基于GIS的智慧管网平台在供水管网管理中的应用

梁战昌

广西农村投资集团水务有限公司 广西 南宁 530000

在智慧城市的大背景下，伴随着 GIS、物联网、大数据分析等前沿技术的发展，在智慧供水的应用方面有了新的突破。牟云峰从中国供水网络的实际应用需要出发，在 GIS平台上开发了供水网络信息系统，为供水公司提供了可视化的地理位置调研与分析服务，使供水网络成为一种基于网络空间的社会管理方式；班富臣在供水工程中运用 GIS技术，对供水工程进行维修、检修，提高了供水工程的科学管理水平，并在突发事件处理中发挥了重要作用。在前期研究的基础上，本文对智慧管网平台的多角度应用进行了分析，并对如何将地理信息技术在智慧管网平台建设中的价值进行了深入的探索，使城市供水的智能化运营得以实现，提升了供水企业的管理与服务水平。

1 水务行业智慧化发展的需求

1.1 水务行业的智慧化现状

目前，我国大部分的供水企业特别是县级供水企业都采用较为粗放的操作与控制方式，但其操作的准确性、时效性较差，运行费用较高。为确保我国供水企业稳定、低碳、高效地稳定地运行，需要发展一套一体化的智能化控制方法，这一技术的实现离不开海量的水处理设施实时监测数据[1]。为此，亟需在水务行业中形成数字化、网络化、智能化的管理方式，以海量数据的采集、聚合、分析与服务为基础，构建一个能够实现泛在互联、灵活供应与资源有效配置的开放云平台，为水务企业提供数据的高效处理与一体化的智能化流程水控制方案。

1.2 智慧管网云平台技术的价值和意义

运用云计算、大数据、人工智能等新一代互联网技术，与水务集团在过去几年中所积累的行业知识和技术相结合，并与智能运营管理理念相结合，推出水务行业的智慧管网运营管理平台，构建区域水务集团下属水处理的数字化应用和标准化操作系统，从而实现了运营管理能力的深度提升。基于信息集成，建立一个“全面感知，设备联网，数字集成，智能预报”的智能云计算平台。

2 GIS技术的多角度应用

2.1 地理信息数据辅助供水规划

地理信息数据是地理学资料中最基础的一种，它反映了地理学上的地形变化。为了把水从水库输送到给水系统，然后输送到终端消费者，需要通过铺设管道输送水[2]。首先，要考虑到地形、地势等因素对水流的影响，对水流中的水动力、位能转化进行数值模拟与分析。在地势起伏较大的水源输送中，既要考虑水源上升时的水压增大，又要考虑水源下降时的水压减小；并在此基础上，针对不同的地表高度及铺设管线的需要，计算出管线的埋深，以便于施工；将 DEM应用于供水工程前期设计，可使供水工程的规划与设计更加智能化。其次，以 GIS为基础，通过对供水管网数据的分析，获得了工程规划中的收益；水的使用者可能是工厂，也可能是居民。与使用者有关的信息可以从基础的地理资料中撷取。根据以上资料，再结合现有的水厂存量资料，就可以判断出各区域的供水状况。按照用户量，可以粗略估计出需要多少水。

2.2 GIS数据库实现供水资产管理

传统上，供水网络的数据管理多采用图纸、文档的方式。另外，供水企业的档案室不但占用大量的空间，还不能保证资料的安全性，更难分析使用已有的数据。通过 GIS地理数据库技术，实现对水源、水管、水厂、水表、阀门、给水管线、消防栓、升压泵等的自动转换。将其处理成具有空间信息的数据，存储在 GIS数据库中，实现对供水管网设施的数字化管理，对已有的供水管网值进行全面控制和整理，为供水数据的深度挖掘提供支持。

2.3 GIS分区实现精细化漏损控制

在 GIS技术下，以供水管网分布数据、用水户及各类仪表为基础，将供水用户分成若干个仪表区域，在 GIS技术下，实现对单个区域的可视化管理。在此基础上，通过结合夜间最小流量，可快速准确地判断出漏点的位置，减少漏损，达到对漏点的精细控制。

3 智慧管网平台的构建

智慧管网平台以 GIS、物联网技术、大数据技术等新一代先进技术为基础，将物联网前端感知数据和基础数据进行融合，构建出与现代供水管理和长远发展相适应的规划框架，对供水公司的智能化服务水平进行全面的提高，真正实现供水管网管理信息化、资源可视化、决策专业化的设计目标[3]。

3.1 智慧管网平台架构

智慧管网平台的总体架构可以被划分成七个层次，分别是：物联网感知层、硬件平台层、数据层、应用支持层、接口层、应用层、展示层等，构建出了适合智慧水务信息化建设的标准规范体系，具体包含了标准规范设计和安全体系。

每一级的智慧管网平台具有以下具体的功能：

1）物联感知层：物联感知层，它是在系统的底层，为用户提供最基础的数据收集、传输等功能。通过访问传感器、传感器终端、摄像头和远程传输设备等物联网设备，与系统展开信息交换和通信，从而实现对供水设备运行数据的监测和管理。

2）硬件平台：硬件平台是支撑系统架构建设所需要的硬件设备，包含服务器、网络及路由器等。

3）数据层：数据层以业务数据库与数据仓库为主，而数据库则以历史数据库、各类业务系统数据库、数据仓库数据库及其它数据库为主。无结构数据库中包含的数据大多是某些文件数据[4]。

4）应用支撑层：应用支撑层将分散的、异质的应用与信息资源进行聚集，为不同的应用系统之间的跨数据库与系统平台进行统一的接入与无缝的整合，并为信息的获取与传递进行聚合，使个性化的商业应用得以有效地进行开发、整合、部署与管理。

5）应用层：是指基于应用支持平台，向用户提供各种应用服务的基本应用程序，这些程序包括：给水管网地理信息系统，给水综合应用系统，给水计量系统，DMA分区计量系统，给水管网巡检系统，给水应急维护系统，BI系统等。

6）接口层：智慧管网平台的构建，也包含了对整个应用系统界面的管理，其中包含了数据推送界面、数据同步界面、地理信息服务界面、在线监测数据界面等，并通过一个高效的界面管理机制，达到了资源共享的目的。

张家界属于中亚亚热带季风湿润气候，夏半年降水丰沛，冬半年降水较少，夏季经常受到降雨而使实景演艺取消演艺计划，冬季寒冷的天气使游客降低选择实景演艺的可能性[4]。夏半年的旅游演艺产品需求最旺盛，冬半年的旅游演艺产品需求较少，旺季出现供不应求，淡季出现供过于求的情况，这不免降低了张家界旅游演艺市场的竞争力。

7）表现层：表现层是一个用于用户与该系统进行互动的入口，一般包括一个内外两个入口。外部入口是为企业以外的人员服务的，而内部入口是为企业中的人员服务的。

该平台的纵向方向被分成：

1）根据《全国电子政府标准化导则》，构建了一套由相关技术规范、数据交换内容和格式、基本数据库标准等组成的信息化标准体系架构。

2）安全保护系统的安全保护架构主要包括：网络的身份验证与权限管理系统，数据的加密与传输安全系统，安全评价与监控系统，内容的防伪篡改等。

3.2 智慧管网平台模块设计

1）给水网络 GIS系统将水源、源管、给水系统、水表、阀门、给水管线、消火栓、升压泵等分散的各类资源信息整合起来，在一个统一的平台上实现了对这些资源的全面展示与管理，从而实现了以基本地理数据为基础，对供水企业的资源进行全生命周期的管理，为水业企业的资源配置及有关工程的规划提供数据支撑的管理目标。

2）以高精度的数字高程模型，高分辨率的影像，城市给水管网资料为基础，建立供水企业给水业务的可视化管理系统。以管网资料为基础，为用户提供全方位的可视化资料查询、管理及更新服务。为供水企业提供管网建设流程、成果信息、管网维护、检修等信息，有效提升供水企业的运行与管理效率。

4）根据精细的 GIS数据，供水检测维护系统对多作业系统中的作业进行聚类，并对作业系统进行规范化管理。本系统使维修人员编制自动化、维修流程透明化、工作任务规范化、工作绩效规范化，为员工的考核工作提供了很好的基础。

5） BI系统依赖于数据仓库，以数据中心为载体，采集多个系统间的数据，并提供多种丰富的数据展示功能。通过GIS平台上的前端传感设备和控制系统，实现对管道设施的实时监测，对其进行管理，维护，扩展和访问。利用综合图分析工具，对各种资料进行综合、检视和分析。将 GIS与实时监测、业务处理等空间和时间维度相结合，实现 GIS的整合与互联。对水服务的全面、多维、集中的应用要求提供最大的支持。

4 具体应用场景和应用模式

4.1 实现采集、监控和分析的实时工业大数据

在水处理各工序中，通过图形化的方式，将各工序中设备的运行情况以及各仪表的运行情况一一呈现出来。增强数据反馈的时效性，使实时数据的动态变化得到及时的反映，当现场设备或仪表出现警报时，可以得到告警信息，并能在第一时间将警报信息显示给现场的操作者。在趋势曲线中，将最重要的技术参数显示出来，以展现数据的实时状况，对实时数据的现在和过去的曲线趋势进行分析，并对同一数据指数进行每月和每年的数据分析，并为仪器在现场的操作和维护工作提供数据分析的依据。

4.2 实现数据判别和清洗

通过对异常数据的绘图，并对其进行统计和分析，可有效地提高设备、仪表的使用寿命，减少设备维修费用。通过地图，可以看到各废水处理站的分布情况及在线情况，多维度统计，全面分析各种不正常的数据。这个平台能够按照不同的数据清除规则和条件对海量数据进行清除，为数据的分析、挖掘以及数据模型的建立提供一个有效的工具。

4.3 整合数据，模型，工具，打造数字孪生的智慧管网服务

数字孪生是水务集团智慧大脑的核心模块，其实质是利用智慧水务，对实时数据、静态数据、机制模型和 BIM模型进行综合开发，从而实现对实物资产和运营状态的全面、可感知的数字化表达。在此基础上，以数据分析、水质预测、生化分析、工艺参数优化、运行状态监测、能源效率分析等为研究对象，以大数据分析为核心，以大数据为支撑，以数据为驱动，水质预测，生化分析，工艺参数优化，运行状态监测，能源效率分析为目标。致力于提高生产效率，稳定生产，最大限度地使用人力资源。

4.4 为实现数字化的全业务管理，开发一整套云计算管理系统

以智慧管网云平台为基础，为污水处理厂、供水业务运营管理、水环境运营管理、统一的数据控制系统以及专业的自动化控制系统，提供一套完整的运营管理云系统。在此基础上，对集团数字化管理模式进行探讨和实践。

4.5 基于大数据、应用人工智能等技术

智能水云平台将大数据、人工智能等技术与商业理论和经验融合起来，对污水生化全过程进行智能控制，保证了厌氧、缺氧、好氧等技术阶段的技术环境；运用大数据技术和业务数据的合理结合，对水厂来水进行了精确的预测，并进行了智能化的抽水控制；建立了一种能够准确预报生物除磷过程中的总磷浓度的虚拟装置，并对其进行智能化控制；在人工智慧的指导下，通过对活性污泥中指标的识别，可以为自来水厂的生产操作提供参考，并为自来水厂的生产运行提供预报信息。

4.6 建立远程控制运行的远程支撑平台

目前在运行中的部分供水系统，由于运行、维修人员的专业技术水平较低，很难独立完成日常的设备运行、维修工作。比如，装备维修，就要求有专门的技术人员进行远距离的指导，并进行实时的监测。通过将 AR、远程辅助和机器检测等技术相结合，并将一套完整的辅助工具相结合，实现远程实时引导系统。这个系统将远程视频控制和增强现实（AR）引导等创新交互结合起来，将其应用于对供水系统、城市污水和泵站进行远程维护和日常检查。

5 结束语

在“数字中国”的建设中，地理信息作为重要的基础数据，具有不可替代的作用。在此基础上，通过融合物联网、大数据等前沿技术，建立“智慧管网”的企业管理与业务运行集成平台，实现数据的统一管理、信息的统一展示、实时的科学模拟，从而达到规范、高效的运行管理的目的，为水务企业的管理与服务提供了有力保障。另外，GIS技术在“智慧管网”方面的应用也越来越广泛，因此， GIS技术在城市智慧水管理中的作用也越来越重要。比如广西农投水务有限公司下属的岑溪供水公司、藤县供水公司等供水企业，与熊猫公司等专业技术团队合作建设智慧水务系统，建设过程中充分结合管网更新改造计划，以智能化和自动化为目标，以可视化为手段，以地理信息和水力模型系统为核心，以物联网、大数据分析、云计算为支撑，通过在供水管网关键位置安装物联监控设备，实时感知供水系统的运行状态，对运行过程中的水量、水质和水压进行评估，实现对供水管网全流程的信息监控和分析，为高效率、低成本运营提供了基于数据驱动的决策依据。实施的分区计量（DMA），可以实现供水管网网格化管理，快速分析判断管网漏损状况，为制定管网漏损控制措施、精确定位漏损提供依据，为应急抢修提供包括人力、物力在内的辅助决策依据。通过建设智慧水务系统，农投水务公司下属企业实现了从零星分散数据向大数据集中、从系统孤岛向全面集成的转变，将“产水、输水、销水”无缝衔接成智慧水务生态链，对海量多维信息进行深度挖掘，及时生成预警处理建议，全过程闭环评估，实现供水系统水质、水量、水压等信息的识别、监控、模拟和预测，以线上管理指挥及时主动服务，线下主动运维调控，逐步从水务自动化、数字化向智能化阶段发展，系统精细化和动态化管理整个生产流程，综合提升运营效益。