深圳寶安區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建及數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

李 鐸

(深圳市寶安區(qū)水務(wù)局，廣東 深圳 518101)

1 寶安區(qū)水務(wù)現(xiàn)狀

河流基本情況：寶安區(qū)共有66條河涌，66條河涌分屬茅洲河及珠江口沿海河涌兩大水系，總長254km，流域總面積532km2。全區(qū)水環(huán)境狀況有以下幾個特點：一是水質(zhì)污染嚴(yán)重，主要污染物為氨氮、總磷和陰離子表面活性劑；二是感潮河流多，66條河流有50條為感潮型河流，感潮河段占總河長約50%，影響面積達176km2，約占全區(qū)總面積的45%；三是防洪達標(biāo)率低，全區(qū)河道有168km未達防洪標(biāo)準(zhǔn)，占總長的66%。

水庫基本情況：寶安區(qū)共有12座水庫，其中市管水庫2座，區(qū)管水庫10座，中型水庫3座，小(1)型水庫7座，小(2)型水庫2座。鐵崗水庫、石巖水庫、羅田水庫作為主要在用集中式生活飲用水水源，寶安區(qū)主要飲用水源水質(zhì)良好，全區(qū)飲用水源水質(zhì)達標(biāo)率為100%。鐵崗水庫、石巖水庫、羅田水庫水質(zhì)類別為Ⅱ類，水質(zhì)為優(yōu)，水庫水質(zhì)保持穩(wěn)定。

泵站基本情況：全區(qū)共有132座泵站，包括現(xiàn)狀排澇泵站、規(guī)劃排澇泵和污水泵站，現(xiàn)狀排澇泵站104座，抽排規(guī)模697.05m3/s；規(guī)劃排澇泵站17座，抽排規(guī)模565.28m3/s；規(guī)劃泵站建成后總抽排規(guī)模1262.33m3/s。污水泵站11座，總抽排規(guī)模185.7萬t/d。

排水管網(wǎng)情況：全區(qū)目前已市場化委托運營的排水管網(wǎng)共6732km，其中市政排水管網(wǎng)2882km，社區(qū)排水管網(wǎng)3475km，其他道路排水管網(wǎng)375km。

水閘基本情況：寶安區(qū)一共有63個水閘，大部分服役年限為10～30年。

水質(zhì)凈化廠情況：寶安區(qū)已建水質(zhì)凈化廠6座，設(shè)計污水處理能力116.5萬m3/d。

人工濕地情況：寶安區(qū)已建成4個石巖、黃麻布、塘頭河和牛城人工濕地及快滲工程，總規(guī)模為8.8萬m3/d。

水廠基本情況：寶安區(qū)共有深水寶安水務(wù)有限公司有限公司及松崗自來水公司2家供水企業(yè)，共有水廠9座，水廠總設(shè)計規(guī)模達176萬m3/d，實際日平均供水規(guī)模為110.3萬m3/d。

易澇點情況：目前寶安共有29個重點易澇點區(qū)域，35個易積水點區(qū)域。

2 存在的主要問題

當(dāng)前，寶安區(qū)水務(wù)管理業(yè)務(wù)現(xiàn)狀主要存在以下問題：①監(jiān)測點位缺失，水務(wù)設(shè)施狀態(tài)不明；②整體規(guī)劃滯后、分散建設(shè)、資源有待進一步整合；③局內(nèi)系統(tǒng)割裂，數(shù)據(jù)共享困難；④橫向系統(tǒng)未對接，業(yè)務(wù)聯(lián)動難實現(xiàn)；⑤系統(tǒng)缺失老舊，業(yè)務(wù)覆蓋不完善；⑥數(shù)據(jù)價值未發(fā)揮，智慧決策待實現(xiàn)。

3 智慧水務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建

為進一步提升寶安區(qū)水務(wù)監(jiān)管智能化、智慧化水平，結(jié)合寶安區(qū)水務(wù)局實際情況，堅持“統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，繼承優(yōu)化、整建結(jié)合，共建共享、最小共享，聚焦應(yīng)用、最大服務(wù)，安全可靠、權(quán)威發(fā)布”的設(shè)計原則，充分利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、3S和5D等技術(shù)，構(gòu)建寶安區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)[1- 5]，如圖1所示。

圖1 智慧水務(wù)系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)可簡述為“一張網(wǎng)、一中心、兩支撐、三門戶、四應(yīng)用、四體系”，根據(jù)項目的建設(shè)任務(wù)和設(shè)計邊界，本項目的設(shè)計對象和范圍如下：

一張網(wǎng)：一張網(wǎng)承擔(dān)信息的采集和匯集。主要包括水庫安全監(jiān)控、地表水監(jiān)測、易澇點監(jiān)測、排水管網(wǎng)監(jiān)測、泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻監(jiān)控等。

一中心：管控中心負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)運行、管理、調(diào)度指令下發(fā)。

兩支撐：包括智慧水務(wù)信息資源分系統(tǒng)和智慧水務(wù)應(yīng)用支撐分系統(tǒng)。智慧水務(wù)信息資源分系統(tǒng)將傳輸數(shù)據(jù)進行分類存儲，主要包括監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)庫。智慧水務(wù)應(yīng)用支撐分系統(tǒng)通過組裝可復(fù)用業(yè)務(wù)構(gòu)件的方式來打造智慧水務(wù)的各種智慧應(yīng)用系統(tǒng)，同時，對外提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口和服務(wù)接口，將面向不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)布不同的服務(wù)接口。

四應(yīng)用：包括水務(wù)管理分系統(tǒng)、綜合管理分系統(tǒng)、智慧管控分系統(tǒng)和決策支持分系統(tǒng)4個分系統(tǒng)，涵蓋區(qū)水務(wù)局水務(wù)監(jiān)管業(yè)務(wù)、綜合管理業(yè)務(wù)、公眾服務(wù)、決策支持，能夠為區(qū)水務(wù)局提供業(yè)務(wù)支持。

三門戶：包括內(nèi)網(wǎng)辦公門戶、移動應(yīng)用門戶、公共服務(wù)門戶。公共服務(wù)門戶將采用局內(nèi)已建的寶安水務(wù)局門戶網(wǎng)站，并與項目系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

四體系：包括政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、信息安全和運營服務(wù)體系。

以寶安區(qū)管控中心水務(wù)分中心為載體，基于“智慧寶安管控指揮中心+10個街道辦分中心+126個社區(qū)微中心+主要職能部門分中心”的“1+10+126+N”的智慧寶安建設(shè)運行平臺，綜合運用智慧寶安大數(shù)據(jù)資源中心，通過數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)寶安區(qū)水務(wù)局向上對寶安區(qū)管控中心、向下對各科室的“上下級聯(lián)動”，打通上級單位對下級單位的監(jiān)督監(jiān)控、事件分撥、協(xié)同指揮和應(yīng)急指揮，打通下級單位向上級的事件上報和數(shù)據(jù)上報，全面實現(xiàn)寶安區(qū)水務(wù)狀態(tài)的綜合展示、監(jiān)測預(yù)警、數(shù)據(jù)決策支持和聯(lián)動指揮[6- 8]。智慧水務(wù)系統(tǒng)運行架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧水務(wù)系統(tǒng)運行架構(gòu)

4 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

4.1 水務(wù)數(shù)據(jù)分類及特點

根據(jù)寶安區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建思路，可將區(qū)水務(wù)數(shù)據(jù)劃分為監(jiān)測類、基礎(chǔ)類和管理類3類數(shù)據(jù)。監(jiān)測類數(shù)據(jù)主要包括水質(zhì)、供排水、水位信息等，基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)主要包括污水無處廠處理工藝、基礎(chǔ)設(shè)施以及傳感器參數(shù)等，管理類數(shù)據(jù)主要包括個河流之間的基本情況信息數(shù)據(jù)等。水務(wù)數(shù)據(jù)具有空間屬性和時間屬性，同時還具有數(shù)據(jù)規(guī)模量大，種類繁多，來源不統(tǒng)一等特點，很容易造成水務(wù)數(shù)據(jù)在采集過程中產(chǎn)生較多的“臟數(shù)據(jù)”，因而需要采取一定的技術(shù)手段對這些臟數(shù)據(jù)進行清洗[9- 10]。

4.2 水務(wù)數(shù)據(jù)清洗流程

水務(wù)數(shù)據(jù)“臟數(shù)據(jù)”按屬性進行劃分可分為通用數(shù)值屬性臟數(shù)據(jù)、具有空間屬性的臟數(shù)據(jù)和具有時間屬性的臟數(shù)據(jù)。通用數(shù)值屬性臟數(shù)據(jù)是最常見的臟數(shù)據(jù)，出現(xiàn)這種臟數(shù)據(jù)的主要原因在于人工錄入失誤、傳感器失靈或者數(shù)據(jù)間斷性缺失等。具有空間屬性的臟數(shù)據(jù)就是指那些具有較多地域、流域或者對象屬性的錯誤數(shù)據(jù)。具有時間屬性的臟數(shù)據(jù)錯誤類型比較單一在，主要是由于傳感器失效引起數(shù)值錯誤。人工錄入失誤造成的數(shù)據(jù)顛倒或者小數(shù)點錯誤屬于數(shù)據(jù)異常值，數(shù)據(jù)間斷性缺失則屬于空缺值。因此，水務(wù)數(shù)據(jù)的“臟數(shù)據(jù)”清理將主要經(jīng)歷異常值清理階段和空缺值填補階段。

寶安區(qū)智慧水務(wù)系統(tǒng)設(shè)計過程中，為了實現(xiàn)對大量水務(wù)“臟數(shù)據(jù)”的精確清理，將水務(wù)數(shù)據(jù)清洗設(shè)計為3個階段，如圖3所示。第一階段為數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，在這一階段主要作用是對收集到的水務(wù)數(shù)據(jù)進行分類；第二階段為異常值檢測階段，在這一階段，通用數(shù)值屬性臟數(shù)據(jù)的異常值檢測與時空異常值檢測方法有些區(qū)別，這主要是因為大部分臟數(shù)據(jù)并不具備時間和空間屬性，只具備數(shù)值屬性，時空異常值檢測只需要利用馬氏距離閾值函數(shù)和隱馬爾科夫模型分別對數(shù)據(jù)的空間特性和時間特性進行辨別，即可剔除相關(guān)臟數(shù)據(jù)，而在處理通用數(shù)值屬性臟數(shù)據(jù)時，由于數(shù)據(jù)量巨大，因此使用了從全局異常值檢測到局部異常值檢測的方法，全局異常值檢測采用拉依達準(zhǔn)則，主要作用是對數(shù)據(jù)的最大值和最小值問題進行檢測，局部異常值檢測采用層級聚類法，主要作用是對人工錄入失誤造成的數(shù)據(jù)顛倒或者小數(shù)點錯誤屬于數(shù)據(jù)異常值進行檢測；第三階段為空缺值填補階段，在這一階段主要是通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對數(shù)據(jù)空缺項進行查補。

圖3 水務(wù)數(shù)據(jù)清洗流程

5 預(yù)期經(jīng)濟及社會效益

5.1 經(jīng)濟效益

(1)實現(xiàn)水質(zhì)實時監(jiān)測，提升執(zhí)法、管養(yǎng)效率，節(jié)約人員成本，

在傳統(tǒng)水務(wù)執(zhí)法監(jiān)察、水務(wù)設(shè)施養(yǎng)護巡檢模式下，由于無法實時獲取水質(zhì)水量數(shù)據(jù)、水務(wù)設(shè)施運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，不能及時發(fā)現(xiàn)問題，在日常監(jiān)管、管養(yǎng)維護過程中，必須投入大量人力物力以進行地毯式、無重點的巡檢、管養(yǎng)維護作業(yè)，大大增加維護成本。

本項目將建設(shè)易澇點、黑臭水體、排水管網(wǎng)、泵站等在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時獲取黑臭水體、排水管網(wǎng)、泵站的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并提供實時監(jiān)測預(yù)警，可供執(zhí)法監(jiān)察、設(shè)備巡檢人員及時掌握環(huán)境的狀態(tài)，避免盲目執(zhí)法、巡檢，大大減少人員成本。

(2)實現(xiàn)水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的統(tǒng)一管理，提升管理效率，節(jié)約管理成本

寶安區(qū)智慧水務(wù)(一期)項目將改變傳統(tǒng)圖紙存儲管網(wǎng)信息的方式，并將原有獨立、分散的排水設(shè)施信息整合到同一系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的資產(chǎn)管理模式，有效減少由于資產(chǎn)狀況不清、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一等造成的數(shù)據(jù)無法共享，無法為業(yè)務(wù)管理提供數(shù)據(jù)支撐等問題，從而提升了管理效率，節(jié)約了管理成本，減少了大量不必要的人力和物力投入。

(3)科學(xué)評估，避免粗放式管理，節(jié)約建設(shè)成本

在排水工程建設(shè)過程中，由于前期缺乏統(tǒng)一、詳細(xì)、精確的建設(shè)規(guī)劃方案評估，導(dǎo)致在施工過程中出現(xiàn)占用排水管道位置，甚至鑿穿排水管線等現(xiàn)象發(fā)生，造成重大經(jīng)濟損失和嚴(yán)重事故影響。本項目利用排水管網(wǎng)水力評估模型，對管道總?cè)萘俊⒐芫W(wǎng)結(jié)構(gòu)缺陷、污水管網(wǎng)水力瓶頸、污水管網(wǎng)易淤積點等分析，以便管理人員全面、及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和識別管網(wǎng)結(jié)構(gòu)存在的問題及瓶頸，為排水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃控制工作提供計算、分析及評價的支撐系統(tǒng)，通過有效的規(guī)劃方案評估，提高規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)性，從而避免管網(wǎng)存在的設(shè)計缺陷，從根本上降低了排水系統(tǒng)運行風(fēng)險，減少排水系統(tǒng)維護費用，同時保證排水工程建設(shè)的順利進行，防止出現(xiàn)返工現(xiàn)象而導(dǎo)致增加建設(shè)成本的投入。

5.2 社會效益

(1)實現(xiàn)寶安區(qū)水務(wù)設(shè)施數(shù)字化管理

通過本項目的建設(shè)，將完成排水相關(guān)的城市信息資源空間信息、動態(tài)信息和公共信息的處理、管理、分發(fā)、挖掘、共享、維護，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源池、基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)共享應(yīng)用，全面實現(xiàn)排水設(shè)施數(shù)字化管理，為統(tǒng)籌資源布局，合理規(guī)劃城市發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

(2)提升防澇監(jiān)測預(yù)警能力

本項目開發(fā)設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)，可實時采集雨污水管道、泵站等排水設(shè)施的流量、液位等監(jiān)測數(shù)據(jù)，并建設(shè)泵站自控系統(tǒng)，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示和數(shù)據(jù)分析，有效識別排水管網(wǎng)的水量變化規(guī)律和趨勢，當(dāng)出現(xiàn)污水漫溢等管網(wǎng)異常情況時，可立即發(fā)出報警，輔助管理者及時采取措施，有效地減少污水溢流對于環(huán)境的損害。

(3)提升社會服務(wù)質(zhì)量與效率

通過本項目的建設(shè)，加強、河流污染、易澇點監(jiān)測，實時了解環(huán)境現(xiàn)狀，當(dāng)出現(xiàn)異常時及時進行報警，有助于執(zhí)法監(jiān)察、維護人員根據(jù)情況采取相應(yīng)措施；推進污水管網(wǎng)優(yōu)化運行，有計劃的對污水管網(wǎng)的關(guān)鍵點進行在線液位及流量監(jiān)控，實現(xiàn)排水管網(wǎng)異常報警和科學(xué)調(diào)度等功能。全方位提升排水服務(wù)質(zhì)量，保障城市排水機制。

(4)推動政府?dāng)?shù)據(jù)開放進程

通過本項目的建設(shè)，實現(xiàn)為應(yīng)用提供身份識別、信息聚合推送、權(quán)限管理等服務(wù)，各類應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)一向系統(tǒng)開放服務(wù)接口、提供資源，通過系統(tǒng)調(diào)用其他部門開放的服務(wù)，統(tǒng)一利用系統(tǒng)受理請求和提交服務(wù)。

6 結(jié)語

寶安區(qū)是深圳的行政大區(qū)、產(chǎn)業(yè)大區(qū)和人口大區(qū)，充分利用新一代信息技術(shù)，采用松耦合架構(gòu)模式，構(gòu)建智能感知、數(shù)據(jù)融合和智慧應(yīng)用三大體系，實現(xiàn)涉水事務(wù)感知、監(jiān)管及決策的全過程智能管控，是寶安區(qū)智慧水務(wù)建設(shè)的核心任務(wù)。文章根據(jù)寶安區(qū)當(dāng)前水務(wù)現(xiàn)狀，針對目前水務(wù)管理業(yè)務(wù)現(xiàn)狀存在的主要問題，初步構(gòu)建了以“一張網(wǎng)、一中心、兩支撐、三門戶、四應(yīng)用、四體系”為總體框架的智慧水務(wù)系統(tǒng)，同時提出了智慧水務(wù)數(shù)據(jù)清洗“三階段”設(shè)計方案，可為推動寶安區(qū)智慧水務(wù)建設(shè)提供參考。