基于物聯網大數據分析的雁南湖智慧水務運營管理平臺研究

中鐵二院工程集團有限責任公司 吳悅菡，梁水明，韓帥，袁焦

自2013年住房城鄉(xiāng)建設部辦公廳發(fā)布關于做好國家智慧城市試點工作的通知以來，根據《國家智慧城市試點暫行管理辦法》，已有193個城市（區(qū)、鎮(zhèn)）成為創(chuàng)建國家智慧城市試點。在住建部與科技部聯合第三批智慧城市試點中，特別增加了智慧水務專項試點。智慧水務最早在2014年提出，主要應用于自來水廠的數字化改造以及城市給水管網的滲漏預測。隨大數據、物聯網、人工智能等現代信息技術對各行各業(yè)的覆蓋，隨著中國新基建概念的提出，數字化與智能化要求越來越高，智慧水務概念的外延逐步擴大到廠網河湖（岸）等系統，如何實現不同子系統模型的構建、數據映射、模型驅動與數據管理成為科技人員急需解決的問題。本文以四川省資陽市雁南湖智慧水務應用實踐為例，通過構建一體化智慧水務運營管控平臺，結合物聯網、水力模型和云計算等新一代信息技術，建立雁南湖水環(huán)境時空模型，實現智慧工程、智慧資產、智慧監(jiān)測、智慧決策和智慧評價方面的應用，為未來智慧水務建設提供經驗參考。

一、智慧水務管控系統的特點和問題

（一）智慧水務概述

智慧水務系統涵蓋廣泛，不僅包括水廠自動化管理、城市排污水處理、水源檢測，還包括城市防旱排澇，水務智慧安防等功能，是一種基于大數據、物聯網的綜合性一體化信息管理平臺。

（二）新一代信息技術的支撐

智慧水務管控系統是傳感器技術、網絡和移動應用與水務信息系統的結合。隨著“物聯網、云計算、大數據、移動應用”的新一代信息技術的不斷發(fā)展和應用，為智慧水務建設從技術上提供了足夠的保障。

1.物聯網

物聯網下構建的智慧水務系統是一種利用智能傳感設備進行雙向數據傳輸解決水務問題的方式，是智慧水務組成部分的重要環(huán)節(jié)。智慧水務需要能夠更透徹地感應和度量世界的本質和變化。就是把傳感器嵌入或裝備到水源、供水系統、排污系統中，并且被普遍連接，從而形成物聯網，然后采用5G技術將物聯網與現有的互聯網整合起來，實現政府管理機構、企業(yè)和社區(qū)與水物理系統的整合。

2.平臺架構與移動應用

基于平臺化的架構與移動應用技術，智慧水務將更加全面地互聯互通，實現互聯網的聯通、數據的共享，打破信息孤島。平臺是智慧水務的載體，是智慧水務正常運行的基礎保障，通過與移動應用技術的結合，支撐智慧水務的高效運行，實現智慧水務業(yè)務系統信息共享的通道，使各業(yè)務系統協同運行，保證基礎數據暢通無阻、業(yè)務流程無障礙流轉，有效提升業(yè)務系統的運行效率，打破企業(yè)信息孤島。

3.大數據與云計算

在寬帶化、移動互聯網、物聯網、社交網絡、云計算的催生下，“大數據”成為時下最火熱的IT行業(yè)的詞匯。智慧水務基于大數據和云計算技術，智能融合技術的應用實現對海量數據的存儲、計算與分析，并引入綜合集成法，通過人的“智慧”參與，大大提升決策支持的能力。從而讓所有的事物、流程以及運行方式都具有更深入的智能化，管理機構和企業(yè)獲得更智能的洞察。

（三）存在問題

智慧水務管理信息平臺所涉及的信息，從種類上，包括水文、水質等實時監(jiān)測信息以及社會經濟信息、地理信息、檔案資料、電子郵件、辦公多媒體等非實時信息；從數據格式上，可以分為數字、文本、圖片、影像、聲音、視頻等類型；從時態(tài)性上，又可以將系統數據分為靜態(tài)數據和動態(tài)數據；從數據性質上，又分為在線監(jiān)測數據、 外部交換數據、基礎信息數據（業(yè)務屬性數據、空間數據、多媒體數據）和業(yè)務過程數據。而且隨著系統運行將會積累越來越多的歷史數據，因此，對數據存儲空間的需求很大。

此外，在進行智慧水務系統的設計過程中，應既滿足行業(yè)管理和安全保密的自身需要，又要滿足政務公開、公共服務的社會需求，保證統一數據標準、網絡標準和應用標準，形成決策層、調度層、操作層之間相互銜接的標準體系。

二、總體思路

（一）區(qū)域概況

資陽市位于四川盆地腹心偏西南，是四川省唯一能把西南地區(qū)兩個特大城市— —成都和重慶直接相連接的地區(qū)，沱江自北而南縱貫地區(qū)西部。氣候屬于中亞熱帶濕潤季風氣候。雁南湖位于資陽市城南片區(qū)內規(guī)劃的中國牙谷小鎮(zhèn)核心區(qū)域。

通過現場調查，雁南湖的主要水源有上游迎接水庫排水，降雨，周邊雨水徑流，周邊農村生活污水排放尾水，農田灌溉廢水以及在建工地施工廢水。目前，雁南湖水質較差，水體渾濁，底部積淤嚴重，生態(tài)基流不足，水體自凈能力低，河流生境破碎化，基礎設施不完善，信息化程度低。雖現已實施了對雁南湖水環(huán)境的系統治理和生態(tài)修復工程，雁南湖治理面積約 295 畝，總投資約2.4億元，采用 EPC 模式，2020 年4月開始施工建設。然而，治理完畢后，后期的長期監(jiān)測管控和維護也尤為重要。

（二）雁南湖智慧水務管控需求分析

目前，雁南湖周邊有大量外源污染排入水體，污染負荷大，水質嚴重污染?！百Y陽市雁南湖水環(huán)境治理及濕地工程” 建設實施完畢后，水質可逐步達到Ⅲ類水質要求。然而，雁南湖全域沒有相關監(jiān)測系統（如水質、水位、流速、空氣質量等），管理單位無法對雁南湖環(huán)境情況進行實時掌握。并且缺少統一的智能管理系統，尚未形成標準的業(yè)務流程與體系，亟須提升雁南湖信息化程度。

據分析，雁南湖智慧水務綜合管理信息系統數據需求主要包括：水質、水速、水位、視頻、氣象、報警等；河湖自動調水系統數據需求主要包括：湖區(qū)水位、水質等；水體智慧檢測系統數據需求主要包括：水質、視頻等；湖區(qū)氣象在線監(jiān)測系統數據需求主要包括風速、風向、雨量等；水域智能安防系統數據需求主要包括視頻、報警等；湖區(qū)數字化廣播系統的數據需求主要包括聯動報警等。因此，本項目設計的雁南湖智慧水務管理信息系統主要包括綜合信息展示系統（“智慧水務一張圖”）、水務數據綜合管理系統、水體智慧檢測系統、湖區(qū)氣象在線監(jiān)測系統、水域智能安防系統、湖區(qū)數字化廣播系統。

近年來，資陽市正在逐步加快信息化建設步伐，加大信息基礎設施投入，積極運用信息技術改造提升傳統產業(yè)，使得資陽市在信息技術運用、信息產業(yè)發(fā)展等方面取得了顯著成效。在項目建設過程中，充分利用現有信息技術的優(yōu)勢，有效整合和利用資源，并將云運營的理念融入其中，在整體上提升資陽智慧水務建設水平。

（三）智慧水務運營管理平臺建構整體思路

雁南湖智慧水務運營管控平臺建設研究貫徹總體規(guī)劃、統籌考慮、突出重點、分步實施的原則，從實際需求出發(fā)，緊密圍繞水安全提升、水配置提升、水環(huán)境提升、水景觀提升的切實要求設計系統功能，通過平臺式系統化長期有效運行為治理效果的長效保持提供支撐與保障。構建一個能充分體現先進性、可靠性的現代化新型智慧水務管理信息系統。

平臺構建流程為：數據采集接入→數據傳輸→數據庫集群存儲→數據處理→自動化評估→應急預警決策。具體如下：

（1）全面感知（數據采集）：通過遍布雁南湖關鍵區(qū)域的傳感器與智能設備組成物聯網，實時對水務信息進行全過程監(jiān)控與分析，做到變被動為主動、全面感知。

（2）精細化管理（傳輸儲存）：建設智慧水務管理信息系統，構建“智慧水務一張圖”，實現水務管理業(yè)務的電子化和信息化，提高水務精細化管理水平。

（3）智能決策（評估決策）：深入結合大數據技術，運用數據挖掘、知識發(fā)現、專家系統等人工智能技術，為水務管理工作提供決策支持。智慧化決策系統能做到良好的感知、診斷、決策、執(zhí)行等一系列自動操作，同時可圍繞獲取數據運用最新算法和智能硬件預測區(qū)域水務發(fā)展現狀、未來發(fā)展方向。

三、管控系統建設

（一）總體架構

雁南湖智慧水務管控系統建設是基于物聯網和人工智能技術，以水體水質實時自動多樣化監(jiān)測為支撐，全河湖智能安防為輔，以云計算、大數據、物聯網技術為依托，支撐大數據分析服務及外部應用，實現各系統平臺建設目標。主要包含各個應用平臺建設、調度運營中心及數據分析存儲等，以及為了保障正常運營所需要的標準體系建設、安全體系建設、運維體系建設等。

前端監(jiān)測傳感器采集的數據通過視頻、現場設備設施及相應的感知單元、預警發(fā)布設備、氣象監(jiān)測單元等，實時接入網絡系統。經中心內部局域網將數據存入數據庫后，由智慧水務管控平臺對數據進行分析，形成報警、預測預警信息等發(fā)布給用戶及作為管理者決策依據。同時各管理運營單位可通過專線實現信息共享、數據互通。其中，平臺層構建了HDFS大數據儲存平臺、Spark大數據計算平臺、ElasticSearch智慧檢索平臺，用以存儲和調用分析雁南湖水文數據等信息。云計算平臺將資源進行整合，為應用層各系統提供顯示工具集、分析工具集和業(yè)務工具集。

（二）功能設計

基于雁南湖水環(huán)境治理總體要求，結合相關規(guī)劃情況，確定雁南湖智慧水務運營管理系統的建設范圍和內容。綜合運用物聯網、大數據、水力模型、3S等技術構建智慧水務管控系統，對全水域的水源進行遠程自動監(jiān)測，形成水質、水速、水位監(jiān)測預報以及污染源入侵報警。以數據采集、傳輸、存儲和管理為基礎，通過運用成熟的網絡通信、數據采集與數據處理等技術手段，建立以數據采集與管理為核心，服務于安防監(jiān)控、水質資源監(jiān)測等業(yè)務的信息化綜合管理平臺，實現信息的技術標準化、采集自動化、傳輸網絡化、管理集成化。主要包括：

（1）數據管理系統：包含數據收集和處理中心。數據綜合管理系統對其他子系統的數據進行收集和分析。由專門的軟件對各子系統的數據（包括水質、水位、圖像等數據）進行管理?？蓪崿F在計算機、手機、平板電腦等終端設備查看和管理系統數據。

（2）智能水位調節(jié)系統：湖區(qū)水位的智能調節(jié)通過智能補水和智能排水來實現。①智能補水系統，當湖區(qū)水位低于設定值時，系統調用補水水源對湖區(qū)進行補水。調用之前，對水源部分水質指標設定限值，當滿足水質要求時，才會進行補水。補水水量根據當月的降雨量、水源水質以及湖區(qū)納污能力等指標決定。②智能排水系統：當湖區(qū)水位高于設定值時，系統啟動排水設施將湖區(qū)多余湖水進行外排。

（3）環(huán)境質量監(jiān)測系統：包括水環(huán)境質量智能監(jiān)測系統和空氣環(huán)境質量智能監(jiān)測系統。①水環(huán)境質量智能監(jiān)測系統通過在采樣點布設多參數水質（pH、溶解氧、氨氮、氧化還原電位等）在線監(jiān)測設備（水質指標監(jiān)測數據由不同的水質傳感器完成）測得數據通過通訊數據傳輸至管控終端。②空氣環(huán)境質量智能監(jiān)測系統通過在采樣點布設的空氣指標（PM2.5、PM10、SO2等）監(jiān)測設備測得數據通過通訊數據傳輸至數據管理系統。

（4）水下環(huán)境監(jiān)測系統：在監(jiān)測點位布設水下攝像頭，將攝像頭采集的圖像和視頻通過通訊設備實時傳輸至數據綜合管理系統，在終端設備上進行實時查看。水下環(huán)境監(jiān)測系統可對沉水植物、魚類、底棲動物以及水體透明度感官進行實時觀測

（5）安防視頻監(jiān)控系統：在水體所在園區(qū)的重點位置布設視頻監(jiān)控設備，通過通訊設備將視頻圖像實時傳輸至數據綜合管理系統。通過對遠程監(jiān)控對象的錄制、回放、聯動報警、監(jiān)控策略制定、應急指揮等應用，達到監(jiān)控與通訊的雙重功能。該功能與傳統的安防監(jiān)控系統功能基本一致

（6）湖濱安全預警系統：在濱水帶設置沿湖警戒紅外線，紅外發(fā)射設備與報警系統相連，當有人靠近水邊接觸紅外警戒線時，紅外設備上的傳感器會啟動報警系統，喇叭自動播放安全提示語音，同時觸動警戒線的位置傳輸至數據管控中心，由管控中心提示安保人員及時抵達現場，及時勸離或對已經落水的游客展開營救。

（7）綜合信息展示系統：綜合信息展示系統包括現場數據實時監(jiān)測、后臺正常數據庫對比、事件模擬、統計分析、信息傳輸等功能模塊，可以實現監(jiān)測信息展示、氣象信息展示、報警信息展示、視頻監(jiān)控等功能。通過大屏幕終端設備，將水環(huán)境數據和圖像進行展示和公開，提升游客對環(huán)境質量和智能化管理的實時體驗，以最直接的方式向公眾展示城市生態(tài)文明建設的成果。

四、結語

智慧水務是水環(huán)境治理中必不可少的一環(huán)，對水環(huán)境治理成效的長期維護起著不可或缺的作用。本研究智慧水務云平臺的建設以信息化體系為核心，充分利用“物聯網、云計算、大數據、移動應用”等新一代信息技術，為區(qū)域水務管理提供了便利條件，可提高運營管理精細化水平，提高決策能力、管理能力，減少環(huán)境事故帶來的損失，實現“規(guī)、建、集、享、管、維、治”的有效結合。但同時，目前水環(huán)境河道流域智慧水務設計尚無相關規(guī)范標準支撐，迫切需要根據水環(huán)境河道流域的特點制定具有行業(yè)指導意義的技術標準、導則，以利于提高智慧水務信息系統建設與應用的整體水平。