基于GIS的智慧管網(wǎng)平臺在供水管網(wǎng)管理中的應(yīng)用

梁戰(zhàn)昌

廣西農(nóng)村投資集團(tuán)水務(wù)有限公司 廣西 南寧 530000

在智慧城市的大背景下，伴隨著 GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等前沿技術(shù)的發(fā)展，在智慧供水的應(yīng)用方面有了新的突破。牟云峰從中國供水網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用需要出發(fā)，在 GIS平臺上開發(fā)了供水網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，為供水公司提供了可視化的地理位置調(diào)研與分析服務(wù)，使供水網(wǎng)絡(luò)成為一種基于網(wǎng)絡(luò)空間的社會管理方式；班富臣在供水工程中運(yùn)用 GIS技術(shù)，對供水工程進(jìn)行維修、檢修，提高了供水工程的科學(xué)管理水平，并在突發(fā)事件處理中發(fā)揮了重要作用。在前期研究的基礎(chǔ)上，本文對智慧管網(wǎng)平臺的多角度應(yīng)用進(jìn)行了分析，并對如何將地理信息技術(shù)在智慧管網(wǎng)平臺建設(shè)中的價值進(jìn)行了深入的探索，使城市供水的智能化運(yùn)營得以實(shí)現(xiàn)，提升了供水企業(yè)的管理與服務(wù)水平。

1 水務(wù)行業(yè)智慧化發(fā)展的需求

1.1 水務(wù)行業(yè)的智慧化現(xiàn)狀

目前，我國大部分的供水企業(yè)特別是縣級供水企業(yè)都采用較為粗放的操作與控制方式，但其操作的準(zhǔn)確性、時效性較差，運(yùn)行費(fèi)用較高。為確保我國供水企業(yè)穩(wěn)定、低碳、高效地穩(wěn)定地運(yùn)行，需要發(fā)展一套一體化的智能化控制方法，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開海量的水處理設(shè)施實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)[1]。為此，亟需在水務(wù)行業(yè)中形成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的管理方式，以海量數(shù)據(jù)的采集、聚合、分析與服務(wù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個能夠?qū)崿F(xiàn)泛在互聯(lián)、靈活供應(yīng)與資源有效配置的開放云平臺，為水務(wù)企業(yè)提供數(shù)據(jù)的高效處理與一體化的智能化流程水控制方案。

1.2 智慧管網(wǎng)云平臺技術(shù)的價值和意義

運(yùn)用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與水務(wù)集團(tuán)在過去幾年中所積累的行業(yè)知識和技術(shù)相結(jié)合，并與智能運(yùn)營管理理念相結(jié)合，推出水務(wù)行業(yè)的智慧管網(wǎng)運(yùn)營管理平臺，構(gòu)建區(qū)域水務(wù)集團(tuán)下屬水處理的數(shù)字化應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化操作系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營管理能力的深度提升?；谛畔⒓桑⒁粋€“全面感知，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，數(shù)字集成，智能預(yù)報”的智能云計算平臺。

2 GIS技術(shù)的多角度應(yīng)用

2.1 地理信息數(shù)據(jù)輔助供水規(guī)劃

地理信息數(shù)據(jù)是地理學(xué)資料中最基礎(chǔ)的一種，它反映了地理學(xué)上的地形變化。為了把水從水庫輸送到給水系統(tǒng)，然后輸送到終端消費(fèi)者，需要通過鋪設(shè)管道輸送水[2]。首先，要考慮到地形、地勢等因素對水流的影響，對水流中的水動力、位能轉(zhuǎn)化進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。在地勢起伏較大的水源輸送中，既要考慮水源上升時的水壓增大，又要考慮水源下降時的水壓減??；并在此基礎(chǔ)上，針對不同的地表高度及鋪設(shè)管線的需要，計算出管線的埋深，以便于施工；將 DEM應(yīng)用于供水工程前期設(shè)計，可使供水工程的規(guī)劃與設(shè)計更加智能化。其次，以 GIS為基礎(chǔ)，通過對供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的分析，獲得了工程規(guī)劃中的收益；水的使用者可能是工廠，也可能是居民。與使用者有關(guān)的信息可以從基礎(chǔ)的地理資料中擷取。根據(jù)以上資料，再結(jié)合現(xiàn)有的水廠存量資料，就可以判斷出各區(qū)域的供水狀況。按照用戶量，可以粗略估計出需要多少水。

2.2 GIS數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)供水資產(chǎn)管理

傳統(tǒng)上，供水網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理多采用圖紙、文檔的方式。另外，供水企業(yè)的檔案室不但占用大量的空間，還不能保證資料的安全性，更難分析使用已有的數(shù)據(jù)。通過 GIS地理數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對水源、水管、水廠、水表、閥門、給水管線、消防栓、升壓泵等的自動轉(zhuǎn)換。將其處理成具有空間信息的數(shù)據(jù)，存儲在 GIS數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)對供水管網(wǎng)設(shè)施的數(shù)字化管理，對已有的供水管網(wǎng)值進(jìn)行全面控制和整理，為供水?dāng)?shù)據(jù)的深度挖掘提供支持。

2.3 GIS分區(qū)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化漏損控制

在 GIS技術(shù)下，以供水管網(wǎng)分布數(shù)據(jù)、用水戶及各類儀表為基礎(chǔ)，將供水用戶分成若干個儀表區(qū)域，在 GIS技術(shù)下，實(shí)現(xiàn)對單個區(qū)域的可視化管理。在此基礎(chǔ)上，通過結(jié)合夜間最小流量，可快速準(zhǔn)確地判斷出漏點(diǎn)的位置，減少漏損，達(dá)到對漏點(diǎn)的精細(xì)控制。

3 智慧管網(wǎng)平臺的構(gòu)建

智慧管網(wǎng)平臺以 GIS、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等新一代先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，將物聯(lián)網(wǎng)前端感知數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，構(gòu)建出與現(xiàn)代供水管理和長遠(yuǎn)發(fā)展相適應(yīng)的規(guī)劃框架，對供水公司的智能化服務(wù)水平進(jìn)行全面的提高，真正實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)管理信息化、資源可視化、決策專業(yè)化的設(shè)計目標(biāo)[3]。

3.1 智慧管網(wǎng)平臺架構(gòu)

智慧管網(wǎng)平臺的總體架構(gòu)可以被劃分成七個層次，分別是：物聯(lián)網(wǎng)感知層、硬件平臺層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支持層、接口層、應(yīng)用層、展示層等，構(gòu)建出了適合智慧水務(wù)信息化建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，具體包含了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計和安全體系。

每一級的智慧管網(wǎng)平臺具有以下具體的功能：

1）物聯(lián)感知層：物聯(lián)感知層，它是在系統(tǒng)的底層，為用戶提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)收集、傳輸?shù)裙δ?。通過訪問傳感器、傳感器終端、攝像頭和遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，與系統(tǒng)展開信息交換和通信，從而實(shí)現(xiàn)對供水設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測和管理。

2）硬件平臺：硬件平臺是支撐系統(tǒng)架構(gòu)建設(shè)所需要的硬件設(shè)備，包含服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)及路由器等。

3）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層以業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)倉庫為主，而數(shù)據(jù)庫則以歷史數(shù)據(jù)庫、各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)庫及其它數(shù)據(jù)庫為主。無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中包含的數(shù)據(jù)大多是某些文件數(shù)據(jù)[4]。

4）應(yīng)用支撐層：應(yīng)用支撐層將分散的、異質(zhì)的應(yīng)用與信息資源進(jìn)行聚集，為不同的應(yīng)用系統(tǒng)之間的跨數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)平臺進(jìn)行統(tǒng)一的接入與無縫的整合，并為信息的獲取與傳遞進(jìn)行聚合，使個性化的商業(yè)應(yīng)用得以有效地進(jìn)行開發(fā)、整合、部署與管理。

5）應(yīng)用層：是指基于應(yīng)用支持平臺，向用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)的基本應(yīng)用程序，這些程序包括：給水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，給水綜合應(yīng)用系統(tǒng)，給水計量系統(tǒng)，DMA分區(qū)計量系統(tǒng)，給水管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)，給水應(yīng)急維護(hù)系統(tǒng)，BI系統(tǒng)等。

6）接口層：智慧管網(wǎng)平臺的構(gòu)建，也包含了對整個應(yīng)用系統(tǒng)界面的管理，其中包含了數(shù)據(jù)推送界面、數(shù)據(jù)同步界面、地理信息服務(wù)界面、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)界面等，并通過一個高效的界面管理機(jī)制，達(dá)到了資源共享的目的。

張家界屬于中亞亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，夏半年降水豐沛，冬半年降水較少，夏季經(jīng)常受到降雨而使實(shí)景演藝取消演藝計劃，冬季寒冷的天氣使游客降低選擇實(shí)景演藝的可能性[4]。夏半年的旅游演藝產(chǎn)品需求最旺盛，冬半年的旅游演藝產(chǎn)品需求較少，旺季出現(xiàn)供不應(yīng)求，淡季出現(xiàn)供過于求的情況，這不免降低了張家界旅游演藝市場的競爭力。

7）表現(xiàn)層：表現(xiàn)層是一個用于用戶與該系統(tǒng)進(jìn)行互動的入口，一般包括一個內(nèi)外兩個入口。外部入口是為企業(yè)以外的人員服務(wù)的，而內(nèi)部入口是為企業(yè)中的人員服務(wù)的。

該平臺的縱向方向被分成：

1）根據(jù)《全國電子政府標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)則》，構(gòu)建了一套由相關(guān)技術(shù)規(guī)范、數(shù)據(jù)交換內(nèi)容和格式、基本數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)等組成的信息化標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)。

2）安全保護(hù)系統(tǒng)的安全保護(hù)架構(gòu)主要包括：網(wǎng)絡(luò)的身份驗(yàn)證與權(quán)限管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的加密與傳輸安全系統(tǒng)，安全評價與監(jiān)控系統(tǒng)，內(nèi)容的防偽篡改等。

3.2 智慧管網(wǎng)平臺模塊設(shè)計

1）給水網(wǎng)絡(luò) GIS系統(tǒng)將水源、源管、給水系統(tǒng)、水表、閥門、給水管線、消火栓、升壓泵等分散的各類資源信息整合起來，在一個統(tǒng)一的平臺上實(shí)現(xiàn)了對這些資源的全面展示與管理，從而實(shí)現(xiàn)了以基本地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對供水企業(yè)的資源進(jìn)行全生命周期的管理，為水業(yè)企業(yè)的資源配置及有關(guān)工程的規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐的管理目標(biāo)。

2）以高精度的數(shù)字高程模型，高分辨率的影像，城市給水管網(wǎng)資料為基礎(chǔ)，建立供水企業(yè)給水業(yè)務(wù)的可視化管理系統(tǒng)。以管網(wǎng)資料為基礎(chǔ)，為用戶提供全方位的可視化資料查詢、管理及更新服務(wù)。為供水企業(yè)提供管網(wǎng)建設(shè)流程、成果信息、管網(wǎng)維護(hù)、檢修等信息，有效提升供水企業(yè)的運(yùn)行與管理效率。

4）根據(jù)精細(xì)的 GIS數(shù)據(jù)，供水檢測維護(hù)系統(tǒng)對多作業(yè)系統(tǒng)中的作業(yè)進(jìn)行聚類，并對作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范化管理。本系統(tǒng)使維修人員編制自動化、維修流程透明化、工作任務(wù)規(guī)范化、工作績效規(guī)范化，為員工的考核工作提供了很好的基礎(chǔ)。

5） BI系統(tǒng)依賴于數(shù)據(jù)倉庫，以數(shù)據(jù)中心為載體，采集多個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)，并提供多種豐富的數(shù)據(jù)展示功能。通過GIS平臺上的前端傳感設(shè)備和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對管道設(shè)施的實(shí)時監(jiān)測，對其進(jìn)行管理，維護(hù)，擴(kuò)展和訪問。利用綜合圖分析工具，對各種資料進(jìn)行綜合、檢視和分析。將 GIS與實(shí)時監(jiān)測、業(yè)務(wù)處理等空間和時間維度相結(jié)合，實(shí)現(xiàn) GIS的整合與互聯(lián)。對水服務(wù)的全面、多維、集中的應(yīng)用要求提供最大的支持。

4 具體應(yīng)用場景和應(yīng)用模式

4.1 實(shí)現(xiàn)采集、監(jiān)控和分析的實(shí)時工業(yè)大數(shù)據(jù)

在水處理各工序中，通過圖形化的方式，將各工序中設(shè)備的運(yùn)行情況以及各儀表的運(yùn)行情況一一呈現(xiàn)出來。增強(qiáng)數(shù)據(jù)反饋的時效性，使實(shí)時數(shù)據(jù)的動態(tài)變化得到及時的反映，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備或儀表出現(xiàn)警報時，可以得到告警信息，并能在第一時間將警報信息顯示給現(xiàn)場的操作者。在趨勢曲線中，將最重要的技術(shù)參數(shù)顯示出來，以展現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時狀況，對實(shí)時數(shù)據(jù)的現(xiàn)在和過去的曲線趨勢進(jìn)行分析，并對同一數(shù)據(jù)指數(shù)進(jìn)行每月和每年的數(shù)據(jù)分析，并為儀器在現(xiàn)場的操作和維護(hù)工作提供數(shù)據(jù)分析的依據(jù)。

4.2 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)判別和清洗

通過對異常數(shù)據(jù)的繪圖，并對其進(jìn)行統(tǒng)計和分析，可有效地提高設(shè)備、儀表的使用壽命，減少設(shè)備維修費(fèi)用。通過地圖，可以看到各廢水處理站的分布情況及在線情況，多維度統(tǒng)計，全面分析各種不正常的數(shù)據(jù)。這個平臺能夠按照不同的數(shù)據(jù)清除規(guī)則和條件對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行清除，為數(shù)據(jù)的分析、挖掘以及數(shù)據(jù)模型的建立提供一個有效的工具。

4.3 整合數(shù)據(jù)，模型，工具，打造數(shù)字孿生的智慧管網(wǎng)服務(wù)

數(shù)字孿生是水務(wù)集團(tuán)智慧大腦的核心模塊，其實(shí)質(zhì)是利用智慧水務(wù)，對實(shí)時數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)、機(jī)制模型和 BIM模型進(jìn)行綜合開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)物資產(chǎn)和運(yùn)營狀態(tài)的全面、可感知的數(shù)字化表達(dá)。在此基礎(chǔ)上，以數(shù)據(jù)分析、水質(zhì)預(yù)測、生化分析、工藝參數(shù)優(yōu)化、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、能源效率分析等為研究對象，以大數(shù)據(jù)分析為核心，以大數(shù)據(jù)為支撐，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，水質(zhì)預(yù)測，生化分析，工藝參數(shù)優(yōu)化，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，能源效率分析為目標(biāo)。致力于提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定生產(chǎn)，最大限度地使用人力資源。

4.4 為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的全業(yè)務(wù)管理，開發(fā)一整套云計算管理系統(tǒng)

以智慧管網(wǎng)云平臺為基礎(chǔ)，為污水處理廠、供水業(yè)務(wù)運(yùn)營管理、水環(huán)境運(yùn)營管理、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)以及專業(yè)的自動化控制系統(tǒng)，提供一套完整的運(yùn)營管理云系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，對集團(tuán)數(shù)字化管理模式進(jìn)行探討和實(shí)踐。

4.5 基于大數(shù)據(jù)、應(yīng)用人工智能等技術(shù)

智能水云平臺將大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與商業(yè)理論和經(jīng)驗(yàn)融合起來，對污水生化全過程進(jìn)行智能控制，保證了厭氧、缺氧、好氧等技術(shù)階段的技術(shù)環(huán)境；運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的合理結(jié)合，對水廠來水進(jìn)行了精確的預(yù)測，并進(jìn)行了智能化的抽水控制；建立了一種能夠準(zhǔn)確預(yù)報生物除磷過程中的總磷濃度的虛擬裝置，并對其進(jìn)行智能化控制；在人工智慧的指導(dǎo)下，通過對活性污泥中指標(biāo)的識別，可以為自來水廠的生產(chǎn)操作提供參考，并為自來水廠的生產(chǎn)運(yùn)行提供預(yù)報信息。

4.6 建立遠(yuǎn)程控制運(yùn)行的遠(yuǎn)程支撐平臺

目前在運(yùn)行中的部分供水系統(tǒng)，由于運(yùn)行、維修人員的專業(yè)技術(shù)水平較低，很難獨(dú)立完成日常的設(shè)備運(yùn)行、維修工作。比如，裝備維修，就要求有專門的技術(shù)人員進(jìn)行遠(yuǎn)距離的指導(dǎo)，并進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測。通過將 AR、遠(yuǎn)程輔助和機(jī)器檢測等技術(shù)相結(jié)合，并將一套完整的輔助工具相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時引導(dǎo)系統(tǒng)。這個系統(tǒng)將遠(yuǎn)程視頻控制和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）引導(dǎo)等創(chuàng)新交互結(jié)合起來，將其應(yīng)用于對供水系統(tǒng)、城市污水和泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和日常檢查。

5 結(jié)束語

在“數(shù)字中國”的建設(shè)中，地理信息作為重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有不可替代的作用。在此基礎(chǔ)上，通過融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，建立“智慧管網(wǎng)”的企業(yè)管理與業(yè)務(wù)運(yùn)行集成平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、信息的統(tǒng)一展示、實(shí)時的科學(xué)模擬，從而達(dá)到規(guī)范、高效的運(yùn)行管理的目的，為水務(wù)企業(yè)的管理與服務(wù)提供了有力保障。另外，GIS技術(shù)在“智慧管網(wǎng)”方面的應(yīng)用也越來越廣泛，因此， GIS技術(shù)在城市智慧水管理中的作用也越來越重要。比如廣西農(nóng)投水務(wù)有限公司下屬的岑溪供水公司、藤縣供水公司等供水企業(yè)，與熊貓公司等專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊合作建設(shè)智慧水務(wù)系統(tǒng)，建設(shè)過程中充分結(jié)合管網(wǎng)更新改造計劃，以智能化和自動化為目標(biāo)，以可視化為手段，以地理信息和水力模型系統(tǒng)為核心，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、云計算為支撐，通過在供水管網(wǎng)關(guān)鍵位置安裝物聯(lián)監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時感知供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對運(yùn)行過程中的水量、水質(zhì)和水壓進(jìn)行評估，實(shí)現(xiàn)對供水管網(wǎng)全流程的信息監(jiān)控和分析，為高效率、低成本運(yùn)營提供了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策依據(jù)。實(shí)施的分區(qū)計量（DMA），可以實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)網(wǎng)格化管理，快速分析判斷管網(wǎng)漏損狀況，為制定管網(wǎng)漏損控制措施、精確定位漏損提供依據(jù)，為應(yīng)急搶修提供包括人力、物力在內(nèi)的輔助決策依據(jù)。通過建設(shè)智慧水務(wù)系統(tǒng)，農(nóng)投水務(wù)公司下屬企業(yè)實(shí)現(xiàn)了從零星分散數(shù)據(jù)向大數(shù)據(jù)集中、從系統(tǒng)孤島向全面集成的轉(zhuǎn)變，將“產(chǎn)水、輸水、銷水”無縫銜接成智慧水務(wù)生態(tài)鏈，對海量多維信息進(jìn)行深度挖掘，及時生成預(yù)警處理建議，全過程閉環(huán)評估，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)水質(zhì)、水量、水壓等信息的識別、監(jiān)控、模擬和預(yù)測，以線上管理指揮及時主動服務(wù)，線下主動運(yùn)維調(diào)控，逐步從水務(wù)自動化、數(shù)字化向智能化階段發(fā)展，系統(tǒng)精細(xì)化和動態(tài)化管理整個生產(chǎn)流程，綜合提升運(yùn)營效益。