“智慧水务”平台系统的构建及关键技术分析＊

鲁菁 马晓虎 杨涛

1.宁夏职业技术学院；2.广东粤海水务投资有限公司

水务工作是现代城市工作的基本内容之一，承担排水方面的责任，城市的发展、居民诉求的变化，则要求水务管理工作不断完善，以匹配新时期工作需求。本文以智慧水务为例，分析城市智慧水务的建设价值、现状，并就其构建方法和关键技术进行研究，给出系统构建思路、基本结构、关键技术、作业模式等内容，最后简单展望智慧水务技术的前景，就其功能延伸、能力优化等趋势进行简述，服务相关技术、模式的进一步发展和运用。

从广义上看，水务是为适应各区域快速发展需求而设立的，以给排水为中心的综合性工作，主要涉及城市水文规律分析、城市防洪与减灾、城市水资源利用与保护、城市水务规划与管理、城市水环境保护与生态修复等基本理论研究和技术开发。狭义上的水务专指给排水管理。现代城市建设速度较快、发展迅速，水务工作也出现了多样变化，以提升水务工作水平为目标，信息技术在相关活动中得到种植，催生了“智慧水务”作业模式[1]。就“智慧水务”平台系统的构建及关键技术进行分析，有助于此模式的运用，具有较突出的现实价值。

1 智慧水务简述

智慧水务是一种现代化的作业模式，也是一种工作理念。是指选择合适的信息技术，将其与水务技术深度融合，充分发掘数据价值和逻辑关系，实现水务业务系统的控制智能化、数据资源化、管理精确化、决策智慧化，保障水务设施安全运行，使水务业务运营更高效、管理更科学和服务更优质。智慧水务模式已较早进行了智慧城市建设，并以智慧水务作为重点项目优先投入实践建设，收效良好。

2 城市智慧水务的建设

2.1 城市智慧水务的建设价值

城市智慧水务的建设价值集中于四个方面：（1）用户用水全流程监测；（2）供水管网漏水点的精准定位；（3）智慧水量调节分配；（4）智慧供水管网模型建立与应用。

“智慧水务”平台系统能够通过智能技术和设备完成对用户端信息的有效采集，实时了解用户用水信息，组织管理、计费。而广泛分布的传感器等执行终端则能有效侦知管网工作情况，根据水压变化评估是否存在漏水问题，并在确定漏水情况发生后进一步评估漏水具体位置，为管理工作提供依据[2]。水量调节与分配，则建立在管网供水实时信息基础上，通过分布在用户端的工作设备，了解其用水情况，在用户用水量增加时提升供水能力，反之则予以下调，避免供水能耗过高的情况。智慧供水管网模型建立与应用强调长期性、服务性、稳定性，供水管网数据更新和维护难是管网建模和使用的主要障碍，在“智慧水务”平台系统支持下，研究开发的模型旨在克服该障碍，使得基础数据可实时更新、自动校核，并结合水量预测，将建模结果应用于管网规划、供水调度、事故时评估、消防时评估、管径优化、管网改造评估等实际生活中。

2.2 城市智慧水务的建设现状

从现状上看，包括我国在内，很多国家已经初步在都市建设工作中引入应用了“智慧水务”相关技术和模式。从技术上看，“智慧水务”平台系统的设计和建设带有一定的共性特点，比较关注系统工作的稳定性、持续性，且能够在现有技术条件下实现，难度不大。从效果上看，大部分地区的“智慧水务”平台系统可发挥预期价值，提升了管理效率、工作效益。从不足上看，我国“智慧水务”平台系统建设技术标准、具体要求各有不同，尚不能实现统一。此外，由于“智慧水务”平台系统建设大量应用信息技术、设备，其成本依然较高，很多中小城市无法应用该技术服务水务活动。

3 智慧水务系统的构建分析

3.1 系统构建思路

智慧水务系统的构建，思路上关注多技术的联用，重视以集成技术、PLC 逻辑控制器等，保证系统作业逻辑清晰，各部分功能也能得到有效履行。原则上看，系统构建主要考虑三个方面要求，即适用性、易维护性、便捷性。（1）适用性是指“智慧水务”平台系统能够满足其服务区域给排水要求，且能够从共性角度出发，满足其他类似区域的水务管理需要；（2）易维护性是指“智慧水务”平台系统建设完成、投入使用后，后续管理工作仍可有序开展，在发现工作问题或例行维护时，无需投入过多资源、人力，即可完成维护等一般性工作；（3）便捷性是指“智慧水务”平台系统使用方便，用户端和管理端使用的技术设备具有通用性，无需借助复杂的技术手段进行运营操作。

3.2 系统基本结构

“智慧水务”平台系统的基本结构主要重视逻辑清晰、简化非必要环节，其主要结构以及作业方式如图1所示。

图1 “智慧水务”平台系统的基本结构Fig.1 Basic structure of the "Smart Water" platform system

结合图1 信息，可知“智慧水务”平台系统主要分为四个功能模块，即服务端、管理端、辅助模块、数据库。（1）服务端包括用户一端、管网各处、其他管理对象（如阀门、离心系统等），这些对象的信息依赖智能水表、传感器以及其他终端收集对其进行搜集，并借助通信线路实时进行传输，最终汇总到“智慧水务”平台系统管理处；如果上述信息无异常，则由管理处进行汇总，录入信息库中；如果某一部分或几个部分的信息存在问题，则由管理处下达处理指令，同时也将相关信息录入数据库，以备后用。（2）管理端主要承担智能管理方面的功能，是智慧水务平台系统的核心结构，负责评估各终端信息（实时信息），其工作程序则由管理人员预先编写、录入，指导系统的总体运作。此外，管理处也负责一些其他工作，如数字化显示器的嵌入管理、总线系统的接入管理等。（3）辅助模块的功能较为多样，包括可视化系统、外置存储系统和设备、警报系统等，这些模块以及其功能并非“智慧水务”平台系统关注的核心，主要作用在于丰富系统功能，使其使用性能得到进一步提升。如可视化系统可用于了解系统工作情况、远程端设备工作情况、损坏管网的情况等，便于指导下一阶段工作。（4）数据库即“智慧水务”平台系统内置数据库，该数据库与管理端高度联动，智能分析工作主要依赖数据库提供的信息，同时整个系统产生的工作信息，也需要录入数据库中予以保存，以备下一阶段系统管理、升级、参数调整使用。

3.3 系统关键技术

“智慧水务”平台系统的关键技术包括智能技术、通信技术、传感器技术、计算机技术、物联网技术五个部分，也包括一些辅助性技术，如数字转换技术、可视化技术、附加设备嵌入技术等。此外，“智慧水务”平台系统建设还依赖集成技术、信息技术提供基础支持。从特点上看，各类基础技术设计、运用方式比较成熟，其关键技术的运用更值得研究，尤其是智能技术。以管网漏水点的检测为例，可采用降维分析的方式，做管网漏水点的检测、分析。一般而言，当管网出现漏水点时，其内部水流的压力会出现变化，较常规水平略低，因部分自来水只漏水点处流出，管网内水流的水位也会相应降低，水位、水压是两个带有特异性变化的参数，可作为降维分析的直接对象。

在“智慧水务”平台系统的构建过程中，可借助大数据技术，调取管网正常工作模式下的水位、水压参数，并纳入到智能模块，对智能工作系统组织降维训练，不考虑其他影响较小或无影响的参数（如水质等），仅考虑水位和水压参数的波动，在无漏水点的情况下，并在条件允许的情况下确保参数收集的覆盖效应，保证原始数据的丰富性，理论上大数据信息不宜少于1000 条，以避免覆盖性不足、不能匹配分析需求的情况。完成原始信息收集后，将其代入智能模块，对系统进行训练，并通过编写程序的方式，使系统完成对训练信息的记忆，代入到信息库中备用。实际工作中，通过接触式传感器收集管网内的水流信息，包括水压和水位，再将信息提供给管理中心，由智能模块通过决策树分析法，对相关信息进行分析，评估是否存在漏水点以及漏水点的准确位置。

管网内管道水位、水压信息，被内置传感器收集，并实时传输至远程管理端，管理端以决策树法进行分析。决策树模式下，前期降维训练的信息被系统调出，决定着决策树林的决策行为，如果传感器收集所获的信息不符合信息库要求，水压过小、水位过低，决策树林中的决策树大部分认为此情况属于“漏水”，系统可根据决策树的判断，初步确定目标管道内存在异常，并根据收集所获信息、传感器提供的实时信息做深入判断，最终确定漏水点。如果决策树认定传感器提供的实时信息无异常、管网管道内的水压和水位无问题，则继续进行信息收集，直到问题被发现（或确定管道无漏水情况）。智能技术的运用可以显著提升“智慧水务”平台系统的工作能力，是该系统建设、使用的关键。

4 智慧水务技术的前景展望

4.1 功能延伸

从发展的角度上看，智慧水务技术的前景较为广阔，一方面其技术优势比较明显，能够提升水务管理活动、效率；另一方面该系统相关技术依然存在优化延伸的空间。就其功能延伸而言，服务用户更显迫切，如用户对本阶段用水信息存在异议，当前只能通过联络水务服务者的方式获取明细。未来可在用户端设置多功能智能水表，每日记录用户用水信息，并做7 ～14 天的缓存，由用户自行打印或下载，了解用水明细以及计费情况，进一步完善“智慧水务”平台系统的服务能力，实现功能延伸。

4.2 能力优化

“智慧水务”平台系统的能力也会在未来进一步趋向优化。如问题检修，当前智能分析模式依然存在不足，定位的准确性有限，可能出现误动作等问题。未来“智慧水务”平台系统会寻求功能的改进，提升工作精度。仍以漏水点的检测为例，当前内置传感器提供的信息具有波动性，用户用水情况、管网的内径大小以及水流流速均影响传感器的信息收集质量。在降维分析模式下，可对智能模块进行优化，考虑各类参数的影响，生成固定系数或动态系数，在智能判断工作中考虑该系数作用，排除其他因素的干扰，精准进行漏水点的分析和定位。

4.3 成本控制

“智慧水务”平台系统建设对技术、资金、建设方式、设计理念均有一定要求，当前很多中小城市不能应用“智慧水务”平台系统，很大程度上受到资金因素的制约，未来“智慧水务”平台系统、智能水务技术的发展，可能进一步趋向低成本化。我国各地“智慧水务”平台系统运用渐趋普遍，这意味着技术推广效果良好，新技术、新设备不再遥不可及，同时，普遍运用的“智慧水务”平台系统和智慧水务技术，也使其建设方式、设计思路趋向规范化和统一化，这也大大降低了各地单独进行“智慧水务”平台系统建设的开支，可实现经验、技术的多地联动和共享，从而削减“智慧水务”平台系统的综合成本，使智慧水务技术得到更广泛的运用。

5 结语

综上所述，“智慧水务”平台系统的构建具有一定的积极价值，其牵涉到的技术则比较多样，需要结合平台作业特点、需求具体选取和运用。城市智慧水务的建设能够实现用户用水全流程监测、精准定位供水管网漏水点，并为水量调节分配、智慧供水管网模型建立与应用提供支持。从现状上看，大部分地区的智慧水务仅拥有上述部分功能，也有部分地区尚未进行智慧水务系统建设。未来工作中主要强调以既有技术为基础组织智慧水务系统管理，关注结构稳定、技术选取得当，且便于管理。从发展的角度出发，智慧水务技术可能呈现出功能延伸、能力优化和成本削减等趋势，这也为其进一步运用提供了思路和空间。

引用

[1] 铁瀛.基于大数据的智慧水务信息共享数据中心的构建分析[J].无线互联科技,2022,19(23):24-26.

[2] 陈钰,蒋新宇.基于DIKW体系的智慧水务建设规划研究——以武汉市洪山区为例[J].现代商贸工业,2022,43(20):29-31.