花蘇安 吳一凡

(江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院,江蘇南京 210000)

智慧水城系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

花蘇安 吳一凡

(江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院,江蘇南京 210000)

本文從濱水城市的發(fā)展和技術(shù)的演進(jìn)角度,論述了當(dāng)前濱水水城信息化系統(tǒng)研究的意義,提出了智慧水城框架體系,并通過智慧水城系統(tǒng)案例的設(shè)計與實現(xiàn),重點(diǎn)討論了智慧水城系統(tǒng)的總體架構(gòu)、系統(tǒng)功能、水城水利物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計、云計算和水動力仿真原理與應(yīng)用。

智慧水城系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng) 云計算 水動力仿真 三水統(tǒng)籌 水文化服務(wù)

1 引言

水——自古以來哺育著人類,如長江、黃河一直以來被視作中華文明的母親河,孕育了黃河流域、長江流域燦爛的文明,也形成了開封、南京等名城古都,它們與尼羅河、恒河、底格里斯河等催生了光輝燦爛的四大古代文明。同時,我們也從中外許許多多的案例中看出,與水為善,它可以塑造美好的人居環(huán)境,與水為惡,它也會成為環(huán)境惡化的敗壞者。

近年來,隨著政府的大力支持和新一代信息技術(shù)的成熟,智慧城市建設(shè)熱潮大漲,許多濱水城市都積極投身智慧城市建設(shè)中,如何利用信息化技術(shù)助力水城和諧發(fā)展,尋找一種更高效的方法去應(yīng)對傳統(tǒng)水城存在的水環(huán)境、水安全、水資源等問題,更好的賦予城市濱水個性,是許多濱水城市正在思考的問題,而“智慧水城”正是一種行之有效的方法。

2 智慧水城的內(nèi)涵

智慧水城,是結(jié)合城市特色,以水為研究對象,圍繞“以人為本,以水為魂”的核心理念,以“人”的微觀需求出發(fā),采用先進(jìn)的信息技術(shù)和通信技術(shù),對涉水事務(wù)的管理需求提供更加科學(xué)的分析和決策支撐;對公眾各類涉水生活需求提供更智能的響應(yīng)和更好的體驗。主要包括以下內(nèi)涵:

(1)實時感知——通過先進(jìn)的傳感器和智能設(shè)備構(gòu)筑遍布水域的“傳感網(wǎng)”,全面實時的測量、監(jiān)控和分析水文、水情等信息;(2)全面整合——通過通信基礎(chǔ)設(shè)施將水城各個子系統(tǒng)完全連接和融合,充分橫向整合、共享內(nèi)外水文信息資源。(3)創(chuàng)新應(yīng)用——通過科技創(chuàng)新在公共平臺上為政府、企業(yè)和公眾開發(fā)提供更為高效、便捷的創(chuàng)新應(yīng)用服務(wù),為水城的持續(xù)發(fā)展和水文化氛圍的形成提供源源不斷的發(fā)展動力。(4)統(tǒng)一協(xié)作——通過統(tǒng)一的公共管理平臺,實現(xiàn)各個關(guān)鍵系統(tǒng)之間的協(xié)同運(yùn)作,達(dá)成自反饋、自適應(yīng)、自完善和自運(yùn)作的的智慧化狀態(tài)。

3 智慧水城設(shè)計總體思路

智慧水城是要利用濱水城市城水相依的優(yōu)勢。通過信息化手段,在充分發(fā)揮水的資源功能、環(huán)境功能、生態(tài)功能的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)人們的親水意識,賦予水更豐富的文化內(nèi)涵,致力于人與水的和諧統(tǒng)一,用水利凸顯現(xiàn)代城市文明的層次,推動科學(xué)發(fā)展。

智慧水城的建設(shè)應(yīng)該從城市的視角出發(fā),遵循城市智慧生長的客觀規(guī)律,廣泛借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗,充分整合現(xiàn)有公共信息資源,實現(xiàn)濱水城市向智慧水城的跨越式發(fā)展。堅持城水平衡、管服相濟(jì)、三水統(tǒng)籌、和諧共生的指導(dǎo)思想,建立實時感知、全面整合、激勵創(chuàng)新、統(tǒng)一協(xié)作的水城環(huán)境,打造具備自反饋、自適應(yīng)、自完善和自運(yùn)作能力的智慧水城。(如圖1)

(1)城水平衡;城水平衡是為基礎(chǔ)。水為陰,城為陽,陰陽平衡;水在城中,城在水上。(2)管服相濟(jì);管服相濟(jì)是主線。通過管理與服務(wù)相濟(jì)之機(jī)制,實現(xiàn)智慧水城更加科學(xué)高效之宏管理和更加以人為本之微體驗。(3)三水統(tǒng)籌;三水統(tǒng)籌是為手段。通過將水環(huán)境、水資源、水安全這三“水”頂端統(tǒng)籌、全面協(xié)調(diào),實現(xiàn)水環(huán)境的智能監(jiān)控、水資源的智能管理和水安全的智能指揮。(4)和諧共生;和諧共生是愿景?；療o形為有形,營造“人文關(guān)懷、環(huán)境優(yōu)美、安全可靠、資源節(jié)約”的活力水城,最終實現(xiàn)水城的環(huán)境持續(xù)友好,生態(tài)健康宜居,鑄就和展示智慧水城獨(dú)具東方特色的“魅力水文化”。

4 智慧水城設(shè)計總體框架

智慧水城總體架構(gòu),是以智慧水城總體架構(gòu)為指導(dǎo),秉承“統(tǒng)一門戶、統(tǒng)一架構(gòu)、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”的設(shè)計思想,注重需求導(dǎo)向、效能提升,創(chuàng)新驅(qū)動,重視有效對接和充分利用現(xiàn)有資源和平臺,凸顯水城信息資源的融合共享、信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通和業(yè)務(wù)服務(wù)的協(xié)同聯(lián)動,強(qiáng)化推進(jìn)策略、發(fā)展模式等配套環(huán)境建設(shè)和體制機(jī)制創(chuàng)新,極大激發(fā)城市的創(chuàng)新活力,確保智慧水城的發(fā)展、運(yùn)轉(zhuǎn)、治理等符合現(xiàn)實規(guī)律。

智慧水城總體架構(gòu)共分為四橫。“四橫”分別為基礎(chǔ)設(shè)施層、公共平臺層、智慧水城應(yīng)用系統(tǒng)層以及互動展示層。如圖2所示。

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層;包括水城傳感基礎(chǔ)設(shè)施和通信基礎(chǔ)設(shè)施資源。為智慧水城的各類應(yīng)用提供信息化基礎(chǔ)保障。(2)公共平臺層;包括四個提供基礎(chǔ)、共性服務(wù)的城市核心一級平臺,為水城提供物聯(lián)數(shù)據(jù)匯聚處理、大數(shù)據(jù)分析挖掘、信息資源共享與交換,以及應(yīng)用系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)和快速部署。為深港信息資源互通、水城應(yīng)用實現(xiàn)提供基礎(chǔ)支撐。(3)智慧水城應(yīng)用系統(tǒng)層;以提供更加科學(xué)高效的宏管理,更加以人為本的微體驗為導(dǎo)向,構(gòu)建智慧水城應(yīng)用體系。大力推進(jìn)水資源管理、水環(huán)境管理、水安全管理和水文化服務(wù)等應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè),促進(jìn)智慧水城全面落地。(4)互動展示層;將智慧水城應(yīng)用成果基于一站式城市門戶、智慧中心大屏、應(yīng)用程序、軟件客戶端、領(lǐng)導(dǎo)桌面等,向水城的社會公眾、企業(yè)、城市管理者,提供真實、準(zhǔn)確、便捷的信息呈現(xiàn)、服務(wù)提供和互動交互渠道。(圖3)。

5 智慧水城實施建議

5.1 進(jìn)一步加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo),完善體制機(jī)制

為保障智慧水城工作順利進(jìn)行,需要加強(qiáng)指導(dǎo)監(jiān)督和技術(shù)服務(wù),理順智慧水城規(guī)劃、建設(shè)、管理和運(yùn)行的體制機(jī)制,形成各部門共同推動信息化的良好氛圍。要充分發(fā)揮行政行業(yè)管理的手段,注重協(xié)調(diào),強(qiáng)化管理、務(wù)求實效,調(diào)動一切可以調(diào)動的資源,積極推進(jìn)各工程建設(shè),確?！爸腔鬯恰蹦繕?biāo)的實現(xiàn)。

5.2 進(jìn)一步加大資金投入,加快重點(diǎn)工程

智慧水城重點(diǎn)工程,對夯實水利信息化基礎(chǔ),全面推進(jìn)業(yè)務(wù)應(yīng)用,逐步形成科學(xué)的水利信息化綜合體系起了至關(guān)重要的作用。需要研究制定加快智慧水城發(fā)展的投資政策,積極開辟投資渠道,加大對智慧水城建設(shè)的資金投入,為重點(diǎn)工程的建設(shè)和運(yùn)行管理提供必須的經(jīng)費(fèi)支持。

5.3 進(jìn)一步采取有效措施,推動資源整合

智慧水城資源整合與共享程度是衡量濱水城市智慧化程度的重要標(biāo)志,但同時,水利信息化資源整合與共享也是一項涉及面廣、技術(shù)難度大、協(xié)調(diào)任務(wù)重的工作。需要完成水利信息化資源整合與共享的各項基本任務(wù),建立各級管理部門工作協(xié)調(diào)機(jī)制,健全相關(guān)辦法,制定標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,采取有效措施,對智慧水城資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃,合理配置,促進(jìn)資源的整合、公用、共享,充分發(fā)揮各種資源的作用和效能。

圖1 智慧水城總體思路

圖2 智慧水城總體框架圖

圖3 智慧水城應(yīng)用體系圖

5.4 進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,提高技術(shù)水平

認(rèn)真分析研究下一代網(wǎng)絡(luò)、第三代移動通信等新興信息技術(shù)給水利工作帶來的影響,結(jié)合水城特點(diǎn),及時提出水利信息系統(tǒng)建設(shè)和升級方案,保證水利信息化的先進(jìn)性,為水城工作提供有力支撐;要通過推廣成熟應(yīng)用軟件,縮小地區(qū)間的差距,迅速提高水利信息化對各項水利工作支撐服務(wù)水平,促進(jìn)智慧水城集約化發(fā)展。

5.5 進(jìn)一步加強(qiáng)管理維護(hù),保障正常運(yùn)行

要把信息化管理作為智慧水城管理的一項重要工作內(nèi)容,建立健全信息化管理的組織保障體系、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系和資金來源渠道。要盡快理順信息系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理機(jī)制,明確運(yùn)行維護(hù)管理部門,制定管理制度,明確崗位、落實責(zé)任、定期檢查、實時維護(hù)。

5.6 進(jìn)一步完善體制機(jī)制,促進(jìn)良性發(fā)展

要不斷創(chuàng)新和改進(jìn)管理模式和方法,把智慧水城工作的成效列入單位和領(lǐng)導(dǎo)績效考核的內(nèi)容;完善信息化建設(shè)、管理、運(yùn)行維護(hù)和績效評估等制度,著力建立智慧水城信息化建設(shè)與發(fā)展的長效機(jī)制,探索建立投資渠道多元化的發(fā)展機(jī)制。試點(diǎn)探索外包、托管等多種運(yùn)營方式,提高智慧水城信息化發(fā)展的效率和效益,促進(jìn)水城良性發(fā)展。

6 智慧水城關(guān)鍵技術(shù)

6.1 智能傳感網(wǎng)

(1)統(tǒng)一、全面的物聯(lián)接入網(wǎng)絡(luò)是智慧水城管理與服務(wù)的基礎(chǔ)。智能傳感網(wǎng)可以根據(jù)輸入信號值進(jìn)行判斷和制定的決策;可以通過軟件控制作出多種的決定;可以與外部進(jìn)行信息交換,有輸入輸出接口;具有自檢測、自修正和自保護(hù)功能。(2)利用移動通信網(wǎng)絡(luò)與傳感網(wǎng)結(jié)合。構(gòu)建適于傳感網(wǎng)運(yùn)營的GPRS/TD/WCDMA/CDMA2000/WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))融合網(wǎng)絡(luò),發(fā)揮通信網(wǎng)絡(luò)廣泛的覆蓋性、可移動性、雙向?qū)拵ㄐ拍芰?以及可靠的電信級服務(wù)質(zhì)量,為信息可靠、自由傳送提供高速公路,將為傳感網(wǎng)的發(fā)展提供有力支撐。

6.2 三維GIS

(1)智慧水城對現(xiàn)有GIS技術(shù)進(jìn)行了延伸,將GIS技術(shù)中的有關(guān)部分通過網(wǎng)絡(luò)有機(jī)集成共享,構(gòu)成一個強(qiáng)大的技術(shù)體系。(2)并且加入三維可視化技術(shù),更加直觀準(zhǔn)確的實現(xiàn)對各種空間信息和環(huán)境信息的快速、機(jī)動、準(zhǔn)確、可靠的收集、處理與更新,為防汛抗旱、水資源調(diào)度管理決策、水質(zhì)監(jiān)測與評價提供決策支撐。

6.3 水動力仿真

科學(xué)高效地發(fā)現(xiàn)和預(yù)測水環(huán)境、水資源、水安全的相關(guān)信息,是智慧水城系統(tǒng)建設(shè)的一個關(guān)鍵。而基于水動力學(xué)原理模擬水城水功能區(qū)水體的流場[1,2]與污染物遷移擴(kuò)散[3]的時空變化過程,可以為水城水環(huán)境監(jiān)控、水資源管理、水安全指揮提供科學(xué)及時的信息發(fā)現(xiàn)與提前預(yù)測。

為了明確流體動力學(xué)方程中各項的物理意義和方便處理,引入通用變量ф來表示流場和污染物遷移擴(kuò)散方程的一個通用表現(xiàn)形式,將水動力學(xué)方程表示成如下統(tǒng)一形式:

一般在平面二維條件下,u=ui+vj,其中u、v分別表示流場在縱向和橫向上水流速度的分量大小,根據(jù)待仿真量的不同,ф可以分別表示流場流速、質(zhì)量或者污染物濃度等。以上方程稱為非穩(wěn)態(tài)對流擴(kuò)散方程,各項從左到右所表示的物理意義依次為:ρф/t項表示慣性作用(隨時間變化率),div(ρuф)項表示對流作用,div(?！radф)項表示擴(kuò)散作用,S_φ表示源匯項.其中源匯項根據(jù)實際情況細(xì)分開來,考慮因素可以包涵流場阻力、水頭壓力、地球自轉(zhuǎn)柯氏力和風(fēng)應(yīng)力,或者是污染物遷移擴(kuò)散場的污染物源匯量等。

7 結(jié)語

城市發(fā)展是一個漸進(jìn)的過程,需要積極實踐和不懈追求。在創(chuàng)新水城建設(shè)思路、完善規(guī)劃體系的征程上,智慧水城系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)從智慧城市整體視角出發(fā),立足現(xiàn)狀,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)實時感知、全面整合、創(chuàng)新應(yīng)用和統(tǒng)一協(xié)作,借助智能傳感網(wǎng)、三維GIS、和水動力模型等先進(jìn)信息技術(shù)整合水城信息資源,深度開發(fā)各業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng),并通過統(tǒng)一綜合信息管理平臺實現(xiàn)“系統(tǒng)融合,資源共享”的目標(biāo),可以切實有效的加快濱水城市信息化建設(shè)的步伐。

[1]許新宜,王韶偉,龐博,楊麗英,王紅瑞.“水資源緊缺類型及其對策分析研究”北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009(01),P86-90.

[2]李鳳蘭,張永勝.“臨沂市“宜居水城”建設(shè)戰(zhàn)略研究“,《建設(shè)科技》.

[3]胡傳廉.“上海“智慧水網(wǎng)”發(fā)展理念與展望”.《水利信息化》,2011(03),P14-17.