關(guān)于流域物聯(lián)網(wǎng)及智慧水務(wù)系統(tǒng)探討

袁峰，葉瑩

（1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司；2.湖北省水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

1 引言

依托于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)、通信、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)的“全流域聯(lián)動(dòng)聯(lián)調(diào)智能動(dòng)態(tài)管理”理念，是針對(duì)近年來(lái)城市水環(huán)境系統(tǒng)日益復(fù)雜的運(yùn)維與管理需求，而提出的全新解決方案，亦即“物聯(lián)網(wǎng)+智慧水務(wù)”系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)整個(gè)流域內(nèi)的各水務(wù)要素，包括河道、污水廠、污水泵站、排澇泵站、閘站、調(diào)蓄設(shè)施、管網(wǎng)、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)等的全面監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)管理和聯(lián)控聯(lián)調(diào)，并借助于外部氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)全流域的水量管理、水質(zhì)管理、內(nèi)澇防控和設(shè)施維護(hù)的精細(xì)化、科學(xué)化、動(dòng)態(tài)化管理，減少合流制溢流及其對(duì)城市和自然環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)全流域尺度下的水安全、水環(huán)境目標(biāo)。

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某市兩河水環(huán)境綜合治理，工程范圍覆蓋兩河明渠及上游暗涵，同時(shí)包括河道沿岸排水管網(wǎng)，以及運(yùn)維與考核的所有新建及原有設(shè)施。以“全流域聯(lián)動(dòng)聯(lián)調(diào)智能動(dòng)態(tài)管理”理念作為指導(dǎo)的智慧水務(wù)系統(tǒng)，著眼于實(shí)際需求，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為載體，開(kāi)發(fā)智慧水務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，開(kāi)展全流域水環(huán)境智能動(dòng)態(tài)管理工作。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則及標(biāo)準(zhǔn)

流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)是一項(xiàng)跨學(xué)科、多領(lǐng)域工程項(xiàng)目，規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能眾多、技術(shù)難度大，涉及軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、自動(dòng)控制、通信、電子設(shè)備等多個(gè)子項(xiàng)目工程，且不同子項(xiàng)目工程相互關(guān)聯(lián)，具有很高的專(zhuān)業(yè)特殊性。在設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中，需要嚴(yán)格符合以下原則要求。

1）合法合規(guī)

流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)應(yīng)當(dāng)符合法律、法規(guī)要求，遵循規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，滿(mǎn)足國(guó)家及工信部對(duì)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)、終端設(shè)備、核心處理器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的使用規(guī)定，同時(shí)滿(mǎn)足國(guó)家相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2）功能全面

依照項(xiàng)目整體目標(biāo)要求，流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)具備不同層級(jí)的功能需求。

3）運(yùn)行可靠

從硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)等方面，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

4）系統(tǒng)兼容

系統(tǒng)內(nèi)的硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)均應(yīng)符合國(guó)際以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息傳達(dá)的順暢；監(jiān)控中心、主控系統(tǒng)和鏈路系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮未來(lái)系統(tǒng)服務(wù)范圍擴(kuò)大、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位增多、軟硬件設(shè)備升級(jí)與更換的可行性和便捷性。

5）實(shí)時(shí)高效

項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，水安全、水環(huán)境等目標(biāo)極易受到極端降雨、突發(fā)環(huán)境事件的沖擊與影響，智慧水務(wù)系統(tǒng)需要具備實(shí)時(shí)、快速的反應(yīng)能力，包括實(shí)時(shí)運(yùn)算功能、提前預(yù)知功能（例如將要到來(lái)的降雨以及可能導(dǎo)致的污染）、預(yù)警生成與發(fā)布功能，以及一定權(quán)限范圍內(nèi)的智能控制功能。

6）運(yùn)行簡(jiǎn)易

考慮到運(yùn)營(yíng)維護(hù)的簡(jiǎn)易性、經(jīng)濟(jì)性，在不影響系統(tǒng)性能的前提下，所需軟硬件應(yīng)盡量采用成套化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，便于維修、更換、升級(jí)。

7）安全穩(wěn)定

硬件設(shè)計(jì)建設(shè)需要符合相關(guān)防塵、防水、防爆標(biāo)準(zhǔn)，保障設(shè)備耐受性與可靠性；軟件設(shè)計(jì)建設(shè)需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的安全與故障測(cè)試，相關(guān)軟件選擇需要達(dá)到國(guó)際最先進(jìn)水平。

8）內(nèi)外兼顧

流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)既能滿(mǎn)足于兩河水環(huán)境綜合治理工程的需要，又能夠兼容項(xiàng)目外信息接入；既能夠分析考核項(xiàng)目運(yùn)行績(jī)效，又具備監(jiān)控外部因素，查找項(xiàng)目外原因?qū)\(yùn)維質(zhì)量影響的能力。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

兩河水環(huán)境綜合治理具有多目標(biāo)、多維度的特征，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與建設(shè)具有一定的復(fù)雜性。目標(biāo)涉及水環(huán)境、水資源與水安全等多重目標(biāo)；生命周期涉及設(shè)計(jì)部門(mén)、建設(shè)部門(mén)、運(yùn)營(yíng)部門(mén)等多個(gè)部門(mén)；空間尺度涉及項(xiàng)目、地塊、匯水區(qū)、流域等不同范圍。基于水環(huán)境綜合治理的復(fù)雜性，需從水務(wù)系統(tǒng)的整體考慮，以智慧化的理念對(duì)全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)聯(lián)調(diào)，提升系統(tǒng)運(yùn)行管理效率。

流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)的整體架構(gòu)以河道水環(huán)境治理整體架構(gòu)為基礎(chǔ)。考慮系統(tǒng)的多目標(biāo)與復(fù)雜性，架構(gòu)設(shè)計(jì)既需要符合當(dāng)前水環(huán)境治理的基本需要，同時(shí)也要滿(mǎn)足未來(lái)水務(wù)擴(kuò)展需要。其核心理念指運(yùn)用新一代信息技術(shù)，通過(guò)智能設(shè)備實(shí)時(shí)感知水環(huán)境狀態(tài)，采集水務(wù)信息，并基于統(tǒng)一融合的公共管理平臺(tái)，將海量信息及時(shí)分析與處理，并利用模型對(duì)未來(lái)水環(huán)境狀態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)警，輔助進(jìn)行決策支持，以更加精細(xì)、動(dòng)態(tài)的方式管理黃孝河、機(jī)場(chǎng)河全流域的水資源調(diào)度、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)管理和服務(wù)流程，并輔助決策，以提升城市水務(wù)管理與服務(wù)水平。

流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)由八層應(yīng)用支持體系、兩大運(yùn)行保障體系共同構(gòu)成，其中應(yīng)用支持體系包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料層級(jí)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳輸層級(jí)、專(zhuān)項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)層級(jí)、網(wǎng)絡(luò)與硬件設(shè)施層級(jí)、應(yīng)用軟件支撐層級(jí)、模型與算法層級(jí)、自控指令下達(dá)層級(jí)、業(yè)務(wù)應(yīng)用層級(jí)；保障體系包括信息安全體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料層級(jí)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料是指兩河匯水區(qū)范圍內(nèi)與項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)行相關(guān)的自然、人工要素，包括地理要素、水文要素、設(shè)施要素等。校核工程范圍內(nèi)所有的河道、泵、閘等數(shù)據(jù)，并通過(guò)外業(yè)踏勘核實(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)沒(méi)有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的資料，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化建模。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料是項(xiàng)目整體數(shù)據(jù)庫(kù)的重要組成部分，是項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)，也將列入流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)建設(shè)內(nèi)容。

2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息采集與傳輸層級(jí)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息采集與傳輸層級(jí)在流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)中用于采集、傳輸各類(lèi)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控信息。主要包括兩河主要斷面、主要排口、閘壩、泵站、CSO調(diào)蓄設(shè)施、污水處理廠等重要環(huán)節(jié)的水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)用于構(gòu)建水力、水質(zhì)模型，同時(shí)用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系的構(gòu)建。

3）專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)層級(jí)

專(zhuān)項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)基于流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)特殊性要求定制開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足水環(huán)境類(lèi)項(xiàng)目治理目標(biāo)需求。包括基礎(chǔ)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，對(duì)全流域的基礎(chǔ)空間地理信息、前期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整理入庫(kù)，氣象、水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理存儲(chǔ)。

4）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與硬件設(shè)施層級(jí)

硬件設(shè)施為流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的硬件支撐環(huán)境，包括支撐各類(lèi)應(yīng)用運(yùn)行和各類(lèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的服務(wù)器、存儲(chǔ)、備份、顯示及會(huì)商環(huán)境等。硬件設(shè)施的設(shè)計(jì)和建設(shè)，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求進(jìn)行建設(shè)或在已有硬件設(shè)施之上進(jìn)行擴(kuò)充。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要用于服務(wù)器與各設(shè)備終端、各管理用戶(hù)、公眾進(jìn)行信息交互的載體渠道。根據(jù)智慧水務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍、重要性和安全性要求，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要采取一定保密措施與因特網(wǎng)進(jìn)行隔離[1]。

5）基礎(chǔ)應(yīng)用軟件支撐層級(jí)

提供統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，為流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)提供通用應(yīng)用服務(wù)和集成服務(wù)，為資源整合和信息共享提供運(yùn)行平臺(tái)。主要由商用支撐軟件和開(kāi)發(fā)類(lèi)通用支撐軟件共同組成。

6）模型與算法層級(jí)

模型與算法是流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)分析與決策的核心。利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，模型能夠?qū)λh(huán)境系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行模擬，同時(shí)對(duì)未來(lái)做出預(yù)測(cè)。系統(tǒng)采用不同的算法，對(duì)管理考核指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，并在不同優(yōu)先級(jí)以及預(yù)設(shè)目標(biāo)的前提之下，生成用于動(dòng)態(tài)調(diào)控的運(yùn)行指令。

7）業(yè)務(wù)應(yīng)用層級(jí)

業(yè)務(wù)應(yīng)用是流域物聯(lián)網(wǎng)與智慧水務(wù)系統(tǒng)功能的集中展現(xiàn)，包含監(jiān)測(cè)與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)展示處理、模擬預(yù)測(cè)展示輸出、預(yù)警發(fā)布、全流域優(yōu)化管理調(diào)度、信息發(fā)布、公眾服務(wù)等業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，可實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)信息聯(lián)動(dòng)，同時(shí)也承擔(dān)與用戶(hù)交互的功能。

8）自控指令下達(dá)層級(jí)

自控指令的下達(dá)實(shí)施，是“智慧化”的最直接體現(xiàn)。指令的審核、傳輸、下達(dá)實(shí)施需要經(jīng)過(guò)安全可靠的鏈路保障實(shí)施，通過(guò)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)聯(lián)調(diào)，在預(yù)測(cè)預(yù)警的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)在異常事件下的全流域泵站、閘門(mén)、調(diào)蓄池等設(shè)施的整體調(diào)動(dòng)、自動(dòng)響應(yīng)。

9）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是支撐智慧水務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用協(xié)同和信息共享的需要，是節(jié)省項(xiàng)目建設(shè)成本、提高項(xiàng)目建設(shè)效率的需要，也是系統(tǒng)不斷擴(kuò)充、持續(xù)改進(jìn)和版本升級(jí)的需要。

10）安全保障體系

安全保障體系是保障系統(tǒng)安全應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全及安全管理等（見(jiàn)圖1）。

圖1 智慧水務(wù)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行城市智慧水務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)堅(jiān)持以實(shí)用、安全為前提，選用國(guó)際先進(jìn)、成熟、可靠、適應(yīng)水務(wù)行業(yè)管理特點(diǎn)的信息技術(shù)手段，體現(xiàn)兩河水環(huán)境管理差異化需求，同時(shí)保證信息系統(tǒng)的開(kāi)放性、兼容性、可擴(kuò)展性和可操作性。既滿(mǎn)足行業(yè)管理和安全保密的自身需要，又要滿(mǎn)足政務(wù)公開(kāi)、公共服務(wù)的社會(huì)需求。在信息化建設(shè)時(shí)，選取的硬件、軟件具有適度的前瞻性，建立切實(shí)可行的數(shù)據(jù)更新維護(hù)機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的有效性和可靠性[2]。

同時(shí)應(yīng)保證，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，形成決策層、調(diào)度層、操作層之間相互銜接的標(biāo)準(zhǔn)體系。認(rèn)真分析和梳理不同管理層次、不同業(yè)務(wù)部門(mén)的數(shù)據(jù)資源、通訊和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源、應(yīng)用系統(tǒng)資源，在全面規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行整合。滿(mǎn)足政府以及業(yè)主各部門(mén)、各單位的合理需求，按照共享和交換標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)分層共享。避免條塊分割、信息孤島和重復(fù)建設(shè)，并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性、系統(tǒng)性[3]。