智能水務系統(tǒng)建設及安全挑戰(zhàn)

桂林市自來水有限公司 海斌

隨著城市規(guī)模的不斷擴大、城市人口的不斷增加，城市水源需求量也在與日俱增，這就敦促城市管理者必須對有限的水資源進行合理的規(guī)劃[1]。建設智能水務系統(tǒng)可以有效解決水資源規(guī)劃問題。智能水務系統(tǒng)以供水、排水、污水再利用為核心，將各個功能進行統(tǒng)一管理，可以更好地管理水資源的分配利用。因此，智能水務系統(tǒng)一定是城市對水資源進行一體化管理的大平臺系統(tǒng)，它會將水務部門從多部門的分散管理轉(zhuǎn)變?yōu)榧薪y(tǒng)一協(xié)調(diào)管理[2]。

一、智能水務的研究現(xiàn)狀

（一）智能水務的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

智能水務概念提出后，我國江蘇、陜西、上海、深圳等地區(qū)陸續(xù)開展了相關方面的研究。2010年，江蘇省以物聯(lián)網(wǎng)為核心，開展了“感知太湖、智慧水利”項目，對太湖打撈海藻的車船進行智能管理，該項目有效地減緩了太湖藍藻泛濫的情況[3]。陜西咸陽針對城市水務特點，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、云GIS和SOA及移動互聯(lián)等關鍵技術構(gòu)建了智慧水務軟硬件平臺，實現(xiàn)了對水務的智能調(diào)度、管網(wǎng)檢測及城市供水信息服務[4]。為了使水資源的利用更加合理，上海市整合水務相關行業(yè)的行政執(zhí)法、應用服務、評估決策機制等制度，建立了高度信息化的水務網(wǎng)絡，以便更好地為公眾提供水務服務[5]。深圳水務建設秉承低碳環(huán)保、安全高效的原則，制定統(tǒng)一標準，將水務部門的信息搜集、網(wǎng)絡規(guī)劃、數(shù)據(jù)庫規(guī)劃統(tǒng)籌到一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，建設城市智能水務[6]。

（二）智能水務的國外研究現(xiàn)狀

2008年，IBM首次提出“智慧地球”這個概念。水資源是地球資源的重要部分，對于水資源的管理也需要一定的智能化。IBM把水資源的管理分為利用、預測和協(xié)調(diào)三大部分[7]。利用是指對涉及水資源管理的數(shù)據(jù)進行利用，通過數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化水資源的管理，提升水務部門的運營水平。預測是指通過現(xiàn)有的水資源數(shù)據(jù)和存在的問題對將來可能出現(xiàn)的問題和水資源需求進行預測。協(xié)調(diào)是指統(tǒng)籌水資源的運營和管理，促進對水資源的合理利用。通過IBM開發(fā)的智能水資源利用系統(tǒng)，使得水務相關的信息查詢和故障搜集都變得更加快速和便捷。

智能水務系統(tǒng)在日本也有廣泛的研究。日本將城市的自來水、中水和污水處理等合為一體，組建高度一體化的智能水務處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集對自來水提供用水和污水處理廠處理過的水進行狀態(tài)監(jiān)控，保證居民用水和工業(yè)用水的質(zhì)量，同時還可以對城市各出水管的水量等狀態(tài)進行監(jiān)控，有效提高了城市用水調(diào)度效率。

韓國的專家認為智能水網(wǎng)是未來水資源管理的趨勢，要想提高水務系統(tǒng)管理效率，必須將水網(wǎng)技術與大數(shù)據(jù)，云計算等技術相結(jié)合。

二、智能水務系統(tǒng)框架及關鍵技術

（一）智能水務系統(tǒng)框架

雖然不同城市的智能水務系統(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。但是，智能水務系統(tǒng)的總體框架都基本類似（如圖1所示），具體組成如下：

圖1 智能水務系統(tǒng)框架

（1）智能感知及數(shù)據(jù)收集層。該層主要實現(xiàn)水務設備的運行情況的感知以及水務數(shù)據(jù)的自動收集，并通過網(wǎng)絡實現(xiàn)與智能水務系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中心的交互。通過傳感器、手持終端、智能控制器等設備感知并收集水務數(shù)據(jù)，并對收集到的水務數(shù)據(jù)進行暫時存儲與簡單的預處理。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層。該層主要通過租賃運營商網(wǎng)絡，如租用裸光纖或帶寬，或采用5G無線通信技術等，實現(xiàn)水務數(shù)據(jù)與操作指令的傳輸。具體而言，一方面需要實現(xiàn)智能水務系統(tǒng)控制中心對智能感知及數(shù)據(jù)收集層相關設備的指令發(fā)生，遠程控制水務設備的運行。另一方面，需要實現(xiàn)傳感器中水務數(shù)據(jù)向智能水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的上傳。

（3）數(shù)據(jù)存儲層。該層主要實現(xiàn)水務數(shù)據(jù)的可靠存儲。通過構(gòu)建“水務云”，利用云存儲技術對水務數(shù)據(jù)進行存儲。水務數(shù)據(jù)主要包括水務設備分布與運行數(shù)據(jù)、用戶基本信息與用水情況數(shù)據(jù)等，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、加工等處理過程，為智能水務系統(tǒng)業(yè)務的應用提供數(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、網(wǎng)絡安全接入、統(tǒng)一用戶身份認證等，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。

（二）智能水務關鍵技術

1.智能感知技術

智能感知技術是智能水務系統(tǒng)的基礎。通過智能感知技術可以感知系統(tǒng)故障、獲取海量水務數(shù)據(jù)。在城市水務系統(tǒng)中，水務設備部署分散，水務管道錯綜復雜，而且通常采用地埋方式，導致水務設施管理困難。通過智能感知技術，可以在部署時對水務設備，如供水、排水設施，凈水、配水設備，污水處理設施等建立標識，構(gòu)建水務設備標識數(shù)據(jù)庫。當水務設備出現(xiàn)故障時，可以通過智能感知技術，準確確定故障設備標識，從而能夠快速定位故障設備的具體位置，從而大大減少維修成本。此外，通過設備標識與城市地圖相結(jié)合，可以為城市地下施工提供指導方案，從而有效避開水務設施，減少開挖事故率并降低成本，提高應急搶險施工效率，有效保護地下設施。智能稅務系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐，通過智能感知設備收集數(shù)據(jù)是智能水務系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的主要來源。一般而言，水務現(xiàn)場環(huán)境惡劣且復雜多變，部分設備監(jiān)測點不具備基本的電力和有線通信條件。智能采集器具有一定的存儲容量、無線通信功能以及邏輯運算功能，通過5G無線通信功能與水務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心相連從而進行數(shù)據(jù)傳輸。當水務現(xiàn)場環(huán)境惡劣導致通信中斷時，智能采集器可以將采集到的數(shù)據(jù)臨時存儲在其存儲卡上，等通信恢復后再將數(shù)據(jù)上次至水務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。通過智能采集器可以自動采集供水區(qū)域管網(wǎng)壓力監(jiān)控點、關鍵流量點及水質(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。

2.無線網(wǎng)絡通信技術

通過智能感知技術對水務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行搜集，而收集到的水務數(shù)據(jù)需要傳送至水務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，這就需要網(wǎng)絡通信技術的支持。然而，水務系統(tǒng)覆蓋范圍廣、水務現(xiàn)場環(huán)境復雜多變、水務設備部署錯綜復雜，導致有線通信無法實現(xiàn)水務系統(tǒng)全覆蓋，無線通信技術恰好能解決這一問題。通過無線通信技術不僅可以有效擴大通信范圍，實現(xiàn)水務系統(tǒng)通信全覆蓋，還可以有效地降低部署和運營的成本，確保水務數(shù)據(jù)可以及時、準確地回傳至數(shù)據(jù)中心，保證水務數(shù)據(jù)的時效性、準確性、可用性等。

3.云計算技術

水務數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)異構(gòu)多源、數(shù)據(jù)更新快等特點，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲技術無法滿足大規(guī)模水務數(shù)據(jù)的存儲需求。智能水務私有云通過互聯(lián)網(wǎng)將大量分布式的計算資源互聯(lián)，并構(gòu)建計算資源池，從而對計算資源進行按需分配，實現(xiàn)高效靈活的IT基礎架構(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。最終將采集到的水務數(shù)據(jù)在“水務云”上進行高效、可靠的存儲。“水務云”云存儲是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的服務，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.大數(shù)據(jù)技術

在水務系統(tǒng)中，不管是生產(chǎn)運營環(huán)節(jié)還是用戶反饋環(huán)節(jié)，都會產(chǎn)生大量的水務數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅體量大，還具有多源異構(gòu)、種類繁多、動態(tài)多變等特性，因此依靠人力對數(shù)據(jù)進行分析是完全不現(xiàn)實的，而大數(shù)據(jù)分析技術可以很好地解決這一問題。利用大數(shù)據(jù)技術對水務數(shù)據(jù)進行分析、篩選，可以將水務數(shù)據(jù)從有序轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序，并高效、準確地篩選出具有統(tǒng)計價值的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是有很多潛在價值的。比如，通過統(tǒng)計分析城市氣溫和用戶用水量的關系，可以幫助水務系統(tǒng)有針對性地制定合理的自來水生產(chǎn)計劃，對設備故障的頻率進行分析，有助于制定更科學的設備檢修計劃等。

5.信息安全技術

安全問題是影響智能水務系統(tǒng)運行的重要因素，在確保滿足基本應用的前提下，必須充分考慮智能水務系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)的安全性。智能水務系統(tǒng)中用戶量大，對用戶進行分級管理，可以有效地減輕系統(tǒng)運行負荷。智能水務系統(tǒng)中數(shù)據(jù)體量大、存儲困難，對重要數(shù)據(jù)進行容災備份，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保證系統(tǒng)安全可靠運行。

三、智能水務的安全問題及應對方法

（一）水務數(shù)據(jù)丟失

在智能水務系統(tǒng)中，會出現(xiàn)水務數(shù)據(jù)丟失的情況。一方面，傳感器收集到水務數(shù)據(jù)后，需要將數(shù)據(jù)上傳到智能水務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，在傳輸過程中可能會由于網(wǎng)絡、地形、天氣等原因的影響，導致部分數(shù)據(jù)丟失。針對數(shù)據(jù)傳輸過程的丟失問題，可以利用TCP/IP傳輸，當出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失時，水務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心會要求傳感器重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)。另一方面，智能水務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心如果出現(xiàn)軟硬件故障，也會導致數(shù)據(jù)丟失，例如，由于地震、洪澇、泥石流等自然災害引發(fā)存儲設備故障，從而導致數(shù)據(jù)丟失。針對水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)丟失問題，可以采用容災備份的方式進行防御，即將水務數(shù)據(jù)分布式地存儲在多個數(shù)據(jù)中心，當其中某個數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)丟失時，可以通過其他數(shù)據(jù)中心的備份及時恢復。

（二）水務數(shù)據(jù)濫用

一般而言，智能水務系統(tǒng)收集水務數(shù)據(jù)是為了及時掌握大眾的需求，從而更好地服務大眾。但是，水務數(shù)據(jù)所包含的信息量異常龐大，如包含水務設備分布與運行情況、用戶基本信息及用水信息、水務部門生產(chǎn)計劃等，這些信息對其他企業(yè)而言也是具有非常高的利用價值。智能水務系統(tǒng)雖然能夠利用人工智能技術對數(shù)據(jù)進行維護，但還是需要人工輔助。出于利益驅(qū)動，水務數(shù)據(jù)管理員可能會將水務數(shù)據(jù)進行販賣，導致水務數(shù)據(jù)濫用。針對此問題，水務監(jiān)管部門一方面需要加強對員工的培訓，強化其職業(yè)操守，另一方面需要加強監(jiān)管，及時發(fā)現(xiàn)并阻止管理員販賣水務數(shù)據(jù)。

（三）用戶隱私泄露

水務數(shù)據(jù)很大一部分數(shù)據(jù)來自用戶，如用戶的個人基本信息、用水量、投訴記錄等。智能傳感器一般將這些數(shù)據(jù)收集后直接上傳至智能水務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，那么不管是內(nèi)部的水務系統(tǒng)管理員還是外部的黑客，只要獲取到這些數(shù)據(jù)就可以對數(shù)據(jù)進行分析，從而得到用戶的某些隱私數(shù)據(jù)。比如，通過分析每天各個時間段的用水量，可以獲取用戶的用水習慣和生活習慣，甚至可以判斷用戶何時在家、何時外出，這不僅會泄露用戶的隱私，還會給不法分子帶來可乘之機。針對此問題，可以在智能傳感器上加載數(shù)據(jù)加密軟件，將收集到的水務數(shù)據(jù)進行加密，然后以密文的形式上傳、存儲，從而使得惡意的管理員、黑客無法直接分析用戶的水務數(shù)據(jù)，竊取用戶隱私。

四、智能水務發(fā)展戰(zhàn)略

（一）思想重視，改變觀念

隨著信息化技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的設備與系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化的需求，特別是云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的發(fā)展，大大地促進了城市智能化，尤其是水電煤等系統(tǒng)的智能化。所以必須充分認識到智能水務系統(tǒng)的重要性以及為日常生活帶來的便捷性，在思想上重視智能水務系統(tǒng)的建設。此外，還要轉(zhuǎn)變觀念，將水務智能化作為未來水務發(fā)展的必然趨勢，與時俱進，利用最新的科技研究成果，切實地進行改革。要從根本上對水務進行改革，讓智慧水務最大化地發(fā)揮其優(yōu)勢，讓居民充分體會到智能水務帶來的諸多便利。

（二）多方聯(lián)動，多領域結(jié)合

智能水務系統(tǒng)不僅涉及水務管理部門，還涉及政府、交通、城建、電信等部門。因此，僅僅依靠水務管理部門，無法完成智能水務系統(tǒng)的建設。也就是說，想要構(gòu)建功能完善、用戶體驗良好、安全性高的智能水務系統(tǒng)，僅僅依靠水務部門自己的努力是遠遠不夠的，還需要多部門團結(jié)協(xié)作，將各部門的資源與信息進行共享，才能夠建設一個更完善的智能水務系統(tǒng)。特別是遇到特殊情況時，如臺風、地震、洪澇等自然災害時，需要政府、國土資源、氣象、交通、消防等部門共同合作，并將必要的信息及時交予媒體進行公開。因此，參與的部門需要進行深度的信息共享與業(yè)務合作，結(jié)合政府的決策建立有效的應急管理機制。

（三）完善功能，升級服務

智能水務系統(tǒng)作為一個服務性平臺，要想被公眾接受并廣泛使用，一方面需要有完善的功能，要充分考慮公眾的實際應用需求，支持公眾在線辦理查詢用水量、支付水費、故障反饋、設備報修、水質(zhì)投訴、行政許可辦理等業(yè)務，更貼近公眾的日常需求，充分發(fā)揮智能水務系統(tǒng)為公眾帶來的便捷性另一方面需要支持多模式、多操作系統(tǒng)運行。

具體而言，智能水務系統(tǒng)不僅可以通過網(wǎng)站為公眾提供服務，還可以充分結(jié)合移動設備的便捷性，開發(fā)智能水務系統(tǒng)APP、微信小程序等，使得用戶可以享受更便捷的服務，并得到更優(yōu)質(zhì)的服務體驗。此外，還可以開通短信提醒功能，為公眾發(fā)送欠費、停水、設備維修等信息，使公眾可以提前采取應對措施。

（四）走進生活，聯(lián)系大眾

智能水務系統(tǒng)的終極目標是服務大眾，也就是說，其歸根結(jié)底是一個服務大眾的平臺。用戶在使用智能水務系統(tǒng)時，需要從系統(tǒng)獲取必要的信息。因此，一方面需要做好智能水務系統(tǒng)中相關數(shù)據(jù)的公開工作，對大眾聚焦的關鍵信息做到及時公開，這不僅有利于增強智能水務系統(tǒng)的公信力，還有利于公眾利用智能水務系統(tǒng)公開的數(shù)據(jù)進行開發(fā)研究。另一方面，需要做好公開信息的審核工作，在公開數(shù)據(jù)前，智能水務系統(tǒng)管理員必須對數(shù)據(jù)進行嚴格的審核，保證公開數(shù)據(jù)的真實性、準確性與完整性。在該模式下，管理部門、公眾和水務部門都會有所收獲，這是一個對多方都非常有利的新模式。

五、結(jié)束語

隨著城市智能化程度的不斷加深，智能水務系統(tǒng)也日益完善，使得人民的生活更加便捷。結(jié)合智能水務系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，通過對水務系統(tǒng)的架構(gòu)及關鍵技術進行分析，探討智能水務系統(tǒng)潛在的安全問題，并給出相應的解決方法。智能水務關鍵技術、潛在安全問題及發(fā)展策略在城市水務建設中具有通用性，本文的研究可為智能水務系統(tǒng)設計與實現(xiàn)積累經(jīng)驗，具有一定的參考價值。