基于智慧水務總體架構及建設內容

廣東省電信規劃設計院有限公司 陳言樑

隨著新時期治水方針的逐步落實，水利現代化、智能化建設已全面開啟，物聯網、圖像識別、數字孿生等新技術的成熟，也為智慧水務體系的搭建提供了技術保障，新時代治水新思路正逐步得到落實。本文對智慧水務的總體架構與包含的建設內容進行研究，力圖為智慧水務體系搭建及項目建設提供部分借鑒。

1 研究背景

新時期治水方針要求將傳統水務與現代信息化技術進行深度融合，有效提升涉水業務管理能力和水平，使水務參與相關方及社會公眾享受到水務的智慧化服務，實現防汛減災、水生態管理、水資源利用等方面的涉水業務綜合管控。當前水務監測體系已基本實現對水文信息采集、水資源水環境信息采集、工情信息采集、工程安全信息采集以及視頻監控站點等覆蓋，但由于分屬不同業務部門，在不同時期建設，導致實時數據未得到很好整合，未能發揮整體效益，具體表現為監測站點布設缺乏統籌考慮，監測手段單一，缺少創新監測手段應用，以及數據資源整合利用程度低，業務應用不夠深化靈活等。因此，在新一代信息技術賦能下，搭建智慧水務體系，成為了必然趨勢，也具備了可落地基礎。

2 智慧水務內涵

2.1 智慧水務內涵

站在水務管理部門的視角，智慧水務即緊密圍繞水安全、水資源、水環境、水工程、水事務、水公共服務6大核心業務的需求，融合云計算、大數據、物聯網、人工智能、數字孿生等新一代信息技術，推進涉水業務智能應用，提升信息整合共享和業務智能管理水平，全面驅動和支撐水務治理體系和治理能力現代化[1]。

（1）水安全。主要包括水災防御、飲用水安全管理兩部分內容。水災主要為雨季型洪水、臺風型洪水造成的雨澇，當有大洪水來時，通過模型進行預報預警，可以提前采取措施，預報各水庫水位，騰出庫容調蓄洪水，減輕庫區周邊和下游的防洪壓力。在后汛期，根據來水預測及時攔蓄洪尾水量，盡可能多的儲備水量。當預測來水量較少時，可根據水庫蓄水情況和需水量分析，提前采取抗旱措施，減少旱災的影響。飲水工程則是統籌城鄉發展，改善和提高民眾生活質量，促進城鄉經濟社會發展的重要民生基礎設施，城鄉飲用水安全密切關系到群眾的身體健康，防范飲水安全風險十分必要。通過對人飲工程增加水質和水位自動監測，可實現城鄉飲水工程供水安全自動預警，同時加強城鄉飲水工程日常業務管理，提升城鄉供水安全監管和應急處置能力。（2）水資源。是指有利用價值且可被利用的水源，包括地表水及地下水等。在信息化中，水資源信息包括水質信息、官網監測信息、供水廠監測信息、排污口信息、取水戶信息、水庫信息、水電站信息、生態流量監測信息、水利工程信息等。水資源優化配置包含了水資源管理、供水管理、灌區管理的綜合優化。（3）水環境。主要通過監測站網進行監測，監測站網是指在流域內或者區域內，由適量的水質監測實驗室與地表水、地下水、大氣降水水質站組成的監測信息收集系統。在水環境管理及保護上，又可分為河湖長制綜合管理、采砂管理、水土保持管理等。（4）水工程。包括涉水的水利工程建設管理、水利工程運行管理。（5）水事務。即以水行政事件為主線，涉及到的監管對象、業務流程等，主要為水行政執法，包括執法對象監管、執法巡查管理、執法辦案管理、案件辦理管理、執法隊伍和裝備管理、執法指揮調度等。（6）水公共服務。即水務部門面向公眾提供的涉水政務服務，通過互聯網、移動端、辦理窗口、戶外展示引導等提供，主要包括行政審批事項處理、公眾水務事項解答、公眾水務事項投訴處理、公眾預報預警、公眾節水教育、公眾河湖治理宣傳教育、引導公眾參與河湖治理、公眾水情教育等。

2.2 智慧水務總體架構

智慧水務建設可按照“四橫兩縱”總體架構進行，即基礎設施、水務大數據中心、應用支撐平臺、智能應用，以及機制保障、技術保障。智慧水務整體架構圖如圖1所示。

圖1 智慧水務整體架構圖Fig.1 Overall architecture diagram of smart water affairs

基礎設施包括水務智能感知網和基礎運行環境。

（1）水務智能感知網。水務智能感知網即運用無人機、無人船、物聯網、5G 等新一代技術，通過構建“空-天-地-水”一體化監測感知網，實現水務要素全感知，區域感知全覆蓋、感知手段全應用，全面支撐水務工作。智能感知網需要在傳統水雨情、水資源、工情監測站點基礎上，強化無人機、無人船等技術的綜合應用，豐富采集種類、加密采集覆蓋、整合采集站點、規范采集數據，進一步加強水文、水資源、水環境、水工程、農村水利等方面的信息采集，提高信息的完備性、真實性和時效性，滿足精細化水務業務管理應用要求。廣義上說，水務智能感知網包括河道監測站網、人飲工程監測站網、在建水利工程監測站網、水庫及水電站監測站網。

（2）基礎運行環境。1）水務大數據中心。建設水務大數據中心，可最大程度豐富數據中心資源，實現各部門數據資源整合共享，提升數據共享和服務能力。2）水務專業模型。基本的公共服務基礎模型，方便應用軟件開發時在其上層更加快捷地搭建業務應用流程和構造信息門戶，水務專業模型為應用層提供統一的支撐服務。應用支撐平臺為應用層提供統一的支撐服務，是實現水務事件推理、水務事件協同、水務實景仿真、水務時空分析、水務行政服務等公共服務的基礎平臺。智慧應用為基于專業模型構建的應用，包括水安全專題、水資源優化專題、水環境保護專題等，配合綜合決策大屏、移動應用平臺和統一門戶使用。3）機制體制保障。標準規范的機制建設是工程建設重要的基礎性工作，是實現智慧水務運行管理的目標，保證信息交換、共享和應用支持有效性和可行性的重要前提。4）技術保障。技術應用是系統運行的支柱，貫穿于整個體系架構各層的建設過程中。

3 智慧水務建設內容

3.1 智能感知網

根據水務業務應用建設需求，以水雨情、水資源、工情監測站點為核心基礎，強化無人機、無人船等技術的綜合應用。智能感知網具體建設為河道監測站網、人飲工程監測站網、在建水利設施監測站網、水庫監測站網等。監測數據包括水位、流量、雨量、濁度、酸堿度、余氯值、視頻實時畫面等。

3.2 水務大數據中心

（1）水務數據資源目錄。水務數據資源目錄建設是開展數據共享的重要手段和途徑，各級在建立數據資源目錄時，應保持基本維度分類體系的一致，并在水務數據中心建立統一的目錄服務系統，解決各自領域范圍的數據資源目錄管理與發布。根據水務系統的實際情況，水務數據資源目錄可分為基礎數據目錄、監測數據目錄、業務數據目錄。（2）制定數據標準規范體系。按照“一數一源”的原則，進行相關標準規范制定，主要包括數據庫設計規范、數據加工存儲規范、數據資源共享規范、數據接入規范等。（3）數據資料制作。數據資料制作包括河湖現場全景圖、城鄉供水三維場景、線上虛擬館等。

3.3 應用支撐平臺

（1）水務事件推理能力。可分為洪水預報模型、水庫來水及調度模型、視頻圖像分析模型等。洪水預報模型的構建是為了實現將實時或預報水雨情數據作為輸入，通過預報模型，來實現對流域內重要節點的洪水過程的預報。水庫來水預報及調度模型則通過選取水庫并運用相關建模技術，搭建水庫來水預報模型、工程調度模型、水資源優化配置模型。視頻圖像分析模型即由具備視頻智能分析功能的攝像設備組成的智能監控系統，可以按需求監控。（2）水務事件協同能力。通過搭建一個統一的綜合集成門戶，在實現統一認證、單點登錄的同時，可以根據登錄用戶的身份，確定用戶的權限，自動呈現不同的功能界面。另外，將應用及展示需求通過界面整合集成到門戶中，如將水務數據中心、水務一張圖、水務綜合決策大屏、水安全科學保障專題、水資源優化配置專題、水環境生態保護專題、水工程精細調度專題、水事務高效管理專題和水公共服務專題集成在一起。（3）水務實景仿真能力。可分為實景及數字孿生等，實景即通過720°全景攝像技術對各場景點進行多角度環視拍攝取景，使用軟件進行圖片拼合等處理，將平面照及計算機圖變為全景，用于虛擬現實瀏覽。數字孿生為新一代信息技術，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成精準映射、虛實交互，為水務業務管理呈現可視化場景，輔助水務管理決策。（4）水務時空分析。通過搭建GIS 平臺，為業務管理提供地圖信息的操作、瀏覽和管理等功能。（5）水務行政服務。主要包括門戶和智能問答等，門戶可通過分權分域設置，對不同角色、不同級別、不同崗位用戶所關注的信息做不同呈現，做到千人千面。智能問答面向內部工作人員和社會公眾用戶，以問答形式，定位用戶所需要的提問知識，為用戶提供個性化的信息服務。

3.4 水務專題應用

（1）水安全科學保障專題。聚焦水災防御工作需要，圍繞預案、預報、預警、預演等因素建設，實現與水災防御工作精細化管理要求。預案應做到結構化管理，由靜態預案向動態預案轉變。預報則通過多模型耦合方式，由經驗預報向科學預報過渡。通過自動監測預警和預警回執，打造預警工作的閉環流程。在人飲工程上增加水質和水位自動監測，實現飲水工程供水安全自動預警，提升供水安全監管和應急處置能力。（2）水資源優化配置專題。基于GIS 平臺的展示基礎，實現水質、視頻監控、水位、雨量等監測站點以及水文局、氣象局、生態環境局共享的監測站點等監測數據的疊加展示，為水質監管、水資源業務協同、水資源優化配置、動態評價、供水監控預警、供水運營管理、供水統計分析、灌區管理等應用服務。（3）水環境生態保護專題。聚焦河湖長制管理、采砂管理、水土保持管理等應用，建設投訴、采砂計劃管理、采砂許可證管理、采砂量動態監控、水土流失情況分析及呈現、政策法規宣傳等模塊。（4）水工程精細調度專題。引入信息化手段，將招投標管理、工程資料、工資支付、工程過程等文件數字化，實現工程業務數字化，同時基于GIS 平臺，將在建項目、已建項目、規劃項目做疊加展示，實現工程全景可視化、工程安全自動預警、調度管理可視化等目標。（5）水事務高效管理專題。以水行政事件為主線，主要建設執法監視、執法巡查計劃制定和下達、執法信息（包括執法隊伍、執法艇、執法車、執法裝備等）的動態更新、調度指揮等模塊。（6）水事務公共服務專題。建設審批事項服務、智能問答、公眾投訴服務、水務信息服務、水務資訊、節水宣傳等模塊。（7）移動應用，開發移動應用系統，通過移動辦公，實現無時無刻、隨時隨地信息查詢和辦公管理。

3.5 基礎資源及網絡

包括應用服務器，數據庫服務器，數據采集服務器，數字孿生應用服務器，線上虛擬館應用服務器，以及存儲、網絡、安全等設備，一般結合建設及租用成本、自身維護能力綜合分析，可采用租用外部云資源的方式建設。

3.6 安全體系

信息系統要求的安全體系，包括系統物理安全、網絡安全、信息安全、系統安全、運行安全、安全制度等。

4 結語

總之，智慧水務建設是一個長期、動態的過程，涵蓋領導決策人員、業務人員、橫向相關單位、專家、巡查人員、企業單位、社會公眾等眾多用戶對象，因此做好頂層規劃和基礎平臺、專業模型的搭建，為不同用戶提供個性化業務支持是建設過程中的聚焦方向。此外，在建設中還應重視項目建設的后評估分析，及時調整。