基于信息化技術(shù)的節(jié)水智能監(jiān)管

池宸星

（中國(guó)水利學(xué)會(huì)，北京100053）

建設(shè)智慧社會(huì)是我國(guó)在新時(shí)代把握信息化帶來(lái)的重大機(jī)遇、以信息化推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略部署[1]。智慧社會(huì)要求加強(qiáng)信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以智能化引領(lǐng)管理模式的變革，以智慧化提高社會(huì)管理及服務(wù)水平。智慧水利是智慧社會(huì)的重要組成部分，是水利信息化發(fā)展的新階段[2]。隨著最嚴(yán)格水資源管理制度深入推進(jìn)，對(duì)節(jié)水監(jiān)管能力提出更高要求，智慧水利引領(lǐng)的信息化建設(shè)是促進(jìn)和帶動(dòng)水利行業(yè)提升社會(huì)管理和公共服務(wù)能力的必然選擇，是節(jié)水“補(bǔ)短板、強(qiáng)監(jiān)管”的重要途徑。

1 節(jié)水監(jiān)管亟需提升智能化應(yīng)用水平

多年來(lái)，我國(guó)水利信息化建設(shè)取得了很大成就，為智慧水利建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著信息化的發(fā)展與普及，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)生活用水管理的信息化得到了一定的發(fā)展，各地開展了計(jì)量監(jiān)測(cè)和水資源管理系統(tǒng)建設(shè)等工作。國(guó)家水資源監(jiān)控能力項(xiàng)目的實(shí)施大幅提升了管理水平、積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。智慧社會(huì)是對(duì)我國(guó)信息社會(huì)發(fā)展前景的前瞻性概括[3]。綜合新信息技術(shù)的發(fā)展水平看，信息化技術(shù)在節(jié)水工作很多環(huán)節(jié)的應(yīng)用尚處于起步、待開發(fā)和推廣階段，與智慧社會(huì)的需求仍存在差距。

監(jiān)測(cè)計(jì)量能力不足，總量控制、定額管理、計(jì)劃用水以及監(jiān)督考核等難以真正落實(shí)[4]；用水計(jì)量監(jiān)測(cè)覆蓋率低，粗放的計(jì)量收費(fèi)現(xiàn)象仍廣泛存在，用水?dāng)?shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)在線采集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和互聯(lián)共享[5]；水資源調(diào)度手段不先進(jìn)，各級(jí)調(diào)度管理信息化、自動(dòng)化、智能化程度低，在日常調(diào)度工作及用水統(tǒng)計(jì)、信息報(bào)送等方面工作量大、效率低[6]；側(cè)重硬件建設(shè)，缺乏對(duì)數(shù)據(jù)中有利于管理決策關(guān)鍵信息的高階分析和挖掘功能[7]；農(nóng)業(yè)節(jié)水工作除了涉及水利部門外，還涉及農(nóng)業(yè)農(nóng)村、發(fā)展改革、工信、住建等相關(guān)部門，有大量的工作需要協(xié)調(diào)相關(guān)部門共同完成，業(yè)務(wù)協(xié)同存在困難[5]；縣域水資源信息化建設(shè)滯后，管理智能化落后與管理精細(xì)化要求形成矛盾制約[8]。

提高節(jié)水監(jiān)管能力，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)計(jì)量體系和信息化建設(shè)，充分運(yùn)用信息平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)、智能化的手段，切實(shí)提高節(jié)水計(jì)量、監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、核查水平。[4]

2 基于信息化技術(shù)的節(jié)水智能監(jiān)管

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的興起和應(yīng)用，為節(jié)水監(jiān)管提供了新的技術(shù)手段；泛在感知網(wǎng)絡(luò)使用水設(shè)備的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理更加智能化；機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等方法使管理、決策、評(píng)估、監(jiān)督更有科學(xué)依據(jù)。這些新技術(shù)、新理念、新模式與節(jié)水監(jiān)管的不斷滲透，促使節(jié)水管理和服務(wù)模式向“精細(xì)化”“智能化”發(fā)展和變革。精細(xì)化管理保證了用水和節(jié)水工作的順利實(shí)施[5]?；谛畔⒒夹g(shù)的智能化應(yīng)用，為精細(xì)化管理提供了支撐保障。

節(jié)水智能監(jiān)管通過(guò)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、泛在感知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)時(shí)感知用水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；通過(guò)優(yōu)化的算法和模型及時(shí)分析和處理用水信息；通過(guò)可視化的方式整合管理部門與供排水設(shè)施，實(shí)現(xiàn)覆蓋蓄、供、輸、用、排等各涉水環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)、直觀地全方位、全過(guò)程監(jiān)管，從而達(dá)到“智能”的狀態(tài)，輔助節(jié)水管理維護(hù)和決策。

綜合來(lái)看，節(jié)水智能監(jiān)管秉承了智慧水利內(nèi)涵的3 個(gè)方面：新信息通信技術(shù)的應(yīng)用，包括信息傳感及物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用；多源信息的監(jiān)測(cè)與融合，包括管網(wǎng)、供排水設(shè)備、用水設(shè)施、氣象、墑情等全要素監(jiān)測(cè)信息的融合應(yīng)用；系統(tǒng)集成及應(yīng)用，指集信息監(jiān)測(cè)分析、情景預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、科學(xué)調(diào)度決策與控制運(yùn)用等功能于一體。[9]

3 節(jié)水智能監(jiān)管設(shè)計(jì)組成

1）信息采集傳輸進(jìn)行涉水信息智能感知。通過(guò)數(shù)據(jù)感知設(shè)備和數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)用水?dāng)?shù)據(jù)的智能測(cè)量、計(jì)量和交換。在用水設(shè)施前端安裝的數(shù)據(jù)感知設(shè)備，包括智能遠(yuǎn)傳水表、智能壓力計(jì)、智能水位測(cè)控儀、土壤墑情監(jiān)測(cè)儀等傳感器。智能遠(yuǎn)傳水表和智能壓力計(jì)、智能水位測(cè)控儀用于計(jì)量水量和水壓數(shù)據(jù)，土壤墑情監(jiān)測(cè)儀用于監(jiān)測(cè)土壤濕度。數(shù)據(jù)采集器采集、存儲(chǔ)、匯總上傳計(jì)量數(shù)據(jù)。前端感知設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS，4G，5G等傳輸網(wǎng)絡(luò)，接入數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)。

2）數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)完成數(shù)據(jù)的分析處理。利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)對(duì)用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行全面匯聚整合，通過(guò)優(yōu)化的算法和模型完成數(shù)據(jù)高效分析處理，利用機(jī)器識(shí)別、深度學(xué)習(xí)、智能視頻分析技術(shù)對(duì)管網(wǎng)和用水設(shè)施監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，為用水管理提供全新的監(jiān)管手段。

3）管理應(yīng)用系統(tǒng)提供節(jié)水管理的綜合應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交互界面和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提供靈活的數(shù)據(jù)查詢方式、數(shù)據(jù)警報(bào)顯示方式和功能分析模塊，并將數(shù)據(jù)分析結(jié)果通過(guò)報(bào)表、圖表等形式展示，形成趨勢(shì)對(duì)比、預(yù)測(cè)，為用水高效管理和決策提供可靠依據(jù)。目前，在節(jié)水中應(yīng)用較多的功能分析模塊包括用水分析功能和漏水分析功能。用水分析功能通過(guò)對(duì)同一用水區(qū)間不同時(shí)間段的用水情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合設(shè)定的用水警報(bào)閾值，給出直觀的橫向、縱向?qū)Ρ葦?shù)據(jù)，便于管理人員發(fā)現(xiàn)用水中存在的問(wèn)題。漏水分析功能通常根據(jù)不同時(shí)間段設(shè)置漏水警報(bào)閾值，超過(guò)該閾值范圍的，判斷為懷疑漏水區(qū)域[10]。

4 節(jié)水智能監(jiān)管的應(yīng)用

1）管網(wǎng)管理。管網(wǎng)滲漏是節(jié)水監(jiān)管最需要解決的日常問(wèn)題之一。網(wǎng)格化動(dòng)態(tài)分區(qū)的壓力管理，控制管網(wǎng)壓力運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的工作區(qū)間，減少自然爆管次數(shù)。實(shí)時(shí)獲取的最新漏點(diǎn)情況，使漏點(diǎn)得到及時(shí)修復(fù)，有效降低管網(wǎng)漏損[11]。通過(guò)GIS系統(tǒng)地理空間數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)直觀的管網(wǎng)分布情況，有助于管道施工時(shí)準(zhǔn)確布設(shè)，減少資金浪費(fèi)和設(shè)施維護(hù)[12]。利用水力計(jì)算模型精確計(jì)算出接水所需管徑與管道走向，降低接水費(fèi)用。智能監(jiān)管在管網(wǎng)規(guī)劃和管理維護(hù)方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

2）用水精量控制。智能監(jiān)管以量化為基礎(chǔ)。節(jié)水監(jiān)管需要面對(duì)數(shù)量龐大的用水終端設(shè)備以及海量的用水在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)處理能力的要求高。通過(guò)算法的優(yōu)化和設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，結(jié)合設(shè)備參數(shù)識(shí)別、多源數(shù)據(jù)綜合分析、管網(wǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)模擬和用水總量控制預(yù)警等數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)灌溉等用水設(shè)施的智能控制，達(dá)到用水精量控制的效果[13]。

3）用水決策。節(jié)水監(jiān)管中計(jì)劃用水的一項(xiàng)重要內(nèi)容是水量的配置調(diào)度。在對(duì)水壓、流量、水質(zhì)、墑情、水廠、泵站、管網(wǎng)故障、總量控制預(yù)警等各種動(dòng)態(tài)信息的在線監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，通過(guò)供水管網(wǎng)模型的實(shí)時(shí)在線模擬，進(jìn)行水資源的評(píng)估、診斷、預(yù)報(bào)、分配和調(diào)控，輔助用水實(shí)時(shí)調(diào)度決策，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水以及科學(xué)用水的目的。[14]設(shè)置數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送，各級(jí)管理人員能夠及時(shí)掌握蓄、供、輸、用、排等狀況，解決數(shù)據(jù)收集不全或者反應(yīng)延期滯后帶來(lái)的溢流棄水等問(wèn)題，提高節(jié)水管理數(shù)據(jù)化決策能力。

4）業(yè)務(wù)管理。通過(guò)OA 業(yè)務(wù)審批流程，發(fā)起各項(xiàng)涉水業(yè)務(wù)審批與協(xié)調(diào)。通過(guò)蓄、供、輸、用、排GIS 與收費(fèi)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的接口，在完成調(diào)供停水等方案制作的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的即時(shí)通知等公眾服務(wù)。通過(guò)OA 系統(tǒng)以及該系統(tǒng)和內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)的接口，同步實(shí)現(xiàn)按審批權(quán)限的業(yè)務(wù)信息在內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)的發(fā)布[15]。通過(guò)監(jiān)管信息庫(kù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)管業(yè)務(wù)全留痕。

5）數(shù)據(jù)產(chǎn)品。節(jié)水監(jiān)管通常整合了供水生產(chǎn)、用水服務(wù)、水量管理、水質(zhì)管理、內(nèi)部管理等需求。大屏、PC 端和移動(dòng)端的方式提供了靈活便捷的數(shù)據(jù)同步查閱方式。通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)表設(shè)計(jì)和管理，可以實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)主題分析、資料填報(bào)、報(bào)表自動(dòng)提取[10]，完成用水效率分析、水資源管理考核、公眾水事服務(wù)等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，大幅減少人員工作量，實(shí)現(xiàn)節(jié)水監(jiān)管高效化。

6）信息共享。通過(guò)搭建信息共享服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各部門之間、供水方與用水方之間、企業(yè)與政府之間的設(shè)施數(shù)據(jù)信息、管網(wǎng)信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、資產(chǎn)管理的發(fā)布和共享。在農(nóng)業(yè)灌溉中，氣象數(shù)據(jù)為按需灌水和雨水資源利用提供參考[13]。信息的共享為水資源節(jié)約的協(xié)同合作以及節(jié)水管理職能的劃分、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)更新、安全管理等方面提供依據(jù)和支撐。

信息化技術(shù)在節(jié)水監(jiān)管“精細(xì)化”“智能化”中發(fā)揮的作用越來(lái)越重要。在具體應(yīng)用時(shí)，要以實(shí)際狀況作為著手點(diǎn)，采取合理的措施，根據(jù)實(shí)際需求科學(xué)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)智能節(jié)約高效地應(yīng)用。