基于大數據技術的城市智慧水務框架構想

李勝勇，李有明，龍 巖

（1.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038；2.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038）

李克強總理在“兩會”工作報告中指出：推動大數據、云計算、物聯網廣泛應用，加強新一代人工智能研發應用。信息化發展正醞釀著重大變革和新的突破，更高階段的智慧化發展已成為必然趨勢[1，2]。2008 年，“智慧地球”這一理念被IBM 提出后，引發了各國建設“智慧城市”的熱潮，“智慧水務”作為“智慧城市”發展的必然產物也應運而生[3-5]。目前，我國正處于高速城市化，同時伴隨著高速工業化，環境惡化、資源短缺、交通擁堵等“城市病”日益嚴重，導致流域水循環發生深刻變異，城市水系不斷衰退，嚴重威脅經濟和生態安全[6，7]。作為智慧城市建設的重要環節，積極規劃和推進智慧水務建設具有重要的現實意義[8-10]。

城市水務關系到國計民生，是世界上所有國家和地區最重要的生命線之一，世界各國都大力實施城市水務以應對水資源危機。如，國外的IBM 利用智能技術將水資源管理分為利用、預測、協調3個步驟；日本開發了一套“智能水系統”，可以對各種水處理設施的運行數據進行一元化管理；韓國將高端技術融入現有水資源管理中，從而推進區域化的智能水網建設[5]。在我國的深圳、上海、浙江、江蘇等地先后開展了“智慧水務”建設[11]；國內許多學者也對智慧水務建設提出了許多構想，如，李婷睿基于海綿城市理念提出了包含水動力模型、內澇模型和活性污泥模型的智慧水務框架[12]；董海天提出了智慧水務大平臺，該平臺基于防汛抗旱、水資源調度以及水環境治理理念[13]；鄭浩等提出了監測供水實時工作情況的城市智慧水務體系[14]；楊哲將智慧水務系統應用在解決城市供水的問題上[15]。

雖然目前國內外智慧水務建設發展很快，但頂層設計存在缺位。為了使智慧水務信息要素齊全、資源共享更便利、智能水平更優越、應用范圍更全面，筆者基于大數據技術提出了比較全面的城市智慧水務大框架，為城市建設智慧水務提供了有力的信息支持。

1 城市智慧水務概念及構建原則

隨著網絡應用日益深化，大數據應用的影響日益擴大，在城市水務建設過程中，可利用大數據技術，整合水資源、水環境、節水、環保、氣象等城市監管資源以支持科學指揮決策；依托云計算實現“智慧移動水務”與市民的互動，強化支撐一線和服務市民的能力。云計算、物聯網、大數據、智能硬件、增強現實等新技術為實現水資源水環境演變規律分析、水資源水環境問題診斷、水資源水環境未來形勢預判提供了強大動力，為水環境預警及時準確和多水源的優化、智能、低耗調度提供智慧化服務，提升水務社會化綜合服務能力，為水務信息化智慧發展帶來新的機遇。

通過深入研究分析二元水循環伴生過程各環節實際業務特性，分析智慧水務多主題業務，針對智慧水務的防汛安全、供水安全、排水安全、生態安全、水質安全和輸水安全等問題，面向智慧水務最嚴格管理制度和水資源科學調配的實際需要，提出了基于大數據技術的智慧水務大框架，為多主題業務應用的智慧水務工作開展提供科學決策依據。

智慧水務主旨在于提升水務管理和服務的水平，為城市的發展提供更好的支撐，有效提升城市智慧建設和宜居能力。其建設將以新技術應用帶動水務信息化技術水平的全面提升，以重點應用系統帶動信息化建設效益的發揮，為水務管理的精細化、智慧化提供信息化技術支撐[16]。

智慧水務是指把新興的信息技術充分運用于城市水務綜合管理，通過傳感器將自然水和社會水循環系統普遍連接形成“感知物聯網”；然后通過計算機和云計算將“水務物聯網”整合起來；在數據基礎上，利用專業數學模型和大數據挖掘，實現水利業務應用智慧管理，滿足城市水務智慧監管、智慧調度、智慧指揮以及智慧應急處置等行業管理的應用需求，輔助領導智慧決策。智慧水務是主動的服務，是共享的服務，是快速及時的服務，是成體系的服務，要體現其以最終用戶為核心的思想。

當前城市智慧水務建設還處于探索階段，有些城鎮進行了智慧水務的規劃，有些城市已經進行了智慧水務局部的建設，但是過去的智慧水務只是局限于供排水或者水質安全，這是遠遠不夠的。在城市智慧水務建設過程中，需要考慮城市和居民的需求，如：飲用水安全、城市水環境安全、精神文明建設、城市管理、水資源可持續利用以及城市高效用水、城市雨水利用與防澇、城市污水處理，還有城市水系平衡、城市環境用水、城市水生態保護與水污染防治等多方面需要。

2 基于大數據技術的城市智慧水務總體框架

在當今信息高速發展的時代，智慧水務既是水務現代化發展的新目標，又是實現水資源科學發展的新模式。從“獲取—清洗融合—挖掘—服務”的角度構建了城市智慧水務總體架構，如圖1所示，主要包括智能監控體系、多源數據體系、智能分析體系、智慧應用體系和支撐保障體系。其總體實現過程為：首先利用智能監控體系獲取數據信息，然后對獲取的數據信息清洗融合，形成多源數據體，之后利用大數據挖掘技術和傳統模型從數據體系中獲取有用的信息，為公眾、政府、業務部門服務，最后各部門通過自動控制體系對城市水務進行規劃、設計和管理，達到“智慧水務”的狀態。

2.1 智能監控體系

智能監控體系包括立體感知體系和自動控制體系。

（1）立體感知體系。在城市智慧水務體系中，需要獲取各類要素數據來支撐計算和業務處理。基于工業互聯和數據驅動的理念，基于具備堅實的、可預見性工程的物理系統，借助無人機、雷達、車、船、站、機器人、手機輿情等高科技設備及技術，形成“空天地”一體化的立體感知體系，更系統、更全面、更深入地從設備及各種終端收集數據，是整個城市智慧水務的基礎。

（2）自動控制體系。基于工業互聯和數據驅動的理念，基于具備堅實的、可預見性工程的物理系統，通過傳感器閉環控制維持系統運行做關鍵調整，通過執行機構對設備系統的運行和邏輯進行指揮，從設備及各種終端最大程度收集數據，用數學軟件與大型處理器分析信息，以獲得系統的高級別潛在信息并制定各設備及終端工作邏輯，形成高水平自主控制體系，整個體系是基于智能分析體系分析結果的實際應用。

2.2 多源數據體系

城市智慧水務數據包括水務業務內部數據、水務與其他部分之間的數據以及社會數據。其中，水務內部數據包括防汛、水文、供水、排水、用水、工程管理等數據；部門間共享數據包括氣象、環保、林業、社會經濟、人口、規劃、交通等數據；社會數據主要是與涉水內容相關的各種網絡數據、論壇數據、博客數據、手機輿情、新聞媒體數據等；由于這些數據具有不同類型、不同來源、不同時間、不同特征、不同格式的性質，對這些數據進行清洗融合，最終形成一個多源數據庫，為智能分析提供信息支撐。

圖1 城市智慧水務大框架

2.3 智能分析體系

對多源數據體系的信息融合后，有些可以直接用于常規和應急決策支持，有些信息需要進一步挖掘分析。利用大數據挖掘技術，可以分析數據時間分布的平穩性以及規律性，挖掘數據的變化規律，同時還可以建立數據特征與不同模型技術的關聯關系，可以為傳統的模型提供參考。而傳統的模型主要有水文及水動力模擬模型、水資源動態評價模型、水資源實時預測模型、水資源綜合調度模型。

2.4 智慧應用體系

智慧應用體系建設采用模塊化的思想，基于移動App、可視化平臺、信息發布軟件即服務進行設計，該建設模式可以有效避免系統重復性建設，易于系統升級改造，實現系統的開放性和動態可持續發展；智慧應用體系包括智慧民生服務平臺、智慧政務管理平臺和智慧企業/業務支撐平臺3 大平臺以及分別對應的子模塊。這種建設模式可以實現以下功能：按需服務、隨時服務、通用性強、高可靠性、極其廉價，并且是高可擴展性的。

2.5 支撐保障體系

智慧水務的支撐保障體系以監測終端和控制終端為依托，包括傳輸網絡、基于一數一源開發的標準統一的數據資源體系以及云數據中心。

3 結論

城市水系是影響和制約城市發展的重要自然環境因素，智慧水務建設將推動我國由傳統水利向現代水利轉變，是未來實現水資源科學發展的新模式。將智慧水務應用到城市水系建設上，可以借助大數據技術、先進的計算機與通信技術來實現對水資源的及時、準確的數據監測，這也成為城市水資源信息管理的一種必然趨勢。這對水務管理信息系統的構建、減少水災害具有重大價值。