基于大数据技术的城市智慧水务框架构想

李胜勇，李有明，龙 岩

（1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；2.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056038；3.河北工程大学河北省智慧水利重点实验室，河北 邯郸 056038）

李克强总理在“两会”工作报告中指出：推动大数据、云计算、物联网广泛应用，加强新一代人工智能研发应用。信息化发展正酝酿着重大变革和新的突破，更高阶段的智慧化发展已成为必然趋势[1，2]。2008 年，“智慧地球”这一理念被IBM 提出后，引发了各国建设“智慧城市”的热潮，“智慧水务”作为“智慧城市”发展的必然产物也应运而生[3-5]。目前，我国正处于高速城市化，同时伴随着高速工业化，环境恶化、资源短缺、交通拥堵等“城市病”日益严重，导致流域水循环发生深刻变异，城市水系不断衰退，严重威胁经济和生态安全[6，7]。作为智慧城市建设的重要环节，积极规划和推进智慧水务建设具有重要的现实意义[8-10]。

城市水务关系到国计民生，是世界上所有国家和地区最重要的生命线之一，世界各国都大力实施城市水务以应对水资源危机。如，国外的IBM 利用智能技术将水资源管理分为利用、预测、协调3个步骤；日本开发了一套“智能水系统”，可以对各种水处理设施的运行数据进行一元化管理；韩国将高端技术融入现有水资源管理中，从而推进区域化的智能水网建设[5]。在我国的深圳、上海、浙江、江苏等地先后开展了“智慧水务”建设[11]；国内许多学者也对智慧水务建设提出了许多构想，如，李婷睿基于海绵城市理念提出了包含水动力模型、内涝模型和活性污泥模型的智慧水务框架[12]；董海天提出了智慧水务大平台，该平台基于防汛抗旱、水资源调度以及水环境治理理念[13]；郑浩等提出了监测供水实时工作情况的城市智慧水务体系[14]；杨哲将智慧水务系统应用在解决城市供水的问题上[15]。

虽然目前国内外智慧水务建设发展很快，但顶层设计存在缺位。为了使智慧水务信息要素齐全、资源共享更便利、智能水平更优越、应用范围更全面，笔者基于大数据技术提出了比较全面的城市智慧水务大框架，为城市建设智慧水务提供了有力的信息支持。

1 城市智慧水务概念及构建原则

随着网络应用日益深化，大数据应用的影响日益扩大，在城市水务建设过程中，可利用大数据技术，整合水资源、水环境、节水、环保、气象等城市监管资源以支持科学指挥决策；依托云计算实现“智慧移动水务”与市民的互动，强化支撑一线和服务市民的能力。云计算、物联网、大数据、智能硬件、增强现实等新技术为实现水资源水环境演变规律分析、水资源水环境问题诊断、水资源水环境未来形势预判提供了强大动力，为水环境预警及时准确和多水源的优化、智能、低耗调度提供智慧化服务，提升水务社会化综合服务能力，为水务信息化智慧发展带来新的机遇。

通过深入研究分析二元水循环伴生过程各环节实际业务特性，分析智慧水务多主题业务，针对智慧水务的防汛安全、供水安全、排水安全、生态安全、水质安全和输水安全等问题，面向智慧水务最严格管理制度和水资源科学调配的实际需要，提出了基于大数据技术的智慧水务大框架，为多主题业务应用的智慧水务工作开展提供科学决策依据。

智慧水务主旨在于提升水务管理和服务的水平，为城市的发展提供更好的支撑，有效提升城市智慧建设和宜居能力。其建设将以新技术应用带动水务信息化技术水平的全面提升，以重点应用系统带动信息化建设效益的发挥，为水务管理的精细化、智慧化提供信息化技术支撑[16]。

智慧水务是指把新兴的信息技术充分运用于城市水务综合管理，通过传感器将自然水和社会水循环系统普遍连接形成“感知物联网”；然后通过计算机和云计算将“水务物联网”整合起来；在数据基础上，利用专业数学模型和大数据挖掘，实现水利业务应用智慧管理，满足城市水务智慧监管、智慧调度、智慧指挥以及智慧应急处置等行业管理的应用需求，辅助领导智慧决策。智慧水务是主动的服务，是共享的服务，是快速及时的服务，是成体系的服务，要体现其以最终用户为核心的思想。

当前城市智慧水务建设还处于探索阶段，有些城镇进行了智慧水务的规划，有些城市已经进行了智慧水务局部的建设，但是过去的智慧水务只是局限于供排水或者水质安全，这是远远不够的。在城市智慧水务建设过程中，需要考虑城市和居民的需求，如：饮用水安全、城市水环境安全、精神文明建设、城市管理、水资源可持续利用以及城市高效用水、城市雨水利用与防涝、城市污水处理，还有城市水系平衡、城市环境用水、城市水生态保护与水污染防治等多方面需要。

2 基于大数据技术的城市智慧水务总体框架

在当今信息高速发展的时代，智慧水务既是水务现代化发展的新目标，又是实现水资源科学发展的新模式。从“获取—清洗融合—挖掘—服务”的角度构建了城市智慧水务总体架构，如图1所示，主要包括智能监控体系、多源数据体系、智能分析体系、智慧应用体系和支撑保障体系。其总体实现过程为：首先利用智能监控体系获取数据信息，然后对获取的数据信息清洗融合，形成多源数据体，之后利用大数据挖掘技术和传统模型从数据体系中获取有用的信息，为公众、政府、业务部门服务，最后各部门通过自动控制体系对城市水务进行规划、设计和管理，达到“智慧水务”的状态。

2.1 智能监控体系

智能监控体系包括立体感知体系和自动控制体系。

（1）立体感知体系。在城市智慧水务体系中，需要获取各类要素数据来支撑计算和业务处理。基于工业互联和数据驱动的理念，基于具备坚实的、可预见性工程的物理系统，借助无人机、雷达、车、船、站、机器人、手机舆情等高科技设备及技术，形成“空天地”一体化的立体感知体系，更系统、更全面、更深入地从设备及各种终端收集数据，是整个城市智慧水务的基础。

（2）自动控制体系。基于工业互联和数据驱动的理念，基于具备坚实的、可预见性工程的物理系统，通过传感器闭环控制维持系统运行做关键调整，通过执行机构对设备系统的运行和逻辑进行指挥，从设备及各种终端最大程度收集数据，用数学软件与大型处理器分析信息，以获得系统的高级别潜在信息并制定各设备及终端工作逻辑，形成高水平自主控制体系，整个体系是基于智能分析体系分析结果的实际应用。

2.2 多源数据体系

城市智慧水务数据包括水务业务内部数据、水务与其他部分之间的数据以及社会数据。其中，水务内部数据包括防汛、水文、供水、排水、用水、工程管理等数据；部门间共享数据包括气象、环保、林业、社会经济、人口、规划、交通等数据；社会数据主要是与涉水内容相关的各种网络数据、论坛数据、博客数据、手机舆情、新闻媒体数据等；由于这些数据具有不同类型、不同来源、不同时间、不同特征、不同格式的性质，对这些数据进行清洗融合，最终形成一个多源数据库，为智能分析提供信息支撑。

图1 城市智慧水务大框架

2.3 智能分析体系

对多源数据体系的信息融合后，有些可以直接用于常规和应急决策支持，有些信息需要进一步挖掘分析。利用大数据挖掘技术，可以分析数据时间分布的平稳性以及规律性，挖掘数据的变化规律，同时还可以建立数据特征与不同模型技术的关联关系，可以为传统的模型提供参考。而传统的模型主要有水文及水动力模拟模型、水资源动态评价模型、水资源实时预测模型、水资源综合调度模型。

2.4 智慧应用体系

智慧应用体系建设采用模块化的思想，基于移动App、可视化平台、信息发布软件即服务进行设计，该建设模式可以有效避免系统重复性建设，易于系统升级改造，实现系统的开放性和动态可持续发展；智慧应用体系包括智慧民生服务平台、智慧政务管理平台和智慧企业/业务支撑平台3 大平台以及分别对应的子模块。这种建设模式可以实现以下功能：按需服务、随时服务、通用性强、高可靠性、极其廉价，并且是高可扩展性的。

2.5 支撑保障体系

智慧水务的支撑保障体系以监测终端和控制终端为依托，包括传输网络、基于一数一源开发的标准统一的数据资源体系以及云数据中心。

3 结论

城市水系是影响和制约城市发展的重要自然环境因素，智慧水务建设将推动我国由传统水利向现代水利转变，是未来实现水资源科学发展的新模式。将智慧水务应用到城市水系建设上，可以借助大数据技术、先进的计算机与通信技术来实现对水资源的及时、准确的数据监测，这也成为城市水资源信息管理的一种必然趋势。这对水务管理信息系统的构建、减少水灾害具有重大价值。