孔祥文

（長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司，湖北 武漢 430062）

信息化是推動當今世界快速發(fā)展的強大動力，是水務智慧化建設的必要條件[1]。智慧水務系統(tǒng)平臺的建設在長江大保護水環(huán)境系統(tǒng)治理項目中發(fā)揮重要支撐作用，有助于整合試點城市排水信息化資源，為智慧水務運營提供基礎支撐；增強城市排水系統(tǒng)的監(jiān)管能力，為水務業(yè)務智慧化管理、一體化運營和科學決策提供快速準確信息；增強城市排水應急的快速反應能力，降低城市內澇風險，為城市排水系統(tǒng)精細化、集約化管理提供技術支撐，保障城市安全[2]。試點城市智慧水務建設是推進長江大保護事業(yè)快速發(fā)展的助力器，事關長江經濟帶水環(huán)境系統(tǒng)治理建設的大局，具有很強的示范性。

1 建設背景

黨的十八大、十九大以來，黨中央、國務院高度重視長江經濟帶的生態(tài)環(huán)境保護工作，習近平總書記多次作出重要指示，強調推動長江經濟帶的發(fā)展，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，把修復長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，共抓大保護，不搞大開發(fā)。為貫徹落實習近平總書記關于推進長江經濟帶發(fā)展系列重要講話精神，2018 年 1 月 16 日，國家發(fā)展改革委員會基礎司主持召開長江沿線江西、安徽、湖南、湖北四省污水處理項目協(xié)調推進會，明確將九江、蕪湖、岳陽、宜昌 4 個長江經濟帶重要節(jié)點城市作為首批試點城市。三峽集團總結提出城鎮(zhèn)水環(huán)境科學系統(tǒng)治水方案，主要內容為以城鎮(zhèn)污水處理為切入點，以摸清本底為基礎，以現(xiàn)狀問題為導向，以污染物總量控制為依據(jù)，以總體規(guī)劃為龍頭，堅持流域統(tǒng)籌、區(qū)域協(xié)調、系統(tǒng)治理、標本兼治的原則，遵循“一城一策”，突出整體經濟效益和規(guī)?；洜I，通過“廠網(wǎng)河湖岸一體”“泥水并重”、資源能源回收、建設養(yǎng)護全周期等模式開展投資建設和運營，促進城鎮(zhèn)污水全收集、收集全處理、處理全達標及綜合利用，保障城市水環(huán)境質量整體根本改善[3]。

2 建設目標

長江大保護試點城市智慧水務系統(tǒng)建設的總體目標為充分利用已有的信息化基礎和業(yè)務系統(tǒng)，梳理整合數(shù)據(jù)資源、應用資源和服務資源，堅持以創(chuàng)新為動力、服務為主線、需求為導向、應用為核心，聚焦“廠網(wǎng)河湖岸一體”的治理模式，通過大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)、人工智能等新技術的應用，加強智慧化應用與水務業(yè)務工作深度融合，建成基礎穩(wěn)固、資源共享、業(yè)務暢通、管理高效、具有本地特色的智慧水務管控體系，實現(xiàn)水務系統(tǒng)“全面感知、智能應用、科學決策、綜合展示”，全面提升試點城市智慧水務管理決策和服務水平。同時，探索可復制、可推廣的長江大保護智慧水務建設管理模式，形成典型示范標桿。

1）感知方面。基于物聯(lián)網(wǎng)技術，面向管理需求，構建覆蓋源、網(wǎng)、站、廠、河湖的一體化在線監(jiān)測及人工采樣檢測網(wǎng)絡，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集、實時傳輸，為應用系統(tǒng)提供準確、快速的數(shù)據(jù)支撐，形成及時、全面、準確、穩(wěn)定的智能在線監(jiān)測體系。

2）智能應用方面。以 BIM + GIS 數(shù)據(jù)為基礎，結合海量動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對試點城市水務設備設施資產、生產運營等業(yè)務的數(shù)字化管理，以及對“廠站網(wǎng)”運行績效、河湖環(huán)境、公眾滿意度等方面的智能化考核。

3）科學決策方面。充分挖掘數(shù)據(jù)資源，以大數(shù)據(jù)技術整合海量信息，通過優(yōu)化算法和數(shù)學模型，實現(xiàn)對洪澇、污水冒溢、水環(huán)境污染等事件的預報預警，形成科學合理的調度決策體系和快速應急措施，為決策者提供智慧化的決策支撐，提高決策水平和應急處理能力。

4）綜合展示方面。能夠充分利用各應用系統(tǒng)的信息，結合地圖、可視化技術集中提供信息共享和服務，實現(xiàn)面向用戶部門、社會公眾的多維度和可定制的綜合展示體系。

3 信息化現(xiàn)狀

當前，試點城市智慧水務信息化現(xiàn)狀主要有以下幾個方面：

1）排水管理單位眾多，沒有統(tǒng)一的水資源、水環(huán)境、水管理的組織架構。

2）缺乏頂層規(guī)劃設計、統(tǒng)一管理與協(xié)調機制。

3）排水系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)缺失嚴重，沒有有效的資產管理系統(tǒng)，無法全面、細致地掌握排水系統(tǒng)資產情況。

4）資產運維手段落后，無法及時掌握地下管網(wǎng)設施的健康狀況，不能快速識別和處理淤積、堵塞、破裂等問題管段。

5）監(jiān)控體系不健全，信息采集不夠完善，數(shù)據(jù)采集的及時性和可靠性差，不能滿足水務業(yè)務精細化管理的要求。

6）污水廠、泵站管理運行調度的自動化程度不高，無法及時管控污水廠、泵站、管網(wǎng)的運行狀態(tài)，缺乏廠站網(wǎng)河湖一體化聯(lián)合調度能力。

7）信息資源開發(fā)利用程度不高，缺乏對數(shù)據(jù)的深入挖掘，難以滿足智慧水務事業(yè)發(fā)展需求。

4 設計原則

系統(tǒng)整體設計應遵循以下設計原則：

1）統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)一標準。開展試點城市智慧水務系統(tǒng)平臺項目建設，需從“廠網(wǎng)河湖岸一體化”系統(tǒng)治理模式的要求出發(fā)，統(tǒng)籌城市水環(huán)境頂層規(guī)劃，明確建設目標，理清系統(tǒng)整體功能和業(yè)務范圍，充分考慮系統(tǒng)功能的兼容性和擴展性；建立包括數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡、應用等標準在內的統(tǒng)一標準體系。

2）資源整合、信息共享。智慧水務項目建設應充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源和軟硬件設備，優(yōu)化整合水務資產，構建統(tǒng)一的服務支撐平臺，實現(xiàn)智慧水務數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)存儲、計算、安全等軟硬件基礎設施的優(yōu)化配置，避免重復建設；建立水務與氣象、環(huán)保等行業(yè)的基礎地理空間，水文，氣象，水環(huán)境監(jiān)測等數(shù)據(jù)資源信息的共享機制。

3）需求驅動，逐步完善。智慧水務項目不但系統(tǒng)復雜，而且建設周期長。在實施過程中要堅持以實際需求為導向、優(yōu)先解決當前工作中的迫切需求，統(tǒng)籌安排建設任務，做好近遠期建設規(guī)劃，有序組織，分步推進落實，在建設中逐步完善。

4）制度保障、安全可靠。需要建立相應的規(guī)章、制度和機制，并確保這些規(guī)章、制度的強力執(zhí)行，以保障項目建設的穩(wěn)步推進和系統(tǒng)的高效運行。建立全面的安全保護體系，加強安全組織、管理、教育和培訓等方面的制度建設，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

5 總體框架

智慧水務系統(tǒng)平臺總體框架的構建既要滿足長江大保護水環(huán)境系統(tǒng)治理的業(yè)務需要，又要充分考慮未來業(yè)務擴展的需求?？傮w框架由分層支持體系和 2 個保障體系共同構成，邏輯架構如圖 1 所示。

5.1 智能感知層

智能感知層是智慧水務系統(tǒng)平臺的重要數(shù)據(jù)來源，主要依靠液位、流量、水質、雨量、視頻、無人機巡檢和衛(wèi)星遙測等，涉及多種數(shù)據(jù)監(jiān)測與感知智能終端和監(jiān)測設備，主要監(jiān)測對象包括雨量、管網(wǎng)、雨水直排口、合流制溢流口、排水泵站與排澇泵閘、調蓄池、污水廠、河湖、易澇點、重點排水戶等監(jiān)測，以及視頻監(jiān)控、無人機巡檢和衛(wèi)星遙測等。

5.2 基礎設施層

基礎設施層為智慧水務系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)存儲和應用運行提供支撐，主要包括以下內容：

圖 1 智慧水務系統(tǒng)平臺總體構架邏輯圖

1）網(wǎng)絡傳輸層。將感知層監(jiān)測設備所采集的數(shù)據(jù)通過 2G，3G，4G，5G，NB-IoT，LoRa 和運營商網(wǎng)絡等傳輸方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)應用提供數(shù)據(jù)支撐。

2）物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入層。主要包括設備安全接入、感知設備生命周期管理、數(shù)據(jù)保護和信息安全、數(shù)據(jù)路由規(guī)則、設備維護等，能夠屏蔽終端接入?yún)f(xié)議的差異性，以統(tǒng)一的格式或 API 將數(shù)據(jù)向上開放，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的融合。

3）硬件基礎設施。主要包括服務器、防火墻和安全網(wǎng)關、存儲設備、電源設備、顯示及運行環(huán)境等，硬件設施的設計和建設應考慮兼容性和擴充性。

4）軟件基礎設施。主要包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、搜索引擎和大數(shù)據(jù)，機器學習，GIS，BIM 等平臺，以及分布式緩存、消息隊列、文件系統(tǒng)等應用開發(fā)框架及軟件平臺。

5.3 服務支撐層

服務支撐層采用中臺架構，能夠有效整合資源，快速擴展業(yè)務，支撐多種業(yè)務形態(tài)，集合整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)、技術能力，實現(xiàn)業(yè)務服務化、數(shù)據(jù)化，對各業(yè)務應用形成強力支撐。服務支撐層由技術、數(shù)據(jù)和業(yè)務等中臺構成，其中，技術中臺為數(shù)據(jù)和業(yè)務中臺及提供技術支撐；業(yè)務中臺承載業(yè)務應用中所有的通用業(yè)務，將全部業(yè)務數(shù)據(jù)化；數(shù)據(jù)中臺基于數(shù)據(jù)支撐業(yè)務，將一切數(shù)據(jù)業(yè)務化。它們的關系如圖 2 所示。技術中臺將各應用中通用的技術能力提煉沉淀而形成，如用戶、權限、流程、API 治理等，主要由底層研發(fā)平臺（腳手架項目、代碼倉庫、構建倉庫、鏡像倉庫、監(jiān)測告警和服務治理等）和大數(shù)據(jù)平臺（數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、分析）構成，是支撐服務層的技術基礎。數(shù)據(jù)中臺主要包括 BIM + GIS、監(jiān)測、業(yè)務、決策支持、績效考核和外部等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中臺把沉淀下來的數(shù)據(jù)，用統(tǒng)一口徑統(tǒng)一標準進行一次加工，形成可復用的業(yè)務數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)服務，在各種數(shù)據(jù)基礎上，通過數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)目錄、系統(tǒng)等管理功能，并通過元數(shù)據(jù)及資源目錄管理功能實現(xiàn)元數(shù)據(jù)和資源目錄樹的構建，為評估、管理、決策等過程提供數(shù)據(jù)支撐[4]。業(yè)務中臺能夠把可復用的業(yè)務應用能力沉淀下來，為上層應用提供統(tǒng)一的標準的服務，通過這些服務沉淀數(shù)據(jù)。主要包括監(jiān)測預警、排水管理、決策支持、績效考核等服務，以及單點登錄、用戶中心和權限中心等，為智慧應用提供業(yè)務服務基礎。

圖 2 技術中臺、數(shù)據(jù)中臺和業(yè)務中臺的關系

5.4 業(yè)務應用層

業(yè)務應用層基于數(shù)據(jù)和業(yè)務中臺為智慧水務管理提供專業(yè)的業(yè)務應用服務，主要分為以下幾個系統(tǒng)：1）基礎應用系統(tǒng)。主要包括資產、排水戶、管網(wǎng)、閘泵、污水廠、河湖等管理及監(jiān)測告警。2）決策支持系統(tǒng)。主要包括廠網(wǎng)一體化聯(lián)合調度、洪澇預警預報、水環(huán)境管控、防汛應急調度、績效考核等。3）公眾服務系統(tǒng)。主要包括大屏綜合展示系統(tǒng)、門戶網(wǎng)站、公眾服務平臺、App、微信公眾號等。

5.5 交互展示層

交互展示層是智慧水務系統(tǒng)的對外通道，與業(yè)務應用層進行直接的數(shù)據(jù)和控制的交互，能夠在大屏端、PC 端和移動端等設備上展示業(yè)務系統(tǒng)功能并進行遠程操控[5]。

5.6 標準規(guī)范體系

標準規(guī)范體系是支撐智慧水務建設和持續(xù)運行的基礎，能夠保證項目建設效率，優(yōu)化成本控制，加強應用協(xié)同和資源共享。

5.7 安全保障體系

安全保障體系是系統(tǒng)安全運行的基礎，能夠提高智慧水務系統(tǒng)抗風險、防入侵的能力，保障系統(tǒng)運營的數(shù)據(jù)和通信安全。

6 建設內容

根據(jù)長江大保護試點城市信息化發(fā)展現(xiàn)狀和智慧水務系統(tǒng)平臺總體設計框架，智慧水務平臺的主要建設內容可以概括為“3 + 2 +N”，即 3 個“一”（一張智能感知網(wǎng)、一個服務支撐中臺、一張綜合展示圖），2 個體系（標準規(guī)范和安全保障體系）和N個應用（監(jiān)測預警、排水管理、決策支撐、績效考核、公眾服務等應用）。

6.1 一張智能感知網(wǎng)建設

感知是信息的源頭，是智慧水務的數(shù)據(jù)基礎。智能感知網(wǎng)的建設主要依靠液位、流量、水質、雨量、視頻、無人機巡檢和衛(wèi)星遙測等在線監(jiān)測設備及人工采樣檢測分析設備，對水雨情、重點排水戶、排水管網(wǎng)、泵站、閘門、調蓄池、排口、污水廠和河湖進行實時監(jiān)測，并及時發(fā)現(xiàn)隱藏排污口，從而構建覆蓋源、網(wǎng)、站、廠、河、湖的空天地一體化實時在線監(jiān)測網(wǎng)絡，建立完善的信息采集機制，形成試點城市智慧水務智能感知網(wǎng)。

6.2 一個服務支撐中臺建設

服務支撐中臺基于微服務框架和中臺技術進行資源整合和應用沉淀，打破信息孤島，實現(xiàn)水務信息完全共享共用，為業(yè)務應用體系的智慧運作提供技術、數(shù)據(jù)資源和能力的支持，主要包括數(shù)據(jù)中臺和業(yè)務中臺建設。

6.2.1 數(shù)據(jù)中臺

數(shù)據(jù)中臺主要以大數(shù)據(jù)、云計算、AI 算法等技術手段為基礎，通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等手段，依托 GIS 平臺集中管理和儲存從大數(shù)據(jù)平臺和業(yè)務中臺采集的海量靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)（主要包括基礎地理信息、排水管網(wǎng)、泵站和污水處理廠運行、氣象、水環(huán)境、規(guī)劃設計等數(shù)據(jù)），通過對數(shù)據(jù)進行加工整理、清洗、抽取、轉換、融合，建立 BIM + GIS、監(jiān)測、業(yè)務、決策支持、績效考核和外部等數(shù)據(jù)集，為業(yè)務中臺和業(yè)務應用提供強大、可靠的大數(shù)據(jù)支撐。

6.2.2 業(yè)務中臺

業(yè)務中臺結合數(shù)據(jù)中臺傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，依托技術中臺中的水文、水動力及水質模型、優(yōu)化算法和技術服務，圍繞“水安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)”四大領域業(yè)務內容，沉淀出能夠快速部署應用的監(jiān)測預警、排水管理、決策支持、績效考核等智慧水務專屬應用，以及單點登錄、用戶中心、授權中心等通用服務，為具有本地化特點的業(yè)務應用體系建設提供強有力的支持。

1）監(jiān)測預警。通過分析排水系統(tǒng)和河湖的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中的異常情況和突發(fā)事件，提前預警并快速進行事故溯源、追蹤。在各關鍵和事故易發(fā)節(jié)點設置液位、水質等監(jiān)測閾值指標，在達到閾值時發(fā)出警報。

2）排水管理系統(tǒng)。排水管理系統(tǒng)以 BIM + GIS數(shù)據(jù)為基礎，結合業(yè)務數(shù)據(jù)，能夠提高生產管理人員對水務資產管理的精細化管理和運維水平、規(guī)范生產管理流程、優(yōu)化運營調度。排水管理系統(tǒng)有助于充分發(fā)揮水務設施效益，延長設施的使用壽命，實現(xiàn)精細化管理，提升運營效率，保證水務設施的正常高效運行。排水管理系統(tǒng)主要包括資產、排水戶、管網(wǎng)、閘泵、污水廠、河湖等管理及監(jiān)測告警。

3）決策支持系統(tǒng)。決策支持系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化算法和水文、水動力與水質模型，進行實時分析與模擬，實現(xiàn)預警預報、在線調度和應急處理。有助于提高管理人員面對突發(fā)事故應急處理和指揮協(xié)作能力。決策支持系統(tǒng)主要包括廠網(wǎng)一體化聯(lián)合調度、洪澇預警預報、水環(huán)境趨勢預警、防汛應急調度等。

4）績效考核系統(tǒng)?？冃Э己讼到y(tǒng)根據(jù)基礎資產信息和采集的監(jiān)測和運行數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計分析、模型模擬、綜合比對等方法，編制績效考核評估規(guī)則，實現(xiàn)對水環(huán)境系統(tǒng)治理項目各項考核指標的自動評估，并通過圖表、報表等多種展示方式進行評價指標的對比分析和展示，主要包括資產管理績效、廠站運營績效、管網(wǎng)運行、河湖水環(huán)境、群眾滿意度評估等考核。

6.3 一張圖綜合展示系統(tǒng)建設

將智慧水務數(shù)據(jù)中臺及業(yè)務中臺的數(shù)據(jù)和服務，集成到統(tǒng)一的地圖上，實現(xiàn)多維度、多層次、多角度、全方位地展示與監(jiān)管城市排水系統(tǒng)及水環(huán)境情況，形成試點城市智慧水務一張圖綜合展示系統(tǒng)，使所有相關職能部門能夠在統(tǒng)一的平臺上動態(tài)及時地共享信息資源，并通過大屏、電腦端及移動端設備進行展示和預警，更好地為智慧運營、管理和決策服務，主要包括智能感知、排水管網(wǎng)、河湖監(jiān)管、雨情預報監(jiān)測、巡檢運維、防汛排澇預警、應急預警、污染源應急等一張圖展示系統(tǒng)。

6.4 標準規(guī)范體系建設

應在國家、行業(yè)相關標準的基礎上，結合智慧水務信息化需求的實際情況，建立具有長江大保護智慧水務特色的信息化技術標準體系；確保智慧水務信息化建設按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)組織標準、數(shù)據(jù)格式、命名規(guī)則和統(tǒng)計口徑等進行，為數(shù)據(jù)整合建庫提供指導和依據(jù)，為數(shù)據(jù)中臺的共享應用、集約服務提供技術指導，實現(xiàn)統(tǒng)一標準、規(guī)范實施。

6.5 安全保障體系建設

應在國家相關法律法規(guī)指導下，結合智慧水務系統(tǒng)建設頂層規(guī)劃、具體建設目標和內容，建設覆蓋智慧水務系統(tǒng)平臺各層級的全方位安全保障體系，制定安全制度、安全技術、安全管理、安全運營等安全策略，為智慧水務系統(tǒng)的建設、可靠和高效運行提供強有力的保障。

6.6 N 個業(yè)務應用體系建設

智慧水務應用體系基于數(shù)據(jù)和業(yè)務中臺，結合本地智慧水務業(yè)務特點，從試點城市業(yè)務管理的實際需求出發(fā)，建設滿足本地智慧水務業(yè)務精細化和集約化管理的監(jiān)測預警、排水管理、決策支撐、績效考核、公眾服務等業(yè)務應用體系，為水務各級管理單位提供專業(yè)的智慧應用服務，以及與公眾的互動。

7 結語

長江大保護智慧水務項目的建設，要充分認識長江沿線城市水務信息化基礎設施十分薄弱的現(xiàn)狀，在切實做好水務要素數(shù)字化，運營信息數(shù)據(jù)化的基礎上，從各城市水環(huán)境綜合治理的實際需求出發(fā)，探索智慧水務系統(tǒng)建設的“新技術、新標準、新規(guī)范”，腳踏實地，循序漸進，逐步由信息化向智慧化穩(wěn)步推進，通過建設過程的工作總結，提煉可復制、推廣的智慧水務建設新模式。