深圳寶安區智慧水務系統構建及數據處理技術研究

李 鐸

(深圳市寶安區水務局，廣東 深圳 518101)

1 寶安區水務現狀

河流基本情況：寶安區共有66條河涌，66條河涌分屬茅洲河及珠江口沿海河涌兩大水系，總長254km，流域總面積532km2。全區水環境狀況有以下幾個特點：一是水質污染嚴重，主要污染物為氨氮、總磷和陰離子表面活性劑；二是感潮河流多，66條河流有50條為感潮型河流，感潮河段占總河長約50%，影響面積達176km2，約占全區總面積的45%；三是防洪達標率低，全區河道有168km未達防洪標準，占總長的66%。

水庫基本情況：寶安區共有12座水庫，其中市管水庫2座，區管水庫10座，中型水庫3座，小(1)型水庫7座，小(2)型水庫2座。鐵崗水庫、石巖水庫、羅田水庫作為主要在用集中式生活飲用水水源，寶安區主要飲用水源水質良好，全區飲用水源水質達標率為100%。鐵崗水庫、石巖水庫、羅田水庫水質類別為Ⅱ類，水質為優，水庫水質保持穩定。

泵站基本情況：全區共有132座泵站，包括現狀排澇泵站、規劃排澇泵和污水泵站，現狀排澇泵站104座，抽排規模697.05m3/s；規劃排澇泵站17座，抽排規模565.28m3/s；規劃泵站建成后總抽排規模1262.33m3/s。污水泵站11座，總抽排規模185.7萬t/d。

排水管網情況：全區目前已市場化委托運營的排水管網共6732km，其中市政排水管網2882km，社區排水管網3475km，其他道路排水管網375km。

水閘基本情況：寶安區一共有63個水閘，大部分服役年限為10～30年。

水質凈化廠情況：寶安區已建水質凈化廠6座，設計污水處理能力116.5萬m3/d。

人工濕地情況：寶安區已建成4個石巖、黃麻布、塘頭河和牛城人工濕地及快滲工程，總規模為8.8萬m3/d。

水廠基本情況：寶安區共有深水寶安水務有限公司有限公司及松崗自來水公司2家供水企業，共有水廠9座，水廠總設計規模達176萬m3/d，實際日平均供水規模為110.3萬m3/d。

易澇點情況：目前寶安共有29個重點易澇點區域，35個易積水點區域。

2 存在的主要問題

當前，寶安區水務管理業務現狀主要存在以下問題：①監測點位缺失，水務設施狀態不明；②整體規劃滯后、分散建設、資源有待進一步整合；③局內系統割裂，數據共享困難；④橫向系統未對接，業務聯動難實現；⑤系統缺失老舊，業務覆蓋不完善；⑥數據價值未發揮，智慧決策待實現。

3 智慧水務系統構建

為進一步提升寶安區水務監管智能化、智慧化水平，結合寶安區水務局實際情況，堅持“統籌規劃、統一標準，繼承優化、整建結合，共建共享、最小共享，聚焦應用、最大服務，安全可靠、權威發布”的設計原則，充分利用大數據、物聯網、3S和5D等技術，構建寶安區智慧水務系統[1- 5]，如圖1所示。

圖1 智慧水務系統總體框架

本系統可簡述為“一張網、一中心、兩支撐、三門戶、四應用、四體系”，根據項目的建設任務和設計邊界，本項目的設計對象和范圍如下：

一張網：一張網承擔信息的采集和匯集。主要包括水庫安全監控、地表水監測、易澇點監測、排水管網監測、泵站遠程監控、視頻監控等。

一中心：管控中心負責各子系統運行、管理、調度指令下發。

兩支撐：包括智慧水務信息資源分系統和智慧水務應用支撐分系統。智慧水務信息資源分系統將傳輸數據進行分類存儲，主要包括監測信息數據庫和業務信息數據庫。智慧水務應用支撐分系統通過組裝可復用業務構件的方式來打造智慧水務的各種智慧應用系統，同時，對外提供標準的數據接口和服務接口，將面向不同的網絡環境發布不同的服務接口。

四應用：包括水務管理分系統、綜合管理分系統、智慧管控分系統和決策支持分系統4個分系統，涵蓋區水務局水務監管業務、綜合管理業務、公眾服務、決策支持，能夠為區水務局提供業務支持。

三門戶：包括內網辦公門戶、移動應用門戶、公共服務門戶。公共服務門戶將采用局內已建的寶安水務局門戶網站，并與項目系統實現數據互通。

四體系：包括政策法規、標準規范、信息安全和運營服務體系。

以寶安區管控中心水務分中心為載體，基于“智慧寶安管控指揮中心+10個街道辦分中心+126個社區微中心+主要職能部門分中心”的“1+10+126+N”的智慧寶安建設運行平臺，綜合運用智慧寶安大數據資源中心，通過數據共享，實現寶安區水務局向上對寶安區管控中心、向下對各科室的“上下級聯動”，打通上級單位對下級單位的監督監控、事件分撥、協同指揮和應急指揮，打通下級單位向上級的事件上報和數據上報，全面實現寶安區水務狀態的綜合展示、監測預警、數據決策支持和聯動指揮[6- 8]。智慧水務系統運行架構如圖2所示。

圖2 智慧水務系統運行架構

4 數據處理技術

4.1 水務數據分類及特點

根據寶安區智慧水務系統構建思路，可將區水務數據劃分為監測類、基礎類和管理類3類數據。監測類數據主要包括水質、供排水、水位信息等，基礎類數據主要包括污水無處廠處理工藝、基礎設施以及傳感器參數等，管理類數據主要包括個河流之間的基本情況信息數據等。水務數據具有空間屬性和時間屬性，同時還具有數據規模量大，種類繁多，來源不統一等特點，很容易造成水務數據在采集過程中產生較多的“臟數據”，因而需要采取一定的技術手段對這些臟數據進行清洗[9- 10]。

4.2 水務數據清洗流程

水務數據“臟數據”按屬性進行劃分可分為通用數值屬性臟數據、具有空間屬性的臟數據和具有時間屬性的臟數據。通用數值屬性臟數據是最常見的臟數據，出現這種臟數據的主要原因在于人工錄入失誤、傳感器失靈或者數據間斷性缺失等。具有空間屬性的臟數據就是指那些具有較多地域、流域或者對象屬性的錯誤數據。具有時間屬性的臟數據錯誤類型比較單一在，主要是由于傳感器失效引起數值錯誤。人工錄入失誤造成的數據顛倒或者小數點錯誤屬于數據異常值，數據間斷性缺失則屬于空缺值。因此，水務數據的“臟數據”清理將主要經歷異常值清理階段和空缺值填補階段。

寶安區智慧水務系統設計過程中，為了實現對大量水務“臟數據”的精確清理，將水務數據清洗設計為3個階段，如圖3所示。第一階段為數據預處理階段，在這一階段主要作用是對收集到的水務數據進行分類；第二階段為異常值檢測階段，在這一階段，通用數值屬性臟數據的異常值檢測與時空異常值檢測方法有些區別，這主要是因為大部分臟數據并不具備時間和空間屬性，只具備數值屬性，時空異常值檢測只需要利用馬氏距離閾值函數和隱馬爾科夫模型分別對數據的空間特性和時間特性進行辨別，即可剔除相關臟數據，而在處理通用數值屬性臟數據時，由于數據量巨大，因此使用了從全局異常值檢測到局部異常值檢測的方法，全局異常值檢測采用拉依達準則，主要作用是對數據的最大值和最小值問題進行檢測，局部異常值檢測采用層級聚類法，主要作用是對人工錄入失誤造成的數據顛倒或者小數點錯誤屬于數據異常值進行檢測；第三階段為空缺值填補階段，在這一階段主要是通過人工神經網絡模型對數據空缺項進行查補。

圖3 水務數據清洗流程

5 預期經濟及社會效益

5.1 經濟效益

(1)實現水質實時監測，提升執法、管養效率，節約人員成本，

在傳統水務執法監察、水務設施養護巡檢模式下，由于無法實時獲取水質水量數據、水務設施運行狀態數據，不能及時發現問題，在日常監管、管養維護過程中，必須投入大量人力物力以進行地毯式、無重點的巡檢、管養維護作業，大大增加維護成本。

本項目將建設易澇點、黑臭水體、排水管網、泵站等在線監測系統，實時獲取黑臭水體、排水管網、泵站的運行狀態數據，并提供實時監測預警，可供執法監察、設備巡檢人員及時掌握環境的狀態，避免盲目執法、巡檢，大大減少人員成本。

(2)實現水務基礎設施的統一管理，提升管理效率，節約管理成本

寶安區智慧水務(一期)項目將改變傳統圖紙存儲管網信息的方式，并將原有獨立、分散的排水設施信息整合到同一系統，形成統一的資產管理模式，有效減少由于資產狀況不清、數據標準不一等造成的數據無法共享，無法為業務管理提供數據支撐等問題，從而提升了管理效率，節約了管理成本，減少了大量不必要的人力和物力投入。

(3)科學評估，避免粗放式管理，節約建設成本

在排水工程建設過程中，由于前期缺乏統一、詳細、精確的建設規劃方案評估，導致在施工過程中出現占用排水管道位置，甚至鑿穿排水管線等現象發生，造成重大經濟損失和嚴重事故影響。本項目利用排水管網水力評估模型，對管道總容量、管網結構缺陷、污水管網水力瓶頸、污水管網易淤積點等分析，以便管理人員全面、及時、準確地發現和識別管網結構存在的問題及瓶頸，為排水管網系統規劃控制工作提供計算、分析及評價的支撐系統，通過有效的規劃方案評估，提高規劃設計的科學性，從而避免管網存在的設計缺陷，從根本上降低了排水系統運行風險，減少排水系統維護費用，同時保證排水工程建設的順利進行，防止出現返工現象而導致增加建設成本的投入。

5.2 社會效益

(1)實現寶安區水務設施數字化管理

通過本項目的建設，將完成排水相關的城市信息資源空間信息、動態信息和公共信息的處理、管理、分發、挖掘、共享、維護，形成統一的數據資源池、基礎支撐系統和應用系統，實現共享應用，全面實現排水設施數字化管理，為統籌資源布局，合理規劃城市發展奠定堅實基礎。

(2)提升防澇監測預警能力

本項目開發設計監測系統，可實時采集雨污水管道、泵站等排水設施的流量、液位等監測數據，并建設泵站自控系統，實現對監測數據的實時顯示和數據分析，有效識別排水管網的水量變化規律和趨勢，當出現污水漫溢等管網異常情況時，可立即發出報警，輔助管理者及時采取措施，有效地減少污水溢流對于環境的損害。

(3)提升社會服務質量與效率

通過本項目的建設，加強、河流污染、易澇點監測，實時了解環境現狀，當出現異常時及時進行報警，有助于執法監察、維護人員根據情況采取相應措施；推進污水管網優化運行，有計劃的對污水管網的關鍵點進行在線液位及流量監控，實現排水管網異常報警和科學調度等功能。全方位提升排水服務質量，保障城市排水機制。

(4)推動政府數據開放進程

通過本項目的建設，實現為應用提供身份識別、信息聚合推送、權限管理等服務，各類應用系統統一向系統開放服務接口、提供資源，通過系統調用其他部門開放的服務，統一利用系統受理請求和提交服務。

6 結語

寶安區是深圳的行政大區、產業大區和人口大區，充分利用新一代信息技術，采用松耦合架構模式，構建智能感知、數據融合和智慧應用三大體系，實現涉水事務感知、監管及決策的全過程智能管控，是寶安區智慧水務建設的核心任務。文章根據寶安區當前水務現狀，針對目前水務管理業務現狀存在的主要問題，初步構建了以“一張網、一中心、兩支撐、三門戶、四應用、四體系”為總體框架的智慧水務系統，同時提出了智慧水務數據清洗“三階段”設計方案，可為推動寶安區智慧水務建設提供參考。