“智慧水務”平臺系統的構建及關鍵技術分析＊

魯菁 馬曉虎 楊濤

1.寧夏職業技術學院；2.廣東粵海水務投資有限公司

水務工作是現代城市工作的基本內容之一，承擔排水方面的責任，城市的發展、居民訴求的變化，則要求水務管理工作不斷完善，以匹配新時期工作需求。本文以智慧水務為例，分析城市智慧水務的建設價值、現狀，并就其構建方法和關鍵技術進行研究，給出系統構建思路、基本結構、關鍵技術、作業模式等內容，最后簡單展望智慧水務技術的前景，就其功能延伸、能力優化等趨勢進行簡述，服務相關技術、模式的進一步發展和運用。

從廣義上看，水務是為適應各區域快速發展需求而設立的，以給排水為中心的綜合性工作，主要涉及城市水文規律分析、城市防洪與減災、城市水資源利用與保護、城市水務規劃與管理、城市水環境保護與生態修復等基本理論研究和技術開發。狹義上的水務專指給排水管理。現代城市建設速度較快、發展迅速，水務工作也出現了多樣變化，以提升水務工作水平為目標，信息技術在相關活動中得到種植，催生了“智慧水務”作業模式[1]。就“智慧水務”平臺系統的構建及關鍵技術進行分析，有助于此模式的運用，具有較突出的現實價值。

1 智慧水務簡述

智慧水務是一種現代化的作業模式，也是一種工作理念。是指選擇合適的信息技術，將其與水務技術深度融合，充分發掘數據價值和邏輯關系，實現水務業務系統的控制智能化、數據資源化、管理精確化、決策智慧化，保障水務設施安全運行，使水務業務運營更高效、管理更科學和服務更優質。智慧水務模式已較早進行了智慧城市建設，并以智慧水務作為重點項目優先投入實踐建設，收效良好。

2 城市智慧水務的建設

2.1 城市智慧水務的建設價值

城市智慧水務的建設價值集中于四個方面：（1）用戶用水全流程監測；（2）供水管網漏水點的精準定位；（3）智慧水量調節分配；（4）智慧供水管網模型建立與應用。

“智慧水務”平臺系統能夠通過智能技術和設備完成對用戶端信息的有效采集，實時了解用戶用水信息，組織管理、計費。而廣泛分布的傳感器等執行終端則能有效偵知管網工作情況，根據水壓變化評估是否存在漏水問題，并在確定漏水情況發生后進一步評估漏水具體位置，為管理工作提供依據[2]。水量調節與分配，則建立在管網供水實時信息基礎上，通過分布在用戶端的工作設備，了解其用水情況，在用戶用水量增加時提升供水能力，反之則予以下調，避免供水能耗過高的情況。智慧供水管網模型建立與應用強調長期性、服務性、穩定性，供水管網數據更新和維護難是管網建模和使用的主要障礙，在“智慧水務”平臺系統支持下，研究開發的模型旨在克服該障礙，使得基礎數據可實時更新、自動校核，并結合水量預測，將建模結果應用于管網規劃、供水調度、事故時評估、消防時評估、管徑優化、管網改造評估等實際生活中。

2.2 城市智慧水務的建設現狀

從現狀上看，包括我國在內，很多國家已經初步在都市建設工作中引入應用了“智慧水務”相關技術和模式。從技術上看，“智慧水務”平臺系統的設計和建設帶有一定的共性特點，比較關注系統工作的穩定性、持續性，且能夠在現有技術條件下實現，難度不大。從效果上看，大部分地區的“智慧水務”平臺系統可發揮預期價值，提升了管理效率、工作效益。從不足上看，我國“智慧水務”平臺系統建設技術標準、具體要求各有不同，尚不能實現統一。此外，由于“智慧水務”平臺系統建設大量應用信息技術、設備，其成本依然較高，很多中小城市無法應用該技術服務水務活動。

3 智慧水務系統的構建分析

3.1 系統構建思路

智慧水務系統的構建，思路上關注多技術的聯用，重視以集成技術、PLC 邏輯控制器等，保證系統作業邏輯清晰，各部分功能也能得到有效履行。原則上看，系統構建主要考慮三個方面要求，即適用性、易維護性、便捷性。（1）適用性是指“智慧水務”平臺系統能夠滿足其服務區域給排水要求，且能夠從共性角度出發，滿足其他類似區域的水務管理需要；（2）易維護性是指“智慧水務”平臺系統建設完成、投入使用后，后續管理工作仍可有序開展，在發現工作問題或例行維護時，無需投入過多資源、人力，即可完成維護等一般性工作；（3）便捷性是指“智慧水務”平臺系統使用方便，用戶端和管理端使用的技術設備具有通用性，無需借助復雜的技術手段進行運營操作。

3.2 系統基本結構

“智慧水務”平臺系統的基本結構主要重視邏輯清晰、簡化非必要環節，其主要結構以及作業方式如圖1所示。

圖1 “智慧水務”平臺系統的基本結構Fig.1 Basic structure of the "Smart Water" platform system

結合圖1 信息，可知“智慧水務”平臺系統主要分為四個功能模塊，即服務端、管理端、輔助模塊、數據庫。（1）服務端包括用戶一端、管網各處、其他管理對象（如閥門、離心系統等），這些對象的信息依賴智能水表、傳感器以及其他終端收集對其進行搜集，并借助通信線路實時進行傳輸，最終匯總到“智慧水務”平臺系統管理處；如果上述信息無異常，則由管理處進行匯總，錄入信息庫中；如果某一部分或幾個部分的信息存在問題，則由管理處下達處理指令，同時也將相關信息錄入數據庫，以備后用。（2）管理端主要承擔智能管理方面的功能，是智慧水務平臺系統的核心結構，負責評估各終端信息（實時信息），其工作程序則由管理人員預先編寫、錄入，指導系統的總體運作。此外，管理處也負責一些其他工作，如數字化顯示器的嵌入管理、總線系統的接入管理等。（3）輔助模塊的功能較為多樣，包括可視化系統、外置存儲系統和設備、警報系統等，這些模塊以及其功能并非“智慧水務”平臺系統關注的核心，主要作用在于豐富系統功能，使其使用性能得到進一步提升。如可視化系統可用于了解系統工作情況、遠程端設備工作情況、損壞管網的情況等，便于指導下一階段工作。（4）數據庫即“智慧水務”平臺系統內置數據庫，該數據庫與管理端高度聯動，智能分析工作主要依賴數據庫提供的信息，同時整個系統產生的工作信息，也需要錄入數據庫中予以保存，以備下一階段系統管理、升級、參數調整使用。

3.3 系統關鍵技術

“智慧水務”平臺系統的關鍵技術包括智能技術、通信技術、傳感器技術、計算機技術、物聯網技術五個部分，也包括一些輔助性技術，如數字轉換技術、可視化技術、附加設備嵌入技術等。此外，“智慧水務”平臺系統建設還依賴集成技術、信息技術提供基礎支持。從特點上看，各類基礎技術設計、運用方式比較成熟，其關鍵技術的運用更值得研究，尤其是智能技術。以管網漏水點的檢測為例，可采用降維分析的方式，做管網漏水點的檢測、分析。一般而言，當管網出現漏水點時，其內部水流的壓力會出現變化，較常規水平略低，因部分自來水只漏水點處流出，管網內水流的水位也會相應降低，水位、水壓是兩個帶有特異性變化的參數，可作為降維分析的直接對象。

在“智慧水務”平臺系統的構建過程中，可借助大數據技術，調取管網正常工作模式下的水位、水壓參數，并納入到智能模塊，對智能工作系統組織降維訓練，不考慮其他影響較小或無影響的參數（如水質等），僅考慮水位和水壓參數的波動，在無漏水點的情況下，并在條件允許的情況下確保參數收集的覆蓋效應，保證原始數據的豐富性，理論上大數據信息不宜少于1000 條，以避免覆蓋性不足、不能匹配分析需求的情況。完成原始信息收集后，將其代入智能模塊，對系統進行訓練，并通過編寫程序的方式，使系統完成對訓練信息的記憶，代入到信息庫中備用。實際工作中，通過接觸式傳感器收集管網內的水流信息，包括水壓和水位，再將信息提供給管理中心，由智能模塊通過決策樹分析法，對相關信息進行分析，評估是否存在漏水點以及漏水點的準確位置。

管網內管道水位、水壓信息，被內置傳感器收集，并實時傳輸至遠程管理端，管理端以決策樹法進行分析。決策樹模式下，前期降維訓練的信息被系統調出，決定著決策樹林的決策行為，如果傳感器收集所獲的信息不符合信息庫要求，水壓過小、水位過低，決策樹林中的決策樹大部分認為此情況屬于“漏水”，系統可根據決策樹的判斷，初步確定目標管道內存在異常，并根據收集所獲信息、傳感器提供的實時信息做深入判斷，最終確定漏水點。如果決策樹認定傳感器提供的實時信息無異常、管網管道內的水壓和水位無問題，則繼續進行信息收集，直到問題被發現（或確定管道無漏水情況）。智能技術的運用可以顯著提升“智慧水務”平臺系統的工作能力，是該系統建設、使用的關鍵。

4 智慧水務技術的前景展望

4.1 功能延伸

從發展的角度上看，智慧水務技術的前景較為廣闊，一方面其技術優勢比較明顯，能夠提升水務管理活動、效率；另一方面該系統相關技術依然存在優化延伸的空間。就其功能延伸而言，服務用戶更顯迫切，如用戶對本階段用水信息存在異議，當前只能通過聯絡水務服務者的方式獲取明細。未來可在用戶端設置多功能智能水表，每日記錄用戶用水信息，并做7 ～14 天的緩存，由用戶自行打印或下載，了解用水明細以及計費情況，進一步完善“智慧水務”平臺系統的服務能力，實現功能延伸。

4.2 能力優化

“智慧水務”平臺系統的能力也會在未來進一步趨向優化。如問題檢修，當前智能分析模式依然存在不足，定位的準確性有限，可能出現誤動作等問題。未來“智慧水務”平臺系統會尋求功能的改進，提升工作精度。仍以漏水點的檢測為例，當前內置傳感器提供的信息具有波動性，用戶用水情況、管網的內徑大小以及水流流速均影響傳感器的信息收集質量。在降維分析模式下，可對智能模塊進行優化，考慮各類參數的影響，生成固定系數或動態系數，在智能判斷工作中考慮該系數作用，排除其他因素的干擾，精準進行漏水點的分析和定位。

4.3 成本控制

“智慧水務”平臺系統建設對技術、資金、建設方式、設計理念均有一定要求，當前很多中小城市不能應用“智慧水務”平臺系統，很大程度上受到資金因素的制約，未來“智慧水務”平臺系統、智能水務技術的發展，可能進一步趨向低成本化。我國各地“智慧水務”平臺系統運用漸趨普遍，這意味著技術推廣效果良好，新技術、新設備不再遙不可及，同時，普遍運用的“智慧水務”平臺系統和智慧水務技術，也使其建設方式、設計思路趨向規范化和統一化，這也大大降低了各地單獨進行“智慧水務”平臺系統建設的開支，可實現經驗、技術的多地聯動和共享，從而削減“智慧水務”平臺系統的綜合成本，使智慧水務技術得到更廣泛的運用。

5 結語

綜上所述，“智慧水務”平臺系統的構建具有一定的積極價值，其牽涉到的技術則比較多樣，需要結合平臺作業特點、需求具體選取和運用。城市智慧水務的建設能夠實現用戶用水全流程監測、精準定位供水管網漏水點，并為水量調節分配、智慧供水管網模型建立與應用提供支持。從現狀上看，大部分地區的智慧水務僅擁有上述部分功能，也有部分地區尚未進行智慧水務系統建設。未來工作中主要強調以既有技術為基礎組織智慧水務系統管理，關注結構穩定、技術選取得當，且便于管理。從發展的角度出發，智慧水務技術可能呈現出功能延伸、能力優化和成本削減等趨勢，這也為其進一步運用提供了思路和空間。

引用

[1] 鐵瀛.基于大數據的智慧水務信息共享數據中心的構建分析[J].無線互聯科技,2022,19(23):24-26.

[2] 陳鈺,蔣新宇.基于DIKW體系的智慧水務建設規劃研究——以武漢市洪山區為例[J].現代商貿工業,2022,43(20):29-31.