基于智能感知的綜合水務(wù)管理平臺設(shè)計

摘要：智慧水務(wù)是數(shù)字城市建設(shè)的重要內(nèi)容之一，文章根據(jù)工程需要，運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了綜合水務(wù)管理平臺，通過水環(huán)境的智能感知、智能調(diào)度、智能服務(wù)和決策支持，形成基礎(chǔ)穩(wěn)固、業(yè)務(wù)融合、資源集約、保障有力的現(xiàn)代水環(huán)境管理信息化體系。

關(guān)鍵詞：智慧水務(wù);智能感知;物聯(lián)網(wǎng);大數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP311 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0133-03

水務(wù)管理是城市管理的重要組成部分之一，智慧水務(wù)建設(shè)是智慧城市建設(shè)的必然延伸[1]。智慧水務(wù)系統(tǒng)充分利用多種信息技術(shù)，對水務(wù)信息進行采集、傳輸、存儲及處理，通過全面感知、主動服務(wù)、資源整合、科學(xué)決策，實現(xiàn)更自動的控制和及時的應(yīng)對[2-3]。

水務(wù)管理系統(tǒng)貫穿水環(huán)境治理“數(shù)字設(shè)計—智能建造—智慧運維”全生命周期的各個階段[4]，立足業(yè)務(wù)建立“物聯(lián)感知─網(wǎng)絡(luò)傳輸─平臺大腦”體系，基于數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、5G、人工智能等技術(shù)[5-6]，以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，以水環(huán)境模型為基礎(chǔ)，深度融合業(yè)務(wù)和信息化，深層次挖掘各階段業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)價值，不斷通過運維數(shù)據(jù)修正、優(yōu)化模型，實現(xiàn)科學(xué)決策與智慧管控，而不僅僅是做個“自動監(jiān)測和可視化展示的空殼”，解決城市水環(huán)境治理工程全生命周期各方痛點，才有生命力。

1 平臺建設(shè)原則

本平臺以“智慧驅(qū)動、精準(zhǔn)治理”為理念，按照“少人化、無人化、智慧化”循序漸進的發(fā)展步驟，根據(jù)水環(huán)境治理實際需求，按照智慧水務(wù)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，建成“智能感知、廣泛互聯(lián)、深度融合、業(yè)務(wù)協(xié)同、決策科學(xué)、服務(wù)主動”的廠網(wǎng)河湖岸一體化綜合管理平臺，涵蓋監(jiān)控指揮一張圖、智慧供水應(yīng)用系統(tǒng)、智慧排水應(yīng)用系統(tǒng)、智慧水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)、績效考核監(jiān)管系統(tǒng)和工程數(shù)字化交付系統(tǒng)共6大核心應(yīng)用，最終實現(xiàn)“數(shù)據(jù)實時跟蹤維護、供排水設(shè)施全過程管理、巡查養(yǎng)護高效監(jiān)管、動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控預(yù)警、調(diào)度決策精準(zhǔn)高效、績效考核落地實效”的目標(biāo)，有效提升供排水管理的規(guī)范化、精細(xì)化、高效化、智能化水平。

本平臺圍繞智能感知和科學(xué)決策這兩大主題，通過先數(shù)字化、后智能化、再智慧化的技術(shù)過程，采用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)，通過監(jiān)測傳感器部署連接形成智慧水務(wù)感知能力、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及專線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)形成智慧水務(wù)傳輸能力、通過整合由調(diào)度經(jīng)驗形成的規(guī)則庫、廠站網(wǎng)一體化數(shù)值模型形成的方案庫以及監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)庫形成后臺決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)感知全天候、分析全精準(zhǔn)、業(yè)務(wù)全覆蓋、監(jiān)控全過程，運維業(yè)務(wù)維度實現(xiàn)貫通關(guān)聯(lián)、空間維度實現(xiàn)大數(shù)據(jù)挖掘分析，提供智慧供水管理、智慧排水管理、智慧水環(huán)境監(jiān)管、智慧績效考核評價等四類智慧應(yīng)用，打造成科學(xué)治水、精準(zhǔn)治水的智慧水務(wù)管理平臺。

2 平臺總體設(shè)計

智慧水務(wù)平臺總體框架在符合當(dāng)前水環(huán)境管理和業(yè)務(wù)需要的前提下，又具有一定的前瞻性，滿足未來業(yè)務(wù)擴展的需求，考慮分布式、多層次、先進技術(shù)與實用技術(shù)的融合策略，進行海量信息處理與分析，以更加精細(xì)、動態(tài)和智能的方式輔助決策，提升服務(wù)水平。

本智慧水務(wù)平臺的總體框架由分層支持體系構(gòu)成，包括智能感知層、信息化基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源中心層和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)層。另外還有兩個保障體系，包括安全保障體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，邏輯架構(gòu)如圖1所示。

通信網(wǎng)絡(luò)作為信息化建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，是信息傳遞的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和各種業(yè)務(wù)應(yīng)用的承載平臺，起著信息流高速傳輸和共享的通道作用。網(wǎng)絡(luò)部署符合國際及國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，開放、可靠、安全、互連、可互操作、可擴充，易于擴展、升級和維護。

智慧水務(wù)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由智能感知網(wǎng)絡(luò)和信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)組成。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

3 平臺設(shè)計

本平臺通過底層的智能感知層獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，中層的數(shù)據(jù)資源中心和數(shù)據(jù)中臺提供各類數(shù)據(jù)服務(wù)，上層的各應(yīng)用系統(tǒng)為用戶提供綜合的智慧水務(wù)服務(wù)。

3.1 智能感知層

智慧水務(wù)建設(shè)工程的監(jiān)測感知層，針對各工程子項的監(jiān)測需求，監(jiān)測對象包括源頭、泵站、水庫、供水廠、制水廠、污水廠、供配水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、污水調(diào)節(jié)池等，監(jiān)測內(nèi)容包括流量監(jiān)測、液位監(jiān)測、壓力監(jiān)測和水質(zhì)監(jiān)測。

排水系統(tǒng)工程按照源-網(wǎng)-站-廠分層分類進行監(jiān)測布點，水環(huán)境工程根據(jù)工藝考核需求進行監(jiān)測布點，供水工程按照源-制-站-水池-輸-配-用戶分層分類進行監(jiān)測布點。各子項監(jiān)測點的分布、設(shè)備選型、監(jiān)測方案設(shè)計依據(jù)以下基本原則：

1）實用性原則：監(jiān)測點的布置與監(jiān)測目的緊密聯(lián)系，監(jiān)測目的既能滿足項目實際運營管理需求，又充分了解項目建設(shè)現(xiàn)狀。

2）代表性原則：監(jiān)測點的布設(shè)能夠準(zhǔn)確地反映監(jiān)測對象的水量水質(zhì)情況，從而確保監(jiān)測點的監(jiān)測結(jié)果具有較好的代表性。

3）先進性原則：系統(tǒng)設(shè)計立足于應(yīng)用需求，采用當(dāng)前成熟先進的技術(shù)，基于今后的需求考慮產(chǎn)品升級平滑度，使所選的產(chǎn)品具有較長的生命周期，并確保系統(tǒng)的持續(xù)先進性。

4）穩(wěn)定性原則：按照監(jiān)測需要，嚴(yán)格確定系統(tǒng)期望無故障運行時間和可靠性等級，合理確定系統(tǒng)軟硬件期望故障修復(fù)時間和運行時間，選擇相應(yīng)的產(chǎn)品，保障監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

5）可行性原則：所選擇的監(jiān)測位置能夠方便、安全地安裝和檢修監(jiān)測設(shè)備，并考慮設(shè)備的防盜問題。站點結(jié)構(gòu)在滿足安全、可靠、耐久的前提下，充分考慮材料來源及施工條件等因素。

6）可維護性原則：立足無人駐守，定期巡檢、采集、傳輸、處理一體化，應(yīng)用軟件工程方法，確保系統(tǒng)的開放性、可擴充性和可維護性，有效降低系統(tǒng)運行與維護的難度和代價。

7）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范原則：監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計嚴(yán)格遵循國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，保障系統(tǒng)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)接入平臺

物聯(lián)網(wǎng)接入平臺負(fù)責(zé)提供物聯(lián)網(wǎng)智能終端的接入管理，實現(xiàn)通訊連接和信息接入，通過線下收集到的設(shè)備信息，將設(shè)備信息通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供的功能進行上傳和儲存，信息字段一般包括：設(shè)備名稱、廠家、所屬分區(qū)、類型、位置、坐標(biāo)、質(zhì)保期、出廠編號等基本信息。

為滿足對各智能業(yè)務(wù)終端、邊緣物聯(lián)代理的監(jiān)視、配置和管理，匯集各端采集的數(shù)據(jù)并進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并為數(shù)據(jù)中臺提供支撐，物聯(lián)網(wǎng)平臺支持以下能力：

1）兼容異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)：支持多種無線通信協(xié)議，包括但不限于基于無線WiFi、BT、Zigbee、2G/3G/4G/5G、LoRa、NB-loT;有線RS485、KNX等協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，消息路由，云端適配等服務(wù)。

2）多協(xié)議接入：支持多種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議，包括但不限于MQTT、COAP、HTTP/HTTPS等常用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，既能滿足長連接的實時性需求，也能滿足短連接的低功耗需求。

3）云端數(shù)據(jù)分析處理：針對設(shè)備數(shù)據(jù)處理端，平臺支持編寫類SQL規(guī)則過濾設(shè)備數(shù)據(jù)，并通過規(guī)則引擎一鍵式配置打通其他組件，以方便快捷地實現(xiàn)海量設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲、查詢、計算以及智能分析應(yīng)用。為設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲、傳輸提供可靠、安全、自動化的全天候運維監(jiān)控服務(wù)。

4）應(yīng)用層協(xié)議統(tǒng)一：物聯(lián)網(wǎng)通信平臺支持通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)層協(xié)議實現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的統(tǒng)一接入與管理。

5）高性能與多連接支持：具備億級設(shè)備的接入能力、大數(shù)據(jù)的傳輸能力、設(shè)備與第三方服務(wù)的統(tǒng)一連接能力。

3.3 數(shù)據(jù)中臺

業(yè)務(wù)中臺采用云服務(wù)的方式，為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的運算、分析和展示提供相應(yīng)的地理信息服務(wù)、大數(shù)據(jù)及人工智能服務(wù)、數(shù)據(jù)交互服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、統(tǒng)一用戶服務(wù)、統(tǒng)一視頻監(jiān)控服務(wù)和BIM模型服務(wù)。

主要包括：

1）地理信息服務(wù)：GIS服務(wù)中臺主要提供統(tǒng)一的地圖服務(wù)、三維服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)地圖、專題圖底圖、三維場景、各類地理信息、基礎(chǔ)信息的地圖展示。將云計算與GIS服務(wù)融合，通過資源模板管理、部署、調(diào)度等特性，實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施的敏捷調(diào)度、便捷管理，針對GIS應(yīng)用環(huán)境快速部署和結(jié)合GIS數(shù)據(jù)進行空間大數(shù)據(jù)分析等核心需求。

2）大數(shù)據(jù)服務(wù)：智慧水務(wù)決策支持系統(tǒng)基于海量的不同類型數(shù)據(jù)，其中包含與地域分布有關(guān)的空間數(shù)據(jù)及隨時間變化的時序數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成有用的信息和知識，可為決策提供有力支撐。

3）人工智能服務(wù)：通過數(shù)據(jù)預(yù)處理及數(shù)據(jù)標(biāo)注、大規(guī)模分布式訓(xùn)練、自動化模型生成，提供AI應(yīng)用按需部署能力。提供AI數(shù)據(jù)及算法支撐，提升數(shù)據(jù)處理效率，加快整體運行速度;分布式集群加速，提升模型訓(xùn)練效率。

3.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)

在上述智能感知層、數(shù)據(jù)服務(wù)層的支持下，本平臺提供了多個應(yīng)用子系統(tǒng)：

1）監(jiān)控指揮一張圖系統(tǒng)

基于大屏幕展示的監(jiān)控指揮一張圖系統(tǒng)，在日常應(yīng)用中，用于視頻監(jiān)控展示、綜合監(jiān)測預(yù)警、管網(wǎng)綜合展示、資產(chǎn)集中監(jiān)管、績效考評監(jiān)管等業(yè)務(wù);在應(yīng)急會商或研討時，用于展示供排水各類信息資源，保證信息展示的深度和廣度，進行聯(lián)合調(diào)度指導(dǎo)、輔助決策。系統(tǒng)功能界面如圖3所示。

2）智慧供水應(yīng)用系統(tǒng)

智慧供水建設(shè)將資產(chǎn)管理、管網(wǎng)運維、生產(chǎn)運行管理、調(diào)水管理、水質(zhì)監(jiān)測與監(jiān)控、營業(yè)收費、熱線服務(wù)等多種功能模塊整合到一個平臺中，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)包括供水設(shè)施、設(shè)備資產(chǎn)、水情監(jiān)測、視頻監(jiān)控、控制設(shè)施、生產(chǎn)報表、營業(yè)收費等各類型的數(shù)據(jù)。

智慧供水應(yīng)用系統(tǒng)包括管網(wǎng)資產(chǎn)管理、設(shè)備資產(chǎn)管理、在線監(jiān)測、廠站運行監(jiān)管、管網(wǎng)巡查養(yǎng)護、營業(yè)收費管理、管網(wǎng)漏損管控、聯(lián)合調(diào)度管理、熱線客服等9個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)相互獨立，同時又與智慧水務(wù)綜合運行管理平臺的績效考核評估系統(tǒng)，實現(xiàn)智慧排水工程的績效考核監(jiān)管及運行效能評估。

3）智慧排水應(yīng)用系統(tǒng)

智慧排水建設(shè)將資產(chǎn)管理、管網(wǎng)運維、廠站運行管理、調(diào)水管理、水質(zhì)監(jiān)測與監(jiān)控等多種功能模塊整合到一個平臺中，系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)包括排水管網(wǎng)設(shè)施、設(shè)備資產(chǎn)、水雨情、水文、控制設(shè)施、視頻監(jiān)控、河道水質(zhì)等各類型的數(shù)據(jù)。

智慧排水應(yīng)用系統(tǒng)包括管網(wǎng)資產(chǎn)管理、設(shè)備資產(chǎn)管理、在線監(jiān)測、廠站運行監(jiān)管、管網(wǎng)巡查養(yǎng)護、聯(lián)合調(diào)度管理、排水戶管理等7個子系統(tǒng)，實現(xiàn)智慧排水工程的績效考核監(jiān)管及運行效能評估。

4）智慧水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)

智慧水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測實時數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)，采用GIS、數(shù)據(jù)可視化、統(tǒng)計分析等技術(shù)，實現(xiàn)對水環(huán)境及排污設(shè)施的水質(zhì)、水量等各類監(jiān)測數(shù)據(jù)直觀展示。同時，結(jié)合對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析需求，提供各類統(tǒng)計分析工具，滿足水環(huán)境綜合治理對水環(huán)境監(jiān)管的要求以及水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的各類應(yīng)用需求。系統(tǒng)界面如圖4所示。

4 結(jié)論

智慧水務(wù)是智慧社會的重要組成部分，是新時代水務(wù)信息化發(fā)展的更高階段，是水務(wù)現(xiàn)代化的前提條件，是推動水治理能力現(xiàn)代化建設(shè)的客觀要求。水務(wù)現(xiàn)代化對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)來說不可或缺，支撐經(jīng)濟社會發(fā)展，保障生態(tài)環(huán)境改善。智慧水務(wù)建設(shè)利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等各項新技術(shù)手段，全面消除信息孤島，實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用聯(lián)動，為處理和應(yīng)對供排水和水環(huán)境污染事件和監(jiān)管提供了技術(shù)支撐，有效減少各類水污染事故，能夠給當(dāng)?shù)馗纳扑h(huán)境、氣候及生產(chǎn)生活環(huán)境帶來較大的利益。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-11-12

作者簡介：衛(wèi)慧（1971—），女，上海人，高級工程師，碩士，研究方向為工程數(shù)字化、智慧工程、地理信息系統(tǒng)與建筑信息模型研究與應(yīng)用。