智慧水城系統的設計與實現

花蘇安 吳一凡

(江蘇省郵電規劃設計院,江蘇南京 210000)

智慧水城系統的設計與實現

花蘇安 吳一凡

(江蘇省郵電規劃設計院,江蘇南京 210000)

本文從濱水城市的發展和技術的演進角度,論述了當前濱水水城信息化系統研究的意義,提出了智慧水城框架體系,并通過智慧水城系統案例的設計與實現,重點討論了智慧水城系統的總體架構、系統功能、水城水利物聯網設計、云計算和水動力仿真原理與應用。

智慧水城系統 物聯網 云計算 水動力仿真 三水統籌 水文化服務

1 引言

水——自古以來哺育著人類,如長江、黃河一直以來被視作中華文明的母親河,孕育了黃河流域、長江流域燦爛的文明,也形成了開封、南京等名城古都,它們與尼羅河、恒河、底格里斯河等催生了光輝燦爛的四大古代文明。同時,我們也從中外許許多多的案例中看出,與水為善,它可以塑造美好的人居環境,與水為惡,它也會成為環境惡化的敗壞者。

近年來,隨著政府的大力支持和新一代信息技術的成熟,智慧城市建設熱潮大漲,許多濱水城市都積極投身智慧城市建設中,如何利用信息化技術助力水城和諧發展,尋找一種更高效的方法去應對傳統水城存在的水環境、水安全、水資源等問題,更好的賦予城市濱水個性,是許多濱水城市正在思考的問題,而“智慧水城”正是一種行之有效的方法。

2 智慧水城的內涵

智慧水城,是結合城市特色,以水為研究對象,圍繞“以人為本,以水為魂”的核心理念,以“人”的微觀需求出發,采用先進的信息技術和通信技術,對涉水事務的管理需求提供更加科學的分析和決策支撐;對公眾各類涉水生活需求提供更智能的響應和更好的體驗。主要包括以下內涵:

(1)實時感知——通過先進的傳感器和智能設備構筑遍布水域的“傳感網”,全面實時的測量、監控和分析水文、水情等信息;(2)全面整合——通過通信基礎設施將水城各個子系統完全連接和融合,充分橫向整合、共享內外水文信息資源。(3)創新應用——通過科技創新在公共平臺上為政府、企業和公眾開發提供更為高效、便捷的創新應用服務,為水城的持續發展和水文化氛圍的形成提供源源不斷的發展動力。(4)統一協作——通過統一的公共管理平臺,實現各個關鍵系統之間的協同運作,達成自反饋、自適應、自完善和自運作的的智慧化狀態。

3 智慧水城設計總體思路

智慧水城是要利用濱水城市城水相依的優勢。通過信息化手段,在充分發揮水的資源功能、環境功能、生態功能的基礎上,增強人們的親水意識,賦予水更豐富的文化內涵,致力于人與水的和諧統一,用水利凸顯現代城市文明的層次,推動科學發展。

智慧水城的建設應該從城市的視角出發,遵循城市智慧生長的客觀規律,廣泛借鑒國內外先進經驗,充分整合現有公共信息資源,實現濱水城市向智慧水城的跨越式發展。堅持城水平衡、管服相濟、三水統籌、和諧共生的指導思想,建立實時感知、全面整合、激勵創新、統一協作的水城環境,打造具備自反饋、自適應、自完善和自運作能力的智慧水城。(如圖1)

(1)城水平衡;城水平衡是為基礎。水為陰,城為陽,陰陽平衡;水在城中,城在水上。(2)管服相濟;管服相濟是主線。通過管理與服務相濟之機制,實現智慧水城更加科學高效之宏管理和更加以人為本之微體驗。(3)三水統籌;三水統籌是為手段。通過將水環境、水資源、水安全這三“水”頂端統籌、全面協調,實現水環境的智能監控、水資源的智能管理和水安全的智能指揮。(4)和諧共生;和諧共生是愿景。化無形為有形,營造“人文關懷、環境優美、安全可靠、資源節約”的活力水城,最終實現水城的環境持續友好,生態健康宜居,鑄就和展示智慧水城獨具東方特色的“魅力水文化”。

4 智慧水城設計總體框架

智慧水城總體架構,是以智慧水城總體架構為指導,秉承“統一門戶、統一架構、統一管理、統一標準”的設計思想,注重需求導向、效能提升,創新驅動,重視有效對接和充分利用現有資源和平臺,凸顯水城信息資源的融合共享、信息系統的互聯互通和業務服務的協同聯動,強化推進策略、發展模式等配套環境建設和體制機制創新,極大激發城市的創新活力,確保智慧水城的發展、運轉、治理等符合現實規律。

智慧水城總體架構共分為四橫。“四橫”分別為基礎設施層、公共平臺層、智慧水城應用系統層以及互動展示層。如圖2所示。

(1)基礎設施層;包括水城傳感基礎設施和通信基礎設施資源。為智慧水城的各類應用提供信息化基礎保障。(2)公共平臺層;包括四個提供基礎、共性服務的城市核心一級平臺,為水城提供物聯數據匯聚處理、大數據分析挖掘、信息資源共享與交換,以及應用系統的協同開發和快速部署。為深港信息資源互通、水城應用實現提供基礎支撐。(3)智慧水城應用系統層;以提供更加科學高效的宏管理,更加以人為本的微體驗為導向,構建智慧水城應用體系。大力推進水資源管理、水環境管理、水安全管理和水文化服務等應用系統的建設,促進智慧水城全面落地。(4)互動展示層;將智慧水城應用成果基于一站式城市門戶、智慧中心大屏、應用程序、軟件客戶端、領導桌面等,向水城的社會公眾、企業、城市管理者,提供真實、準確、便捷的信息呈現、服務提供和互動交互渠道。(圖3)。

5 智慧水城實施建議

5.1 進一步加強組織領導,完善體制機制

為保障智慧水城工作順利進行,需要加強指導監督和技術服務,理順智慧水城規劃、建設、管理和運行的體制機制,形成各部門共同推動信息化的良好氛圍。要充分發揮行政行業管理的手段,注重協調,強化管理、務求實效,調動一切可以調動的資源,積極推進各工程建設,確保“智慧水城”目標的實現。

5.2 進一步加大資金投入,加快重點工程

智慧水城重點工程,對夯實水利信息化基礎,全面推進業務應用,逐步形成科學的水利信息化綜合體系起了至關重要的作用。需要研究制定加快智慧水城發展的投資政策,積極開辟投資渠道,加大對智慧水城建設的資金投入,為重點工程的建設和運行管理提供必須的經費支持。

5.3 進一步采取有效措施,推動資源整合

智慧水城資源整合與共享程度是衡量濱水城市智慧化程度的重要標志,但同時,水利信息化資源整合與共享也是一項涉及面廣、技術難度大、協調任務重的工作。需要完成水利信息化資源整合與共享的各項基本任務,建立各級管理部門工作協調機制,健全相關辦法,制定標準與規范,采取有效措施,對智慧水城資源進行統籌規劃,合理配置,促進資源的整合、公用、共享,充分發揮各種資源的作用和效能。

圖1 智慧水城總體思路

圖2 智慧水城總體框架圖

圖3 智慧水城應用體系圖

5.4 進一步加強基礎研究,提高技術水平

認真分析研究下一代網絡、第三代移動通信等新興信息技術給水利工作帶來的影響,結合水城特點,及時提出水利信息系統建設和升級方案,保證水利信息化的先進性,為水城工作提供有力支撐;要通過推廣成熟應用軟件,縮小地區間的差距,迅速提高水利信息化對各項水利工作支撐服務水平,促進智慧水城集約化發展。

5.5 進一步加強管理維護,保障正常運行

要把信息化管理作為智慧水城管理的一項重要工作內容,建立健全信息化管理的組織保障體系、規范標準體系和資金來源渠道。要盡快理順信息系統運行維護管理機制,明確運行維護管理部門,制定管理制度,明確崗位、落實責任、定期檢查、實時維護。

5.6 進一步完善體制機制,促進良性發展

要不斷創新和改進管理模式和方法,把智慧水城工作的成效列入單位和領導績效考核的內容;完善信息化建設、管理、運行維護和績效評估等制度,著力建立智慧水城信息化建設與發展的長效機制,探索建立投資渠道多元化的發展機制。試點探索外包、托管等多種運營方式,提高智慧水城信息化發展的效率和效益,促進水城良性發展。

6 智慧水城關鍵技術

6.1 智能傳感網

(1)統一、全面的物聯接入網絡是智慧水城管理與服務的基礎。智能傳感網可以根據輸入信號值進行判斷和制定的決策;可以通過軟件控制作出多種的決定;可以與外部進行信息交換,有輸入輸出接口;具有自檢測、自修正和自保護功能。(2)利用移動通信網絡與傳感網結合。構建適于傳感網運營的GPRS/TD/WCDMA/CDMA2000/WSN(無線傳感器網絡)融合網絡,發揮通信網絡廣泛的覆蓋性、可移動性、雙向寬帶通信能力,以及可靠的電信級服務質量,為信息可靠、自由傳送提供高速公路,將為傳感網的發展提供有力支撐。

6.2 三維GIS

(1)智慧水城對現有GIS技術進行了延伸,將GIS技術中的有關部分通過網絡有機集成共享,構成一個強大的技術體系。(2)并且加入三維可視化技術,更加直觀準確的實現對各種空間信息和環境信息的快速、機動、準確、可靠的收集、處理與更新,為防汛抗旱、水資源調度管理決策、水質監測與評價提供決策支撐。

6.3 水動力仿真

科學高效地發現和預測水環境、水資源、水安全的相關信息,是智慧水城系統建設的一個關鍵。而基于水動力學原理模擬水城水功能區水體的流場[1,2]與污染物遷移擴散[3]的時空變化過程,可以為水城水環境監控、水資源管理、水安全指揮提供科學及時的信息發現與提前預測。

為了明確流體動力學方程中各項的物理意義和方便處理,引入通用變量ф來表示流場和污染物遷移擴散方程的一個通用表現形式,將水動力學方程表示成如下統一形式:

一般在平面二維條件下,u=ui+vj,其中u、v分別表示流場在縱向和橫向上水流速度的分量大小,根據待仿真量的不同,ф可以分別表示流場流速、質量或者污染物濃度等。以上方程稱為非穩態對流擴散方程,各項從左到右所表示的物理意義依次為:ρф/t項表示慣性作用(隨時間變化率),div(ρuф)項表示對流作用,div(Γ·gradф)項表示擴散作用,S_φ表示源匯項.其中源匯項根據實際情況細分開來,考慮因素可以包涵流場阻力、水頭壓力、地球自轉柯氏力和風應力,或者是污染物遷移擴散場的污染物源匯量等。

7 結語

城市發展是一個漸進的過程,需要積極實踐和不懈追求。在創新水城建設思路、完善規劃體系的征程上,智慧水城系統設計與實現從智慧城市整體視角出發,立足現狀,重點強調實時感知、全面整合、創新應用和統一協作,借助智能傳感網、三維GIS、和水動力模型等先進信息技術整合水城信息資源,深度開發各業務應用子系統,并通過統一綜合信息管理平臺實現“系統融合,資源共享”的目標,可以切實有效的加快濱水城市信息化建設的步伐。

[1]許新宜,王韶偉,龐博,楊麗英,王紅瑞.“水資源緊缺類型及其對策分析研究”北京師范大學學報(自然科學版),2009(01),P86-90.

[2]李鳳蘭,張永勝.“臨沂市“宜居水城”建設戰略研究“,《建設科技》.

[3]胡傳廉.“上海“智慧水網”發展理念與展望”.《水利信息化》,2011(03),P14-17.