智慧水務實現路徑

文｜劉小梅 朱俊 童穎 郭東麗

北京清控人居環境研究院有限公司主任 劉小梅

城市供排水事業的發展與城市的社會經濟發展息息相關，其服務質量的好壞不僅關系到企業自身的利益，也直接影響到社會的穩定和政府形象。而由于城市水務管理存在著涉及范圍廣、時空跨度大、突發事件多、不確定因素難于控制等技術性難點，城市水務傳統管理仍面臨諸多問題：設施信息“家底”不清，信息利用效率低，又缺乏數據標準及規范，從而影響信息的有效共享和使用；缺少長期定量化的運行動態數據監管，無法及時掌握管網動態，缺少進行優化調度科學分析的數據基礎；有效的評估決策模式缺乏導致相關決策還是以主觀判斷為主，難以科學回答管網連通、布局優化、泵站調控、廠網聯控、流域調水等工程措施對管網系統的動態影響；大多信息化建設停留在信息管理水平，數據、系統分散，“信息孤島”問題突出。

近年來，互聯網與信息化技術快速發展與應用，水務行業數字化管理逐步走向成熟，智能化管控、精細化管理、標準化作業、全流程監管成為水務行業運營管理的新要求與新高度，因此亟需利用“互聯網+”時代下的供排水管網信息化技術和智能監測設備，打造水務智慧運營平臺，實現管網狀態的全面感知與運行優化，為水務合理運營管理和科學有效決策夯實基礎。

智慧水務技術框架

1、智慧水務理念

智慧水務是信息技術對水務行業的一種變革，使水務管理突破傳統模式，以更加智能化的方式運作。智慧水務的核心三大理念為感知、協同以及智能。

感知。數據是智慧水務的核心，通過感知將先進的傳感技術和物聯網技術嵌入水務業務系統中的各個環節，完成數據采集，并通過網絡傳輸使水務業務系統得到充分的數據化，來為其他系統的建設創造條件，為智慧水務建設提供基礎。

圖1 智慧水務總體框架圖

圖2 綜合數據庫結構圖

協同。利用水務系統各個環節內在的協同運行關系，將各業務單元更加整合地高效運行起來，實現水務系統在數據、業務流程、決策信息、門戶等不同層面上的協同運行。

智能。利用先進的模型、計算分析模式、應用計算能力、強大的計算設備對數據進行整理、加工和分析，將數據轉化成有效的信息，提升水務管理決策能力。

2、智慧水務總體框架

智慧水務平臺包括感知層、軟硬件支撐層、網絡層、數據服務層、模型模擬層、應用層、人機交互層等七個層次。

智慧水務建設內容

智慧水務的主要建設內容包括設施管理、在線監測、模型評估以及綜合決策四大部分。

圖3 設施管理功能示例圖

1、設施管理

綜合數據庫建設。供排水管道通常埋藏于地下，其數據量大、拓撲結構復雜，且處于不斷的更新、擴展和改造中，應建立動態可維護的數據庫結構，應采用高效率、低冗余的存儲機制，對設施、地形、運行監測、氣象、水動力學模擬等數據進行統一存儲和有效管理，保證數據完整、準確和現勢性，為智慧水務提供海量數據交換和共享的場所。結合水務管理特點，綜合數據庫的建設應遵循以下原則：結構可擴充性、拓撲可維護性、數據完整性、空間與屬性可關聯性、空間數據多源性、數據編輯并發性、數據安全性，一般包括基礎地形數據庫、管網資產數據庫、運營監測數據庫和文檔、多媒體數據庫等。

設施管理系統及數據更新機制。設施管理系統采用C/S（桌面端）與B/S（網頁端）混合架構，C/S端主要供數據人員使用，實現設施空間、屬性等數據的編輯錄入、校驗及更新維護等功能。B/S端主要供各業務人員進行數據查看，包括設施信息的可視化表達、圖文一體化查詢、專題圖設計與表達、空間分析等功能。為保證數據的動態更新和有效維護，應建立有效的數據更新維護機制，實現設施從規劃、設計、建設到運營全過程數據管理。比如對于批量的普查數據，應基于統一標準及規范進行批量更新；在日常數據使用過程中，業務人員可以通過B/S端上報數據的有誤信息，經過現場核實后，數據維護人員通過C/S端進行修改和完善，更新的數據將統一發布，實時反饋給相關使用人員。

2、在線監測

利用在線監測技術，進行基于多點位、高頻次的液位、流量、壓力與水質數據監測，一方面能較真實地反映管網的當前狀態和問題，通過監測數據的深入分析和挖掘，用于供排水系統長期運行規律及典型事件的分析；另一方面基于監測數據能進行供排水系統運行的短期風險預警及報警，提前預判管道溢流風險、爆管風險等，實現內澇、爆管等事件預警報警信息的及時推送和發布。

圖4 在線監測功能示例圖

同時，可以將管網、泵站、水廠、污水廠的液位、流量、壓力、水質等監測數據與GIS平臺集成，實現“一張圖”展現，支持監測信息的實時查詢顯示和歷史監測數據統一存儲管理，方便管理人員準確掌握系統動態，進行科學決策。

3、模型評估

城市供排水管網模型軟件眾多，國外供水模型有EPANET、WaterCAD、Cybernet等，排水模型有SWMM、InfoWorks CS、MOUSE等，模擬軟件應考慮以國際通用、數據透明且方便共享的底層模型為主，基于地理信息系統，強調系統評估分析過程對規劃編制的作用?？偨Y來說，供排水模型主要能支撐三個方面的應用：

（1）現狀評估與問題診斷

利用經過驗證的供排水管網模型，通過不同情景下的模擬分析，可以整體評估供排水系統的運行狀況，進行問題診斷和原因識別，為供排水管網規劃、運行維護以及輔助決策和管理等提供參考。具體評估包括：對供水管網進行壓力分析、流速分析、往復流分析、水齡分析等，模擬全管網壓力、流速等分布；針對排水管網進行管網結構瓶頸分析、淤積風險分析、水力負荷分析、溢流風險分析、內澇風險分析等。

（2）輔助決策

圖5 現狀評估示例圖

在現狀評估和問題診斷的基礎上，可以利用模型輔助管理者進行科學決策，具體包括供排水系統規劃設計方案的效果評估，為規劃設計方案優化提供依據；進行水廠停產分析、水廠停產調度分析等分析，分析水廠停產對管網的影響，其他水廠如何調度來保證正常供水；進行事故分析，模擬爆管時以及關閉閥門之后對管網整體壓力、流速、流向的影響；進行供水實時調度、排水泵站策略優化評估，以輔助管理者提升供排水系統的運行效率。

（3）輔助管理

將模擬分析結果與供排水業務管理流程進行深層次融合，同時通過GIS展示功能將結果進行可視化，以提升模型的可用性，輔助進行科學管理，是模型評估的更高層次應用，具體包括如通過模擬評估識別系統的關鍵節點和主要瓶頸，優化巡查養護方案；通過模擬評估結果提出調度方案，進行調度優化決策等。

4、綜合決策

基于設施數據、在線監測、管網模型模擬等重要支撐，采用C/S、B/S和M/S（移動端）的混合架構，對水務管理的重要業務進行流程梳理和優化，構建智慧水務綜合管理平臺，形成智慧水務規范化軟件體系及標準化管理模式，為整體的水務管理提供重要的工具和平臺。具體包括生產管理、巡查養護、排水防汛應急、供水實時調度、供水漏控管理、排水戶管理等系統，其中C/S端實現資產信息的動態維護與復雜模擬，主要供數據維護人員使用；B/S端實現業務的標準化與精細化管理，主要供業務管理人員使用；M/S端主要供現場人員進行任務接收、工單上報、照片上傳、位置定位等現場信息的互動。

圖6 輔助決策示例圖

實施建議

智慧水務的實施本著“統一規劃、分步實施、逐步完善”的“三步走”建設原則，切實保障智慧水務的建設實施按照計劃穩步進行，進一步提升水務綜合管理能力和科學調度水平。建議按以下幾個階段進行：

圖7 智慧水務管理軟件體系示意圖

圖8 防汛應急管理示例圖

圖9 實時調度管理示例圖

1、規劃階段

基于前瞻性、針對性及實用性原則，進行智慧水務整體建設規劃，明確建設目標，確定建設內容，估算建設預算，規劃建設進程，為后期智慧水務建設提供依據。

2、建設階段

在規劃完成的基礎上，進行智慧水務建設，建議分為四個階段進行，即管網普查與資產管理、業務管理系統建設、管網在線監測與模擬診斷、業務化運行與決策支持。

其中，管網普查與資產管理階段，主要開展管網測繪、普查與資產整理入庫工作，制定并實施監測方案，對數據進行標準化處理，進行拓撲檢查與修正，構建能基本反映現狀的綜合數據庫；業務管理系統建設階段，主要進行各業務過程的數字化管理，獲取完整業務過程數據，實現業務工作的高效運行；管網在線監測與模擬診斷階段，主要完成城市供排水管網模型構建，進行模擬綜合評估，分析系統功能缺陷，診斷管網現狀問題及風險；業務化運行與決策支持階段，在上述階段基礎上，形成數據的動態更新機制，實現系統的業務化、常態化運行，為規劃改造、運行調度、防汛應急等提供決策支持。

在實施過程中，建議加強管網信息化建設的專業化程度，切實結合建設單位當地實際，綜合梳理智慧水務的頂層設計方案與實施技術路線，避免僅僅引入了數字化、智慧化的概念和先進技術的名詞，而沒有真正落實智慧管理需求，在過程中應重視基礎數據及監測數據的收集、管理及動態維護，力求建立規劃、建設、竣工、運營、改造各階段管網數據的統一更新機制，同時應培養本地化的技術應用隊伍，對于管理軟件進行持續更新與完善，以真正將智慧與水務深層融合，切實提升城市供排水設施運行管理能力和科學決策水平。