基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧水務體系探究及在水利信息化領域的應用

高原 孫晶晶

摘 要：在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)中心和人工智能等高科技領域迅猛發(fā)展的時代，工業(yè)產(chǎn)業(yè)的環(huán)保化、智能化是傳統(tǒng)方式轉型升級的內(nèi)在需求和必然趨勢。智慧水務提出到現(xiàn)在發(fā)展已數(shù)十年，即是智慧城市的重要組成部分，也是智慧環(huán)保不可或缺的核心領域，已成為國家戰(zhàn)略層面的重點產(chǎn)業(yè)之一。傳統(tǒng)的智能水務系統(tǒng)實現(xiàn)功能簡單，使用時間較長，目前已無法滿足智慧城市水資源的調(diào)度使用需求，如何構建一套新型適用現(xiàn)階段城市建設的智慧水務系統(tǒng)是本文研究的主要目的。

關鍵詞：城市水務;物聯(lián)網(wǎng)技術;大數(shù)據(jù)技術;智慧水務

1引言

智慧水務是智慧城市建設的重點基礎工程，人民生活的基本保障。傳統(tǒng)的城市供水和污水處理系統(tǒng)自動化程度低，關聯(lián)度弱，已不能滿足人民生活及各行業(yè)用水日益增長的需求。本文在物聯(lián)網(wǎng)技術的前提下，結合云平臺、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術，對智慧水務系統(tǒng)構建進行研究，以建立一個精細化、協(xié)同能力強的智慧型水務平臺。

2智慧水務概述

智慧水務系統(tǒng)涵蓋廣泛，不僅包括水廠自動化管理、城市排污水處理、水源檢測，還包括城市防旱排澇，水務智慧安防等功能，是一種基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的綜合性一體化信息管理平臺。國內(nèi)的智慧水務發(fā)展至今可分為三個階段：1.0時代，以自動化控制為核心，以水務自動化為標志，重點在提升生產(chǎn)效率和工藝優(yōu)化方面;2.0時代，著重于企業(yè)信息化建設，同時對企業(yè)資源管理、算法應用和移動應用等方面深入研究;3.0時代，構建智慧化水務，將互聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)技術和5G、人工智能綜合應用。近幾年，隨著人民生活基礎需求的不斷攀升，對智慧水務的要求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，國內(nèi)各水務企業(yè)為了適應社會需求增長，對節(jié)能降耗、運轉自動化程度也在不斷改進，結合各種高新科技以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進信息化的“兩化融合”新型智慧水務系統(tǒng)發(fā)展已成為必然趨勢。

3智慧水務建設需求分析

我國的人口與環(huán)境資源比例的巨大差異化，致使水資源短缺與用水需求矛盾激增，并已成為制約社會經(jīng)濟發(fā)展的屏障。各類水應用的問題都需要歸納到一個統(tǒng)一的系統(tǒng)中監(jiān)控管理，智慧水務能從海量數(shù)據(jù)中分析預測有效管理水資源。同時，作為城市基本運行的重要支撐和保障，智慧水務可有效疏導城市雨水達到防旱防澇，及時測控供排水管道壓力減少突發(fā)事故，精準檢測排污流量嚴控環(huán)境污染。

目前智慧水務建設的需求已經(jīng)從節(jié)能減排轉變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)保，從環(huán)境治理轉變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境與人文融合理念，今后的智慧水務發(fā)展將從事后治理轉變?yōu)樵u估分析、提前預測、長期保障的全周期運作。全局性需求的具體體現(xiàn)主要在兩個方面：

3.1生態(tài)文明建設對水資源需求的激增

水資源建設利用是生態(tài)文明建設的關鍵環(huán)節(jié)，是關系國家生產(chǎn)生活、經(jīng)濟發(fā)展的根本途徑，只有把生態(tài)文明建設擺在首要位置，才能將經(jīng)濟、文化、政治和生產(chǎn)生活有機融合，實現(xiàn)全面同步發(fā)展。水資源的利用效率和質量是否能夠滿足生態(tài)文明建設的需求，是建設智慧城市，提高全民生活水平和經(jīng)濟發(fā)展的關鍵所在。智慧水務建設的實施，將各個水務運行部門和管理部門信息達到同步共享，實現(xiàn)協(xié)同機制，解決決策和實施脫離的孤島問題，對推進智慧化城市建設的發(fā)展具有重要作用。因此，生態(tài)文明建設中智慧水務要放在首位。

3.2傳統(tǒng)水務與高新技術發(fā)展的不相適應

引入自動化的智能水務發(fā)展已有數(shù)十年，但人口增長、工業(yè)化發(fā)展、環(huán)境改善、信息技術創(chuàng)新，同時已有系統(tǒng)年限久、軟硬件無法更新等矛盾都對傳統(tǒng)水務系統(tǒng)帶來巨大沖擊。智慧化的水務比智能化水務要求更高，不僅有管理實施的全面自動化形態(tài)，還需要基于專業(yè)角度提高預測分析解決水務問題的能力。技術角度來講，智慧水務在傳統(tǒng)水務的基礎上，可將5G技術、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和云平臺等新興技術高效融合在一起建立一個跨平臺綜合可拓展的集成系統(tǒng)，來實現(xiàn)各行業(yè)水務工作的信息化建設和過程執(zhí)行智能化。

4物聯(lián)網(wǎng)下智慧水務體系構建

互聯(lián)網(wǎng)的實體化應用即為物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)概念不單單指一個網(wǎng)絡系統(tǒng)，而是包含某一領域的工作流程和業(yè)務應用。它是結合了云計算、大數(shù)據(jù)、電子通信及傳感技術等解決實物與人之間交互的一種形式，可實現(xiàn)物和物、物和人之間的遠程監(jiān)測和管理并執(zhí)行決策的智能化網(wǎng)絡。智慧水務的應用是將傳感器感應到的數(shù)據(jù)通過有線或無線網(wǎng)絡傳輸回應用系統(tǒng)實時監(jiān)測城市各種水務的運行狀態(tài)，并將不同水務管理部門與供排水設施有機整合在一起，從而形成一個智慧化的水務物聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)是一個綜合化基于物聯(lián)網(wǎng)的信息管理平臺，利用數(shù)學仿真建模構成智慧化管理系統(tǒng)，功能涵蓋供水監(jiān)測、防旱防澇、污水處理、數(shù)據(jù)收集、自動分析決策、水務智慧運營等，子系統(tǒng)集成GIS定位、視頻監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析處理、SCADA系統(tǒng)、自動化管理服務系統(tǒng)等。其中以物聯(lián)網(wǎng)技術為核心將數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)與其他各個子系統(tǒng)連接在一起，消除掉傳統(tǒng)水務各個領域資源不能共享、決策片面的弊端，降低了投資成本并將實現(xiàn)水務系統(tǒng)工作的更精細化和決策科學化，提高水資源的利用率，系統(tǒng)整體設計如下圖1所示。

4.1數(shù)據(jù)定位采集系統(tǒng)

智慧水務的重要環(huán)節(jié)是通過無線傳感設備、3S定位設備和三維建模等技術，實現(xiàn)水資源數(shù)據(jù)精準、可靠、高效的采集與分析，篩選出有用數(shù)據(jù)為決策提供可靠保障。無線傳感設備和閥門等硬件的大量應用是保證海量數(shù)據(jù)收集的必備前提，正確合理的部署是決定數(shù)據(jù)有用性的基礎，同時利用GIS、GPS等空間管理技術，將每個數(shù)據(jù)收集點信息準確地顯示在可視化屏控上，出現(xiàn)任何水資源突發(fā)事件時及時響應預警信號，為管理決策實施響應速率提供科學依據(jù)。

4.2物聯(lián)網(wǎng)智慧水務云平臺

智慧水務中的設備多樣性和差異性、網(wǎng)絡環(huán)境的復雜性都決定了智慧水務物聯(lián)網(wǎng)構建的平臺將面臨諸多問題。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將海量數(shù)據(jù)匯集到云計算平臺上，根據(jù)應用領域篩選出有用信息加以處理優(yōu)化整個生成、管理和服務流程，基于此構建的智慧水務云平臺可以劃分為4個層：服務層、網(wǎng)絡層、平臺層和感知層。該分層物聯(lián)網(wǎng)云平臺如圖2所示。

該平臺主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)接入，即可將采集到數(shù)據(jù)實時發(fā)布到網(wǎng)上，用戶與管理人員對共享數(shù)據(jù)同步應用;遠程控制，對多種環(huán)境和設施實現(xiàn)遠程操控;數(shù)據(jù)傳輸存儲與處理，對采集到的繁雜數(shù)據(jù)進行傳輸、存儲后通過專業(yè)需求進行分析，篩選有用數(shù)據(jù)顯示;消息推送，還可將提取數(shù)據(jù)以消息形式實時推送到不同終端設備;設施監(jiān)控，對超出臨界值數(shù)據(jù)以預警方式顯示，跨平臺發(fā)送到各個管理部門，支持多級預警;防旱防澇，實時監(jiān)測雨量、水位、水質等對城市的旱澇災情至關重要，云平臺信息資源的建立，可以完善防汛防旱體系，及水資源的精細化管理、合理開發(fā)利用保護水環(huán)境。將一個城市的所有水務工作接入到一個平臺中，破除孤島數(shù)據(jù)，各管理部門之間可形成統(tǒng)一決策，即可減少重復性工作，又能節(jié)約成本，提高水資源的各種利用率，實現(xiàn)全天候無人值守的水處理能力。

4.3可視化管理系統(tǒng)

傳感器根據(jù)專業(yè)要求設定在每個監(jiān)測點，當人力無法達到需求時，智慧水務的可視化管理系統(tǒng)不僅對領導決策提供參考依據(jù)，更重要是遇突發(fā)狀況爆管、過壓、短缺等情況都可通過轉化為數(shù)字信息顯示在系統(tǒng)中，及時預警，第一時間可采取相應措施協(xié)調(diào)或搶修。可視化管理系統(tǒng)不僅包括一個顯示大屏，可以運行在多種終端設備的平臺上，達到隨時隨地獲取數(shù)據(jù)的能力，同時還包括數(shù)據(jù)中心、打印設備等。

4.4智慧化決策系統(tǒng)

引入了人工智能、機器學習的智慧化水務系統(tǒng)所作出的決策參考價值更高。在優(yōu)化水處理工藝、管網(wǎng)正常運轉、漏損控制與循環(huán)利用等方面，智慧化決策系統(tǒng)能做到良好的感知、診斷、決策、執(zhí)行等一系列自動操作，同時可圍繞獲取數(shù)據(jù)運用最新算法和智能硬件全面探索技術新領域，預測城市水務發(fā)展現(xiàn)狀、未來發(fā)展方向和實現(xiàn)水務行業(yè)由傳統(tǒng)保障型向智慧服務型轉變。

5結語

智慧水務發(fā)展數(shù)十年，雖然積累了很多經(jīng)驗，但付諸實施的仍然是很少一部分，今后相當一段時間還是需要立足現(xiàn)狀，從智慧城市建設對水務的基本需求入手，將信息化和數(shù)字化手段有機結合，在水務管理中全面實施智慧應用、實時感知、有效預測，將不斷發(fā)展的新信息技術融合進平臺設計中。管理部門也應有效協(xié)調(diào)利用好各部門、單位積累的數(shù)據(jù)資源，統(tǒng)一調(diào)控軟硬件資源，提高數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析、全面整合能力，在智慧水務有信息化向智慧化轉變的過程中發(fā)揮有力作用。

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