA 架构的优势在于能够实现各组成系统间进行数据接驳和功能调用，以及整个系统的松散耦合、提高整个系统的可扩展性［7］。

此外，在基础层设计中，主要依托城市基础设施云平台进行服务的搭建，使其具有更高的兼容性；
在数据层的设计中，通过数据库分别存储基础数据、业务数据、档案数据以及所需要的空间数据等；
在结构设计上采用B/S 分层结构设计，便于维护、更新升级；
在服务的注册、发布、管理方面采用ESB 总线来实现对服务的集成和灵活管理。由于系统涉及多系统互连、空间数据的交换共享，采用消息中间件实现对消息的智能路由和传输。总体上，该技术架构可满足和实现可定制、可模块化重构功能。

2.2 城市排水工程企业诚信评价及招投标数字化管理技术

基于当前排水工程行业市场的诚信管理现状，建立排水工程企业诚信评价及招投标数字化管理系统十分必要，可实现企业诚信评分的自动汇总、个性化查询及展示，从而保障诚信评价结果的准确性、及时性，维护市场正常秩序，促进市场公平竞争。此外，将诚信评价结果应用在城市排水工程招投标活动中，能有效提升风险防控能力，维护招投标公平公正，同时与招标交易平台建立数据共享，通过系统的随机抽查功能优化业务流程，以提高工作效率。因此，加强对排水工程建设市场企业的监管，可有效健全排水工程市场主体信用评价体系。

排水工程企业诚信评价及招投标监管信息系统的设计以诚信评分基础数据（工程、企业、诚信评分）和三大基础网络（物联网、互联网、通信网）为枢纽，通过分层建设，达到平台能力及应用的可成长、可扩充，创造面向行业综合管理的框架。

用户层主要是政府监管部门通过Web 应用线上开展企业入库、市场评分、质量安全评分、履约评分、项目招投标、工程报监等审批工作，并通过整合平台首页显示功能把握全市在建排水工程监管指标情况。参建各方市场企业主体通过Web 应用掌握与本企业相关的企业入库信息、人员信息、诚信评分、招标项目进展、工程质量、安全等情况。应用层主要功能包括企业信息入库、市场行为评价、质量安全评价、履约行为评价、项目立项申请、项目总结、项目备案、事中事后检查、投诉等。服务层为应用层提供平台服务，包括消息服务、日志服务、安全认证、IoT 服务、用户中心、流程引擎、电子签章等。数据层为各业务系统提供统一的共享数据服务，包括建设工程全生命周期各业务系统数据，以解决各业务系统数据结构差异性导致的信息孤岛。各业务系统通过数据层提供的Web API和SDK获取共享数据进行交互。

2.3 城市排水工程安全质量巡检数字化管理技术

城市排水工程的安全质量，直接关系人民群众生命财产安全，是保障工业生产、商业活动以及农业活动正常有序开展的基础物质条件［1］。城市排水工程安全质量巡检数字化管理技术的核心是面向施工企业项目建设过程，立足于互联网+，采用云计算、大数据、物联网和5G 通信等技术手段，针对当前排水工程设施建设的特点，结合工程建设企业信息化工作的需求，利用排水行业企业信息库、项目信息库、人员信息库、设备信息库等现有数据平台为基础，构建一套信息化行业解决方案［3，8］。同时，从工程建设过程中安全生产、文明施工、环境保护、人员管理、信息流通等需求出发，对参与项目的人员管理、车辆管理、视频监控、环境监测、设备管理进行全方位深层次的实时监管，加强施工现场的安全文明管理［9］。

该系统技术架构遵循Java EE 7的规范，利用业界流行的Spring framework 4.x 框架，整合JPA 2.1，Servlet 3.1，REST，Json，HTML5，Bootstrap 等技术［10］，辅以自研的公共组件与服务，搭建了一套即可用于单体应用架构，又能适应分布式应用架构的技术框架。系统的整体架构采用多层架构模型，分为资源层、服务支撑层、业务服务层以及用户层，对应智慧监控中心，包括服务监控、日志监控和系统监控。其中，智慧监控中心全面监控工程现状，使工程各要素都在可控状况，对出现的异常情况及时预警或报警，并快速解决问题，减少或避免问题造成的损失。同时，加强预警管控，以深基坑、文明施工等设备作为数据基础，实时监控深基坑等数据，通过移动APP 发送数据给相关管理人员进行预警；
实时监控扬尘噪声数据，通过网络数据接口上传给相关管理人员，实现施工现场空气质量和噪声的在线监测和管理。

2.4 城市排水工程设施运维数字化管理技术

城市排水工程设施运维数字化管理平台借助城市排水系统排水设施管养单位力量修正现有排水设施关键属性、相对位置，对城市排水设施查漏补缺，排查并处理设施存在的问题与隐患，形成基本可用的城市排水设施“一张草图”；
通过摸清排水设施管养现状和管养责任，统一建立每一设施与管养单位的责任关系，并对各权属单位排水设施开展日常检查。实现共享地理信息、供水、三防、环保、视频、人口等大数据资源，具有全区域排水设施精细管理、动态更新、实时监测和智能控制的特色，能够对污水流向和雨水流向全过程可视化查询、追溯与分析［2，11］，同时为处置污水溢流、暴雨内涝等应急事件提供有效支撑，满足为排水空间规划、设计、排水设施改造与接驳提供决策支持的市场需求。

系统自下而上分为七层进行设计，数据采集层进行信息采集、信息审核、数据清理和规范格式四种处理操作，数据资源层包含基础数据、业务数据和成果数据，体现各种数据的产生与转换，最终在统一的应用支撑层上进行资源共享，在PC 端实现首页展示、日常工作、考核管理、统计分析、一张图、系统管理等，在移动APP 端实现即时通讯、日常工作和统计分析。其技术核心基于J2EE 及SOA 的架构思想，充分考虑建设现状情况，数据库采用Oracle 数据库，GIS 平台采用ArcGIS 10.2；
移动化应用方面，考虑到APP 构建与维护，微信应用开发等因素，选用HTML5 技术实现一次构建实现跨平台移动应用；
WebGIS 开发方面，利用ArcGIS+Oracle技术。

平台采用“五横两纵”的架构，“五横”包括网络资源层、数据层、应用支撑层、业务应用层和服务层，“两纵”包括安全保障体系与标准规范体系。其中，支持层包括基础的软硬件设备，从基础硬件、基础软件等方面保证地理信息公共平台的稳定性、可用性、可扩展性，为整个系统提供支撑；
网络传输层包括移动APP 端使用的移动通讯网络；
数据层包括各类数据在数据库中的存储内容、组织方式和存储机制，数据内容主要包含基础地理数据、排水设施数据、环保类数据、业务数据、附件数据等；
业务应用层包括排水设施巡检系统APP 端、排水设施巡检系统PC 端、排水设施巡检系统数据建库与动态更新端；
用户层负责与用户进行交互。安全体系涉及到以上各层次的安全，同时需要建立安全支撑环境和安全管理制度。标准规范体系主要是指要建设和遵循的数据的标准规范和技术标准规范。

2.5 城市排水工程建设与竣工联合验收数字化管理技术

城市排水工程所涉及的数据量及工作量相当庞大，且许多数据资料需各方共享，在实际工程建设管理过程中，往往会因排水工程进度、质量、资金等情况掌握及沟通不及时出现各种问题，延误工程进度，影响工程质量。因此，基于信息网络工程建设，以信息化、标准化管理为手段，完善排水工程建设质量安全管理体系，强化动态监管，可以提高建设市场调控工作力度和成效，从而提升工程质量安全管理水平［3］。基于此，排水工程建设管理信息系统以SCADA、GIS系统为中心，运用移动互联、云计算、大数据和物联网等互联网+技术，围绕信息互通、文档共享、工程质量和施工安全管理的目标，实现工程项目从策划、评估、决策、设计、施工到竣工验收、投入生产或交付使用的整个建设过程的全面管理，整合企业、人员及诚信信息，构建行政主管部门与参建各方、行业管理与现场管理上下协同信息互通的排水工程建设和运行管理应用平台［4，12-13］。

城市排水工程建设管理信息系统耦合排水工程竣工联合验收子系统的整体技术架构采用多层架构模型，分为资源层、服务支撑层、业务服务层以及用户层。其中，资源层包括提供IaaS 和PaaS 服务，借助云服务的基础设施服务，能够给业务系统提供稳定的运行环境，数据存储采用Oracle 数据库存储，提供稳定的持久化存储，保证系统数据的可靠性。服务支撑层为业务服务的实现和运行提供支持，系统的基础服务与组件都建立在Spring framework 框架上，为业务服务提供支撑。业务服务层包含系统的业务逻辑、接口逻辑以及用户交互逻辑。应用层针对系统功能不同，为不同的用户提供了相应的界面来访问系统。

广州市排水行业现有的业务系统较多，虽基本满足各部门自身的业务需求，但是缺乏业务之间联动性考虑，各部门的应用系统建立之初只为满足当时的业务需要，普遍存在对业务横纵向关联不够，建设目标单一等问题，各部门业务应用系统之间的有机联系程度十分有限。又因业务融合程度不深，现有业务系统协同应用效率不高，推广使用效果未达预期。在“数字政府”、“智慧城市”、“互联网+政务”、“网络强国”等战略背景下，通过资源整合、信息共享和系统集成，形成了以排水工程项目全生命周期为主线，以水务排水工程一体化平台为基础，各应用系统融合建设的发展格局。

广州市城市排水工程建设管理数字化监管平台以工程项目全生命周期为主线，以GIS、云计算、大数据分析等信息技术为依托，从顶层设计出发，统一规划，确定了统一的技术规范，对已建设的业务系统进行统一管理，打破“各自为政、条块分割、信息孤岛”现状，实现业务系统互联互通、数据共享和成果共享；
将现有广州市水务项目建设方案联审决策子系统、广州市排水工程企业诚信评价及招投标监管信息系统、广州市排水工程安全质量巡检管理信息系统、广州市排水工程建设管理信息系统、广州市排水工程竣工联合验收子系统进行整合，梳理打通排水工程相关业务系统的数据体系、用户账号体系，建立统一、共享的排水工程项目库、工程库、企业库、人员库，通过统一的门户体系，面向各级用户提供统一访问入口，实现排水工程相关业务一站办理。

广州市政府投资工程项目建设方案联审决策系统如图2所示，实现了排水工程方案比选论证、协同会审、联合评审、联审决策等全过程的信息化管理。系统上线运行后，审批水务项目127个，形成稳定的建设方案，并通过接口服务方式注册至政务信息系统互联互通平台，按需通过互联互通平台发布接口获取联审决策意见及其审定的稳定建设方案。

图2 广州市政府投资工程项目建设方案联审决策系统及应用Fig.2 Decision-making System and Application of Joint Examination of Construction Scheme of Guangzhou Municipal Government Investment Project

广州市排水工程安全质量巡检信息系统利用GIS技术，通过一张图展示现场施工进度，升级了施工现场管理能力，全方位把握施工方案、原材料、施工作业点、重要隐蔽工程验收、监理实施，以及各项目的现场自检情况等信息。

此外，还可以通过电子地图直观展示所有工程的分布情况，如图3 所示。监督员能够直接在地图上选择目标工程，或通过手机定位显示所在工程，查看该工程基本信息、主要参建企业、建设单位以及现场“五牌一图”等信息，可以快速获得在建工程的基本信息，建立工程工作台帐。

广州市水务工程竣工联合验收系统如图4所示，功能模块包括建设单位网上报件、联合验收业务办理审批、互联网+协作、验收电子文档管理等。实现了排水工程建设项目联合验收；
实现企业网上一套材料，一网办理，最多跑一次的一站式审批服务；
实现了联合验收部门网上工作协调，联合审批，加快了竣工联合验收审批进度，优化了企业营商环境。

图4 排水工程安全质量巡检系统Fig.4 Inspection System for Safety and Quality of Drainage Engineering

城市排水工程数字化监管平台以“互联网+”协同工作模式为驱动，用信息化手段跟踪工程建设管理各阶段节点任务的实时或及时采集、存储、统计、分析，较为客观、系统、全面地反映工程项目的整个建设过程，实现排水工程项目从规划计划、策划立项、建设实施、竣工验收到交付使用后评价全过程中各个业务处理详情数据化、在线化，对项目的前期立项，实施过程的质量、投资、进度和安全，项目验收、后期的效益评价等节点进行全面跟踪和管理，打造排水工程建设管理事务全留痕、精细化管理，实现工程全生命周期管理信息化，对工程建设进展“一目了然”，提升排水工程建设管理的决策水平。