智慧水務(wù)實(shí)現(xiàn)路徑

文｜劉小梅 朱俊 童穎 郭東麗

北京清控人居環(huán)境研究院有限公司主任 劉小梅

城市供排水事業(yè)的發(fā)展與城市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)，其服務(wù)質(zhì)量的好壞不僅關(guān)系到企業(yè)自身的利益，也直接影響到社會的穩(wěn)定和政府形象。而由于城市水務(wù)管理存在著涉及范圍廣、時(shí)空跨度大、突發(fā)事件多、不確定因素難于控制等技術(shù)性難點(diǎn)，城市水務(wù)傳統(tǒng)管理仍面臨諸多問題：設(shè)施信息“家底”不清，信息利用效率低，又缺乏數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，從而影響信息的有效共享和使用；缺少長期定量化的運(yùn)行動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)管，無法及時(shí)掌握管網(wǎng)動態(tài)，缺少進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度科學(xué)分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；有效的評估決策模式缺乏導(dǎo)致相關(guān)決策還是以主觀判斷為主，難以科學(xué)回答管網(wǎng)連通、布局優(yōu)化、泵站調(diào)控、廠網(wǎng)聯(lián)控、流域調(diào)水等工程措施對管網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)影響；大多信息化建設(shè)停留在信息管理水平，數(shù)據(jù)、系統(tǒng)分散，“信息孤島”問題突出。

近年來，互聯(lián)網(wǎng)與信息化技術(shù)快速發(fā)展與應(yīng)用，水務(wù)行業(yè)數(shù)字化管理逐步走向成熟，智能化管控、精細(xì)化管理、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、全流程監(jiān)管成為水務(wù)行業(yè)運(yùn)營管理的新要求與新高度，因此亟需利用“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代下的供排水管網(wǎng)信息化技術(shù)和智能監(jiān)測設(shè)備，打造水務(wù)智慧運(yùn)營平臺，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)狀態(tài)的全面感知與運(yùn)行優(yōu)化，為水務(wù)合理運(yùn)營管理和科學(xué)有效決策夯實(shí)基礎(chǔ)。

智慧水務(wù)技術(shù)框架

1、智慧水務(wù)理念

智慧水務(wù)是信息技術(shù)對水務(wù)行業(yè)的一種變革，使水務(wù)管理突破傳統(tǒng)模式，以更加智能化的方式運(yùn)作。智慧水務(wù)的核心三大理念為感知、協(xié)同以及智能。

感知。數(shù)據(jù)是智慧水務(wù)的核心，通過感知將先進(jìn)的傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)嵌入水務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)，完成數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸使水務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)得到充分的數(shù)據(jù)化，來為其他系統(tǒng)的建設(shè)創(chuàng)造條件，為智慧水務(wù)建設(shè)提供基礎(chǔ)。

圖1 智慧水務(wù)總體框架圖

圖2 綜合數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

協(xié)同。利用水務(wù)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)內(nèi)在的協(xié)同運(yùn)行關(guān)系，將各業(yè)務(wù)單元更加整合地高效運(yùn)行起來，實(shí)現(xiàn)水務(wù)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)流程、決策信息、門戶等不同層面上的協(xié)同運(yùn)行。

智能。利用先進(jìn)的模型、計(jì)算分析模式、應(yīng)用計(jì)算能力、強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、加工和分析，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成有效的信息，提升水務(wù)管理決策能力。

2、智慧水務(wù)總體框架

智慧水務(wù)平臺包括感知層、軟硬件支撐層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、模型模擬層、應(yīng)用層、人機(jī)交互層等七個層次。

智慧水務(wù)建設(shè)內(nèi)容

智慧水務(wù)的主要建設(shè)內(nèi)容包括設(shè)施管理、在線監(jiān)測、模型評估以及綜合決策四大部分。

圖3 設(shè)施管理功能示例圖

1、設(shè)施管理

綜合數(shù)據(jù)庫建設(shè)。供排水管道通常埋藏于地下，其數(shù)據(jù)量大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，且處于不斷的更新、擴(kuò)展和改造中，應(yīng)建立動態(tài)可維護(hù)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用高效率、低冗余的存儲機(jī)制，對設(shè)施、地形、運(yùn)行監(jiān)測、氣象、水動力學(xué)模擬等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲和有效管理，保證數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確和現(xiàn)勢性，為智慧水務(wù)提供海量數(shù)據(jù)交換和共享的場所。結(jié)合水務(wù)管理特點(diǎn)，綜合數(shù)據(jù)庫的建設(shè)應(yīng)遵循以下原則：結(jié)構(gòu)可擴(kuò)充性、拓?fù)淇删S護(hù)性、數(shù)據(jù)完整性、空間與屬性可關(guān)聯(lián)性、空間數(shù)據(jù)多源性、數(shù)據(jù)編輯并發(fā)性、數(shù)據(jù)安全性，一般包括基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)庫、管網(wǎng)資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、運(yùn)營監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和文檔、多媒體數(shù)據(jù)庫等。

設(shè)施管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)更新機(jī)制。設(shè)施管理系統(tǒng)采用C/S（桌面端）與B/S（網(wǎng)頁端）混合架構(gòu)，C/S端主要供數(shù)據(jù)人員使用，實(shí)現(xiàn)設(shè)施空間、屬性等數(shù)據(jù)的編輯錄入、校驗(yàn)及更新維護(hù)等功能。B/S端主要供各業(yè)務(wù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)查看，包括設(shè)施信息的可視化表達(dá)、圖文一體化查詢、專題圖設(shè)計(jì)與表達(dá)、空間分析等功能。為保證數(shù)據(jù)的動態(tài)更新和有效維護(hù)，應(yīng)建立有效的數(shù)據(jù)更新維護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)設(shè)施從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)到運(yùn)營全過程數(shù)據(jù)管理。比如對于批量的普查數(shù)據(jù)，應(yīng)基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范進(jìn)行批量更新；在日常數(shù)據(jù)使用過程中，業(yè)務(wù)人員可以通過B/S端上報(bào)數(shù)據(jù)的有誤信息，經(jīng)過現(xiàn)場核實(shí)后，數(shù)據(jù)維護(hù)人員通過C/S端進(jìn)行修改和完善，更新的數(shù)據(jù)將統(tǒng)一發(fā)布，實(shí)時(shí)反饋給相關(guān)使用人員。

2、在線監(jiān)測

利用在線監(jiān)測技術(shù)，進(jìn)行基于多點(diǎn)位、高頻次的液位、流量、壓力與水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測，一方面能較真實(shí)地反映管網(wǎng)的當(dāng)前狀態(tài)和問題，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入分析和挖掘，用于供排水系統(tǒng)長期運(yùn)行規(guī)律及典型事件的分析；另一方面基于監(jiān)測數(shù)據(jù)能進(jìn)行供排水系統(tǒng)運(yùn)行的短期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及報(bào)警，提前預(yù)判管道溢流風(fēng)險(xiǎn)、爆管風(fēng)險(xiǎn)等，實(shí)現(xiàn)內(nèi)澇、爆管等事件預(yù)警報(bào)警信息的及時(shí)推送和發(fā)布。

圖4 在線監(jiān)測功能示例圖

同時(shí)，可以將管網(wǎng)、泵站、水廠、污水廠的液位、流量、壓力、水質(zhì)等監(jiān)測數(shù)據(jù)與GIS平臺集成，實(shí)現(xiàn)“一張圖”展現(xiàn)，支持監(jiān)測信息的實(shí)時(shí)查詢顯示和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲管理，方便管理人員準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)動態(tài)，進(jìn)行科學(xué)決策。

3、模型評估

城市供排水管網(wǎng)模型軟件眾多，國外供水模型有EPANET、WaterCAD、Cybernet等，排水模型有SWMM、InfoWorks CS、MOUSE等，模擬軟件應(yīng)考慮以國際通用、數(shù)據(jù)透明且方便共享的底層模型為主，基于地理信息系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)評估分析過程對規(guī)劃編制的作用。總結(jié)來說，供排水模型主要能支撐三個方面的應(yīng)用：

（1）現(xiàn)狀評估與問題診斷

利用經(jīng)過驗(yàn)證的供排水管網(wǎng)模型，通過不同情景下的模擬分析，可以整體評估供排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，進(jìn)行問題診斷和原因識別，為供排水管網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行維護(hù)以及輔助決策和管理等提供參考。具體評估包括：對供水管網(wǎng)進(jìn)行壓力分析、流速分析、往復(fù)流分析、水齡分析等，模擬全管網(wǎng)壓力、流速等分布；針對排水管網(wǎng)進(jìn)行管網(wǎng)結(jié)構(gòu)瓶頸分析、淤積風(fēng)險(xiǎn)分析、水力負(fù)荷分析、溢流風(fēng)險(xiǎn)分析、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)分析等。

（2）輔助決策

圖5 現(xiàn)狀評估示例圖

在現(xiàn)狀評估和問題診斷的基礎(chǔ)上，可以利用模型輔助管理者進(jìn)行科學(xué)決策，具體包括供排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的效果評估，為規(guī)劃設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供依據(jù)；進(jìn)行水廠停產(chǎn)分析、水廠停產(chǎn)調(diào)度分析等分析，分析水廠停產(chǎn)對管網(wǎng)的影響，其他水廠如何調(diào)度來保證正常供水；進(jìn)行事故分析，模擬爆管時(shí)以及關(guān)閉閥門之后對管網(wǎng)整體壓力、流速、流向的影響；進(jìn)行供水實(shí)時(shí)調(diào)度、排水泵站策略優(yōu)化評估，以輔助管理者提升供排水系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

（3）輔助管理

將模擬分析結(jié)果與供排水業(yè)務(wù)管理流程進(jìn)行深層次融合，同時(shí)通過GIS展示功能將結(jié)果進(jìn)行可視化，以提升模型的可用性，輔助進(jìn)行科學(xué)管理，是模型評估的更高層次應(yīng)用，具體包括如通過模擬評估識別系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和主要瓶頸，優(yōu)化巡查養(yǎng)護(hù)方案；通過模擬評估結(jié)果提出調(diào)度方案，進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化決策等。

4、綜合決策

基于設(shè)施數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測、管網(wǎng)模型模擬等重要支撐，采用C/S、B/S和M/S（移動端）的混合架構(gòu)，對水務(wù)管理的重要業(yè)務(wù)進(jìn)行流程梳理和優(yōu)化，構(gòu)建智慧水務(wù)綜合管理平臺，形成智慧水務(wù)規(guī)范化軟件體系及標(biāo)準(zhǔn)化管理模式，為整體的水務(wù)管理提供重要的工具和平臺。具體包括生產(chǎn)管理、巡查養(yǎng)護(hù)、排水防汛應(yīng)急、供水實(shí)時(shí)調(diào)度、供水漏控管理、排水戶管理等系統(tǒng)，其中C/S端實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)信息的動態(tài)維護(hù)與復(fù)雜模擬，主要供數(shù)據(jù)維護(hù)人員使用；B/S端實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化與精細(xì)化管理，主要供業(yè)務(wù)管理人員使用；M/S端主要供現(xiàn)場人員進(jìn)行任務(wù)接收、工單上報(bào)、照片上傳、位置定位等現(xiàn)場信息的互動。

圖6 輔助決策示例圖

實(shí)施建議

智慧水務(wù)的實(shí)施本著“統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施、逐步完善”的“三步走”建設(shè)原則，切實(shí)保障智慧水務(wù)的建設(shè)實(shí)施按照計(jì)劃穩(wěn)步進(jìn)行，進(jìn)一步提升水務(wù)綜合管理能力和科學(xué)調(diào)度水平。建議按以下幾個階段進(jìn)行：

圖7 智慧水務(wù)管理軟件體系示意圖

圖8 防汛應(yīng)急管理示例圖

圖9 實(shí)時(shí)調(diào)度管理示例圖

1、規(guī)劃階段

基于前瞻性、針對性及實(shí)用性原則，進(jìn)行智慧水務(wù)整體建設(shè)規(guī)劃，明確建設(shè)目標(biāo)，確定建設(shè)內(nèi)容，估算建設(shè)預(yù)算，規(guī)劃建設(shè)進(jìn)程，為后期智慧水務(wù)建設(shè)提供依據(jù)。

2、建設(shè)階段

在規(guī)劃完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)行智慧水務(wù)建設(shè)，建議分為四個階段進(jìn)行，即管網(wǎng)普查與資產(chǎn)管理、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)建設(shè)、管網(wǎng)在線監(jiān)測與模擬診斷、業(yè)務(wù)化運(yùn)行與決策支持。

其中，管網(wǎng)普查與資產(chǎn)管理階段，主要開展管網(wǎng)測繪、普查與資產(chǎn)整理入庫工作，制定并實(shí)施監(jiān)測方案，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，進(jìn)行拓?fù)錂z查與修正，構(gòu)建能基本反映現(xiàn)狀的綜合數(shù)據(jù)庫；業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)建設(shè)階段，主要進(jìn)行各業(yè)務(wù)過程的數(shù)字化管理，獲取完整業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)工作的高效運(yùn)行；管網(wǎng)在線監(jiān)測與模擬診斷階段，主要完成城市供排水管網(wǎng)模型構(gòu)建，進(jìn)行模擬綜合評估，分析系統(tǒng)功能缺陷，診斷管網(wǎng)現(xiàn)狀問題及風(fēng)險(xiǎn)；業(yè)務(wù)化運(yùn)行與決策支持階段，在上述階段基礎(chǔ)上，形成數(shù)據(jù)的動態(tài)更新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化、常態(tài)化運(yùn)行，為規(guī)劃改造、運(yùn)行調(diào)度、防汛應(yīng)急等提供決策支持。

在實(shí)施過程中，建議加強(qiáng)管網(wǎng)信息化建設(shè)的專業(yè)化程度，切實(shí)結(jié)合建設(shè)單位當(dāng)?shù)貙?shí)際，綜合梳理智慧水務(wù)的頂層設(shè)計(jì)方案與實(shí)施技術(shù)路線，避免僅僅引入了數(shù)字化、智慧化的概念和先進(jìn)技術(shù)的名詞，而沒有真正落實(shí)智慧管理需求，在過程中應(yīng)重視基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、管理及動態(tài)維護(hù)，力求建立規(guī)劃、建設(shè)、竣工、運(yùn)營、改造各階段管網(wǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一更新機(jī)制，同時(shí)應(yīng)培養(yǎng)本地化的技術(shù)應(yīng)用隊(duì)伍，對于管理軟件進(jìn)行持續(xù)更新與完善，以真正將智慧與水務(wù)深層融合，切實(shí)提升城市供排水設(shè)施運(yùn)行管理能力和科學(xué)決策水平。