智能水务系统建设及安全挑战

桂林市自来水有限公司 海斌

随着城市规模的不断扩大、城市人口的不断增加，城市水源需求量也在与日俱增，这就敦促城市管理者必须对有限的水资源进行合理的规划[1]。建设智能水务系统可以有效解决水资源规划问题。智能水务系统以供水、排水、污水再利用为核心，将各个功能进行统一管理，可以更好地管理水资源的分配利用。因此，智能水务系统一定是城市对水资源进行一体化管理的大平台系统，它会将水务部门从多部门的分散管理转变为集中统一协调管理[2]。

一、智能水务的研究现状

（一）智能水务的国内研究现状

智能水务概念提出后，我国江苏、陕西、上海、深圳等地区陆续开展了相关方面的研究。2010年，江苏省以物联网为核心，开展了“感知太湖、智慧水利”项目，对太湖打捞海藻的车船进行智能管理，该项目有效地减缓了太湖蓝藻泛滥的情况[3]。陕西咸阳针对城市水务特点，结合云计算、大数据、云GIS和SOA及移动互联等关键技术构建了智慧水务软硬件平台，实现了对水务的智能调度、管网检测及城市供水信息服务[4]。为了使水资源的利用更加合理，上海市整合水务相关行业的行政执法、应用服务、评估决策机制等制度，建立了高度信息化的水务网络，以便更好地为公众提供水务服务[5]。深圳水务建设秉承低碳环保、安全高效的原则，制定统一标准，将水务部门的信息搜集、网络规划、数据库规划统筹到一个统一的数据平台，建设城市智能水务[6]。

（二）智能水务的国外研究现状

2008年，IBM首次提出“智慧地球”这个概念。水资源是地球资源的重要部分，对于水资源的管理也需要一定的智能化。IBM把水资源的管理分为利用、预测和协调三大部分[7]。利用是指对涉及水资源管理的数据进行利用，通过数据分析来优化水资源的管理，提升水务部门的运营水平。预测是指通过现有的水资源数据和存在的问题对将来可能出现的问题和水资源需求进行预测。协调是指统筹水资源的运营和管理，促进对水资源的合理利用。通过IBM开发的智能水资源利用系统，使得水务相关的信息查询和故障搜集都变得更加快速和便捷。

智能水务系统在日本也有广泛的研究。日本将城市的自来水、中水和污水处理等合为一体，组建高度一体化的智能水务处理系统，该系统通过数据采集对自来水提供用水和污水处理厂处理过的水进行状态监控，保证居民用水和工业用水的质量，同时还可以对城市各出水管的水量等状态进行监控，有效提高了城市用水调度效率。

韩国的专家认为智能水网是未来水资源管理的趋势，要想提高水务系统管理效率，必须将水网技术与大数据，云计算等技术相结合。

二、智能水务系统框架及关键技术

（一）智能水务系统框架

虽然不同城市的智能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。但是，智能水务系统的总体框架都基本类似（如图1所示），具体组成如下：

图1 智能水务系统框架

（1）智能感知及数据收集层。该层主要实现水务设备的运行情况的感知以及水务数据的自动收集，并通过网络实现与智能水务系统中数据中心的交互。通过传感器、手持终端、智能控制器等设备感知并收集水务数据，并对收集到的水务数据进行暂时存储与简单的预处理。

（2）数据传输层。该层主要通过租赁运营商网络，如租用裸光纤或带宽，或采用5G无线通信技术等，实现水务数据与操作指令的传输。具体而言，一方面需要实现智能水务系统控制中心对智能感知及数据收集层相关设备的指令发生，远程控制水务设备的运行。另一方面，需要实现传感器中水务数据向智能水务系统数据中心的上传。

（3）数据存储层。该层主要实现水务数据的可靠存储。通过构建“水务云”，利用云存储技术对水务数据进行存储。水务数据主要包括水务设备分布与运行数据、用户基本信息与用水情况数据等，通过数据转化、加工等处理过程，为智能水务系统业务的应用提供数据支撑。

（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、网络安全接入、统一用户身份认证等，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。

（二）智能水务关键技术

1.智能感知技术

智能感知技术是智能水务系统的基础。通过智能感知技术可以感知系统故障、获取海量水务数据。在城市水务系统中，水务设备部署分散，水务管道错综复杂，而且通常采用地埋方式，导致水务设施管理困难。通过智能感知技术，可以在部署时对水务设备，如供水、排水设施，净水、配水设备，污水处理设施等建立标识，构建水务设备标识数据库。当水务设备出现故障时，可以通过智能感知技术，准确确定故障设备标识，从而能够快速定位故障设备的具体位置，从而大大减少维修成本。此外，通过设备标识与城市地图相结合，可以为城市地下施工提供指导方案，从而有效避开水务设施，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。智能税务系统需要大量的数据作为支撑，通过智能感知设备收集数据是智能水务系统获取数据的主要来源。一般而言，水务现场环境恶劣且复杂多变，部分设备监测点不具备基本的电力和有线通信条件。智能采集器具有一定的存储容量、无线通信功能以及逻辑运算功能，通过5G无线通信功能与水务系统的数据中心相连从而进行数据传输。当水务现场环境恶劣导致通信中断时，智能采集器可以将采集到的数据临时存储在其存储卡上，等通信恢复后再将数据上次至水务系统的数据中心。通过智能采集器可以自动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。

2.无线网络通信技术

通过智能感知技术对水务系统的数据进行搜集，而收集到的水务数据需要传送至水务系统的数据中心，这就需要网络通信技术的支持。然而，水务系统覆盖范围广、水务现场环境复杂多变、水务设备部署错综复杂，导致有线通信无法实现水务系统全覆盖，无线通信技术恰好能解决这一问题。通过无线通信技术不仅可以有效扩大通信范围，实现水务系统通信全覆盖，还可以有效地降低部署和运营的成本，确保水务数据可以及时、准确地回传至数据中心，保证水务数据的时效性、准确性、可用性等。

3.云计算技术

水务数据具有数据量大、数据异构多源、数据更新快等特点，传统的数据存储技术无法满足大规模水务数据的存储需求。智能水务私有云通过互联网将大量分布式的计算资源互联，并构建计算资源池，从而对计算资源进行按需分配，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。最终将采集到的水务数据在“水务云”上进行高效、可靠的存储。“水务云”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.大数据技术

在水务系统中，不管是生产运营环节还是用户反馈环节，都会产生大量的水务数据。这些数据不仅体量大，还具有多源异构、种类繁多、动态多变等特性，因此依靠人力对数据进行分析是完全不现实的，而大数据分析技术可以很好地解决这一问题。利用大数据技术对水务数据进行分析、筛选，可以将水务数据从有序转变为无序，并高效、准确地筛选出具有统计价值的数据，这些数据是有很多潜在价值的。比如，通过统计分析城市气温和用户用水量的关系，可以帮助水务系统有针对性地制定合理的自来水生产计划，对设备故障的频率进行分析，有助于制定更科学的设备检修计划等。

5.信息安全技术

安全问题是影响智能水务系统运行的重要因素，在确保满足基本应用的前提下，必须充分考虑智能水务系统及其数据的安全性。智能水务系统中用户量大，对用户进行分级管理，可以有效地减轻系统运行负荷。智能水务系统中数据体量大、存储困难，对重要数据进行容灾备份，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。

三、智能水务的安全问题及应对方法

（一）水务数据丢失

在智能水务系统中，会出现水务数据丢失的情况。一方面，传感器收集到水务数据后，需要将数据上传到智能水务系统的数据中心，在传输过程中可能会由于网络、地形、天气等原因的影响，导致部分数据丢失。针对数据传输过程的丢失问题，可以利用TCP/IP传输，当出现数据丢失时，水务系统的数据中心会要求传感器重新发送丢失的数据。另一方面，智能水务系统的数据中心如果出现软硬件故障，也会导致数据丢失，例如，由于地震、洪涝、泥石流等自然灾害引发存储设备故障，从而导致数据丢失。针对水务系统数据中心的数据丢失问题，可以采用容灾备份的方式进行防御，即将水务数据分布式地存储在多个数据中心，当其中某个数据中心的数据丢失时，可以通过其他数据中心的备份及时恢复。

（二）水务数据滥用

一般而言，智能水务系统收集水务数据是为了及时掌握大众的需求，从而更好地服务大众。但是，水务数据所包含的信息量异常庞大，如包含水务设备分布与运行情况、用户基本信息及用水信息、水务部门生产计划等，这些信息对其他企业而言也是具有非常高的利用价值。智能水务系统虽然能够利用人工智能技术对数据进行维护，但还是需要人工辅助。出于利益驱动，水务数据管理员可能会将水务数据进行贩卖，导致水务数据滥用。针对此问题，水务监管部门一方面需要加强对员工的培训，强化其职业操守，另一方面需要加强监管，及时发现并阻止管理员贩卖水务数据。

（三）用户隐私泄露

水务数据很大一部分数据来自用户，如用户的个人基本信息、用水量、投诉记录等。智能传感器一般将这些数据收集后直接上传至智能水务系统的数据中心，那么不管是内部的水务系统管理员还是外部的黑客，只要获取到这些数据就可以对数据进行分析，从而得到用户的某些隐私数据。比如，通过分析每天各个时间段的用水量，可以获取用户的用水习惯和生活习惯，甚至可以判断用户何时在家、何时外出，这不仅会泄露用户的隐私，还会给不法分子带来可乘之机。针对此问题，可以在智能传感器上加载数据加密软件，将收集到的水务数据进行加密，然后以密文的形式上传、存储，从而使得恶意的管理员、黑客无法直接分析用户的水务数据，窃取用户隐私。

四、智能水务发展战略

（一）思想重视，改变观念

随着信息化技术的不断发展，传统的设备与系统已经无法满足现代化的需求，特别是云计算、大数据、人工智能等技术的发展，大大地促进了城市智能化，尤其是水电煤等系统的智能化。所以必须充分认识到智能水务系统的重要性以及为日常生活带来的便捷性，在思想上重视智能水务系统的建设。此外，还要转变观念，将水务智能化作为未来水务发展的必然趋势，与时俱进，利用最新的科技研究成果，切实地进行改革。要从根本上对水务进行改革，让智慧水务最大化地发挥其优势，让居民充分体会到智能水务带来的诸多便利。

（二）多方联动，多领域结合

智能水务系统不仅涉及水务管理部门，还涉及政府、交通、城建、电信等部门。因此，仅仅依靠水务管理部门，无法完成智能水务系统的建设。也就是说，想要构建功能完善、用户体验良好、安全性高的智能水务系统，仅仅依靠水务部门自己的努力是远远不够的，还需要多部门团结协作，将各部门的资源与信息进行共享，才能够建设一个更完善的智能水务系统。特别是遇到特殊情况时，如台风、地震、洪涝等自然灾害时，需要政府、国土资源、气象、交通、消防等部门共同合作，并将必要的信息及时交予媒体进行公开。因此，参与的部门需要进行深度的信息共享与业务合作，结合政府的决策建立有效的应急管理机制。

（三）完善功能，升级服务

智能水务系统作为一个服务性平台，要想被公众接受并广泛使用，一方面需要有完善的功能，要充分考虑公众的实际应用需求，支持公众在线办理查询用水量、支付水费、故障反馈、设备报修、水质投诉、行政许可办理等业务，更贴近公众的日常需求，充分发挥智能水务系统为公众带来的便捷性另一方面需要支持多模式、多操作系统运行。

具体而言，智能水务系统不仅可以通过网站为公众提供服务，还可以充分结合移动设备的便捷性，开发智能水务系统APP、微信小程序等，使得用户可以享受更便捷的服务，并得到更优质的服务体验。此外，还可以开通短信提醒功能，为公众发送欠费、停水、设备维修等信息，使公众可以提前采取应对措施。

（四）走进生活，联系大众

智能水务系统的终极目标是服务大众，也就是说，其归根结底是一个服务大众的平台。用户在使用智能水务系统时，需要从系统获取必要的信息。因此，一方面需要做好智能水务系统中相关数据的公开工作，对大众聚焦的关键信息做到及时公开，这不仅有利于增强智能水务系统的公信力，还有利于公众利用智能水务系统公开的数据进行开发研究。另一方面，需要做好公开信息的审核工作，在公开数据前，智能水务系统管理员必须对数据进行严格的审核，保证公开数据的真实性、准确性与完整性。在该模式下，管理部门、公众和水务部门都会有所收获，这是一个对多方都非常有利的新模式。

五、结束语

随着城市智能化程度的不断加深，智能水务系统也日益完善，使得人民的生活更加便捷。结合智能水务系统的研究现状，通过对水务系统的架构及关键技术进行分析，探讨智能水务系统潜在的安全问题，并给出相应的解决方法。智能水务关键技术、潜在安全问题及发展策略在城市水务建设中具有通用性，本文的研究可为智能水务系统设计与实现积累经验，具有一定的参考价值。