劉 駿，朱 穎，賈玲玲

（常州市水資源服務中心，江蘇 常州 213000）

0 引言

城市水務是一個民生問題，與地區(qū)人民的生活息息相關。目前我國水務面臨極大的挑戰(zhàn)，包括水資源短缺，南北水資源分布不均勻，水污染嚴重，城市內澇問題頻發(fā)。伴隨我國城鎮(zhèn)化進程的加快，國家對城市公共水務系統(tǒng)的信息化程度更加重視，也加大了對信息化工程的投資力度。2013 年頒布的《國務院關于做好城市排水防澇設施建設工作的通知》，明確要求要在 5 a 時間內完成雨污管網的分流改造，用 10 a 左右的時間建成較為完善的城市水務信息系統(tǒng)體系[1]。

隨著物聯(lián)網、云計算等先進技術的不斷發(fā)展和應用，信息化的建設思路也逐漸發(fā)生變化，當今城市面臨各種各樣的挑戰(zhàn)，未來城市發(fā)展必須走包容化道路，即智慧城市[2]。2012 年常州市發(fā)布《常州“智慧城市”發(fā)展規(guī)劃（2012—2016）》，立足常州市實際發(fā)展狀況，以解決城市運行、民生保障為任務，打造一流智慧名城。以智慧常州為契機，以常州市新北區(qū)水利和水務主要業(yè)務為立足點，提出建設排水信息化的構想，利用物聯(lián)網、云計算等先進技術，構建大數(shù)據(jù)環(huán)境下新北區(qū)排水管理一體化平臺，整合水利部門數(shù)據(jù)，以排污為立足點，兼顧雨洪季節(jié)行洪、排澇功能，提高排水演化規(guī)律，為水務信息化建設提供新的思路。

1 常州新北水務管理體系

新北區(qū)排水管理一體化平臺由常州新北水務公司建設，以常州市新北區(qū)全區(qū)污水排放管網的鋪設和養(yǎng)護為主要任務，并集成防洪和排澇功能，主要維護設施包括市政污水管網 258.8 km，農村污水管網 647.0 km，區(qū)域性泵站 18 座，截留泵站 26 座，農村提升泵站 45 座，農村處理設施 173 座。按照市場運作、政府引導、突出主業(yè)、優(yōu)化整合原則，整合水務資源，突出排水主業(yè)，集生產、運營、服務和資本運作一體化，常州市新北區(qū)水務的創(chuàng)立一定程度上實現(xiàn)了從“九龍管水”到“一龍管水”模式的轉變，提高了企業(yè)的運營效率，大幅度提高了城市居民生活及排水服務水平。

目前常州新北水務管理存在以下不足：1）倉儲出入庫記錄主要依靠手工進行，涉水資產（包括使用和倉儲中）盤點較為困難，效率低下。2）排水管網漏損率較高，維修壓力大，當管網爆裂事件發(fā)生時，需要人工查找爆裂地點，通知外包維修人員進行維修，告知相關泵站人工關閉排水閥，突發(fā)事件處理效率較低，極大地影響城市的正常運轉。3）在暴雨季，為完成泄洪任務，需要外借人員在泵站值守，運營成本較高。

因此，通過信息化的手段，借助大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網等技術手段，實現(xiàn)泵站自動化控制、管網爆管點預測、維護維養(yǎng)自動派單、排水關鍵點實時監(jiān)測，提高常州新北水務管理水平。

2 常州新北水務信息化現(xiàn)狀

常州新北水務信息化工作遵循“統(tǒng)一規(guī)則、分步實施、平臺共用、資源共享、應用先導、務求實效”的原則，初步部署了水位監(jiān)測井 220 個，水質監(jiān)測點 262 個，視頻監(jiān)控點 18 個，目前暫時只完成排水收繳、辦公業(yè)務 2 個信息化系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)部分傳感器數(shù)據(jù)的自動采集傳輸，部分傳感器數(shù)據(jù)仍采用人工方式采集，泵站依靠傳統(tǒng)的人工方式進行控制，缺少集自動化控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)挖掘與分析和 GIS 可視化展示于一體的綜合性排水智慧平臺。在水務信息化方面還存在以下不足：

1）立體感知能力分布不均衡。目前新北水務監(jiān)測能力較前幾年有了顯著提升，硬件設備部署相比前幾年有了明顯增多，但是數(shù)據(jù)采集設備布點存在不均衡的狀況，設備的可靠性、數(shù)據(jù)采集的準確性有待進一步提高。通過各種信息采集器的均衡布點，可以對新北水務排水過程中產生的數(shù)據(jù)進行立體采集，全方位感知水務運行全過程。

2） 自動化控制程度不高?，F(xiàn)階段新北水務的泵閘站采用的人工控制方式工作效率低下，控制不及時，可能會對水務工作正常運轉造成一定影響，且每個站點都需要有人值守，人力成本高。綜合運用成熟的工業(yè)控制、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸及計算機等技術，建立先進的控制系統(tǒng)，可提高泵站運行的安全性、可靠性，提高新北水務的工作效率。

3）智慧決策支持能力缺乏?，F(xiàn)階段新北水務信息化程度不高，無法滿足智慧排水的要求，已建的信息化系統(tǒng)主要以日常辦公為主，系統(tǒng)功能以信息服務為核心，輔助決策類、數(shù)據(jù)統(tǒng)計類功能不足，不能有效滿足水務管理的需求。通過建立排水管理輔助決策系統(tǒng)，支持數(shù)據(jù)統(tǒng)計、管網爆管及縱橫斷面等分析，能夠分析實時數(shù)據(jù)并計算泵閘站的啟閉高度及持續(xù)時間，提高系統(tǒng)運行效率，幫助運營者將思維從經驗驅動轉化為數(shù)據(jù)驅動，提高決策的科學性、準確性。

4）社會服務不夠主動。水務公司服務的對象主要包括政府部門、企業(yè)和社會公眾，目前的服務方式處于被動狀態(tài)，人性化、主動服務有待提高。基于大數(shù)據(jù)環(huán)境下的排水管理平臺，可以給普通群眾提供預警服務，如及時發(fā)布排水故障，推送管網、招標信息，提供故障申報窗口和險情、民情反映通道，為社會公眾提供便捷化的服務。

3 常州新北排水管理一體化平臺建設

3.1 排水信息化建設目標

現(xiàn)階段排水信息化主要利用物聯(lián)網技術將傳感器裝備到管網、泵站、監(jiān)測井等設備上，連接成網，然后基于云計算技術整合傳感器數(shù)據(jù)資源，并進行運算處理輔助決策，以此改變水務工作與政府、企業(yè)、社會公眾之間的交往方式，從而更加科學化、數(shù)據(jù)化、精細化地對城市水務進行運作管理[3]。

隨著新北區(qū)建設規(guī)模的不斷擴大，城區(qū)污水處理能力不斷增強，排水設施規(guī)模不斷擴大，季節(jié)性抗臺防澇形勢日益嚴峻。在原有數(shù)字排水的基礎上，結合自身現(xiàn)狀，向排水信息化過渡和轉變，實現(xiàn)新北區(qū)排水數(shù)據(jù)資產、排污實時數(shù)據(jù)、預警信息、維修養(yǎng)護、巡查地的管理及任務指派等功能，構建常州市新北區(qū)排水信息化數(shù)據(jù)集采集整理、業(yè)務處理、挖掘分析、可視化展現(xiàn)等功能于一體的綜合管理平臺，為全面建設國際化、生態(tài)化的濱江新城提供有效的支撐和保障。

3.2 排水管理業(yè)務架構

根據(jù)常州新北水務的實際情況，將水務業(yè)務從系統(tǒng)用戶角度劃分為內部管理和公共服務兩大類，具體架構如圖 1 所示。項目建設內容主要包括 1 個數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)采集和業(yè)務管理 2 個平臺，數(shù)據(jù)采集平臺和中心可為業(yè)務管理平臺提供支撐。

圖1 新北排水業(yè)務架構圖

3.2.1 排水數(shù)據(jù)中心

通過元數(shù)據(jù)庫集合數(shù)據(jù)資源目錄的方式，規(guī)定各項數(shù)據(jù)字段、類型等細節(jié)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化管理，在現(xiàn)有綜合庫的基礎上建設數(shù)據(jù)倉庫，為分析、統(tǒng)計、決策等過程提供數(shù)據(jù)支撐，形成水務“一張圖”（管網、站點），1 個數(shù)據(jù)中心，2 個業(yè)務平臺。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集平臺

數(shù)據(jù)采集平臺框架如圖 2 所示，新北區(qū)在水務公司運營過程中涉及 Web、文檔、其他數(shù)據(jù)庫、傳感器、照片、視頻數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)。其中，Web 數(shù)據(jù)主要涉及公司網站數(shù)據(jù)，文檔數(shù)據(jù)涉及日常工作過程中的發(fā)文及設備采購，其他數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)主要涉及其他部門的水雨情、水位、氣象等數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)主要涉及泵閘站設備運行參數(shù)、液位數(shù)據(jù)，照片數(shù)據(jù)主要涉及設備維修、維護過程中產生的數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)主要涉及視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集方式主要包括自動發(fā)送、在線和離線填報、移動采集等方式，其中傳感器、視頻等數(shù)據(jù)采用自動發(fā)送的采集方式，水務相關工作數(shù)據(jù)采用在線和離線填報 2 種方式，在設備保養(yǎng)維護過程中采用移動端進行相關照片等的數(shù)據(jù)采集，采用 OCR（光學字符識別）技術對數(shù)據(jù)源進行掃描錄入，減少人工工作量，提高工作效率。

圖2 新北水務數(shù)據(jù)采集平臺

3.3 排水總體架構

基于新北水務業(yè)務的梳理和分析發(fā)現(xiàn)，水位監(jiān)測井 350 個（包含新增點）和監(jiān)測點 385 個（包含新增點）的傳感器每 5 s 傳輸 1 次數(shù)據(jù)，1 d 的數(shù)據(jù)量約為 80 MB，新北排水數(shù)據(jù)量較大且存在較多異構數(shù)據(jù)（傳感器、視頻等數(shù)據(jù)），對于一些操作，如爆管位置預測，水泵啟閉高度確定，實時計算效率要求較高，因此初步搭建大數(shù)據(jù)環(huán)境下常州市新北排水管理平臺總體框架，具體架構如圖 3 所示。

圖3 常州新北排水管理總體框架

主要包括以下 4 層結構：

1）數(shù)據(jù)來源。數(shù)據(jù)來源指的是結構化和非結構化數(shù)據(jù)，包括 RFID（無線射頻識別）、移動終端記錄的巡查軌跡的 GPS、網絡輿情、傳感器、視頻監(jiān)控等的數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)操縱。數(shù)據(jù)操縱是數(shù)據(jù)分析前的核心步驟，數(shù)據(jù)分析過程中耗費時間最長的工作是數(shù)據(jù)清洗工作。從知識領域分，數(shù)據(jù)可以分為水文、排水、空間、社會經濟等數(shù)據(jù)；從時間分，可以分為離線和實時等數(shù)據(jù)。從源數(shù)據(jù)處采集的數(shù)據(jù)必須經過清洗，規(guī)范數(shù)據(jù)字典，將數(shù)據(jù)存儲在關系型或者非關系型數(shù)據(jù)庫中，最后匯總到服務器中，根據(jù)不同的業(yè)務需求，提取不同的數(shù)據(jù)，借助計算框架進行分析，如進行泵站啟閉高度預測，爆管位置分析等。

3）知識產生。排水信息化的輔助決策部分需要對積累的數(shù)據(jù)進行分析及深層次的關聯(lián)、挖掘，才能找到內部隱藏的規(guī)律[4]，主要包含水網結構、排水、洪澇模型、設備故障、水質變化、空間分析、水位預警等規(guī)律。這些規(guī)律可以通過從數(shù)據(jù)倉庫中調用數(shù)據(jù)，運用多個分析緯度、多種分析算法進行挖掘，產生可以應用的知識。

4）知識服務。數(shù)據(jù)最終價值的體現(xiàn)都在知識應用上，通過數(shù)據(jù)采集、清洗、存儲、分析，進而產生對工作效率、決策有幫助的信息。新北排水管理的知識服務主要體現(xiàn)在排水情況監(jiān)控，水質異常預警，爆管、排水安全、設備故障等分析，以及設備零部件更換預警和管網布控等方面。

3.4 排水網絡安全體系建設

系統(tǒng)網絡安全問題在系統(tǒng)設計中至關重要，根據(jù)《計算機信息安全保護等級劃分準則》，以及新北區(qū)業(yè)務需求，排水管理系統(tǒng)采用計算機系統(tǒng)等級保護二級（審計保護級）進行建設。為保障新北水務業(yè)務的正常運作，從以下 2 個體系建設，保障信息安全：

1）網絡安全管理體系。從組織機構、人員安全和制度標準 3 個方面進行建設，其中組織機構主要建立一把手抓網絡安全工作組織機制，充分調動多個部門協(xié)調工作；人員安全主要以培養(yǎng)高素質人才為目標，以崗前培訓和繼續(xù)教育為重點；制度建設主要建立健全標準規(guī)范體系，參照國內同行業(yè)建設標準，建立健全網絡安全標準。

2）網絡安全技術體系。網絡安全技術體系主要包括物理層和網絡層建設，其中物理層主要針對網絡設備如機房、路由器等進行建設。網絡層方面，鑒于工作人員主要向區(qū)政府系統(tǒng)上報數(shù)據(jù)，訪問政務網電子辦公系統(tǒng)、外網等，因此將存在相應的訪問出口，根據(jù)訪問目標、策略、信息性質、功能特點等，將網絡劃分為互聯(lián)網、電子政務網、水利專網、各區(qū)縣網絡等接入?yún)^(qū)，以及樓層辦公區(qū)、應用服務器區(qū)、核心交換區(qū)、安全運維管理區(qū)、數(shù)據(jù)存儲備份區(qū)。根據(jù)各安全域的特點和要求，分別采用多臺一體化安全網關、入侵防御系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫審計安全設備，保證網絡和應用的整體安全性。

4 結語

排水信息化是智慧城市建設過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，排水信息化的建設是數(shù)字化時代的必經之路，也是向智慧排水過渡的關鍵一步。排水信息化的建設需要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準、安全可靠的信息技術、海量數(shù)據(jù)的計算分析平臺，這樣才能提升水務工作效率，促進整個水務領域的發(fā)展。本研究嘗試在排水管理總體框架的指導下，對排水信息化建設方案進行研究，借助物聯(lián)網、云計算等技術，構建了排水管理一體化平臺，整合數(shù)據(jù)資源，顯著提高了常州新北水務的管理水平，為水務業(yè)務從經驗驅動到數(shù)據(jù)驅動的轉變提供理論依據(jù)。現(xiàn)階段，雖然已經實現(xiàn)了水務信息化，但是尚需更深層次的研究，探索智慧水務的建設，進一步提高管理和服務水平。