基于供水全生命周期管控的智慧水務(wù)平臺(tái)研建

楊勝飛，劉 明

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G 和人工智能等新一代信息通信技術(shù)應(yīng)用日益普及，城市建設(shè)正快速由信息化向數(shù)據(jù)化和智能化邁進(jìn)[1]。新興技術(shù)不斷融入傳統(tǒng)行業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，與智能工業(yè)的不斷融合，城鄉(xiāng)水務(wù)管理想要獲得長(zhǎng)足提升和發(fā)展，確保居民用水安全，解決城鄉(xiāng)取水、供水、用水、排水等問(wèn)題的訴求和矛盾，全面應(yīng)用新科技和互聯(lián)網(wǎng)思維是當(dāng)前水務(wù)管理部門(mén)促進(jìn)和帶動(dòng)水務(wù)現(xiàn)代化，提升水務(wù)行業(yè)社會(huì)管理和公共服務(wù)能力，保障水務(wù)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

智慧水務(wù)平臺(tái)通過(guò)供水各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、智能采集終端、水質(zhì)檢測(cè)傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、智能攝像頭、智能水表等在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)感知城市供排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行多源信息融合存儲(chǔ)，將原本分散的、意義薄弱的數(shù)據(jù)個(gè)體，進(jìn)行有效集合，解決信息孤島問(wèn)題[2]，智慧水務(wù)平臺(tái)之所以可以實(shí)現(xiàn)智慧的效果，不僅僅是因?yàn)榇嬖诘膫鞲衅鞯缺O(jiān)測(cè)硬件，或者是龐大的軟件整合平臺(tái)，它的智慧是在建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心前提下，通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)分析與處理，從而獲得解決業(yè)務(wù)問(wèn)題的應(yīng)用算法，將這些算法集成到應(yīng)用系統(tǒng)的軟件平臺(tái)上應(yīng)用，使數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)揮“大腦”的作用，起到預(yù)警、預(yù)測(cè)等效果，實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的管理方式以支持水系統(tǒng)的整個(gè)生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程。最終實(shí)現(xiàn)從水源地到水龍頭，水龍頭再到排污口全生命周期的智慧化管理[3]。

本研究利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)研發(fā)一套基于供水全生命周期管控的智慧水務(wù)平臺(tái)，并在黔東南州水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司洛貫分公司投入應(yīng)用。

1 供水全生命周期管控

供水全生命周期是指從水源地取水經(jīng)輸水管網(wǎng)到水廠制水，再經(jīng)配水管網(wǎng)及其附屬設(shè)施到達(dá)用戶水龍頭，生活生產(chǎn)廢水經(jīng)過(guò)排水管網(wǎng)輸送至污水處理廠處理后排出的全閉環(huán)管理流程。這一系列的過(guò)程主要包括了原水監(jiān)管、水生產(chǎn)及處理管控、輸配水管網(wǎng)監(jiān)控、營(yíng)收管理、河湖長(zhǎng)制管理等環(huán)節(jié)，如圖 1 所示。智慧水務(wù)平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)采集、水情水質(zhì)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)施，實(shí)時(shí)監(jiān)控城市的供水、排水管網(wǎng)及相關(guān)供水設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并采用可視化的方式將水務(wù)管理部門(mén)與供排水設(shè)施有機(jī)整合，形成城市水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)，并可將海量水務(wù)信息進(jìn)行及時(shí)挖掘分析與深度處理，為城市水

圖 1 供水全生命周期管控流程

務(wù)信息化管理、決策提供重要參考數(shù)據(jù)輔助決策 建議[4]。

在整個(gè)供水全生命周期管控過(guò)程中，運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等多項(xiàng)新技術(shù)手段。智能物聯(lián)網(wǎng)在供水行業(yè)中的典型應(yīng)用是自動(dòng)抄表[5]，NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)水表通過(guò)專屬網(wǎng)絡(luò)與平臺(tái)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)水表數(shù)據(jù)計(jì)量存儲(chǔ)、自動(dòng)上報(bào)等功能。抄收員使用移動(dòng)終端應(yīng)用進(jìn)行抄收作業(yè)，完成水費(fèi)營(yíng)收數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集。依托大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，對(duì)供水全生命周期內(nèi)各環(huán)節(jié)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、清洗、歸并、治理、存儲(chǔ)，通過(guò)組合常規(guī)基礎(chǔ)功能及融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，形成多業(yè)務(wù)場(chǎng)景的融合智慧應(yīng)用，融合應(yīng)用方式如圖 2 所示。

2 智慧水務(wù)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用

2.1 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

智慧水務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)架是由多個(gè)執(zhí)行各種功能的層協(xié)同運(yùn)作組成[6]，包括以下幾個(gè)層級(jí)：

1）基礎(chǔ)設(shè)施層通過(guò)采集水質(zhì)、流量、壓力、視頻等終端傳感設(shè)備數(shù)據(jù)，利用視頻、控制專網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)等有線或無(wú)線的傳輸方式，實(shí)現(xiàn)傳感設(shè)備采集數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定傳輸。

2）數(shù)據(jù)層為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供由基礎(chǔ)、監(jiān)測(cè)及專題數(shù)據(jù)庫(kù)等組成的公共數(shù)據(jù)中心服務(wù)，以及由水文、水動(dòng)力、水質(zhì)等模型組成的模型服務(wù)。

3）平臺(tái)層為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的平臺(tái)應(yīng)用支撐服務(wù)，包括云平臺(tái)資源、GIS 基礎(chǔ)支撐平臺(tái)、BIM 基礎(chǔ)平臺(tái)、統(tǒng)一認(rèn)證服務(wù)等。

4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層向用戶提供業(yè)務(wù)功能，應(yīng)用層與平臺(tái)展示層進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)和控制交互，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)層和平臺(tái)層獲得數(shù)據(jù)的分析和展示能力，應(yīng)用層支持多種用戶設(shè)計(jì)的接入和訪問(wèn)[7]。

5）展示層是各種與用戶交互的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)載體及交互終端。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖 3 所示。

2.2 平臺(tái)建設(shè)

通過(guò)建立數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水源監(jiān)管、生產(chǎn)管理、管網(wǎng)監(jiān)控、營(yíng)收管理、河（湖）長(zhǎng)制、管網(wǎng)漏損分析、水庫(kù)-水廠供需預(yù)警分析等功能應(yīng)用。最終通過(guò)基于 B/S 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)頁(yè)端系統(tǒng)與移動(dòng)端系統(tǒng)提供可視化展示支撐，系統(tǒng)組成如圖 4 所示。

圖 2 融合應(yīng)用方式

圖 3 智慧水務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

圖 4 系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)

1）B/S 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)頁(yè)端系統(tǒng)是整個(gè)全生命周期智慧化管控平臺(tái)的中樞，主要由數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)、采集傳感終端、通信網(wǎng)絡(luò)、云資源、業(yè)務(wù)展示端組成。數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)包括接收端軟件及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。采集傳感終端包括攝像頭及各類設(shè)備傳感器與采集器。通信網(wǎng)絡(luò)使用 TCP/IP 協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)及 NB-IoT。云資源包括租用的公有云服務(wù)器、云存儲(chǔ)、云備份、彈性 IP 等資源服務(wù)。業(yè)務(wù)展示端采用 SpringBoot，Vue框架搭建，使用 Java，JavaScript，Html，CSS 等開(kāi)發(fā)的網(wǎng)頁(yè)端應(yīng)用程序，通過(guò)對(duì)各類信息的處理及可視化展示實(shí)現(xiàn)對(duì)供水全生命周期的智慧化管控。

2）移動(dòng)端系統(tǒng)包括基于 Android 的 App 和微信公眾號(hào)，與網(wǎng)頁(yè)端系統(tǒng)共用 1 套后端接口，通過(guò)4G/5G 網(wǎng)絡(luò)與后端系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的上傳與下載。

2.3 平臺(tái)功能

2.3.1 常規(guī)基礎(chǔ)功能

平臺(tái)功能包括常規(guī)基礎(chǔ)和智慧應(yīng)用功能，常規(guī)基礎(chǔ)功能包括以下幾點(diǎn)：

1）水源監(jiān)管。指對(duì)水廠取水點(diǎn)（獨(dú)洞水庫(kù)）區(qū)域內(nèi)各涉水要素的全方位監(jiān)管，特別是水源點(diǎn)取水計(jì)量、水源水質(zhì)等數(shù)據(jù)的監(jiān)控。平臺(tái)通過(guò)采集水庫(kù)的雨水情、水質(zhì)、工情、大壩安全監(jiān)測(cè)、視頻圖像等信息，綜合監(jiān)控水源點(diǎn)水利工程的運(yùn)行狀態(tài)。

2）生產(chǎn)管理。對(duì)自來(lái)水廠、污水處理廠及其附屬設(shè)施日常生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控，廠區(qū)人員及出水水質(zhì)檢測(cè)日常管理。

3）管網(wǎng)監(jiān)控。基于 GIS、三維傾斜模型，對(duì)供、排水管網(wǎng)水質(zhì)，水壓，水量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，對(duì)管網(wǎng)搶修、巡檢事件進(jìn)行可視化管理與監(jiān)控。

4）營(yíng)收管理。通過(guò)手機(jī)抄表 App 與網(wǎng)頁(yè)端業(yè)務(wù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抄表、報(bào)裝、維修、收費(fèi)等業(yè)務(wù)的管理，對(duì)供水量、售水量的匯總統(tǒng)計(jì)，手機(jī)抄表 App 主要采集常規(guī)機(jī)械水表數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)智能水表每月定時(shí)自動(dòng)上傳抄表數(shù)據(jù)，依據(jù) DMA（District Metering Area，獨(dú)立計(jì)量區(qū)域） 分區(qū)管理技術(shù)對(duì)產(chǎn)銷差、漏損率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

5）河湖長(zhǎng)制。在污水排放過(guò)程的末端，經(jīng)過(guò)污水處理廠加工處理過(guò)的廢水最終要排入河湖中，通過(guò)接入河湖長(zhǎng)制系統(tǒng)相關(guān)河長(zhǎng)巡河數(shù)據(jù)，河湖長(zhǎng)巡查反饋的河流健康問(wèn)題可以作為污水處理廠排放是否達(dá)標(biāo)的佐證。

2.3.2 智慧應(yīng)用功能

智慧應(yīng)用功能包括以下 2 點(diǎn)：

1）水庫(kù)-水廠供需預(yù)警分析。綜合分析水利工程運(yùn)行的當(dāng)前狀況、歷史過(guò)程，在建立判斷標(biāo)準(zhǔn)的前提下，自動(dòng)判斷異常并進(jìn)行預(yù)警報(bào)警[8]。整合供水水廠和水庫(kù)的數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建水庫(kù)-水廠供需預(yù)警分析模型，可按不同來(lái)水頻率，計(jì)算期末蓄水量、可供水天數(shù)等并分析結(jié)果，快速生成調(diào)度方案，為城鄉(xiāng)聯(lián)網(wǎng)供水調(diào)配提供科學(xué)支撐，水庫(kù)-水廠供需預(yù)警分析計(jì)算模型如圖 5 所示。

圖 5 水庫(kù)-水廠供需預(yù)警分析計(jì)算模型

2）管網(wǎng) DMA 分區(qū)漏損分析。用戶用水量是隨機(jī)的，而夜間漏損量相對(duì)于用戶用水量則是相對(duì)穩(wěn)定的，可通過(guò)實(shí)測(cè)流量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行分析獨(dú)立分區(qū)漏損量。計(jì)算 2—5 時(shí)之間的凌晨進(jìn)水流量的最小值。此時(shí)大部分居民已經(jīng)休息，除了部分隨機(jī)用水外無(wú)其他用水。因此在此時(shí)間段內(nèi)的最小用量最接近真實(shí)區(qū)域漏損量。

3 應(yīng)用效果與建議

智慧水務(wù)平臺(tái)自 2021 年 4 月份正式于黔東南州水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司洛貫分公司投入使用以來(lái)，取得以下幾方面的應(yīng)用效果：

1）提升了工作效率和管理水平。通過(guò)線上抄表、線上繳費(fèi)、線上營(yíng)收?qǐng)?bào)表打印輸出，以及管網(wǎng)在線監(jiān)控、App 巡檢、水生產(chǎn)全過(guò)程管控的管理模式轉(zhuǎn)變，方便了水務(wù)公司日常經(jīng)營(yíng)管理，提升了工作效率和管理水平。

2）計(jì)算漏損量及漏算率，有效降低爆管率及漏損率。管網(wǎng)上布設(shè)壓力計(jì)、流量計(jì)等監(jiān)控設(shè)施，實(shí)時(shí)監(jiān)控管網(wǎng)運(yùn)行壓力和水量，方便統(tǒng)計(jì)分析區(qū)域漏損量、漏損率。運(yùn)用人工智能和大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)對(duì)管網(wǎng)爆管事件快速響應(yīng)決策，增強(qiáng)了事前預(yù)測(cè)預(yù)警的能力，加快了事后快速處置及溯源分析，有效降低了爆管率，提升了爆管處置效率，實(shí)現(xiàn)整體漏損率由原來(lái)的 55% 降至目前的 25% 左右。平臺(tái)通過(guò)提取洛香鎮(zhèn)管網(wǎng)進(jìn)水口處流量監(jiān)測(cè)站點(diǎn) 2021 年 1 月28 日至 5 月 28 日凌晨 1 時(shí) 30 分—4 時(shí) 30 分間隔半小時(shí)采集的實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，剔除數(shù)據(jù)中的異常值（流量負(fù)值、零散個(gè)別零值、近零值），以 5 m3/h作為分位間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)表如表 1 所示，從表 1可以得出夜間最小流量主要位于 150～155 區(qū)間。進(jìn)一步進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)分析，如圖 6 所示整體上符合正態(tài)分布，滿足用戶用水隨機(jī)及漏損恒定的假定。計(jì)算中誤差和均值（194.529 923 6，44.189 020 23），發(fā)現(xiàn)取 1 倍中誤差的置信度下，置信區(qū)間的下界位于 150～155 區(qū)間，符合實(shí)際規(guī)律，故采用 1 倍中誤差進(jìn)行漏損估算，可得出洛香鎮(zhèn)漏損量約為150.340 9 m3/h，計(jì)算月平均漏損率約為 45%。

表 1 洛香鎮(zhèn)夜間流量統(tǒng)計(jì)表

圖 6 洛香鎮(zhèn)夜間流量統(tǒng)計(jì)直方圖

3）增強(qiáng)了供水各環(huán)節(jié)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合共享及智慧應(yīng)用。系統(tǒng)平臺(tái)打通了供水各環(huán)節(jié)信息孤島，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心處理后服務(wù)于各專題智慧應(yīng)用，真正發(fā)揮供水業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)價(jià)值，增強(qiáng)了智慧水務(wù)應(yīng)用的能力和水平。

智慧水務(wù)平臺(tái)在規(guī)劃設(shè)計(jì)及投入運(yùn)行中取得良好的應(yīng)用效果及用戶反饋，但是也存在著缺乏智慧水務(wù)頂層設(shè)計(jì)規(guī)劃及相應(yīng)配套建設(shè)資金保障等問(wèn)題，故對(duì)其他地區(qū)水務(wù)公司的智慧水務(wù)建設(shè)提出以下幾點(diǎn)建議：

1）水務(wù)公司可在現(xiàn)有系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上，根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求，分期分批集成涉水相關(guān)專題應(yīng)用，如水務(wù)工程建設(shè)管理、水土保持管理、灌區(qū)監(jiān)測(cè)、水資源監(jiān)控、防汛抗旱指揮等。

2）地區(qū)水務(wù)公司在城鄉(xiāng)供水工程前期設(shè)計(jì)上，應(yīng)充分考慮水務(wù)信息化建設(shè)實(shí)施必要性及投資保障措施，為后續(xù)水務(wù)信息化實(shí)施提供建設(shè)依據(jù)及資金保障。

3）智慧水務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)做好頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)。各級(jí)水務(wù)公司應(yīng)根據(jù)本級(jí)水務(wù)信息化的建設(shè)需求，做好本級(jí)智慧水務(wù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與規(guī)劃，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)本地區(qū)水務(wù)信息化的實(shí)施，做到區(qū)域協(xié)同、多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)，促進(jìn)水務(wù)公司經(jīng)營(yíng)管理提質(zhì)增效。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究建設(shè)基于供水全生命周期管控的智慧水務(wù)平臺(tái)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，通過(guò)建立數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)，對(duì)供水全生命周期各環(huán)節(jié)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理、存儲(chǔ)、分析，實(shí)現(xiàn)水源監(jiān)管、生產(chǎn)管理、管網(wǎng)監(jiān)控、營(yíng)收管理、河湖長(zhǎng)制、管網(wǎng)漏損分析、水庫(kù)-水廠供需預(yù)警分析等智慧應(yīng)用，促進(jìn)了城鄉(xiāng)智慧水務(wù)管理智能化與智慧化水平的提升，為其他地區(qū)未來(lái)推進(jìn)智慧水務(wù)建設(shè)與管理具有一定的參考價(jià)值。