李勝勇，李有明，龍 巖

（1.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038；2.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學(xué)河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038）

李克強(qiáng)總理在“兩會(huì)”工作報(bào)告中指出：推動(dòng)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用，加強(qiáng)新一代人工智能研發(fā)應(yīng)用。信息化發(fā)展正醞釀著重大變革和新的突破，更高階段的智慧化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)[1，2]。2008 年，“智慧地球”這一理念被IBM 提出后，引發(fā)了各國(guó)建設(shè)“智慧城市”的熱潮，“智慧水務(wù)”作為“智慧城市”發(fā)展的必然產(chǎn)物也應(yīng)運(yùn)而生[3-5]。目前，我國(guó)正處于高速城市化，同時(shí)伴隨著高速工業(yè)化，環(huán)境惡化、資源短缺、交通擁堵等“城市病”日益嚴(yán)重，導(dǎo)致流域水循環(huán)發(fā)生深刻變異，城市水系不斷衰退，嚴(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)和生態(tài)安全[6，7]。作為智慧城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，積極規(guī)劃和推進(jìn)智慧水務(wù)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8-10]。

城市水務(wù)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，是世界上所有國(guó)家和地區(qū)最重要的生命線之一，世界各國(guó)都大力實(shí)施城市水務(wù)以應(yīng)對(duì)水資源危機(jī)。如，國(guó)外的IBM 利用智能技術(shù)將水資源管理分為利用、預(yù)測(cè)、協(xié)調(diào)3個(gè)步驟；日本開發(fā)了一套“智能水系統(tǒng)”，可以對(duì)各種水處理設(shè)施的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行一元化管理；韓國(guó)將高端技術(shù)融入現(xiàn)有水資源管理中，從而推進(jìn)區(qū)域化的智能水網(wǎng)建設(shè)[5]。在我國(guó)的深圳、上海、浙江、江蘇等地先后開展了“智慧水務(wù)”建設(shè)[11]；國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也對(duì)智慧水務(wù)建設(shè)提出了許多構(gòu)想，如，李婷睿基于海綿城市理念提出了包含水動(dòng)力模型、內(nèi)澇模型和活性污泥模型的智慧水務(wù)框架[12]；董海天提出了智慧水務(wù)大平臺(tái)，該平臺(tái)基于防汛抗旱、水資源調(diào)度以及水環(huán)境治理理念[13]；鄭浩等提出了監(jiān)測(cè)供水實(shí)時(shí)工作情況的城市智慧水務(wù)體系[14]；楊哲將智慧水務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用在解決城市供水的問題上[15]。

雖然目前國(guó)內(nèi)外智慧水務(wù)建設(shè)發(fā)展很快，但頂層設(shè)計(jì)存在缺位。為了使智慧水務(wù)信息要素齊全、資源共享更便利、智能水平更優(yōu)越、應(yīng)用范圍更全面，筆者基于大數(shù)據(jù)技術(shù)提出了比較全面的城市智慧水務(wù)大框架，為城市建設(shè)智慧水務(wù)提供了有力的信息支持。

1 城市智慧水務(wù)概念及構(gòu)建原則

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日益深化，大數(shù)據(jù)應(yīng)用的影響日益擴(kuò)大，在城市水務(wù)建設(shè)過程中，可利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，整合水資源、水環(huán)境、節(jié)水、環(huán)保、氣象等城市監(jiān)管資源以支持科學(xué)指揮決策；依托云計(jì)算實(shí)現(xiàn)“智慧移動(dòng)水務(wù)”與市民的互動(dòng)，強(qiáng)化支撐一線和服務(wù)市民的能力。云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能硬件、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)為實(shí)現(xiàn)水資源水環(huán)境演變規(guī)律分析、水資源水環(huán)境問題診斷、水資源水環(huán)境未來形勢(shì)預(yù)判提供了強(qiáng)大動(dòng)力，為水環(huán)境預(yù)警及時(shí)準(zhǔn)確和多水源的優(yōu)化、智能、低耗調(diào)度提供智慧化服務(wù)，提升水務(wù)社會(huì)化綜合服務(wù)能力，為水務(wù)信息化智慧發(fā)展帶來新的機(jī)遇。

通過深入研究分析二元水循環(huán)伴生過程各環(huán)節(jié)實(shí)際業(yè)務(wù)特性，分析智慧水務(wù)多主題業(yè)務(wù)，針對(duì)智慧水務(wù)的防汛安全、供水安全、排水安全、生態(tài)安全、水質(zhì)安全和輸水安全等問題，面向智慧水務(wù)最嚴(yán)格管理制度和水資源科學(xué)調(diào)配的實(shí)際需要，提出了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧水務(wù)大框架，為多主題業(yè)務(wù)應(yīng)用的智慧水務(wù)工作開展提供科學(xué)決策依據(jù)。

智慧水務(wù)主旨在于提升水務(wù)管理和服務(wù)的水平，為城市的發(fā)展提供更好的支撐，有效提升城市智慧建設(shè)和宜居能力。其建設(shè)將以新技術(shù)應(yīng)用帶動(dòng)水務(wù)信息化技術(shù)水平的全面提升，以重點(diǎn)應(yīng)用系統(tǒng)帶動(dòng)信息化建設(shè)效益的發(fā)揮，為水務(wù)管理的精細(xì)化、智慧化提供信息化技術(shù)支撐[16]。

智慧水務(wù)是指把新興的信息技術(shù)充分運(yùn)用于城市水務(wù)綜合管理，通過傳感器將自然水和社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)普遍連接形成“感知物聯(lián)網(wǎng)”；然后通過計(jì)算機(jī)和云計(jì)算將“水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)”整合起來；在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用專業(yè)數(shù)學(xué)模型和大數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用智慧管理，滿足城市水務(wù)智慧監(jiān)管、智慧調(diào)度、智慧指揮以及智慧應(yīng)急處置等行業(yè)管理的應(yīng)用需求，輔助領(lǐng)導(dǎo)智慧決策。智慧水務(wù)是主動(dòng)的服務(wù)，是共享的服務(wù)，是快速及時(shí)的服務(wù)，是成體系的服務(wù)，要體現(xiàn)其以最終用戶為核心的思想。

當(dāng)前城市智慧水務(wù)建設(shè)還處于探索階段，有些城鎮(zhèn)進(jìn)行了智慧水務(wù)的規(guī)劃，有些城市已經(jīng)進(jìn)行了智慧水務(wù)局部的建設(shè)，但是過去的智慧水務(wù)只是局限于供排水或者水質(zhì)安全，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在城市智慧水務(wù)建設(shè)過程中，需要考慮城市和居民的需求，如：飲用水安全、城市水環(huán)境安全、精神文明建設(shè)、城市管理、水資源可持續(xù)利用以及城市高效用水、城市雨水利用與防澇、城市污水處理，還有城市水系平衡、城市環(huán)境用水、城市水生態(tài)保護(hù)與水污染防治等多方面需要。

2 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的城市智慧水務(wù)總體框架

在當(dāng)今信息高速發(fā)展的時(shí)代，智慧水務(wù)既是水務(wù)現(xiàn)代化發(fā)展的新目標(biāo)，又是實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)發(fā)展的新模式。從“獲取—清洗融合—挖掘—服務(wù)”的角度構(gòu)建了城市智慧水務(wù)總體架構(gòu)，如圖1所示，主要包括智能監(jiān)控體系、多源數(shù)據(jù)體系、智能分析體系、智慧應(yīng)用體系和支撐保障體系。其總體實(shí)現(xiàn)過程為：首先利用智能監(jiān)控體系獲取數(shù)據(jù)信息，然后對(duì)獲取的數(shù)據(jù)信息清洗融合，形成多源數(shù)據(jù)體，之后利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和傳統(tǒng)模型從數(shù)據(jù)體系中獲取有用的信息，為公眾、政府、業(yè)務(wù)部門服務(wù)，最后各部門通過自動(dòng)控制體系對(duì)城市水務(wù)進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理，達(dá)到“智慧水務(wù)”的狀態(tài)。

2.1 智能監(jiān)控體系

智能監(jiān)控體系包括立體感知體系和自動(dòng)控制體系。

（1）立體感知體系。在城市智慧水務(wù)體系中，需要獲取各類要素?cái)?shù)據(jù)來支撐計(jì)算和業(yè)務(wù)處理?；诠I(yè)互聯(lián)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的理念，基于具備堅(jiān)實(shí)的、可預(yù)見性工程的物理系統(tǒng)，借助無人機(jī)、雷達(dá)、車、船、站、機(jī)器人、手機(jī)輿情等高科技設(shè)備及技術(shù)，形成“空天地”一體化的立體感知體系，更系統(tǒng)、更全面、更深入地從設(shè)備及各種終端收集數(shù)據(jù)，是整個(gè)城市智慧水務(wù)的基礎(chǔ)。

（2）自動(dòng)控制體系?；诠I(yè)互聯(lián)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的理念，基于具備堅(jiān)實(shí)的、可預(yù)見性工程的物理系統(tǒng)，通過傳感器閉環(huán)控制維持系統(tǒng)運(yùn)行做關(guān)鍵調(diào)整，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行和邏輯進(jìn)行指揮，從設(shè)備及各種終端最大程度收集數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)軟件與大型處理器分析信息，以獲得系統(tǒng)的高級(jí)別潛在信息并制定各設(shè)備及終端工作邏輯，形成高水平自主控制體系，整個(gè)體系是基于智能分析體系分析結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用。

2.2 多源數(shù)據(jù)體系

城市智慧水務(wù)數(shù)據(jù)包括水務(wù)業(yè)務(wù)內(nèi)部數(shù)據(jù)、水務(wù)與其他部分之間的數(shù)據(jù)以及社會(huì)數(shù)據(jù)。其中，水務(wù)內(nèi)部數(shù)據(jù)包括防汛、水文、供水、排水、用水、工程管理等數(shù)據(jù)；部門間共享數(shù)據(jù)包括氣象、環(huán)保、林業(yè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口、規(guī)劃、交通等數(shù)據(jù)；社會(huì)數(shù)據(jù)主要是與涉水內(nèi)容相關(guān)的各種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、論壇數(shù)據(jù)、博客數(shù)據(jù)、手機(jī)輿情、新聞媒體數(shù)據(jù)等；由于這些數(shù)據(jù)具有不同類型、不同來源、不同時(shí)間、不同特征、不同格式的性質(zhì)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗融合，最終形成一個(gè)多源數(shù)據(jù)庫(kù)，為智能分析提供信息支撐。

圖1 城市智慧水務(wù)大框架

2.3 智能分析體系

對(duì)多源數(shù)據(jù)體系的信息融合后，有些可以直接用于常規(guī)和應(yīng)急決策支持，有些信息需要進(jìn)一步挖掘分析。利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以分析數(shù)據(jù)時(shí)間分布的平穩(wěn)性以及規(guī)律性，挖掘數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，同時(shí)還可以建立數(shù)據(jù)特征與不同模型技術(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以為傳統(tǒng)的模型提供參考。而傳統(tǒng)的模型主要有水文及水動(dòng)力模擬模型、水資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型、水資源實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型、水資源綜合調(diào)度模型。

2.4 智慧應(yīng)用體系

智慧應(yīng)用體系建設(shè)采用模塊化的思想，基于移動(dòng)App、可視化平臺(tái)、信息發(fā)布軟件即服務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該建設(shè)模式可以有效避免系統(tǒng)重復(fù)性建設(shè)，易于系統(tǒng)升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和動(dòng)態(tài)可持續(xù)發(fā)展；智慧應(yīng)用體系包括智慧民生服務(wù)平臺(tái)、智慧政務(wù)管理平臺(tái)和智慧企業(yè)/業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)3 大平臺(tái)以及分別對(duì)應(yīng)的子模塊。這種建設(shè)模式可以實(shí)現(xiàn)以下功能：按需服務(wù)、隨時(shí)服務(wù)、通用性強(qiáng)、高可靠性、極其廉價(jià)，并且是高可擴(kuò)展性的。

2.5 支撐保障體系

智慧水務(wù)的支撐保障體系以監(jiān)測(cè)終端和控制終端為依托，包括傳輸網(wǎng)絡(luò)、基于一數(shù)一源開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源體系以及云數(shù)據(jù)中心。

3 結(jié)論

城市水系是影響和制約城市發(fā)展的重要自然環(huán)境因素，智慧水務(wù)建設(shè)將推動(dòng)我國(guó)由傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利轉(zhuǎn)變，是未來實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)發(fā)展的新模式。將智慧水務(wù)應(yīng)用到城市水系建設(shè)上，可以借助大數(shù)據(jù)技術(shù)、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，這也成為城市水資源信息管理的一種必然趨勢(shì)。這對(duì)水務(wù)管理信息系統(tǒng)的構(gòu)建、減少水災(zāi)害具有重大價(jià)值。