基于大數(shù)據(jù)技術的城市智慧水務框架構想

李勝勇，李有明，龍 巖

（1.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038；2.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038）

李克強總理在“兩會”工作報告中指出：推動大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網廣泛應用，加強新一代人工智能研發(fā)應用。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[1，2]。2008 年，“智慧地球”這一理念被IBM 提出后，引發(fā)了各國建設“智慧城市”的熱潮，“智慧水務”作為“智慧城市”發(fā)展的必然產物也應運而生[3-5]。目前，我國正處于高速城市化，同時伴隨著高速工業(yè)化，環(huán)境惡化、資源短缺、交通擁堵等“城市病”日益嚴重，導致流域水循環(huán)發(fā)生深刻變異，城市水系不斷衰退，嚴重威脅經濟和生態(tài)安全[6，7]。作為智慧城市建設的重要環(huán)節(jié)，積極規(guī)劃和推進智慧水務建設具有重要的現(xiàn)實意義[8-10]。

城市水務關系到國計民生，是世界上所有國家和地區(qū)最重要的生命線之一，世界各國都大力實施城市水務以應對水資源危機。如，國外的IBM 利用智能技術將水資源管理分為利用、預測、協(xié)調3個步驟；日本開發(fā)了一套“智能水系統(tǒng)”，可以對各種水處理設施的運行數(shù)據(jù)進行一元化管理；韓國將高端技術融入現(xiàn)有水資源管理中，從而推進區(qū)域化的智能水網建設[5]。在我國的深圳、上海、浙江、江蘇等地先后開展了“智慧水務”建設[11]；國內許多學者也對智慧水務建設提出了許多構想，如，李婷?；诤＞d城市理念提出了包含水動力模型、內澇模型和活性污泥模型的智慧水務框架[12]；董海天提出了智慧水務大平臺，該平臺基于防汛抗旱、水資源調度以及水環(huán)境治理理念[13]；鄭浩等提出了監(jiān)測供水實時工作情況的城市智慧水務體系[14]；楊哲將智慧水務系統(tǒng)應用在解決城市供水的問題上[15]。

雖然目前國內外智慧水務建設發(fā)展很快，但頂層設計存在缺位。為了使智慧水務信息要素齊全、資源共享更便利、智能水平更優(yōu)越、應用范圍更全面，筆者基于大數(shù)據(jù)技術提出了比較全面的城市智慧水務大框架，為城市建設智慧水務提供了有力的信息支持。

1 城市智慧水務概念及構建原則

隨著網絡應用日益深化，大數(shù)據(jù)應用的影響日益擴大，在城市水務建設過程中，可利用大數(shù)據(jù)技術，整合水資源、水環(huán)境、節(jié)水、環(huán)保、氣象等城市監(jiān)管資源以支持科學指揮決策；依托云計算實現(xiàn)“智慧移動水務”與市民的互動，強化支撐一線和服務市民的能力。云計算、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、智能硬件、增強現(xiàn)實等新技術為實現(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)境未來形勢預判提供了強大動力，為水環(huán)境預警及時準確和多水源的優(yōu)化、智能、低耗調度提供智慧化服務，提升水務社會化綜合服務能力，為水務信息化智慧發(fā)展帶來新的機遇。

通過深入研究分析二元水循環(huán)伴生過程各環(huán)節(jié)實際業(yè)務特性，分析智慧水務多主題業(yè)務，針對智慧水務的防汛安全、供水安全、排水安全、生態(tài)安全、水質安全和輸水安全等問題，面向智慧水務最嚴格管理制度和水資源科學調配的實際需要，提出了基于大數(shù)據(jù)技術的智慧水務大框架，為多主題業(yè)務應用的智慧水務工作開展提供科學決策依據(jù)。

智慧水務主旨在于提升水務管理和服務的水平，為城市的發(fā)展提供更好的支撐，有效提升城市智慧建設和宜居能力。其建設將以新技術應用帶動水務信息化技術水平的全面提升，以重點應用系統(tǒng)帶動信息化建設效益的發(fā)揮，為水務管理的精細化、智慧化提供信息化技術支撐[16]。

智慧水務是指把新興的信息技術充分運用于城市水務綜合管理，通過傳感器將自然水和社會水循環(huán)系統(tǒng)普遍連接形成“感知物聯(lián)網”；然后通過計算機和云計算將“水務物聯(lián)網”整合起來；在數(shù)據(jù)基礎上，利用專業(yè)數(shù)學模型和大數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)水利業(yè)務應用智慧管理，滿足城市水務智慧監(jiān)管、智慧調度、智慧指揮以及智慧應急處置等行業(yè)管理的應用需求，輔助領導智慧決策。智慧水務是主動的服務，是共享的服務，是快速及時的服務，是成體系的服務，要體現(xiàn)其以最終用戶為核心的思想。

當前城市智慧水務建設還處于探索階段，有些城鎮(zhèn)進行了智慧水務的規(guī)劃，有些城市已經進行了智慧水務局部的建設，但是過去的智慧水務只是局限于供排水或者水質安全，這是遠遠不夠的。在城市智慧水務建設過程中，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、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)保護與水污染防治等多方面需要。

2 基于大數(shù)據(jù)技術的城市智慧水務總體框架

在當今信息高速發(fā)展的時代，智慧水務既是水務現(xiàn)代化發(fā)展的新目標，又是實現(xiàn)水資源科學發(fā)展的新模式。從“獲取—清洗融合—挖掘—服務”的角度構建了城市智慧水務總體架構，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、智慧應用體系和支撐保障體系。其總體實現(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)務部門服務，最后各部門通過自動控制體系對城市水務進行規(guī)劃、設計和管理，達到“智慧水務”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控制體系。

（1）立體感知體系。在城市智慧水務體系中，需要獲取各類要素數(shù)據(jù)來支撐計算和業(yè)務處理?；诠I(yè)互聯(lián)和數(shù)據(jù)驅動的理念，基于具備堅實的、可預見性工程的物理系統(tǒng)，借助無人機、雷達、車、船、站、機器人、手機輿情等高科技設備及技術，形成“空天地”一體化的立體感知體系，更系統(tǒng)、更全面、更深入地從設備及各種終端收集數(shù)據(jù)，是整個城市智慧水務的基礎。

（2）自動控制體系?；诠I(yè)互聯(lián)和數(shù)據(jù)驅動的理念，基于具備堅實的、可預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)運行做關鍵調整，通過執(zhí)行機構對設備系統(tǒng)的運行和邏輯進行指揮，從設備及各種終端最大程度收集數(shù)據(jù)，用數(shù)學軟件與大型處理器分析信息，以獲得系統(tǒng)的高級別潛在信息并制定各設備及終端工作邏輯，形成高水平自主控制體系，整個體系是基于智能分析體系分析結果的實際應用。

2.2 多源數(shù)據(jù)體系

城市智慧水務數(shù)據(jù)包括水務業(yè)務內部數(shù)據(jù)、水務與其他部分之間的數(shù)據(jù)以及社會數(shù)據(jù)。其中，水務內部數(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)、社會經濟、人口、規(guī)劃、交通等數(shù)據(jù)；社會數(shù)據(jù)主要是與涉水內容相關的各種網絡數(shù)據(jù)、論壇數(shù)據(jù)、博客數(shù)據(jù)、手機輿情、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、不同時間、不同特征、不同格式的性質，對這些數(shù)據(jù)進行清洗融合，最終形成一個多源數(shù)據(jù)庫，為智能分析提供信息支撐。

圖1 城市智慧水務大框架

2.3 智能分析體系

對多源數(shù)據(jù)體系的信息融合后，有些可以直接用于常規(guī)和應急決策支持，有些信息需要進一步挖掘分析。利用大數(shù)據(jù)挖掘技術，可以分析數(shù)據(jù)時間分布的平穩(wěn)性以及規(guī)律性，挖掘數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，同時還可以建立數(shù)據(jù)特征與不同模型技術的關聯(lián)關系，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力模擬模型、水資源動態(tài)評價模型、水資源實時預測模型、水資源綜合調度模型。

2.4 智慧應用體系

智慧應用體系建設采用模塊化的思想，基于移動App、可視化平臺、信息發(fā)布軟件即服務進行設計，該建設模式可以有效避免系統(tǒng)重復性建設，易于系統(tǒng)升級改造，實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和動態(tài)可持續(xù)發(fā)展；智慧應用體系包括智慧民生服務平臺、智慧政務管理平臺和智慧企業(yè)/業(yè)務支撐平臺3 大平臺以及分別對應的子模塊。這種建設模式可以實現(xiàn)以下功能：按需服務、隨時服務、通用性強、高可靠性、極其廉價，并且是高可擴展性的。

2.5 支撐保障體系

智慧水務的支撐保障體系以監(jiān)測終端和控制終端為依托，包括傳輸網絡、基于一數(shù)一源開發(fā)的標準統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源體系以及云數(shù)據(jù)中心。

3 結論

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，智慧水務建設將推動我國由傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利轉變，是未來實現(xiàn)水資源科學發(fā)展的新模式。將智慧水務應用到城市水系建設上，可以借助大數(shù)據(jù)技術、先進的計算機與通信技術來實現(xiàn)對水資源的及時、準確的數(shù)據(jù)監(jiān)測，這也成為城市水資源信息管理的一種必然趨勢。這對水務管理信息系統(tǒng)的構建、減少水災害具有重大價值。