大數(shù)據(jù)環(huán)境下常州市新北區(qū)排水管理平臺(tái)構(gòu)建

劉 駿，朱 穎，賈玲玲

（常州市水資源服務(wù)中心，江蘇 常州 213000）

0 引言

城市水務(wù)是一個(gè)民生問題，與地區(qū)人民的生活息息相關(guān)。目前我國水務(wù)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(yán)重，城市內(nèi)澇問題頻發(fā)。伴隨我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，國家對(duì)城市公共水務(wù)系統(tǒng)的信息化程度更加重視，也加大了對(duì)信息化工程的投資力度。2013 年頒布的《國務(wù)院關(guān)于做好城市排水防澇設(shè)施建設(shè)工作的通知》，明確要求要在 5 a 時(shí)間內(nèi)完成雨污管網(wǎng)的分流改造，用 10 a 左右的時(shí)間建成較為完善的城市水務(wù)信息系統(tǒng)體系[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，信息化的建設(shè)思路也逐漸發(fā)生變化，當(dāng)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(shí)際發(fā)展?fàn)顩r，以解決城市運(yùn)行、民生保障為任務(wù)，打造一流智慧名城。以智慧常州為契機(jī)，以常州市新北區(qū)水利和水務(wù)主要業(yè)務(wù)為立足點(diǎn)，提出建設(shè)排水信息化的構(gòu)想，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)環(huán)境下新北區(qū)排水管理一體化平臺(tái)，整合水利部門數(shù)據(jù)，以排污為立足點(diǎn)，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(wù)信息化建設(shè)提供新的思路。

1 常州新北水務(wù)管理體系

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

目前常州新北水務(wù)管理存在以下不足：1）倉儲(chǔ)出入庫記錄主要依靠手工進(jìn)行，涉水資產(chǎn)（包括使用和倉儲(chǔ)中）盤點(diǎn)較為困難，效率低下。2）排水管網(wǎng)漏損率較高，維修壓力大，當(dāng)管網(wǎng)爆裂事件發(fā)生時(shí)，需要人工查找爆裂地點(diǎn)，通知外包維修人員進(jìn)行維修，告知相關(guān)泵站人工關(guān)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(yùn)轉(zhuǎn)。3）在暴雨季，為完成泄洪任務(wù)，需要外借人員在泵站值守，運(yùn)營成本較高。

因此，通過信息化的手段，借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)泵站自動(dòng)化控制、管網(wǎng)爆管點(diǎn)預(yù)測、維護(hù)維養(yǎng)自動(dòng)派單、排水關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高常州新北水務(wù)管理水平。

2 常州新北水務(wù)信息化現(xiàn)狀

常州新北水務(wù)信息化工作遵循“統(tǒng)一規(guī)則、分步實(shí)施、平臺(tái)共用、資源共享、應(yīng)用先導(dǎo)、務(wù)求實(shí)效”的原則，初步部署了水位監(jiān)測井 220 個(gè)，水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn) 262 個(gè)，視頻監(jiān)控點(diǎn) 18 個(gè)，目前暫時(shí)只完成排水收繳、辦公業(yè)務(wù) 2 個(gè)信息化系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)部分傳感器數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(jìn)行控制，缺少集自動(dòng)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(tái)。在水務(wù)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(wù)監(jiān)測能力較前幾年有了顯著提升，硬件設(shè)備部署相比前幾年有了明顯增多，但是數(shù)據(jù)采集設(shè)備布點(diǎn)存在不均衡的狀況，設(shè)備的可靠性、數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。通過各種信息采集器的均衡布點(diǎn)，可以對(duì)新北水務(wù)排水過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行立體采集，全方位感知水務(wù)運(yùn)行全過程。

2） 自動(dòng)化控制程度不高?，F(xiàn)階段新北水務(wù)的泵閘站采用的人工控制方式工作效率低下，控制不及時(shí)，可能會(huì)對(duì)水務(wù)工作正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成一定影響，且每個(gè)站點(diǎn)都需要有人值守，人力成本高。綜合運(yùn)用成熟的工業(yè)控制、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸及計(jì)算機(jī)等技術(shù)，建立先進(jìn)的控制系統(tǒng)，可提高泵站運(yùn)行的安全性、可靠性，提高新北水務(wù)的工作效率。

3）智慧決策支持能力缺乏?，F(xiàn)階段新北水務(wù)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(wù)為核心，輔助決策類、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)類功能不足，不能有效滿足水務(wù)管理的需求。通過建立排水管理輔助決策系統(tǒng)，支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、管網(wǎng)爆管及縱橫斷面等分析，能夠分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并計(jì)算泵閘站的啟閉高度及持續(xù)時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，幫助運(yùn)營者將思維從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，提高決策的科學(xué)性、準(zhǔn)確性。

4）社會(huì)服務(wù)不夠主動(dòng)。水務(wù)公司服務(wù)的對(duì)象主要包括政府部門、企業(yè)和社會(huì)公眾，目前的服務(wù)方式處于被動(dòng)狀態(tài)，人性化、主動(dòng)服務(wù)有待提高?；诖髷?shù)據(jù)環(huán)境下的排水管理平臺(tái)，可以給普通群眾提供預(yù)警服務(wù)，如及時(shí)發(fā)布排水故障，推送管網(wǎng)、招標(biāo)信息，提供故障申報(bào)窗口和險(xiǎn)情、民情反映通道，為社會(huì)公眾提供便捷化的服務(wù)。

3 常州新北排水管理一體化平臺(tái)建設(shè)

3.1 排水信息化建設(shè)目標(biāo)

現(xiàn)階段排水信息化主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳感器裝備到管網(wǎng)、泵站、監(jiān)測井等設(shè)備上，連接成網(wǎng)，然后基于云計(jì)算技術(shù)整合傳感器數(shù)據(jù)資源，并進(jìn)行運(yùn)算處理輔助決策，以此改變水務(wù)工作與政府、企業(yè)、社會(huì)公眾之間的交往方式，從而更加科學(xué)化、數(shù)據(jù)化、精細(xì)化地對(duì)城市水務(wù)進(jìn)行運(yùn)作管理[3]。

隨著新北區(qū)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城區(qū)污水處理能力不斷增強(qiáng)，排水設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)大，季節(jié)性抗臺(tái)防澇形勢日益嚴(yán)峻。在原有數(shù)字排水的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身現(xiàn)狀，向排水信息化過渡和轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)新北區(qū)排水?dāng)?shù)據(jù)資產(chǎn)、排污實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、預(yù)警信息、維修養(yǎng)護(hù)、巡查地的管理及任務(wù)指派等功能，構(gòu)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(wù)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(tái)，為全面建設(shè)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(wù)架構(gòu)

根據(jù)常州新北水務(wù)的實(shí)際情況，將水務(wù)業(yè)務(wù)從系統(tǒng)用戶角度劃分為內(nèi)部管理和公共服務(wù)兩大類，具體架構(gòu)如圖 1 所示。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容主要包括 1 個(gè)數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)采集和業(yè)務(wù)管理 2 個(gè)平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和中心可為業(yè)務(wù)管理平臺(tái)提供支撐。

圖1 新北排水業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

3.2.1 排水?dāng)?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(xiàng)數(shù)據(jù)字段、類型等細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理，在現(xiàn)有綜合庫的基礎(chǔ)上建設(shè)數(shù)據(jù)倉庫，為分析、統(tǒng)計(jì)、決策等過程提供數(shù)據(jù)支撐，形成水務(wù)“一張圖”（管網(wǎng)、站點(diǎn)），1 個(gè)數(shù)據(jù)中心，2 個(gè)業(yè)務(wù)平臺(tái)。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)框架如圖 2 所示，新北區(qū)在水務(wù)公司運(yùn)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(wǎng)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(shè)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(shè)備運(yùn)行參數(shù)、液位數(shù)據(jù)，照片數(shù)據(jù)主要涉及設(shè)備維修、維護(hù)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)主要涉及視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集方式主要包括自動(dòng)發(fā)送、在線和離線填報(bào)、移動(dòng)采集等方式，其中傳感器、視頻等數(shù)據(jù)采用自動(dòng)發(fā)送的采集方式，水務(wù)相關(guān)工作數(shù)據(jù)采用在線和離線填報(bào) 2 種方式，在設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)過程中采用移動(dòng)端進(jìn)行相關(guān)照片等的數(shù)據(jù)采集，采用 OCR（光學(xué)字符識(shí)別）技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行掃描錄入，減少人工工作量，提高工作效率。

圖2 新北水務(wù)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

3.3 排水總體架構(gòu)

基于新北水務(wù)業(yè)務(wù)的梳理和分析發(fā)現(xiàn)，水位監(jiān)測井 350 個(gè)（包含新增點(diǎn)）和監(jiān)測點(diǎn) 385 個(gè)（包含新增點(diǎn)）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?dāng)?shù)據(jù)量較大且存在較多異構(gòu)數(shù)據(jù)（傳感器、視頻等數(shù)據(jù)），對(duì)于一些操作，如爆管位置預(yù)測，水泵啟閉高度確定，實(shí)時(shí)計(jì)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(tái)總體框架，具體架構(gòu)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(jié)構(gòu)：

1）數(shù)據(jù)來源。數(shù)據(jù)來源指的是結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，包括 RFID（無線射頻識(shí)別）、移動(dòng)終端記錄的巡查軌跡的 GPS、網(wǎng)絡(luò)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(fèi)時(shí)間最長的工作是數(shù)據(jù)清洗工作。從知識(shí)領(lǐng)域分，數(shù)據(jù)可以分為水文、排水、空間、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)；從時(shí)間分，可以分為離線和實(shí)時(shí)等數(shù)據(jù)。從源數(shù)據(jù)處采集的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過清洗，規(guī)范數(shù)據(jù)字典，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系型或者非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，最后匯總到服務(wù)器中，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，提取不同的數(shù)據(jù)，借助計(jì)算框架進(jìn)行分析，如進(jìn)行泵站啟閉高度預(yù)測，爆管位置分析等。

3）知識(shí)產(chǎn)生。排水信息化的輔助決策部分需要對(duì)積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及深層次的關(guān)聯(lián)、挖掘，才能找到內(nèi)部隱藏的規(guī)律[4]，主要包含水網(wǎng)結(jié)構(gòu)、排水、洪澇模型、設(shè)備故障、水質(zhì)變化、空間分析、水位預(yù)警等規(guī)律。這些規(guī)律可以通過從數(shù)據(jù)倉庫中調(diào)用數(shù)據(jù)，運(yùn)用多個(gè)分析緯度、多種分析算法進(jìn)行挖掘，產(chǎn)生可以應(yīng)用的知識(shí)。

4）知識(shí)服務(wù)。數(shù)據(jù)最終價(jià)值的體現(xiàn)都在知識(shí)應(yīng)用上，通過數(shù)據(jù)采集、清洗、存儲(chǔ)、分析，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)工作效率、決策有幫助的信息。新北排水管理的知識(shí)服務(wù)主要體現(xiàn)在排水情況監(jiān)控，水質(zhì)異常預(yù)警，爆管、排水安全、設(shè)備故障等分析，以及設(shè)備零部件更換預(yù)警和管網(wǎng)布控等方面。

3.4 排水網(wǎng)絡(luò)安全體系建設(shè)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全問題在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，根據(jù)《計(jì)算機(jī)信息安全保護(hù)等級(jí)劃分準(zhǔn)則》，以及新北區(qū)業(yè)務(wù)需求，排水管理系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等級(jí)保護(hù)二級(jí)（審計(jì)保護(hù)級(jí)）進(jìn)行建設(shè)。為保障新北水務(wù)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)作，從以下 2 個(gè)體系建設(shè)，保障信息安全：

1）網(wǎng)絡(luò)安全管理體系。從組織機(jī)構(gòu)、人員安全和制度標(biāo)準(zhǔn) 3 個(gè)方面進(jìn)行建設(shè)，其中組織機(jī)構(gòu)主要建立一把手抓網(wǎng)絡(luò)安全工作組織機(jī)制，充分調(diào)動(dòng)多個(gè)部門協(xié)調(diào)工作；人員安全主要以培養(yǎng)高素質(zhì)人才為目標(biāo)，以崗前培訓(xùn)和繼續(xù)教育為重點(diǎn)；制度建設(shè)主要建立健全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，參照國內(nèi)同行業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，建立健全網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)。

2）網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)體系。網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)體系主要包括物理層和網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)，其中物理層主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如機(jī)房、路由器等進(jìn)行建設(shè)。網(wǎng)絡(luò)層方面，鑒于工作人員主要向區(qū)政府系統(tǒng)上報(bào)數(shù)據(jù)，訪問政務(wù)網(wǎng)電子辦公系統(tǒng)、外網(wǎng)等，因此將存在相應(yīng)的訪問出口，根據(jù)訪問目標(biāo)、策略、信息性質(zhì)、功能特點(diǎn)等，將網(wǎng)絡(luò)劃分為互聯(lián)網(wǎng)、電子政務(wù)網(wǎng)、水利專網(wǎng)、各區(qū)縣網(wǎng)絡(luò)等接入?yún)^(qū)，以及樓層辦公區(qū)、應(yīng)用服務(wù)器區(qū)、核心交換區(qū)、安全運(yùn)維管理區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份區(qū)。根據(jù)各安全域的特點(diǎn)和要求，分別采用多臺(tái)一體化安全網(wǎng)關(guān)、入侵防御系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫審計(jì)安全設(shè)備，保證網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的整體安全性。

4 結(jié)語

排水信息化是智慧城市建設(shè)過程中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，排水信息化的建設(shè)是數(shù)字化時(shí)代的必經(jīng)之路，也是向智慧排水過渡的關(guān)鍵一步。排水信息化的建設(shè)需要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、安全可靠的信息技術(shù)、海量數(shù)據(jù)的計(jì)算分析平臺(tái)，這樣才能提升水務(wù)工作效率，促進(jìn)整個(gè)水務(wù)領(lǐng)域的發(fā)展。本研究嘗試在排水管理總體框架的指導(dǎo)下，對(duì)排水信息化建設(shè)方案進(jìn)行研究，借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，構(gòu)建了排水管理一體化平臺(tái)，整合數(shù)據(jù)資源，顯著提高了常州新北水務(wù)的管理水平，為水務(wù)業(yè)務(wù)從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變提供理論依據(jù)?，F(xiàn)階段，雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水務(wù)信息化，但是尚需更深層次的研究，探索智慧水務(wù)的建設(shè)，進(jìn)一步提高管理和服務(wù)水平。