摘要：本研究深入分析了当前高度城市化的过程中，城市内涝灾害带来的日益严重的生命财产安全风险和当前传统工程措施在解决内涝问题的难点和挑战，提出了基于计算机、信息化和智能化技术开展的城市排水管网智能诊断及预警技术是解决当前城市内涝问题的重要措施。建设和完善智慧城市排水管网基础设施和应用系统，将有助于实现排水管网建设数字化的目标。本项目针对此开展深入研究并开展示范建设，为我国其它城市排水管网数字化建设提供参考。

　　关键词：内涝防治；排水设施管理；人工智能；数字化；

　　一、研究背景

　　城镇化是人类社会发展的重要过程，主要表现在城区人口迅速集中，工业化规模不断扩大，城市面积急剧膨胀，使城区及其附近区域的自然、文化和生态系统都发生了显著的改变，这其中也包括对水文过程所产生的影响。城镇化发展改变了城镇局部的自然地貌，使原先相当部分的自然流域被不透水表面所覆盖，造成雨水汇流速度加大，从而导致一系列相异于天然流域的城市水文问题。城市水环境问题常表现在内涝、河流倒灌等现象上。城市内涝是一种严重的自然灾害，一般因短时间内的集中强降雨形成，因降雨而产生的大量洪水超过城市排水系统的排放能力，就会在城市内的一定区域发生积水，从而引发内涝洪水灾害。城市地区由于人口稠密，建筑物密集，经济活动集中，交通繁忙，部分地点还可能存贮有危险品，一旦发生内涝，其危害极大，不但给局部地区带来严重的淹没损失甚至人员伤亡，造成城市交通中断，扰乱整个城市的正常生活和工作秩序，还会引起衍生和次生灾害，给人民生命财产带来极大损害。在我国快速城市化的进程中，城市社会、经济、人口及建成区面积快速增长，但与此相伴的却是我国城市内涝灾害损失的不断增加。近年来，广州市暴雨频发，暴雨内涝对该地区城镇的基础设施造成巨大的破坏，对城镇居民的生命安全和财产构成巨大的威胁，2020年5月22日，特大暴雨横扫广州，半个城区被淹，其中黄埔区的最大小时降雨量达到167.8mm，达到百年来的历史极值。因此，遭受暴雨袭击、造成内涝困扰已是我国，特别是沿海地区，城市发展面临的普遍问题，进行城市内涝防治是我国亟待解决的严峻挑战。

　　面对日益严重的城市内涝问题，世界各国开始对城市雨水管理进行实践及研究，全球至少有40个国家和地区开展了雨水管理与利用的研究和实践。例如，20 世纪80年代初，国际雨水集流利用系统协会成立，至今已召开了多次国际雨水收集大会；美国、德国、英国、澳大利亚、日本和以色列等国长期致力于雨水管理技术的研发，已形成了相对成熟的雨水利用技术，开发了多种水文模型，并建立起了较为完善的保障体系。在我国，北京、上海、广州等特大城市率先开展了城市雨水利用研究。我国城市为整治本地区暴雨与内涝问题，在近十年陆续开展排水管网的GIS定位、管网疏通修复、河涌疏通整治和深部隧道等工程措施，但是各区域侧重点各异，采取的技术措施又大相径庭，使得城市内涝防治工作未形成成套有效的技术方法，内涝治理未显示出有效的成果，大多数城市仍饱受内涝的困扰。因此，极有必要进行城市内涝防治技术的研究，结合国内外治理内涝的经验，针对其特点进行相应防治技术的研究，保证沿海地区城市的可持续发展和环境安全性。

　　在高度城市化的沿海地区，仅依靠建设城市内涝防治的工程措施解决内涝问题难度较大。因此，基于计算机、信息化和智能化技术开展城市排水管网智能诊断和风险预警是解决城市内涝防治的重要措施。目前国内外在城市内涝预警手段及风险治理技术方面还缺乏有效的方法，本项目针对此开展深入研究并开展示范建设，为我国其它城市排水管网数字化建设提供参考。

　　二、研究思路

　　本研究旨在通过先进的信息技术手段，实现排水设施智能化诊断、监测与管理。研究内容包含排水设施电子化数据库的构建、管网病害的智能识别、排水设施智慧化监测和功能性评估。为了实现上述功能，本研究将设计并实现一系列关键技术模块，包括数据库架构设计、数据融合与解析、数据清洗、GIS信息集成、智能管网病害诊断算法开发、智能监测设备研发、智慧水环境智能监管系统开发等。最后，本研究将进行排水设施功能诊断与风险预警系统的研发综合系统开发与示范项目建设。该阶段的目标是将研究成果综合应用于实际城市排水系统，通过示范项目的实施，验证系统的实际效能，并为进一步的研究和技术推广奠定基础。

2-1 技术路线图

　　三、研究内容

　　（一）排水设施数据库标准化构建与地下管网空间数据GIS集成

　　通过城市排水设施数据库的标准化构建技术和GIS集成应用，本研究构建了“数字化智慧排水管网监测预警系统平台”的方案，该平台通过5G、计算机技术、互联网技术等现代科技手段，实现对城市管网数据的统一管理和全流程精细化监管。本研究通过对“排水户-排水管网-排放口”的数字化排查、排水管网信息化管理与数据挖掘、城市排水管网水环境监测预警，通过对多样数据的集中管理与分析，实现对排污企业排放水体监测监管，以及城市内涝和防洪监测预警。

　　系统采用BS架构，包括基础层、数据层、支撑层和应用层，确保系统的兼容性和高效运行。通过定数据标准规范，明确数据资源管理责任，建立统一的数据管理标准，实现数据的互联互通。数据库经历层次模型、网状模型、关系模型发展，划分为八大功能数据库，包括基础数据库、空间数据库、监测数据库等，以支持不同的业务需求。最后利用利用GIS技术，实现排水设施数据的可视化监管、资产电子化管理、水环境监测和内涝预警等功能。

3-1 数据系统架构

3-2 GIS集成数据信息监管系统

　　（二）管网病害智能检测

　　本部分主要工作是提出一种改进的目标识别算法，将其用于建立一套基于人工智能的排水管网病害智能识别模型，具体包括：

　　（1）建立排水管网典型病害样本库。包含实际工程实施过程中采集的多个排水管网典型病害和公共数据集收集模块收集的数据，作为模型训练的数据集；

　　（2）建立一种改进的目标识别算法。对YOLO-v4（You Only Look Once）算法进行两个改进：一是对模型主干结构CSPDarknet53的CSP Resblock残差块和颈部PANet的卷积层进行剪枝，在保证达到目标准确率的前提下，实现权重模型轻量化和检测速度提升；二是为解决算法剪枝后出现的鲁棒性不足问题，对PANet结构中的卷积块引入Evonorm结构进行改进。Evonorm结构将卷积块中的“归一化层和激活层”进行了统一，利用网络搜索的方式实现网络最佳路径的寻找，从而使算法的鲁棒性和准确度提升。

　　（3）模型训练与参数调整。基于大数据样本，训练改进的YOLO-v4算法模型，以达到较高的识别检测精度和检测速度，保证检测结果质量稳定、可靠。

图3-3管道损伤识别方法的基本思路图

　　（三）排水管网精细化实时监测

　　本研究通过创新改进水环境监测设备过滤装置，并自主研发一种移动式水环境监测一体化设备，来监测排水管网的建设状态及运行状况。同时，以深度学习技术为基础，提出了基于当前水质在线监测结果的结果反演校正算法，实现实时高效、范围广的水质变化监测。本项研究针对排水管网监测点环境复杂、设备建设维护成本高、设备精度要求高的问题，研发和改进当前物联水环境指标物联监测设备，同时开发机器学习算法，实现对监测结果的误差补正和拟合。通过对排水管网水环境状况的实时精准监测，达到评估管网运行健康状况和问题管段溯源的目的。

图3-4 神经元网络对监测数值拟合流程

　　针对城市典型的新建小区、老旧小区、城中村、学校、医院、机关单位、酒店及餐饮污水排放源头排水户，开展COD及水量环境因子的持续监测工作，分析源头污水排放规律，明确影响污水主干管污水浓度的主要排水户类型。此外，以某市某水质净化厂纳污范围内的主管网，根据纳污范围片区选取5处管网节点，开展主管网COD环境因子的持续监测工作。一段时间观察后，根据环境因子趋势图，选取一日内水质数值监测的最低值段、数值波动中间时间段、数值峰值段及数值平稳区间段四处时间节点，开展人工采样工作。根据一定时间内监测数据和实验室检测数据，开展监测仪器率定及监测数据分析工作。

　　针对监测排水户10处源头管网节点，分别提取五个监测点位10天的连续监测数据，针对主管网5处管网节点，分别提取上述五个监测点一周的连续监测数据，对监测点污水水质进行大数据分析，整体分析流程如图3-5所示。通过对整体宏观水质以及细节时段数据的分别分析和对比，以达到了解水质整体情况、变化规律、影响因素等的目的。

图3-5监测水质数据分析方法及其目的概括图

　　（四）排水管网功能性评估

　　本部分选取城市典型内涝区作为研究对象，利用模型模拟的方法，分析排水管道在理想状态及实际病害状态下的承载力，探寻内涝产生的原因和主控因素，在此基础上提出有效的内涝治理措施，以期为我国城市老城区内涝治理提供新的方法和思路。

　　采用SWMM模型进行地块的排水分析和城市排水管网的数学模拟，形成由产流模型、汇流模型和管网水动力模型组成的城市排水模型。选取城市典型内涝区作为研究对象，利用模型模拟方法，分析排水管道的承载力，探寻内涝产生的原因和主控因素。包括现状分析、排水管网承载力评价分析、排水管网病害模拟与评价等，分析了不同暴雨重现期下内涝点的空间分布和管道承载力。分析内涝成因，制定内涝治理方案，并通过模拟优化，提出了改善措施。

图3-6 研究区内透水地面优化前后径流对比

　　四、创新点与特色

　　本研究以管理电子化，技术智能化，预警信息化为目标，主要进行了以下探索和创新：

　　（一）排水设施数据标准化，设施信息的可视化

　　本研究将 GIS 定位技术和移动端采集平台应用到管网探测过程，建立排水管网数字化信息数据，将会成为管网信息采集和管理的快速、高效手段。

　　（二）病害识别的智能化，设施功能评估的动态化

　　利用数字化管理平台，通过管网现状视频图片智能化诊断管网病害类别，同时利用水动力模拟手段，动态分析排水管网系统在预定灾害发生时的运行健康程度，对管网运行状况和风险进行数字化诊断和展示，将成为排水设施修复和管理的适用性方法。

　　（三）管网状态可视化，监测结果的精细化

　　研发设计质量更优、维护成本更低的水环境指标监测设备及移动式一体化监测设备，满足实际复杂环境条件下的监测需求，研发监测指标参数优化模型，进一步提升水环境监测数据质量，为排水管网运维管理提供精准的数据信息基础。

　　五、成果市场推广应用前景分析    

　　基于数字化的城市排水设施管理融合物联网技术、云计算技术、大数据技术、通信技术等先进技术，建设和完善智慧城市排水管网基础设施和应用系统，将有助于实现排水管网建设数字化的目标。技术支撑在防汛减灾、水环境保护、水资源节约等方面的作用将越来越明显。在各地水务部门的不断实践中，智慧排水管网系统建设也将不断创新，在城市管理中发挥更加重要的作用。 

　　（一）建设智慧化管网数据库，完善城市排水设施数据管理

　　智慧管网数据库的建设，是智慧管网监管系统建设的基础，其数据标准的建立进一步规范了数据录入格式，便于系统平台以数字化、信息化的方式，有效梳理了片区管网的基础信息。排水设施之间的相互关联提高了数据的关联性，有利于数据的规范化，便于查询、管理。

　　城市排水设施智慧化管理系统是积极响应政府号召，立足广东地区实际，以“安全、绿色、节能、高效”为建设理念，基于GIS等技术建成的平台。该平台以数字化、信息化的方式，有效梳理了片区管网的基础信息，并动态展示了关键节点的水质、水位、流量等重要信息，为主动、精细、智慧的城市排水运行管理的新模式提供了有力支撑，从而促进了城市排水综合管理水平的有效提升。

　　（二）结合深度学习算法，实现管网诊断智能化，提升管网诊断效率，降低诊断成本

　　采用基于深度学习的方法来自动检测及分类排水管道病害，并在工程应用中能实现对破裂、渗漏和腐蚀这三种类型的结构性病害像的准确分类（分类精度达到87.05%）。通过对本项目成果的产业化开发与应用，结合CCTV管道内窥电视检测可以形成排水管网内部损伤缺陷治理关键业务系统软件平台和产品，减少操作人员的负担压力，降低对人工判断的依赖程度，缩减了人工成本，并可通过对本项目成果拓展研究，根据深度强化学习和群智能优化算法可以构成新的布局模式，有效预防大湾区内涝，减少内涝产生的经济损失，改进整个粤港澳大湾区的排水管网治理和布局的行业数字化现状。

　　（三）提升实时水环境监测设备精细化程度，为管网系统的提质增效工作奠定基础

　　通过创新改进水环境监测设备过滤装置，并自主研发一种移动式水环境监测一体化设备，来监测排水管网的建设状态及运行状况，提高排水管网实时监测准确度及工作效率。同时，以深度学习技术为基础，设计了基于相关因素筛选算法的改良神经元网络，用于排水管网监测设备的监测结果精度拟合校正，可减小监测设备的监测误差，使监测结果的准确度提高了15%以上。对某市新建小区、老旧小区、城中村、学校、医院、机关单位、酒店、餐饮等十处特征排放源头和五处污水主干管关键节点进行水质和水量的监测分析，为管网系统的提质增效工作奠定基础。

　　（四）以模拟的方式进行管网功能性诊断，及时发现排水管网系统导致内涝的问题源头，制定合理管网功能优化方案。

　　采用SWMM模型，对城区中典型内涝区排水管网进行概化，评价了排水管网承载力的现状。在不同的强度暴雨的情况下，模拟分析了内涝点的空间分布、管道承载力，发现原有管道设计标准偏低是研究区域内涝的根本原因。根据管网的现状探测资料，模拟分析在管网在功能性和结构性病害的情况下内涝情况，发现管道的病害加剧了本区域的内涝程度。通过内涝原因的分析，结合区域地理和经济现状，制定排水管道功能恢复和内涝控制方案，通过模拟优化，对病害管段进行清淤和修复，提升区域针对极端暴雨的抵御能力。

　　六、实施成效    

　　本研究于2023年6月结题，得到了评审专家的一致认可，认为是有创新意义和改革成效的研究项目。完成相关研究论文3篇，实用新型专利5项，软件著作权9项，获得全国市政行业市政工程科学技术奖一等奖、广东省土木建筑学会科学技术奖一等奖、中国创新方法大赛广东区域赛二等奖等10项科技奖项。

　　（一）建立了标准的数据库结构和格式，便于不同管理部门信息对接交换，打破了各个部门管网信息的共享壁垒

　　目前本研究成果应用于惠阳某街道排水设施基础数据管理工作中，其数据库已包含排水管网1626 km、检查井117158座、排放口476个、排水泵站5座及其他排水附属设施，基本摸清了该街道排水管网总量、种类等基本信息。结合管道内窥数据，经统计，该街道管网病害点高达40691个，其中功能性缺陷21004个、结构性缺陷19687个，基本摸清了排水管网运行过程中的结构性和功能性缺陷，为制定管道养护和修复计划提供了依据。

　　（二）大大提升广州市某地区排水管道检测效率

　　本研究选取了广州市某个地区的排水管道检测视频进行验证。该项目进行了现场人工探查和CCTV检测。经检测发现，管道病害主要表现为上部出现裂缝、墙体渗漏、墙体严重腐蚀等结构性病害。根据该项目的检测视频，提取视频中的图片帧验证本自动识别技术进行在实际工程中的可行性。整体识别率达到87.05%以上，可有效地提高内业工作效率。

　　（三）通过预先模拟优化内涝治理方案，提升内涝治理方案的实施效果

　　以广州市某城中村作为实施区域，对本区域排水管道建设标准偏低的情况，以SWMM模型作为分析手段，进行管径增加方案的设定和优化。选择内涝区域因下游管道管径不足引起过载的管道，模拟扩大下游管径进行优化试验，选择出现积水点最多的管线作为研究对象，模拟扩大下游管径进行研究区内涝治理。通过模拟发现优化前研究区域内在1年一遇暴雨强度下有多条管段出现满载情况，优化后整体管道的充满度得到较大程度的改善，优化前积水点有27个，优化后积水点只剩下6个，内涝较为严重的区域的内涝点全部消失。从而将本区域的内涝风险降低到最小程度。