ADS排水系统介绍

摘要：ADS排水系统在信息化、数据结构、系统联动上获得突破，并结合了模块化、集散型控制系统、智能材料、受控无人机等先进技术，将人工智能从决策支持系统变成了决策层，且能够提供远超过排水以外的服务。ADS及其衍生的地球水资源联动网络将会在二十一世纪作为人类对超大型智能系统探究领域的先驱者。

关键词：ADS、市政工程、排水、人工智能、模块化、联动系统、无人机

Abstract: ADS drainage system achieved a breakthrough in information, data structure, system, and combines modular, distributed control system, intelligent materials, controlled drones and other advanced technology, artificial intelligence from decision support system into a decision-making layer, and can offer much more than drainage outside services. The earth's water resources linkage network will be ADS and its derivative as human beings to pioneer super intelligent systems research field in twenty-first Century.

Key words: ADS, drainage, municipal engineering, artificial intelligence, modular, linkage system, UAV

中图分类号：S276.3文献标识码：A文章编号：

一、ADS排水系统总论

1、定义

ADS排水系统（Advanced Drainage System）是一个以外接传感器、伺服、遥控系统和终端电机设备为基础，在集散型控制系统的配合下，以中央控制为核心，并配合人工智能数据处理中心的新一代排水系统。

2、先进性

⑴高效性：ADS使区域排水系统更加合理、高效、并具有可扩展性，同时ADS集成了地理信息系统（GIS）[1]及人工智能系统，添加了远程机电伺服遥控装置，使它对系统各组件有了更优良的感知能力、运转能力，以形成高效的决策、控制系统。

⑵优化组件控制能力：ADS主要发展方向是对排水系统运行组件的控制能力，更加注重和完善对运行组件的控制措施，增强集散型操作系统的优异性并合理配合人工智能系统，突出远程控制的操作性与精度。

⑶硬件模块化：ADS在硬件上广泛采用模块化设计。通过在设计初期根据当地地质、气候、水文等情况综合，因地制宜的设计使ADS在区域内达到最佳效能，避免了“统一化”带来的问题。同时，ADS硬件模块具有更佳优异的兼容性和发展性，能够通过小规模逐渐升级的方式使系统适应时展需要，满足日益苛刻的给排水要求。

⑷集散型控制系统的运用：ADS嵌合了工业领域成熟的集散型操作系统作为外路控制回路，能够有效地发挥集散型控制系统高效、抗阻能力强、及时性好、精确度高等一系列优良特性。同时以集散型操作系统作为终端，能够提供一条能够涵盖系统所有操作层面的人机交互通道，保障ADS的可靠性和安全性。

⑸人工智能的运用：ADS在中央控制系统处采用了先进的人工智能技术，通过对反馈信息的及时处理以达到更佳高效的系统效率，有效避免人工操作带来的延时和误差。同时可通过紧急设备强行切换手动控制系统，应对突况，提高ADS的可靠性。

二、ADS排水系统理念

ADS是一个主要以地下管道系统为平台的大型土木工程，其结构主要是以3D布局进行合理化设计。ADS在城市智能化过程中像地基一样植根于一座城市的地下，为城市后续发展提供了可靠的支持。

现如今地下管道系统的发展趋势是将排水系统和供水系统结合，将地下管道设施整合，对城市地下空间更加合理的利用，达成"合理性"这一基本要求的有效途径就是"智能化"，而ADS根本上是对一个地区内所有的水资源起调配作用。在未来，由于环境恶化等不可抗拒因素，一个城市在发展过程中面临的排水问题不仅仅是地域性的，而是全国乃至全球联动性的。为了人类能够更加精准的研究地球科学，ADS最终的目标就是通过其独有的智能性联动全球排水网络，从而形成一个能够在信息资源上无缝链接的全球性网络，统称地球水资源联动网络（The Earth's Water Resources Linkage Network，EsWRLN）。复杂且庞大的网络在硬件管理上提出了更高的要求，由于地域性的因素，人类无法完成统一且时刻精确的调控措施，这对一个切合度极高的系统几乎是致命的，而人工智能则能够提供这类服务，以一个集散式的构架完成EsWRLN的运作，能够在特殊情况下部分性的暂时脱离控制。

在现有阶段，ADS主要依托一个全新的智能排水平台构建，由于现在的科技发展局限性，针对现有的城市完成整体改造较难，所以建议在每次修缮排水系统时，通过及时替换硬件，以零散方式完成一个地区ADS的建造工作，这样还可以逐步对新建成的ADS进行小范围的测试运行，在发现问题时只需对现有已经铺设的ADS进行重新调整即可。这种方式对ADS的发展可积累一定经验，对后续的ADS建成树立标杆，并能够在同等地理环境下进行全球性比对，为ADS的后续改进提供可能的途径。对于不同地域的ADS单位，应选择不同的建设方式，而这种建设方式将会直接影响ADS零件的建造，采取模块化设计是大势所趋，这是有利于ADS全球化的措施，也是对EsWRLN构建的基础。

三、工作原理

传感器—微处理器数据处理—集散型控制系统（信息收集系统）—中央控制系统【人工智能控制/人工控制】—集散型控制系统（控制系统）—微处理器数据处理—终端机电设备

图1：ADS工作原理示意图

四、ADS与传统排水系统的对比

1、排水系统动力来源

传统排水系统主要由重力提供能量来源，一般能够自流完成部分排水工作，但效率低下。在特殊情况下，传统排水系统需要增设泵站以加大排水效率，但由于泵站抽排能力不够而使得城市内涝现象频发。

ADS排水系统则引入电力作为能量来源，在管道内设置大型排水涡轮，通过电力驱动加大管道内污水的流速。并可加深部分排水管道的深度，以充分利用自然重力。

2、系统材质

钢筋混凝土造价低廉、施工简易，其优良的抗损性能够胜任大型工程项目，因此ADS与传统排水设施都以钢筋混凝土为主。同时配合具有自修复材料如超分子凝胶具有形变大、恢复时间短的特性，展现了优越的材料应用前景[2]，并通过更加先进的模块化组件加大ADS硬件的牢固程度，已达到市政工程基本的50年设计使用寿命。

ADS在地下管道内增设大量的阀口和机电设施，会在重要的区域安装大型涡轮，所以合金将会被运用在ADS的建设之中，并提升至重要的地位，以保障ADS运转的正常与稳定。

3、系统结构

⑴管道结构：

传统排水系统的大多数排水管道采取的是合流制，将雨污一起排放，但这样会导致管道极易堵塞，且由于单一的合流管道设置，一旦堵塞极有可能发生内涝。合流制带来的不仅仅是环保问题，也增加了其维护成本。

ADS有不亚于当代任何一个地下建筑的复杂程度的管道系统。ADS管网按照垂直排列分成三层，分别是：路基排水渠道、浅层排水管网、深层排水隧道。当污水排放时，浅层排水管网打开排水竖井，大量污水直接排入深层排水隧道，并通过强劲的大型排水涡轮系统进一步增强排水效率。由于管道功能的多样化，浅层排水管网将采用135cm和180cm两种管径，与国内大多数排水管道设计相符，能够大致分为主管和支管两种管道。ADS使用传统规格的管径其目的在于与现有的排水设施兼容，而在未来国家基础市政工程建设时能够有统一的建设标准。

通过对现有排水难点的研究，ADS将会采用合理的分流制，将雨污分流，减少堵塞的可能性，整体上降低维护成本，且能够实现绿色环保等要求。分流制作业虽然增加了ADS管道的施工难度，但在未来，城市地下空间的利用将会逐渐需要分流制管道网络对信息网络的帮助，盘根错节的分流制管道意味着子系统与子系统之间的连接有更多的通路。

ADS采用的深层隧道管径较大，不仅能够增加流量，更重要的是为了配合ADS其他硬件模块，例如ADS无人机和排水涡轮等。足够大的工作空间能够赋予ADS更多的能力，以完成更加复杂、更加多样的任务。

⑵ 管理效率：

传统排水系统大多是上个世纪修建的，所以绝大多数排水管道无法通过间接途径获得内部信息，所以自适应调控能力低下。

而ADS排水系统采用了如下先进智能的排放系统。

①智能化结构：在系统操控上首次引入成熟的工业系统，是为了最大程度上减少人工操作，并覆盖尽可能多的排水任务区域。人工智能的地位将会从辅助工具提升到主要的决策系统，并在终端控制覆盖所有硬件。在处理如处于施工状态的部分管道、外界降雨量过大等会对整体效率进行削减的信息时，ADS等都会通过人工智能系统进行优化处理，使得整个系统保持在最佳运转状态之下。 ②分层管理系统：人工智能为主体的中央控制系统将成为核心管理级。分级系统的存在使得ADS相较于传统排水设施有了更为明确的功能划分，并减低了内部决策失误、信号冲突等问题。同时，中央控制系统仅作为决策者，而ADS硬件的具体运转则由下级的"集散型控制系统"承担。

③集散型控制系统：主要负责ADS基层硬件部分，受到更高一层的管束，在分层控制系统中属于过程管理级、过程控制。系统应用组件采用集散型控制系统，运用统一的分布式操作系统，把多个数据处理系统的通用部件合并为一个具有整体功能的系统，软硬件资源管理没有明显的主从关系，应用于过程控制，实现就地（分散）控制，集中显示，处理和分级管理。ADS集散型控制把各自成体系的硬件和软件加以集中，并重新组合统一到系统中，分别完成数据采集、控制、监视、报警、记录、机电终端控制、系统管理等功能。集散型控制系统采取自成熟的工业控制系统，能够有效管理不同区域、不同状态和不同环境下的ADS硬件运转[3]。

4、系统升级

由于传统排水设施升级进度缓慢，在日益繁重的排水压力下，已经不适宜再投入资金进行逐步替换法的小规模升级。

ADS逐步替换法不仅能够保障排水系统运行的稳定性，并且能够依照原来的规划，充分利用地理环境，同时还具有，升级成本较低，快速安置等优点。

ADS具有以下的优点：

⑴模块化设计：模块化设计集成了富有远见的通用接口等兼容性很强的零部件，以保障至少在未来50年内能够符合升级需求，且有安装简易、升级即时的优点。不同环境下的ADS有不同的模块对应，把系统排污效率发挥到最大。ADS将针对城市不同地段采取不同的排水设施模块进行工作，良好兼容整个城市的规划设计。由于在对ADS硬件平台升级时主要是对现有模块进行再设计，所以，ADS模块化能够让其拥有个性化的不同的升级方向，因地制宜，良性贴合城市发展方向，进一步优化排水能力

⑵分层控制：ADS对于终端电机方面的升级，由于采取集散型控制系统，能够在某一个节点进行操作后直接通过通讯线路远程升级其他地方的集散型控制系统节点，具有极高的升级效率。

⑶信息技术运用：在升级之前能够使用计算机对升级后的ADS运转进行模拟，并通过模拟提前发现可能存在的漏洞，并及时进行修复。

⑷兼容性：ADS有一个通用的软硬件标准，为了考虑到环保和减少成本等因素，ADS在建设初期就能够和传统排水设施进行部分兼容，使得ADS具有极强的兼容性。

五、ADS排水涡轮的引入

1、概念

排水涡轮在管径为3m和6m的深层隧道中工作，成为ADS增加排水效率的最主要的途径。深层排水隧道深度大约在25～40m，管道内环境能够允许耐腐蚀、耐磨损涡轮工作。与浅层排水管网由大管径的排水竖井相连，雨污在重力的作用下能够快速落入水速更快的隧道。

2、机械原理

排水涡轮由两部分组成：内轴高速涡轮和外置低速涡轮。两者涡轮叶片共轴线，但由于转速差两者并不共轴。内轴高速涡轮在轴心处安置电磁发动机带动叶片高速旋转，外置低速涡轮则会突出于管壁，在管壁外侧的叶片上安置电磁铁，由外圈管壁内嵌的电磁线圈通过交变电流改变磁场方向带动外置低速涡轮旋转。

由于内轴高速涡轮带来的水流在管道中央以螺旋状旋转扩散，其水流速度将会比外侧由外置低速涡轮加速后的水流速度更快，造成的流体压强差会使得水中的不溶性固体污物集中在中央水流中，而不是扩散到管壁，这样可以有效减轻排水管道的损伤情况。

3、材料需求

⑴管道材料：

深层隧道内的水流速度提升需要管道设施拥有极佳的密封性。现阶段主要使用水泥混合金属焊接将排水水泥管连接，仅能够保证一定时期、低水压下的密封性，而且随着污水侵蚀，密封部件受损很严重。

而ADS模块能够严密贴合管壁和管壁之间的缝隙，外层通过铆钉和卡齿密封圈连接，能够快速装载、卸下，方便了检修维护。合金组件能够抵抗长时期高速水流的冲刷，比水泥抗压能力更好，使得ADS模块能够承受大型排水涡轮带来的水压。

⑵叶片设计：

叶片使用传统的开式叶轮，并在叶片上使用加强筋，故可输送黏度较高的液体、浆状液体，并能够使更多的固型不溶物通过。由于涡轮叶片的间隙增大，叶片整体受力面积减小，使得垂直于叶片的压强减小，更多的力作用在顺轴线的方向，有效减轻对涡轮叶片的磨损程度并提升水流速度。

六、ADS无人机的引入

鉴于ADS管道的复杂性，在ADS系统中引入无人机系统有着重要作用。再加上ADS诸如人工智能、模块化设计、分层管理等先进理念的引入使得无人机的使用成为可能。ADS专用无人机将采取模块化设计，按照任务需要可在无人机出发前对无人机结构进行更改。

正如前文所言，ADS采用135cm、180cm、3m、6m四种不同的管径的管道。所以，能够适应不同空间的能力是ADS无人机的根本，能够完成不同需求的任务是ADS无人机设计的目标。

七、ADS智能系统联动与调控

ADS采用人工智能系统，这使与其他资源联动成为可能。由于ADS智能系统需要有大量的数据支持，传统的人工输入已经不能满足，由ADS自主获取信息将会成为ADS发展的一大方向，其中最值得注意的就是多系统联动。 不同的设备系统之间使用同样的信号格式或者其他通讯手段达到信息无障碍交流，这需要每个设备系统都具有相同的信息编码、解码支持。就目前而言，气象服务系统和电子地图融合就是一个极好的例子。ADS智能系统只需要获取一串数字信号而不是复杂但直观的图像即可有效处理区域内的排水任务调度了。

地理信息系统（GIS）其恰好解决了ADS系统对待外来数据的接受问题，两者在设计思路例如对传感器的大量使用、原生数据的再处理、地理信息层面综合等都是相通的。

城市发展将会使城市圈面积不断扩大，仅仅依靠ADS地下模块之间的连接很难再完成大范围面积内的整体调控，且由于作业面积的增加，一些人为因素将会显著影响ADS排水效率，所以ADS系统联动是符合时代需要的，能够对地表及非排水系统的干预，以更好地使ADS服务于人民，提高ADS工作效率和服务质量。

⑴气象系统联动

将气象局发来的数据进行处理，ADS通过计算机技术丰富了地理信息，根据可能的降雨时间、降雨量等预测参数提前数小时调整排水区域内各项硬件的运转状态。智能建筑系统的最大特色就是能够适应时展，以求最小幅度的更换硬件达到最大幅度的工作效率，而这也是一个完善的智能系统所能提供的。美国智能建筑学会定义智能建筑“是将结构、系统、服务、运营及其相互联系全面综合并且达到最佳组合，所获得的效率高、功能强与舒适性高的大楼”。虽然ADS无法顾及舒适性，但通过外界环境的变化合理调节自身对不同地区不同降雨情况的应对措施，可达到操作简单、信息可靠、反映快速、冗余合理等要求。

⑵交管系统联动

ADS主要工作环境是在城市地下，其运转需要地表提供支持。在ADS接收到气象系统的最新信息后，ADS会主动评估城市威胁等级，优先划分出最需要排水的地区，并合理开放深层排水隧道以供排水。现代城市正在着力发展智能城市，其中提出的"智能公交"即可作为典例完成部分ADS联动任务，例如公交发车时间调整，减少经过渍水区的公交次数，提升渍水区周围的公交发车量，以运载更多的市民远离渍水区。 即使深层排水隧道有极强的处理能力，但其能力也是有限的，ADS在应对数十年乃至百年一遇的强降雨时，需要合理调整排水区域。通过交管系统，ADS能够优先处理人车较多的地区，以保护公民的人身财产安全。如在强降雨发生前，对那些极有可能发生内涝等灾害的地区进行播报，通知司机和行人主动避开相关区域。

八、ADS应用展望

1、基本信息

城市：湖北省武汉市

城市气候：武汉属北亚热带季风性湿润气候区，具有雨量充沛、日照充足、四季分明，夏季高温、降水集中，冬季稍凉湿润等特点。初夏梅雨季节雨量较集中，年降水量为1205毫米。

时期：梅雨季节

2、ADS投入使用预想

⑴总体情况

在城市遭遇强降雨时，迅猛的雨量瞬间超过了人力可控的范围，长江水位迅速升高，使得沿江地段自然排水沟壑排水量出现下滑。此时，早已通过气象数据做好准备的ADS通过预订的排水方案在无人值守的情况下自动进行紧急排水。ADS在水务人员察觉之前就已经完成了“预报-预警-采集信息-实施”的一系列过程，各路段下的浅层排水管道的排水竖井被打开，大量雨水从浅层排水管道流入地下25m至40m的深层排水隧道。依托地形建造的深层排水隧道能够通过其庞大的体积蓄满更多的污水，并且能够承担更大的流量。

⑵ADS各个先进功能运用

ADS智能系统依靠各地集散型操作系统传来的回馈数据模拟着武汉市内降雨的各种情形，通过人工智能对历史数据的反馈，将可能出现内涝渍水的地区进行标记高亮，用概括性的讯息指令当地集散型操作系统操纵各地的排水阀门，对目标阀门、机电设施进行控制，力求做到整个排水系统在最安全的情况下满负荷运行。ADS中央控制系统通过它强劲的处理性能，指挥着各地区的集散型控制系统，自动优化整体的运作效率。

特大暴雨冲刷着城市路面，路基下方3m处的浅层排污通道主管内的雨水在异轴涡轮机的加压之下以平时数十倍的流速被排出。由于流体压力差，排水沟渠内更多的污水能够被更加快速地被吸入。由于特大暴雨带来的广泛影响，ADS启动了预订预警机制，通过短信、网络、视频传媒等手段向公众发出已经预备好了的暴雨警告，同时通过和气象台等机构的信息联动调出最近的气象数据对下一阶段的降雨情形做着自主推导，并变成新的排水方案。

天气在逐渐恶化。ADS在处理城市内部排水工作的同时，也在向周边地区其他ADS单位发送预警信息，让其他地区做好充分的准备。同时，ADS也会与当地水务局进行数据交换，使得工作人员能够对排水方案进行人工的调整。由于对公众警告及时，ADS可以打开部分路基排水设施，如在城市临水区域启用应急抽水泵，配合着强劲的大型异轴涡轮，防止江、河、湖、海倒灌城市的风险。

⑶紧急情况

①排水管道堵塞

位于武汉市武昌区水果湖的一处浅层排污管道内发生故障。通过当地传感器发回的最后消息，ADS判定为异物堵塞管道。在无法及时解决的情况下，当地的集散型控制系统紧急更改排水管网流向，ADS将当地排水压力分担到周边地区，并对当地管道压强、管壁受迫情况做严密监控，以防外力因素对管道的损伤。集散型控制系统立刻向中央控制系统报告，以请求进一步指令和支援。与此同时，集散型操作系统向周边工作人员发出紧急通知。在有可能的情况下，指令机器人通过排污管道及时抵达现场，对能够清除的污物进行了处理。

随后中央控制系统指令，指派排水工人也赶到现场。排水工人将手中的个人终端连上了ADS工作网络，并在进行了严格的使用者权限和身份信息验证后与地下ADS机器人共享了视角，并能够通过高速的城际网对地下的机器人进行人工操控。由于有智能系统的信息支撑，工人马上绘制出了当地排水管道三位模拟图，并通过人工智能对解决方案进行了简化与优化，人工智能也逐渐学习人类处理问题的方式。

②排水管道损坏

异物损伤了排水管道的管壁，但是无人机在地下很快发现了被刮伤的管壁，并通过机载传感器对损伤部位进行了更为详尽的分析，并将结果报告给ADS中央控制系统和排水工人。由于ADS以模块化建设，修复工作变得易于操作。通过无人机载有的应急凝固工程塑料喷剂对其进行应急加固，在智能系统和远在总部的专业工程人员进行磋商后，决定替换破损的结构。接管交管系统后，一队配有重型机械的抢修队一路畅通地按照指示到达了现场，在与先前到达的排水工人进行数据共享后，抢修队很快划分出了脚下最近一块ADS模块。

由于需要刨开路基，ADS智能系统很快使用授权对周边的交通系统进行了干预，封锁了施工路段，并指示下级集散型控制系统封闭了周边的阀口，清空了受损ADS模块内的污水，并切断了对其的电力供应等能源支持。抢修队在卸下外部连接装置后很快通过重型起重机调走了受损的ADS模块，并安放了一个新的以承担当地排水工作。

九、结束语：

纵观ADS排水系统之设计，我们不难发现，ADS是基于现有的且较为成熟的某些工业技术，如：人工智能、模块化设计、无人机等应用之上再加以特异性改造和优化完善而成。无疑，任何一件产品或者技术的提出，重要的不是技术问题，而是设计思路和理念。基于错误的不合时宜的设计思路和理念，纵然再好的技术应用也发挥不出优越性。而成功的设计思路和理念即使技术不太成熟却也有希望看到大放风采的一天。而我们坚信ADS便是如此。

参考资料：

[1]《应用组件GIS技术开发城市排水管网规划及管理信息系统》，湖南土木工程学院，作者：申勇

[2]《Self‐Healing Supramolecular Gels Formed by Crown Ether Based Host–Guest Interactions》，作 者Mingming Zhang, Dr. Donghua Xu, Xuzhou Yan, Jianzhuang Chen, Shengyi Dong, Bo Zheng, Prof. Dr. Feihe Huang

[3]《智能建筑系统集成与控制技术》，2.1智能建筑控制系统的组成与功能，主编：魏立明

作者简介：

刘宇熠，武汉中学学生，中国大智慧（CTB）一等奖获得者之一，排水系统（ADS）提出者，研究“智能排水”，TEL：18627154217, E-Mail：

黄嘉俊，武汉中学学生，武汉中学模拟联合国社秘书长，追梦模联执行长官