摘要：智慧水務(wù)是數(shù)字城市建設(shè)的重要內(nèi)容之一，文章根據(jù)工程需要，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了綜合水務(wù)管理平臺(tái)，通過(guò)水環(huán)境的智能感知、智能調(diào)度、智能服務(wù)和決策支持，形成基礎(chǔ)穩(wěn)固、業(yè)務(wù)融合、資源集約、保障有力的現(xiàn)代水環(huán)境管理信息化體系。

關(guān)鍵詞：智慧水務(wù);智能感知;物聯(lián)網(wǎng);大數(shù)據(jù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）05-0133-03

水務(wù)管理是城市管理的重要組成部分之一，智慧水務(wù)建設(shè)是智慧城市建設(shè)的必然延伸[1]。智慧水務(wù)系統(tǒng)充分利用多種信息技術(shù)，對(duì)水務(wù)信息進(jìn)行采集、傳輸、存儲(chǔ)及處理，通過(guò)全面感知、主動(dòng)服務(wù)、資源整合、科學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)更自動(dòng)的控制和及時(shí)的應(yīng)對(duì)[2-3]。

水務(wù)管理系統(tǒng)貫穿水環(huán)境治理“數(shù)字設(shè)計(jì)—智能建造—智慧運(yùn)維”全生命周期的各個(gè)階段[4]，立足業(yè)務(wù)建立“物聯(lián)感知─網(wǎng)絡(luò)傳輸─平臺(tái)大腦”體系，基于數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G、人工智能等技術(shù)[5-6]，以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，以水環(huán)境模型為基礎(chǔ)，深度融合業(yè)務(wù)和信息化，深層次挖掘各階段業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)價(jià)值，不斷通過(guò)運(yùn)維數(shù)據(jù)修正、優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策與智慧管控，而不僅僅是做個(gè)“自動(dòng)監(jiān)測(cè)和可視化展示的空殼”，解決城市水環(huán)境治理工程全生命周期各方痛點(diǎn)，才有生命力。

1 平臺(tái)建設(shè)原則

本平臺(tái)以“智慧驅(qū)動(dòng)、精準(zhǔn)治理”為理念，按照“少人化、無(wú)人化、智慧化”循序漸進(jìn)的發(fā)展步驟，根據(jù)水環(huán)境治理實(shí)際需求，按照智慧水務(wù)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，建成“智能感知、廣泛互聯(lián)、深度融合、業(yè)務(wù)協(xié)同、決策科學(xué)、服務(wù)主動(dòng)”的廠網(wǎng)河湖岸一體化綜合管理平臺(tái)，涵蓋監(jiān)控指揮一張圖、智慧供水應(yīng)用系統(tǒng)、智慧排水應(yīng)用系統(tǒng)、智慧水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)、績(jī)效考核監(jiān)管系統(tǒng)和工程數(shù)字化交付系統(tǒng)共6大核心應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)跟蹤維護(hù)、供排水設(shè)施全過(guò)程管理、巡查養(yǎng)護(hù)高效監(jiān)管、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控預(yù)警、調(diào)度決策精準(zhǔn)高效、績(jī)效考核落地實(shí)效”的目標(biāo)，有效提升供排水管理的規(guī)范化、精細(xì)化、高效化、智能化水平。

本平臺(tái)圍繞智能感知和科學(xué)決策這兩大主題，通過(guò)先數(shù)字化、后智能化、再智慧化的技術(shù)過(guò)程，采用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器部署連接形成智慧水務(wù)感知能力、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)形成智慧水務(wù)傳輸能力、通過(guò)整合由調(diào)度經(jīng)驗(yàn)形成的規(guī)則庫(kù)、廠站網(wǎng)一體化數(shù)值模型形成的方案庫(kù)以及監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)形成后臺(tái)決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)感知全天候、分析全精準(zhǔn)、業(yè)務(wù)全覆蓋、監(jiān)控全過(guò)程，運(yùn)維業(yè)務(wù)維度實(shí)現(xiàn)貫通關(guān)聯(lián)、空間維度實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)挖掘分析，提供智慧供水管理、智慧排水管理、智慧水環(huán)境監(jiān)管、智慧績(jī)效考核評(píng)價(jià)等四類(lèi)智慧應(yīng)用，打造成科學(xué)治水、精準(zhǔn)治水的智慧水務(wù)管理平臺(tái)。

2 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

智慧水務(wù)平臺(tái)總體框架在符合當(dāng)前水環(huán)境管理和業(yè)務(wù)需要的前提下，又具有一定的前瞻性，滿足未來(lái)業(yè)務(wù)擴(kuò)展的需求，考慮分布式、多層次、先進(jìn)技術(shù)與實(shí)用技術(shù)的融合策略，進(jìn)行海量信息處理與分析，以更加精細(xì)、動(dòng)態(tài)和智能的方式輔助決策，提升服務(wù)水平。

本智慧水務(wù)平臺(tái)的總體框架由分層支持體系構(gòu)成，包括智能感知層、信息化基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源中心層和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)層。另外還有兩個(gè)保障體系，包括安全保障體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，邏輯架構(gòu)如圖1所示。

通信網(wǎng)絡(luò)作為信息化建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，是信息傳遞的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和各種業(yè)務(wù)應(yīng)用的承載平臺(tái)，起著信息流高速傳輸和共享的通道作用。網(wǎng)絡(luò)部署符合國(guó)際及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，開(kāi)放、可靠、安全、互連、可互操作、可擴(kuò)充，易于擴(kuò)展、升級(jí)和維護(hù)。

智慧水務(wù)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由智能感知網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)組成。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

3 平臺(tái)設(shè)計(jì)

本平臺(tái)通過(guò)底層的智能感知層獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，中層的數(shù)據(jù)資源中心和數(shù)據(jù)中臺(tái)提供各類(lèi)數(shù)據(jù)服務(wù)，上層的各應(yīng)用系統(tǒng)為用戶提供綜合的智慧水務(wù)服務(wù)。

3.1 智能感知層

智慧水務(wù)建設(shè)工程的監(jiān)測(cè)感知層，針對(duì)各工程子項(xiàng)的監(jiān)測(cè)需求，監(jiān)測(cè)對(duì)象包括源頭、泵站、水庫(kù)、供水廠、制水廠、污水廠、供配水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、污水調(diào)節(jié)池等，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括流量監(jiān)測(cè)、液位監(jiān)測(cè)、壓力監(jiān)測(cè)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

排水系統(tǒng)工程按照源-網(wǎng)-站-廠分層分類(lèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)布點(diǎn)，水環(huán)境工程根據(jù)工藝考核需求進(jìn)行監(jiān)測(cè)布點(diǎn)，供水工程按照源-制-站-水池-輸-配-用戶分層分類(lèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)布點(diǎn)。各子項(xiàng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布、設(shè)備選型、監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)依據(jù)以下基本原則：

1）實(shí)用性原則：監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置與監(jiān)測(cè)目的緊密聯(lián)系，監(jiān)測(cè)目的既能滿足項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理需求，又充分了解項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)狀。

2）代表性原則：監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)能夠準(zhǔn)確地反映監(jiān)測(cè)對(duì)象的水量水質(zhì)情況，從而確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較好的代表性。

3）先進(jìn)性原則：系統(tǒng)設(shè)計(jì)立足于應(yīng)用需求，采用當(dāng)前成熟先進(jìn)的技術(shù)，基于今后的需求考慮產(chǎn)品升級(jí)平滑度，使所選的產(chǎn)品具有較長(zhǎng)的生命周期，并確保系統(tǒng)的持續(xù)先進(jìn)性。

4）穩(wěn)定性原則：按照監(jiān)測(cè)需要，嚴(yán)格確定系統(tǒng)期望無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間和可靠性等級(jí)，合理確定系統(tǒng)軟硬件期望故障修復(fù)時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間，選擇相應(yīng)的產(chǎn)品，保障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

5）可行性原則：所選擇的監(jiān)測(cè)位置能夠方便、安全地安裝和檢修監(jiān)測(cè)設(shè)備，并考慮設(shè)備的防盜問(wèn)題。站點(diǎn)結(jié)構(gòu)在滿足安全、可靠、耐久的前提下，充分考慮材料來(lái)源及施工條件等因素。

6）可維護(hù)性原則：立足無(wú)人駐守，定期巡檢、采集、傳輸、處理一體化，應(yīng)用軟件工程方法，確保系統(tǒng)的開(kāi)放性、可擴(kuò)充性和可維護(hù)性，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)的難度和代價(jià)。

7）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范原則：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，保障系統(tǒng)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)負(fù)責(zé)提供物聯(lián)網(wǎng)智能終端的接入管理，實(shí)現(xiàn)通訊連接和信息接入，通過(guò)線下收集到的設(shè)備信息，將設(shè)備信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供的功能進(jìn)行上傳和儲(chǔ)存，信息字段一般包括：設(shè)備名稱、廠家、所屬分區(qū)、類(lèi)型、位置、坐標(biāo)、質(zhì)保期、出廠編號(hào)等基本信息。

為滿足對(duì)各智能業(yè)務(wù)終端、邊緣物聯(lián)代理的監(jiān)視、配置和管理，匯集各端采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并為數(shù)據(jù)中臺(tái)提供支撐，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支持以下能力：

1）兼容異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)：支持多種無(wú)線通信協(xié)議，包括但不限于基于無(wú)線WiFi、BT、Zigbee、2G/3G/4G/5G、LoRa、NB-loT;有線RS485、KNX等協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，消息路由，云端適配等服務(wù)。

2）多協(xié)議接入：支持多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議，包括但不限于MQTT、COAP、HTTP/HTTPS等常用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，既能滿足長(zhǎng)連接的實(shí)時(shí)性需求，也能滿足短連接的低功耗需求。

3）云端數(shù)據(jù)分析處理：針對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)處理端，平臺(tái)支持編寫(xiě)類(lèi)SQL規(guī)則過(guò)濾設(shè)備數(shù)據(jù)，并通過(guò)規(guī)則引擎一鍵式配置打通其他組件，以方便快捷地實(shí)現(xiàn)海量設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、計(jì)算以及智能分析應(yīng)用。為設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸提供可靠、安全、自動(dòng)化的全天候運(yùn)維監(jiān)控服務(wù)。

4）應(yīng)用層協(xié)議統(tǒng)一：物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)支持通過(guò)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)層協(xié)議實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的統(tǒng)一接入與管理。

5）高性能與多連接支持：具備億級(jí)設(shè)備的接入能力、大數(shù)據(jù)的傳輸能力、設(shè)備與第三方服務(wù)的統(tǒng)一連接能力。

3.3 數(shù)據(jù)中臺(tái)

業(yè)務(wù)中臺(tái)采用云服務(wù)的方式，為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算、分析和展示提供相應(yīng)的地理信息服務(wù)、大數(shù)據(jù)及人工智能服務(wù)、數(shù)據(jù)交互服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、統(tǒng)一用戶服務(wù)、統(tǒng)一視頻監(jiān)控服務(wù)和BIM模型服務(wù)。

主要包括：

1）地理信息服務(wù)：GIS服務(wù)中臺(tái)主要提供統(tǒng)一的地圖服務(wù)、三維服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)地圖、專(zhuān)題圖底圖、三維場(chǎng)景、各類(lèi)地理信息、基礎(chǔ)信息的地圖展示。將云計(jì)算與GIS服務(wù)融合，通過(guò)資源模板管理、部署、調(diào)度等特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的敏捷調(diào)度、便捷管理，針對(duì)GIS應(yīng)用環(huán)境快速部署和結(jié)合GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行空間大數(shù)據(jù)分析等核心需求。

2）大數(shù)據(jù)服務(wù)：智慧水務(wù)決策支持系統(tǒng)基于海量的不同類(lèi)型數(shù)據(jù)，其中包含與地域分布有關(guān)的空間數(shù)據(jù)及隨時(shí)間變化的時(shí)序數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成有用的信息和知識(shí)，可為決策提供有力支撐。

3）人工智能服務(wù)：通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)標(biāo)注、大規(guī)模分布式訓(xùn)練、自動(dòng)化模型生成，提供AI應(yīng)用按需部署能力。提供AI數(shù)據(jù)及算法支撐，提升數(shù)據(jù)處理效率，加快整體運(yùn)行速度;分布式集群加速，提升模型訓(xùn)練效率。

3.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)

在上述智能感知層、數(shù)據(jù)服務(wù)層的支持下，本平臺(tái)提供了多個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)：

1）監(jiān)控指揮一張圖系統(tǒng)

基于大屏幕展示的監(jiān)控指揮一張圖系統(tǒng)，在日常應(yīng)用中，用于視頻監(jiān)控展示、綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警、管網(wǎng)綜合展示、資產(chǎn)集中監(jiān)管、績(jī)效考評(píng)監(jiān)管等業(yè)務(wù);在應(yīng)急會(huì)商或研討時(shí)，用于展示供排水各類(lèi)信息資源，保證信息展示的深度和廣度，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度指導(dǎo)、輔助決策。系統(tǒng)功能界面如圖3所示。

2）智慧供水應(yīng)用系統(tǒng)

智慧供水建設(shè)將資產(chǎn)管理、管網(wǎng)運(yùn)維、生產(chǎn)運(yùn)行管理、調(diào)水管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控、營(yíng)業(yè)收費(fèi)、熱線服務(wù)等多種功能模塊整合到一個(gè)平臺(tái)中，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)包括供水設(shè)施、設(shè)備資產(chǎn)、水情監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、控制設(shè)施、生產(chǎn)報(bào)表、營(yíng)業(yè)收費(fèi)等各類(lèi)型的數(shù)據(jù)。

智慧供水應(yīng)用系統(tǒng)包括管網(wǎng)資產(chǎn)管理、設(shè)備資產(chǎn)管理、在線監(jiān)測(cè)、廠站運(yùn)行監(jiān)管、管網(wǎng)巡查養(yǎng)護(hù)、營(yíng)業(yè)收費(fèi)管理、管網(wǎng)漏損管控、聯(lián)合調(diào)度管理、熱線客服等9個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)相互獨(dú)立，同時(shí)又與智慧水務(wù)綜合運(yùn)行管理平臺(tái)的績(jī)效考核評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧排水工程的績(jī)效考核監(jiān)管及運(yùn)行效能評(píng)估。

3）智慧排水應(yīng)用系統(tǒng)

智慧排水建設(shè)將資產(chǎn)管理、管網(wǎng)運(yùn)維、廠站運(yùn)行管理、調(diào)水管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控等多種功能模塊整合到一個(gè)平臺(tái)中，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)包括排水管網(wǎng)設(shè)施、設(shè)備資產(chǎn)、水雨情、水文、控制設(shè)施、視頻監(jiān)控、河道水質(zhì)等各類(lèi)型的數(shù)據(jù)。

智慧排水應(yīng)用系統(tǒng)包括管網(wǎng)資產(chǎn)管理、設(shè)備資產(chǎn)管理、在線監(jiān)測(cè)、廠站運(yùn)行監(jiān)管、管網(wǎng)巡查養(yǎng)護(hù)、聯(lián)合調(diào)度管理、排水戶管理等7個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧排水工程的績(jī)效考核監(jiān)管及運(yùn)行效能評(píng)估。

4）智慧水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)

智慧水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)對(duì)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)，采用GIS、數(shù)據(jù)可視化、統(tǒng)計(jì)分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境及排污設(shè)施的水質(zhì)、水量等各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直觀展示。同時(shí)，結(jié)合對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析需求，提供各類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析工具，滿足水環(huán)境綜合治理對(duì)水環(huán)境監(jiān)管的要求以及水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的各類(lèi)應(yīng)用需求。系統(tǒng)界面如圖4所示。

4 結(jié)論

智慧水務(wù)是智慧社會(huì)的重要組成部分，是新時(shí)代水務(wù)信息化發(fā)展的更高階段，是水務(wù)現(xiàn)代化的前提條件，是推動(dòng)水治理能力現(xiàn)代化建設(shè)的客觀要求。水務(wù)現(xiàn)代化對(duì)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)來(lái)說(shuō)不可或缺，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，保障生態(tài)環(huán)境改善。智慧水務(wù)建設(shè)利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等各項(xiàng)新技術(shù)手段，全面消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用聯(lián)動(dòng)，為處理和應(yīng)對(duì)供排水和水環(huán)境污染事件和監(jiān)管提供了技術(shù)支撐，有效減少各類(lèi)水污染事故，能夠給當(dāng)?shù)馗纳扑h(huán)境、氣候及生產(chǎn)生活環(huán)境帶來(lái)較大的利益。

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【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】

收稿日期：2021-11-12

作者簡(jiǎn)介：衛(wèi)慧（1971—），女，上海人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)楣こ虜?shù)字化、智慧工程、地理信息系統(tǒng)與建筑信息模型研究與應(yīng)用。