智慧水務關(guān)鍵技術(shù)研究及應用

孫國慶

（西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

智慧水務采用先進的信息技術(shù)，實現(xiàn)城市水務運行的科學管理，確保供水水質(zhì)安全，是城市管理信息化水平的重要標志[1]，更是保障民生的重要技術(shù)手段。水資源的日益稀缺與水環(huán)境保護壓力的持續(xù)增大，以及階梯水價等政策的推行，傳統(tǒng)的管理方式遠遠不能滿足需求，使得智慧水務的建設(shè)成為當務之急。

智慧水務是一項大型的復雜的系統(tǒng)工程，涉及水務系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，水務系統(tǒng)存在分布范圍廣、時空跨度大、水環(huán)境突發(fā)事件多等特征，信息化、智能化也具有一定的獨特性。只有采用先進的信息技術(shù)，全面感知，智能分析，科學決策，才能實現(xiàn)現(xiàn)代化的水務管理。信息技術(shù)高速發(fā)展，為智慧水務建設(shè)提供了強有力的技術(shù)支撐。

1 智慧水務總體架構(gòu)

1.1 水務系統(tǒng)特征

智慧水務是一個可擴展、可持續(xù)改進的系統(tǒng)，具有兼容性和包容性，能根據(jù)需要對監(jiān)控點及參數(shù)進行增減和修改。整個系統(tǒng)具有統(tǒng)一協(xié)調(diào)性，并且可隨著行業(yè)和信息化等方面的發(fā)展，在原有基礎(chǔ)上不斷更新和升級。水務信息監(jiān)測實時性要求高，針對運行異常情況能夠及時做出反應；需要實現(xiàn)信息的發(fā)布與共享，全民參與水務管理，信息互動。

1.2 水務系統(tǒng)總體架構(gòu)

不同城市的水務系統(tǒng)有著各自的特點，如水源，有地表水、地下水、污水回用等，信息化程度也不盡相同，因此，智慧水務建設(shè)沒有標準的模式，應根據(jù)具體的水務系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)目標，采用或指定相關(guān)的技術(shù)標準，設(shè)計具體的技術(shù)方案。新建系統(tǒng)應具備前瞻性，充分利用已建基礎(chǔ)設(shè)施和信息化系統(tǒng)，改造完善不能滿足新需求的信息化系統(tǒng)。同時，智慧水務作為新型智慧城市重要的子系統(tǒng)之一，建設(shè)實施方案如果結(jié)合智慧城市建設(shè)總體規(guī)劃，全局考慮，統(tǒng)籌規(guī)劃，充分采用智慧城市建設(shè)的各種基礎(chǔ)設(shè)施及軟硬件平臺，將大幅降低建設(shè)成本和周期。

智慧水務旨在實現(xiàn)對源水、制水、供水、排水、污水、中水等水資源的全生命周期管理，各個環(huán)節(jié)需采集大量的各類涉水數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)積累速度快，需采用智能感知、大數(shù)據(jù)分析、異構(gòu)網(wǎng)絡融合、虛擬化、移動互聯(lián)等先進的信息技術(shù)，全面感知涉水數(shù)據(jù)，智能分析，及時響應，科學決策。

智慧水務總體架構(gòu)如圖 1 所示，具體組成如下：

1）感知層。采用數(shù)采儀、智能控制器、在線檢測儀表、手持終端等采集各類涉水數(shù)據(jù)，實現(xiàn)運行狀態(tài)、位置信息、設(shè)施設(shè)備 ID 等的感知，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)和水務數(shù)據(jù)中心的信息交互。

2）網(wǎng)絡層。通過租賃運營商網(wǎng)絡，如租用裸光纖或帶寬，或采用 4G 方式等，完成數(shù)據(jù)、視頻、圖片的傳輸與交換。

3）數(shù)據(jù)層。系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理、水務專題等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、加工等處理過程，為系統(tǒng)業(yè)務應用提供數(shù)據(jù)支撐。

4）業(yè)務應用層。包括各子系統(tǒng)間共享與服務，提供數(shù)據(jù)的交換共享、GIS 及網(wǎng)絡安全接入、統(tǒng)一用戶認證等，支撐系統(tǒng)業(yè)務運行，實現(xiàn)智能調(diào)度、水質(zhì)監(jiān)測、智慧管網(wǎng)、公眾服務、應急指揮等應用。制定貫穿系統(tǒng)各個層次的標準規(guī)范、安全保障及運行維護管理等體系。

圖 1 智慧水務總體架構(gòu)圖

2 智慧水務關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能感知技術(shù)

智慧水務的實現(xiàn)需要大量的數(shù)據(jù)支撐，智能感知設(shè)備是實時數(shù)據(jù)的主要來源。通過建立前端測點位置與地理空間信息之間的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)點、線、面三者有機結(jié)合，從而實現(xiàn)立體的、時序的、全方位的信息感知。

2.1.1 基于 RFID 的水務部件信息感知技術(shù)

水務設(shè)施分布分散，管道采用地埋方式，管理困難，采用無線射頻識別 RFID 技術(shù)，實現(xiàn)包括供水、排水設(shè)施，凈水、配水設(shè)備，污水處理設(shè)施等的標識管理，建立水務設(shè)施管理檔案庫，全面實現(xiàn)信息化管理。

RFID 標簽具有防水、防磁、耐高溫，受環(huán)境影響小等特點；RFID 讀寫器具有穿透性，無源和操作免接觸， 讀取速度快，并能同時處理多個電子標簽，高效且準確等特點。

在管線上嵌入 RFID 標簽，標簽內(nèi)存儲管線設(shè)備設(shè)施的屬性信息，結(jié)合 GIS 系統(tǒng)進行供水管網(wǎng)位置、管徑、材質(zhì)等信息管理[2]。將 RFID 標簽或傳感器本身的物理編號與地圖上的位置對應起來，精確定位地下設(shè)施，方便監(jiān)測與維護，可以快速查找并識讀地下設(shè)施信息，同時，城市地下施工時能夠明確供水管道位置，減少開挖事故率并降低成本，提高應急搶險施工效率，有效保護地下設(shè)施。

2.1.2 基于智能控制器的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)

實時采集供水區(qū)域管網(wǎng)壓力監(jiān)控點、關(guān)鍵流量點及水質(zhì)監(jiān)測點反饋回來的數(shù)據(jù)，及時掌握管網(wǎng)運行、流量和水質(zhì)情況。水務現(xiàn)場環(huán)境差，多數(shù)管網(wǎng)監(jiān)測點不具備市電和有線通訊條件。采用智能控制器，具備一定的存儲容量、無線通訊功能及邏輯運算能力，通過 4G 無線通訊功能與水務數(shù)據(jù)中心交互數(shù)據(jù)，通訊中斷或異常時，運行數(shù)據(jù)存儲在智能控制器存儲卡上，通訊恢復后再上傳。系統(tǒng)報警或出現(xiàn)緊急事件時，智能控制器根據(jù)邏輯運算結(jié)果自動操作現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)做出應急處理。

2.2 云計算技術(shù)

智慧水務私有云采用虛擬化對各種計算資源進行池化，按需分配，實現(xiàn)高效靈活的 IT 基礎(chǔ)架構(gòu)和高可用的 IT 服務水平，提供增強的安全性和合規(guī)性配置，并可統(tǒng)一管理云環(huán)境。將各種業(yè)務功能作為服務進行交付，最終實現(xiàn)“水務云”。

數(shù)據(jù)中心是云計算服務的基礎(chǔ)[3]，智慧水務私有云存儲可以部署在水務企業(yè)數(shù)據(jù)中心。智慧水務系統(tǒng)平臺涉及的業(yè)務范圍廣，所需集成的數(shù)據(jù)內(nèi)容較多，建立高效、可靠的數(shù)據(jù)中心，可實現(xiàn)水務系統(tǒng)生產(chǎn)過程、經(jīng)營管理、安全監(jiān)測、空間地理地測等數(shù)據(jù)的集中處理，存儲，傳輸，交換與管理。

云存儲是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的服務，具有海量存儲，統(tǒng)一管理，資源共享，成本低廉，容易擴容等特性[4]。綜合利用水務企業(yè)現(xiàn)有的存儲設(shè)備，同時根據(jù)數(shù)據(jù)屬性選擇相應的存儲模式。實時采集的各種數(shù)據(jù)采用 FC SAN 存儲，存取數(shù)度快，效率高。對水務企業(yè)管理歸檔、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)采用成本相對低廉的 IP 存儲模式，以降低成本。水務數(shù)據(jù)需要實現(xiàn)容災備份，云存儲技術(shù)可以簡單方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)異地、增量備份。智慧水務作為智慧城市重要的組成部分，通過云存儲可在智慧城市數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)水務數(shù)據(jù)的異地容災。

云 GIS 通過互聯(lián)網(wǎng)以 Web 服務的形式提供空間數(shù)據(jù)存取與交換、信息查詢及分析服務應用接口等服務[5]，能實現(xiàn)分布式跨平臺的空間數(shù)據(jù)集成，為用戶提供分布式協(xié)同信息處理和按需服務[6]。云 GIS的實現(xiàn)，為各種用戶瀏覽地理信息，搭建業(yè)務運行系統(tǒng)提供了便捷的途徑，使地理信息服務能無縫地嵌入到水務企業(yè)各部門的現(xiàn)有業(yè)務系統(tǒng)中。GIS 平臺統(tǒng)一建設(shè)維護，地圖數(shù)據(jù)統(tǒng)一更新，既可縮短項目開發(fā)周期，又能大幅降低建設(shè)及運維成本。

2.3 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

大數(shù)據(jù)是推進智慧水務建設(shè)的核心環(huán)節(jié)。智慧水務涵蓋了從源水到用戶端的所有涉水數(shù)據(jù)，也包括生產(chǎn)運營與水務用戶反饋的各種數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)分析采用非傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)過濾工具，對大量有序或無序數(shù)據(jù)集合進行挖掘。智慧水務涉及數(shù)據(jù)面廣、量大且增長速度快，如果缺乏大數(shù)據(jù)分析處理，大量的數(shù)據(jù)就不能發(fā)揮數(shù)據(jù)本身的價值。

2.3.1 數(shù)據(jù)分類及來源

水務數(shù)據(jù)主要來源為水務普查和感知終端采集的各種數(shù)據(jù)，包括水務基礎(chǔ)（電氣設(shè)備、管網(wǎng)設(shè)施、空間數(shù)據(jù)）、水務系統(tǒng)運行（采集感知的所有數(shù)據(jù)）、公眾反饋（用水服務監(jiān)督，服務質(zhì)量評估，故障、事故信息上報，安裝、拆除、遷移等信息）、經(jīng)營管理及環(huán)境（氣象參數(shù)、城市規(guī)劃等）等數(shù)據(jù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

水務系統(tǒng)現(xiàn)場存在著海量生產(chǎn)運行過程數(shù)據(jù)，對所屬各生產(chǎn)單位實時和歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對各超限數(shù)據(jù)的自動會診，提供初步的起因判別與處理措施決策，為領(lǐng)導決策提供依據(jù)，同時建立智能學習體系，構(gòu)建水務知識庫和專家?guī)?，實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能分析，利用感知數(shù)據(jù)的時空相關(guān)性分析系統(tǒng)關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，為企業(yè)科學管理提供依據(jù)。

智慧水務可采用 Hadoop 結(jié)合實時、關(guān)系等數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，Hadoop 是通過分布式方式處理大數(shù)據(jù)的開源的軟件，功能強大，效率高。通過數(shù)據(jù)分析可以及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)壓力、流量突變，提高管網(wǎng)維護的應急能力，保障供水的穩(wěn)定性和可靠性。通過對各生產(chǎn)單位供水量、水位、井泵運行、電流、電壓、電量、出廠水余氯、濁度等數(shù)據(jù)分析，異常情況預警，從而及時掌控系統(tǒng)運行情況，提高供水的安全性和可靠性。

對設(shè)備的能耗、運行時間、故障次數(shù)及恢復時間等綜合分析，提高設(shè)備運行效率，降低維護成本，為設(shè)備更換提供數(shù)據(jù)參考依據(jù)。以水務企業(yè)運行和表務管理及營業(yè)收費系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)，綜合分析城市氣溫、降水、氣壓等與用水量的關(guān)系，制定中長期供水計劃。

2.4 SOA 技術(shù)

智慧水務平臺以應用為中心，采用 SOA 技術(shù)實現(xiàn)水務云平臺，以 SOA 面向服務的特性，通過服務接口實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的松耦合，不同水務服務可以相互交換數(shù)據(jù)，使平臺既可以整合現(xiàn)有的業(yè)務應用又能滿足未來新的應用需求，實現(xiàn)信息的高度集成。

SOA 的核心是面向服務的，服務不依賴于任一獨立的系統(tǒng)，具有可互操作性、獨立性、松耦合性。面向服務的系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)，將信息的復雜性隱藏在服務的模塊之中，將服務從復雜的環(huán)境中獨立出來，組件化封裝，通過服務交互或組合完成系統(tǒng)的實現(xiàn)。

采用基于 Web Service 的面向服務集成框架，實現(xiàn)各子系統(tǒng)平臺之間的應用、服務的集成，為用戶提供一個統(tǒng)一的面向服務的應用集成管理界面。咸陽水務集團水務業(yè)務應用服務主要分為基礎(chǔ)、廠級和公司級應用及公眾等服務。

搭建水務智慧應用系統(tǒng)，整合現(xiàn)有各行業(yè)部門涉水事務辦事服務網(wǎng)點、網(wǎng)上電子政務和商務服務窗口、電話呼叫中心服務熱線等服務資源，重組協(xié)同服務業(yè)務，通過基于無線寬帶、三網(wǎng)融合等通信技術(shù)的多樣媒體向社會公眾提供個性化服務。用戶可在多種客戶端如瀏覽器、智能手機、傳統(tǒng)桌面系統(tǒng)查詢和瀏覽水務信息，系統(tǒng)也可為用戶推送用水信息、停水公告等，為企業(yè)管理、用水用戶、設(shè)備廠家、供電局、市政及其它政府部門提供及時和全面的信息服務。

2.5 信息安全技術(shù)

在滿足實際應用的前提下，充分考慮水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。系統(tǒng)采用用戶分級管理、網(wǎng)絡防入侵等措施，確保系統(tǒng)的安全運行。重要數(shù)據(jù)采取容災備份，能夠保證內(nèi)部信息不被外部竊取破壞，確保數(shù)據(jù)的完整性。充分利用網(wǎng)絡級、數(shù)據(jù)庫級、文檔區(qū)域段級等安全保密機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，保障信息的安全性；通過虛擬機備份和在線遷移技術(shù)保證系統(tǒng)安全可靠運行。咸陽智慧水務作為智慧城市的重要組成部分，通過智慧城市數(shù)據(jù)中心云存儲實現(xiàn)水務數(shù)據(jù)異地容災，水務數(shù)據(jù)長期安全存儲。

3 結(jié)語

通過對水務系統(tǒng)的特征分析，探討智慧水務實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，并在咸陽智慧水務建設(shè)項目中得以實現(xiàn)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了智慧水務建設(shè)目標，取得了良好的效果。智慧水務關(guān)鍵技術(shù)在城市水務建設(shè)中具有通用性，該研究成果的成功運用可為其它城市智慧水務系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)積累經(jīng)驗，具有一定的參考價值。

[1] 楊明祥，蔣云鐘，田雨. 智慧水務建設(shè)需求探析[J]. 清華大學學報（自然科學版），2014 (1): 133-136.

[2] 牟鳳云，王云飛，羅丹，等. 基于 GIS 的城市供水管網(wǎng)信息系統(tǒng)設(shè)計與應用[J]. 重慶交通大學學報（自然科學版），2014 (3): 166-170.

[3] 侯歡歡. 數(shù)據(jù)中心在水網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)中的建設(shè)[J]. 山西師范大學學報（自然科學版），2014 (2): 26-30.

[4] 劉思得. 基于網(wǎng)絡的云存儲模式的分析探討[J]. 科技通報，2012，28 (10): 206-209.

[5] 李明巨，吳勤書，劉昱君 . 一種基于云 GIS 技術(shù)的地理信息服務新方式[J]. 測繪通報，2015 (2): 92-94.

[6] 張衡，成毅，王曉理. 云 GIS 下智慧城市地理空間信息共享平臺構(gòu)建[J]. 地理信息世界，2016，23 (3): 71-76.