淺析基于“一張圖”的智慧水務綜合管理平臺應用研究-以呼和浩特市為例

王璐璐 朱玉明 劉紅義

摘? 要： 以呼市智慧水務一期建設項目-綜合管理平臺建設方案為研究對象，以綜合分析“一張圖”構建為核心，綜合運用物聯網、大數據、云計算、人工智能等先進理念和高新技術，結合呼和浩特市建設國家新型智慧城市標桿市的戰略目標以及解決城市水資源及水環境等問題的實際需求，闡述了呼市基于“一張圖”的智慧水務綜合管理平臺建設的必要性。基于“一張圖”技術對智慧水務綜合管理平臺建設進行應用研究及分析探討，科學的架構體系設計對于促進信息基礎設施和應用系統效能提供客觀的決策依據。綜合管理平臺建設是呼市打造智慧水務的一次突破與嘗試，對于提升呼市公司的管理能力、經濟效益和服務水平具有指導性的意義。

關鍵詞： 物聯網;大數據;智慧水務;一張圖;精細化

【Abstract】： Taking Hohhot Smart Water Phase I Construction Project-Integrated Management Platform Construction Project as the research object， with the comprehensive analysis of “one map” as the core， comprehensive application of advanced concepts such as Internet of Things， big data， cloud computing， artificial intelligence and high-tech Combined with the strategic goal of building a national new smart city benchmark city in Hohhot and the actual needs of solving urban water resources and water environment， the necessity of Hohhot's intelligent water management platform based on “one map” was expounded. Based on the “one map” technology， the application research and analysis of the intelligent water management platform construction， the scientific architecture system design provides an objective decision-making basis for promoting the performance of information infrastructure and application system. The construction of comprehensive management platform is a breakthrough and attempt to create a smart water service in Hohhot， which has guiding significance for improving the management ability， economic efficiency and service level of Hohhot Company.

【Key words】： The Internet of things; Big data; Wisdom water; One map; Refinement

0? 引言

智慧水務是智慧城市建設中的重要組成部分，也是呼和浩特市智慧城市試點建設的特色創新項目，是呼和浩特市政府落實“智慧城市”的重要載體，搭建融合式一體化企業管理和業務運營平臺，利用大數據分析技術，構建智慧水務綜合分析“一張圖”，打破原有“信息孤島”弊端，完善水務監測體系，通過構建基于“一張圖”水務全要素的綜合分析應用，實現數據共享、資源整合與業務協同，有利于為呼和浩特市智慧城市建設夯實基礎，同時為呼和浩特“活力首府、美麗首府、和諧首府”建設提供重要的技術支撐及決策依據。

1? 現狀分析

1.1? 概況

呼和浩特市市區水資源量為11.88億立方米/年，人均水資源占有量為537.8立方米/年。目前，全市常規水資源可利用總量約42萬噸/天，全市人均水資源量為465立方米/年，是全國平均水平的六分之一，屬于全國嚴重缺水城市之一。因此，研究智慧水務“一張圖”構建技術，整合水資源、水環境、水安全、水管理等各領域的靜態基礎數據和動態實時監測數據，提高水質水量安全保障水平，增加水資源的可利用率，通過大數據挖掘為城市及水務行業管理者提供決策支撐[1]，創新水務運營、管理、服務模式，助推呼市智慧城市健康有序發展尤為重要。

1.2? 存在問題

（1）大數據分析不全面，多源異構數據須融合

數據是構建“一張圖”的核心，在實際應用中，數據來源是多方面的，數據的格式和屬性存在差異，在進行一張圖構建時，必須將這些數據融合，形成統一的數據庫。由于大數據思想從根本上未建立，水務業務未能與信息化深度融合，涉水管理部門重要業務信息系統建設欠缺，且各業務系統標準不統一[2] ，另外，由于第三方系統開放性，數據互通困難，這是本研究的一個技術難點。

（2）業務協同不徹底，分散資源待整合

除了數據之外，一張圖指標體系構建是另一個核心要素，構建指標體系的基礎是要充分了解水務業務，了解不同層次管理者關注的重點，才能形成與實際管理要求匹配的業務指標體系。在形成業務指標體系的基礎上，才能進行數據的組織關聯，現有的水務信息系統建設年代不同、分散臨時性需求較多，并且不同承擔單位技術不同，系統打通困難，數據孤島現象較為嚴重。

（3）信息管理不及時，運維方式待改進

目前呼市信息系統運維各自為政，運維由不同單位負責，難以達到信息管理的及時、準確的要求。研究了智慧水務數據集成及綜合管理系統技術，面對不同對象，提供相應展示界面，可進行分區管理，實現多系統聯合辦公，為水務公司不同單位運維管理部門提供應急處置支撐，為水務公司管理層、水廠管理層等提供業務決策支持。

1.3? 解決方案

本技術研究以已落地項目為牽引，以數據整合為核心，以數據應用為手段，在深入掌握業務需求的基礎上，重點研究綜合“一張圖”分析技術，通過數據分析手段，可視化地呈現水務公司生產、運行、經營、維護和管理狀況，為水務公司不同層次的管理者提供決策支持。

（1）數據采集自動化

圍繞水務類核心業務，完善水務監測體系，全面透徹感知水務全要素涉水信息。利用雷達、衛星、物聯網等技術構建智能感知體系，確保信息互通和資源共享，形成“天空地水網”一體化的水務立體感知監測體系[3]。通過制定各類信息編碼、標識、展現的統一，全方位采集呼市中心城區水務信息，包括雨量、水位、積水、流量、水質等，實現水務信息的匯聚、處理、整合、存儲與交換，形成呼市智慧水務綜合管理數據庫，為呼市智慧水務“一張圖”建設提供數據基礎支撐。

（2）信息系統集成化

針對呼市現有水務業務系統分散、信息孤島等問題，以數據倉庫為數據存儲模式，將不同系統、不同業務數據多源異構數據融合到數據庫中，實現數據的集中式管理，打造智慧水務一體化應用平臺，涵蓋排水防澇的預警應急功能、水資源的智能監控功能、供水管網的監測調控功能等信息化管理功能等，提供貫穿綜合整治業務全過程的整體智慧水務解決方案，為呼市智慧水務“一張圖”分析奠定基礎。

（3）決策調度智慧化

利用一張圖的先進技術理念，通過智慧水務各業務應用系統等海量信息提取和挖掘，實現防洪排澇預警、應急指揮調度工作的智慧化決策、水廠管網數字化管養維護的智慧化管理，從而全面提升呼市中心城區在應對城市水資源、水環境問題的管理水平和應急能力，為呼市智慧水務建設提供決策服務。

（4）公眾服務便捷化

發揮一張圖的核心技術優勢，利用移動社交網絡，為呼市中心城區提供城市水務建設與公眾的良性互動平臺，充分調動公眾對城市智慧水務建設和維護的積極性，從而能以更加精細、動態、靈活、高效的方式參與城市水務管理。

2? 智慧水務“一張圖”綜合管理平臺建設意義

針對呼市水務信息化，結合呼市水資源基本現狀及水環境綜合治理的實際需求，以計算機通信網絡和各采集控制終端為基礎，以物聯網、大數據、人工智能等高新技術為動力，統籌謀劃、系統治理，構建切實可行的智慧水務“一張圖”應用體系，實現信息采集自動化、信息系統集成化、決策調度智慧化、公眾服務便捷化，使得感知內容全覆蓋、采集信息全掌握、傳輸時間全天候、應用貫穿全過程，提升城市水務整體管理水平，打造國內領先的智慧水務工程。

（1）“一張圖”建設是貫徹落實呼市九大專項的有效實踐

綜合分析“一張圖”在呼和浩特智慧水務項目中進行了成功應用，覆蓋供排水全過程，涵蓋水量、水質、水壓、水設施的信息采集、處理與控制體系，有助于提升水務管理的效率，是貫徹落實呼和浩特市建設國家新型智慧城市標桿市的戰略目標的有效實踐。

（2）“一張圖”建設是水務精細化管理的第一要義

水務精細化和智慧化管理是水務事業發展的要求和大趨勢，針對現代水務信息化普遍存在數據壁壘不暢、智能應用程度偏低、業務協同形式簡單等問題 ，“一張圖”智慧應用建設理念能夠滿足水務信息化在新形勢下的發展要求，提高較傳統水務信息化建設的自動化控制水平。

（3）“一張圖”建設是提升城市水安全保障能力的必然選擇

構建基于“一張圖”綜合管理平臺，建立排水防澇工程體系，破解“城市看?！彪y題，提高城市面對突發事故的應急處理能力，最大限度的減少安全事故的發生[4]，為呼市供排水公司制定內澇防治對策和應急搶險預案提供輔助決策支持，有助于城市應對水質污染、水務調度及內澇應急等多方面的挑戰。

3? 智慧水務“一張圖”綜合管理平臺總體架構

智慧水務綜合管理平臺以水務公司的供水、排水業務為核心，覆蓋了管網GIS、原水、供水、二次供水、管網測壓、移動抄表、營業收費、排洪防澇等業務的綜合管理。以ArcGIS服務為基礎平臺，以水務業務指標分析及流程為核心，重點研究基于“一張圖”的智慧水務綜合管理平臺各業務系統。總體架構設計以水務云平臺為技術支撐，通過建設統一的智慧水務綜合管理數據庫，面向水務業務應用，構建涵蓋供排水領域業務信息的“N系統”，打造智慧水務標準規范和安全保障體系，形成“一云”，即一個水務云、“N系統”即“N張圖”、“一體化支撐”包括水務數據中心、監控管理中心、標準體系、安全體系和網絡系統等一體化的應用支撐。如圖1所示。

（1）感知層：針對水源地、水廠、管網、排水防澇等涉水對象和環節安裝在線監測設備，如壓力傳感器、液位計、流量計、雨量計等等，實時監測水質、液位、壓力、流量等指標，利用視頻、地下管線探地雷達、管線精確定位電子標識等設備，結合氣象、衛星等第三方數據，綜合感知采集涉水業務實時數據，反映從水廠生產到居民用水的全過程情況，為從源頭到龍頭的管理奠定基礎。

（2）通訊層：采用通訊層解析后數據、各系統交換數據的傳輸方式，在互聯網、局域網、窄帶通信等基礎通訊網絡傳輸環境的基礎上，利用交換設備、防火墻等網絡設備，包括應用服務器、數據庫服務器、模型服務器和備份服務器等服務器，全面支持2/3/4G網絡通信，構建起適應智慧水務的綜合通訊層。

（3）數據層：構建呼和浩特市指揮監控中心，為智慧水務應用提供數據支撐。通過數據集成或物聯網采集的手段將多源數據劃分為基礎信息庫、水廠SCADA數據庫、視頻數據庫、排洪防澇數據庫、管網測壓數據庫、預警數據庫、移動抄收數據庫、設備數據庫等。主要用于數據資源的統一組織和管理，實現數據的標準化和統一表達，為數據交換、綜合應用、大數據決策分析提供支撐。

（4）平臺層：對于所采集的大量數據，基于人工智能、邊緣計算、分布式計算、增強現實等先進技術和算法，綜合運用物聯網、大數據、移動應用技術，進行預處理，快速匹配分析指標所需要的數據，提供空間服務、GIS服務、移動服務、虛擬化等基礎服務，為涉水業務智慧化應用提供物理、計算、運行等服務環境。

（5）應用層：建設城市一級大數據綜合分析應用平臺，構建面向水務綜合監控體系的智慧水務應用體系，對監測、運行、管理等多源異構數據進行融合、關聯、挖掘和分析應用，實現基于“一張圖”分析水務全要素的綜合分析應用，為供排水管網調度、運行、保障等環節提供服務支撐。

（6）門戶層：搭建智慧水務的門戶系統，作為整合各系統的框架，實現統一的組織機構及用戶管理和權限管理，通過單點登錄、功能集成和消息集成等方式，實現各系統在門戶框架內的有效集成協同。

（7）擴展層：建設城市級應用體系，其中包括了覆蓋水資源、水環境、水安全系統，同時智慧水務平臺和呼市智慧城市實現信息共享，實現涉水全過程的綜合監管應用，并通過監控中心，利用專業模型、一張圖以及統計分析等大數據分析平臺，為城市級水務綜合監控、管理、治理、預測等環節提供輔助決策手段。

（8）安全保障體系：結合呼市智慧水務綜合管理平臺管理要求和業務特點，按照等級保護標準要求，從物理安全、網絡安全、主機安全、應用安全、數據安全和管理安全等方面建立并完善智慧水務信息安全管理體系，為呼市智慧水務建設和運行監管提供支撐和保障。

（9）制度與標準規范體系：為促進智慧水務綜合管理平臺規范化、有序化開展，通過全面梳理智慧水務指標體系，規定數據交換手段和接口形式，明確綜合管理平臺的功能、性能和技術等要求，建立數據、集成和平臺等方面的規范和技術導則，并逐步構建完成的標準規范體系。

4? 智慧水務“一張圖”分析系統構建

通過對水務業務管理需求和水務業務分析指標體系的研究，基于已有的供排水GIS地圖的基礎上，豐富、整合水源地、水廠、供水、排水、管網、設備監測數據信息，例如管網能力評估、防洪預報調度、內澇風險分析等相關監測點的水質、液位、流量等在線監控系統、設施、工程、地理的信息數據[5]，利用大數據分析技術和“一張圖”展示技術，將主要數據信息疊加在一張圖上，并實現大屏展現，快速實現呼市水網信息可視化。本研究主要進行綜合“一張圖”分析、管線壓力“一張圖”分析、排洪防澇“一張圖”分析、水源井（水廠）“一張圖”分析、二次供水“一張圖”分析、視頻“一張圖”分析、設備管理“一張圖”分析、移動抄表“一張圖”分析等八個一張圖構建技術研究。如圖2所示。

4.1? 綜合“一張圖”分析

綜合“一張圖”分析是為公司經營領導提供公司運營情況的數據看板，公司經營領導通過該視圖能夠了解公司的生產運營基本情況，通過簡單數據分析發現經營上可改進的問題。

提供綜合“一張圖”分析總覽視圖，宏觀分析生產運營的情況和供排水情況總覽，可視化展現形式呈現企業生產、運行、經營、維護和管理狀況[6]。主要包括供水量（日）、售水量（月）、產銷差率（月）、用戶數（月）、管網情況（月）、營收分析（月）、制水單耗（月）、遠傳表普及率（月）。地圖上顯示主干管網拓撲圖、顯示投訴區域及管理范圍，并可以顯示當月投訴量、同比和環比。具體系統的主界面如下圖3所示。

4.2? 管線壓力“一張圖”分析

管線壓力“一張圖”分析是將管線數據跟現有的水廠出廠實時壓力、管網壓力監測點數據、加壓泵站出水壓力數據、二次供水泵房的末端壓力數據進行整合，提供壓力分布分析與改進建議，并結合壓力投訴量信息，為生產調度人員提供壓力問題的分析工具。

通過管線壓力總覽視圖可展示城市管網整體壓力空間分布情況，地圖上顯示水廠出廠水實時壓力、管網壓力監測點實時壓力、加壓泵站實時出口壓力、二次供水泵站出口壓力，在圖上根據壓力高低用熱力圖展示，且GIS地圖上有數據分檔閾值和圖例顯示，直觀顯示熱力圖壓力大小范圍。對水廠出廠實時壓力、管網壓力點、二次供水泵站出口壓力異常情況進行告警，對于告警信息發起工單。可對壓力點所在管網的管徑、管材、當日壓力走勢、歷史壓力走勢進行分析。

4.3? 排洪防澇“一張圖”分析

排洪防澇“一張圖”利用基礎地形圖和管線圖發布數據進行一張圖整合，以地圖服務的形式把地圖和排洪防澇點進行綜合展示;直觀地展示低洼橋區實時的降雨情況、橋區積水情況、積水預測、當前泵站運行情況;結合水力模型、排洪防澇預測以及通過歷史數據，以科學準確的方式分析城市內澇的影響范圍、積水深度、積水量和積水時間等致災因素[7];當汛期來臨，公司排洪防澇指揮人員通過系統數據進行輔助決策，掌握排洪防澇系統整體運行情況，為內澇防治對策和應急搶險預案的制定提供決策支持。

4.4? 水源井（水廠）“一張圖”分析

水廠作為公司的核心業務，提供更加全面的數據支撐，將各水廠業務數據分析、存檔，提高生產運營穩定性，為公司領導、水廠廠長、監控人員三種角色提供三種不同視圖。

公司領導視圖：查看的是所有水廠的總體情況統計，以及各個水廠的分布情況、運行狀態的信息。

水廠廠長視圖：查看本水廠的情況統計，地圖上展示該水廠周邊的水源井信息，實時掌握水廠、水源井信息。

監控人員視圖：指揮大廳的水廠實時監控人員，可掌握各個水廠的實時工藝運行信息，實現遠程監控。

4.5? 二次供水“一張圖”分析

二次供水“一張圖”為二次供水運行監控人員提供遠程監控工具，將所有的二次供水泵房的運行信息進行整合，提供二次供水泵房運行分析，具備告警提醒、小區模糊搜索、單個供水泵房實時工藝情況監測功能，利于指揮大廳的二次供水監控人員能夠及時發現二次供水運行問題。

二次供水“一張圖”分析在GIS地圖的基礎上，把二次供水泵房的信息根據其地理位置在GIS地圖上進行展示，在地圖上能夠分析泵房運行監控信息、泵房詳情和視頻，實現數據的集中、統一展示。

4.6? 視頻“一張圖”分析

視頻一張圖在GIS地圖的基礎上，提供視頻監控在線狀態分析，展示監控視頻在線與離線占比情況，以及查看詳細信息，支持按類別（水廠、水源井、二次供水和排洪防澇）查詢統計在線與離線數量，并按離線、在線狀態進行排序，對于離線狀態攝像頭高亮展示，協助用戶及時發現視頻設備的異常情況。

視頻“一張圖”分析主要面向視頻實時監控人員，通過與地圖相結合，能夠通過位置或攝像頭名稱的模糊搜索查找相關攝像頭，并調取相關攝像頭畫面，為視頻實時監控人員提供視頻快速定位工具，綜合全面了解水務現場狀況。

4.7? 設備管理“一張圖”分析

設備管理“一張圖”為設備管理部門的設備運行維護人員提供在線設備實時運行狀態的遠程監控工具，基于GIS地圖對供排水公司的水廠、管網測壓、排洪防澇、視頻多種設備的管理;通過設備列表圖層控制，進行設備統計范圍的切換和定位。根據故障設備的位置，可以更有效的安排故障設備維修路線，保障設備日常運行維護，應對緊急情況、預防性維護。

設備管理一張圖在GIS地圖的基礎上，把所有設備的信息根據其地理位置在GIS地圖上進行綜合展示，設備主要應用于水廠、水源井、管網、易澇點、二次加壓泵站和營業收費廳六種類型，各類設備基于一張圖進行統一的管理，提供設備一張圖綜合展示、設備總覽、設備統計、設備圖層控制、設備管理及設備實時報警功能。

4.8? 移動抄表“一張圖”分析

移動抄表“一張圖”為移動抄表管理者提供總體抄表業務的匯總分析，并且提供基于抄表員抄表軌跡的抄表質量匯總展示分析，提升抄表業務管理水平。

移動抄表總覽視圖直觀展示當前抄表工作進度、抄表設備情況監測、行業用水的區域分布情況、抄表工作質量分析情況，讓領導對抄表部門的工作情況一目了然;并支持通過抄表員、抄表時間模糊查詢抄表員的當前位置及歷史軌跡。

地圖上顯示各個營業所管轄范圍，顯示當月的抄見率、平均用水量、居民生活用水、總用水量、總欠費金額。

綜上分析，可視化城市水務管理全生命周期“一張圖”包括國家基礎地理數據、城市供排水管網數據、水廠基礎數據、河道基礎數據、氣象水文數據等，是開展城市水務信息資源整合共享的關鍵環節，也是開展水務業務應用協同的關鍵措施?！耙粡垐D”讓管理人員能夠迅速定位和了解相關指標情況，以前需要“跑斷腿”的信息收集工作，現在只需在一張圖的服務設備上輕點鼠標即可實現。

5? 建設效果

該項目具備典型大項目的特點，建設內容多，組織結構復雜，在深入研究供排水公司這種典型的供排水企業的運作模式、調度流程和生產銷售等環節，著重學習企業經營和調度分析指標體系、關鍵崗位職能、業務辦理流程以及面臨的痛點和難點問題的基礎上，在項目實施過程中，突破智慧水務關鍵技術，形成具備核心競爭力的“智慧水務一張圖系統”典型產品，實現以信息化帶動管理精細化，全面提升業務部門的監管效率效能。

5.1? 深度挖掘水務業務指標體系，打造基于“一張圖”的綜合管控平臺

（1）與已有業務系統深度融合，搭建統一的水務企業數據中心

在市政管網信息化的基礎上，整合數據，按水務行業特性，建設統一的水務數據中心。設計不同主題域，對各環節水務企業的各類設備、業務系統所產生的大量紊亂的數據資源進行專業化的集中融合、分析處理，消除信息孤島，實現對水務數據資產的有效積累和價值運營。

（2）可擴展能力和快速擴容能力，方便業務擴展

采用云架構，具備彈性計算、可擴展和快速擴容能力，能夠根據業務需求快速動態擴展部署主機，可有效推動呼市水務系統與城建、環保部門的數據共享。

（3）跨平臺跨廠商的大數據集成及處理能力，方便數據融合

平臺采用大數據集成及處理技術，提供多種大數據處理組件，支持 Oracle、Mysql 等多種商業和開源的數據庫和數據源。

（4）數據分析挖掘與業務創新能力，引領水務智慧化

平臺借助與相關系統的接口以及對于相關生產設備的遠程數據采集能力，支撐生產運行監控各個應用之間的按需聯動，平臺可沉淀大量水務數據，結合平臺的大數據分析處理和挖掘技術，可支撐水務業務創新，引領水務智慧。

5.2? 基于排洪防澇模型，建設排洪防澇系統“一張圖”

基于排洪防澇模型，構建汛情預測、知識管理、數據分析，提供集數據采集、監控、分析、決策于一體的高度集成化信息系統，分析風險瓶頸、對異常信息和數據及時模擬推演，做好突發事件應急響應，將城市防洪排澇工作由事后“被動處置”向事前“主動預警”、“智慧治理”模式的轉變。

6? 結論

綜上所述，本技術的研究與突破，能夠為智慧水務領域產品的發展，提升產品含金量，提供必要的技術支撐。同時“一張圖”綜合分析作為呼市智慧水務建設的核心組成部分，借助大數據、云計算、物聯網等先進技術，以管網GIS為基礎，涵蓋綜合調度、在線監測、安全預警、應急處置等信息，整合水源地、水廠、管網、排水等各個環節的靜態基礎數據和動態實時監測數據，展示不同專題的水務業務，通過機器學習和大數據挖掘手段，提供服務于城市水務管理的智慧知識，通過構建從數據采? ?集——數據分析——綜合調度——科學決策四個維度的一體化綜合管理平臺，全面提升水司在突發狀況下的事件應急、事件聯動、事件處理的決策、管理和執行反應能力。

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