智慧水务关键技术研究及应用

孙国庆

（西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

智慧水务采用先进的信息技术，实现城市水务运行的科学管理，确保供水水质安全，是城市管理信息化水平的重要标志[1]，更是保障民生的重要技术手段。水资源的日益稀缺与水环境保护压力的持续增大，以及阶梯水价等政策的推行，传统的管理方式远远不能满足需求，使得智慧水务的建设成为当务之急。

智慧水务是一项大型的复杂的系统工程，涉及水务系统的各个环节，水务系统存在分布范围广、时空跨度大、水环境突发事件多等特征，信息化、智能化也具有一定的独特性。只有采用先进的信息技术，全面感知，智能分析，科学决策，才能实现现代化的水务管理。信息技术高速发展，为智慧水务建设提供了强有力的技术支撑。

1 智慧水务总体架构

1.1 水务系统特征

智慧水务是一个可扩展、可持续改进的系统，具有兼容性和包容性，能根据需要对监控点及参数进行增减和修改。整个系统具有统一协调性，并且可随着行业和信息化等方面的发展，在原有基础上不断更新和升级。水务信息监测实时性要求高，针对运行异常情况能够及时做出反应；需要实现信息的发布与共享，全民参与水务管理，信息互动。

1.2 水务系统总体架构

不同城市的水务系统有着各自的特点，如水源，有地表水、地下水、污水回用等，信息化程度也不尽相同，因此，智慧水务建设没有标准的模式，应根据具体的水务系统规划建设目标，采用或指定相关的技术标准，设计具体的技术方案。新建系统应具备前瞻性，充分利用已建基础设施和信息化系统，改造完善不能满足新需求的信息化系统。同时，智慧水务作为新型智慧城市重要的子系统之一，建设实施方案如果结合智慧城市建设总体规划，全局考虑，统筹规划，充分采用智慧城市建设的各种基础设施及软硬件平台，将大幅降低建设成本和周期。

智慧水务旨在实现对源水、制水、供水、排水、污水、中水等水资源的全生命周期管理，各个环节需采集大量的各类涉水数据，数据积累速度快，需采用智能感知、大数据分析、异构网络融合、虚拟化、移动互联等先进的信息技术，全面感知涉水数据，智能分析，及时响应，科学决策。

智慧水务总体架构如图 1 所示，具体组成如下：

1）感知层。采用数采仪、智能控制器、在线检测仪表、手持终端等采集各类涉水数据，实现运行状态、位置信息、设施设备 ID 等的感知，通过网络实现和水务数据中心的信息交互。

2）网络层。通过租赁运营商网络，如租用裸光纤或带宽，或采用 4G 方式等，完成数据、视频、图片的传输与交换。

3）数据层。系统内数据包括基础地理、水务专题等数据，通过数据转化、加工等处理过程，为系统业务应用提供数据支撑。

4）业务应用层。包括各子系统间共享与服务，提供数据的交换共享、GIS 及网络安全接入、统一用户认证等，支撑系统业务运行，实现智能调度、水质监测、智慧管网、公众服务、应急指挥等应用。制定贯穿系统各个层次的标准规范、安全保障及运行维护管理等体系。

图 1 智慧水务总体架构图

2 智慧水务关键技术

2.1 智能感知技术

智慧水务的实现需要大量的数据支撑，智能感知设备是实时数据的主要来源。通过建立前端测点位置与地理空间信息之间的逻辑关系，实现点、线、面三者有机结合，从而实现立体的、时序的、全方位的信息感知。

2.1.1 基于 RFID 的水务部件信息感知技术

水务设施分布分散，管道采用地埋方式，管理困难，采用无线射频识别 RFID 技术，实现包括供水、排水设施，净水、配水设备，污水处理设施等的标识管理，建立水务设施管理档案库，全面实现信息化管理。

RFID 标签具有防水、防磁、耐高温，受环境影响小等特点；RFID 读写器具有穿透性，无源和操作免接触， 读取速度快，并能同时处理多个电子标签，高效且准确等特点。

在管线上嵌入 RFID 标签，标签内存储管线设备设施的属性信息，结合 GIS 系统进行供水管网位置、管径、材质等信息管理[2]。将 RFID 标签或传感器本身的物理编号与地图上的位置对应起来，精确定位地下设施，方便监测与维护，可以快速查找并识读地下设施信息，同时，城市地下施工时能够明确供水管道位置，减少开挖事故率并降低成本，提高应急抢险施工效率，有效保护地下设施。

2.1.2 基于智能控制器的生产运行数据自动采集技术

实时采集供水区域管网压力监控点、关键流量点及水质监测点反馈回来的数据，及时掌握管网运行、流量和水质情况。水务现场环境差，多数管网监测点不具备市电和有线通讯条件。采用智能控制器，具备一定的存储容量、无线通讯功能及逻辑运算能力，通过 4G 无线通讯功能与水务数据中心交互数据，通讯中断或异常时，运行数据存储在智能控制器存储卡上，通讯恢复后再上传。系统报警或出现紧急事件时，智能控制器根据逻辑运算结果自动操作现场执行机构做出应急处理。

2.2 云计算技术

智慧水务私有云采用虚拟化对各种计算资源进行池化，按需分配，实现高效灵活的 IT 基础架构和高可用的 IT 服务水平，提供增强的安全性和合规性配置，并可统一管理云环境。将各种业务功能作为服务进行交付，最终实现“水务云”。

数据中心是云计算服务的基础[3]，智慧水务私有云存储可以部署在水务企业数据中心。智慧水务系统平台涉及的业务范围广，所需集成的数据内容较多，建立高效、可靠的数据中心，可实现水务系统生产过程、经营管理、安全监测、空间地理地测等数据的集中处理，存储，传输，交换与管理。

云存储是一种建立在互联网基础上的服务，具有海量存储，统一管理，资源共享，成本低廉，容易扩容等特性[4]。综合利用水务企业现有的存储设备，同时根据数据属性选择相应的存储模式。实时采集的各种数据采用 FC SAN 存储，存取数度快，效率高。对水务企业管理归档、视频监控等数据采用成本相对低廉的 IP 存储模式，以降低成本。水务数据需要实现容灾备份，云存储技术可以简单方便地实现数据异地、增量备份。智慧水务作为智慧城市重要的组成部分，通过云存储可在智慧城市数据中心实现水务数据的异地容灾。

云 GIS 通过互联网以 Web 服务的形式提供空间数据存取与交换、信息查询及分析服务应用接口等服务[5]，能实现分布式跨平台的空间数据集成，为用户提供分布式协同信息处理和按需服务[6]。云 GIS的实现，为各种用户浏览地理信息，搭建业务运行系统提供了便捷的途径，使地理信息服务能无缝地嵌入到水务企业各部门的现有业务系统中。GIS 平台统一建设维护，地图数据统一更新，既可缩短项目开发周期，又能大幅降低建设及运维成本。

2.3 大数据分析技术

大数据是推进智慧水务建设的核心环节。智慧水务涵盖了从源水到用户端的所有涉水数据，也包括生产运营与水务用户反馈的各种数据。大数据分析采用非传统的数据过滤工具，对大量有序或无序数据集合进行挖掘。智慧水务涉及数据面广、量大且增长速度快，如果缺乏大数据分析处理，大量的数据就不能发挥数据本身的价值。

2.3.1 数据分类及来源

水务数据主要来源为水务普查和感知终端采集的各种数据，包括水务基础（电气设备、管网设施、空间数据）、水务系统运行（采集感知的所有数据）、公众反馈（用水服务监督，服务质量评估，故障、事故信息上报，安装、拆除、迁移等信息）、经营管理及环境（气象参数、城市规划等）等数据。

2.3.2 数据分析

水务系统现场存在着海量生产运行过程数据，对所属各生产单位实时和历史数据进行统计分析，实现对各超限数据的自动会诊，提供初步的起因判别与处理措施决策，为领导决策提供依据，同时建立智能学习体系，构建水务知识库和专家库，实现数据智能分析，利用感知数据的时空相关性分析系统关键性数据，为企业科学管理提供依据。

智慧水务可采用 Hadoop 结合实时、关系等数据库实现数据分析，Hadoop 是通过分布式方式处理大数据的开源的软件，功能强大，效率高。通过数据分析可以及时发现管网压力、流量突变，提高管网维护的应急能力，保障供水的稳定性和可靠性。通过对各生产单位供水量、水位、井泵运行、电流、电压、电量、出厂水余氯、浊度等数据分析，异常情况预警，从而及时掌控系统运行情况，提高供水的安全性和可靠性。

对设备的能耗、运行时间、故障次数及恢复时间等综合分析，提高设备运行效率，降低维护成本，为设备更换提供数据参考依据。以水务企业运行和表务管理及营业收费系统的数据为基础，结合环境数据，综合分析城市气温、降水、气压等与用水量的关系，制定中长期供水计划。

2.4 SOA 技术

智慧水务平台以应用为中心，采用 SOA 技术实现水务云平台，以 SOA 面向服务的特性，通过服务接口实现各子系统之间的松耦合，不同水务服务可以相互交换数据，使平台既可以整合现有的业务应用又能满足未来新的应用需求，实现信息的高度集成。

SOA 的核心是面向服务的，服务不依赖于任一独立的系统，具有可互操作性、独立性、松耦合性。面向服务的系统设计和开发，将信息的复杂性隐藏在服务的模块之中，将服务从复杂的环境中独立出来，组件化封装，通过服务交互或组合完成系统的实现。

采用基于 Web Service 的面向服务集成框架，实现各子系统平台之间的应用、服务的集成，为用户提供一个统一的面向服务的应用集成管理界面。咸阳水务集团水务业务应用服务主要分为基础、厂级和公司级应用及公众等服务。

搭建水务智慧应用系统，整合现有各行业部门涉水事务办事服务网点、网上电子政务和商务服务窗口、电话呼叫中心服务热线等服务资源，重组协同服务业务，通过基于无线宽带、三网融合等通信技术的多样媒体向社会公众提供个性化服务。用户可在多种客户端如浏览器、智能手机、传统桌面系统查询和浏览水务信息，系统也可为用户推送用水信息、停水公告等，为企业管理、用水用户、设备厂家、供电局、市政及其它政府部门提供及时和全面的信息服务。

2.5 信息安全技术

在满足实际应用的前提下，充分考虑水务系统数据的安全性。系统采用用户分级管理、网络防入侵等措施，确保系统的安全运行。重要数据采取容灾备份，能够保证内部信息不被外部窃取破坏，确保数据的完整性。充分利用网络级、数据库级、文档区域段级等安全保密机制，实现数据加密，保障信息的安全性；通过虚拟机备份和在线迁移技术保证系统安全可靠运行。咸阳智慧水务作为智慧城市的重要组成部分，通过智慧城市数据中心云存储实现水务数据异地容灾，水务数据长期安全存储。

3 结语

通过对水务系统的特征分析，探讨智慧水务实现的关键技术，并在咸阳智慧水务建设项目中得以实现，系统运行稳定可靠，实现了智慧水务建设目标，取得了良好的效果。智慧水务关键技术在城市水务建设中具有通用性，该研究成果的成功运用可为其它城市智慧水务系统设计与实现积累经验，具有一定的参考价值。

[1] 杨明祥，蒋云钟，田雨. 智慧水务建设需求探析[J]. 清华大学学报（自然科学版），2014 (1): 133-136.

[2] 牟凤云，王云飞，罗丹，等. 基于 GIS 的城市供水管网信息系统设计与应用[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版），2014 (3): 166-170.

[3] 侯欢欢. 数据中心在水网监控与调度系统中的建设[J]. 山西师范大学学报（自然科学版），2014 (2): 26-30.

[4] 刘思得. 基于网络的云存储模式的分析探讨[J]. 科技通报，2012，28 (10): 206-209.

[5] 李明巨，吴勤书，刘昱君 . 一种基于云 GIS 技术的地理信息服务新方式[J]. 测绘通报，2015 (2): 92-94.

[6] 张衡，成毅，王晓理. 云 GIS 下智慧城市地理空间信息共享平台构建[J]. 地理信息世界，2016，23 (3): 71-76.