智慧水务实现路径

文｜刘小梅 朱俊 童颖 郭东丽

北京清控人居环境研究院有限公司主任 刘小梅

城市供排水事业的发展与城市的社会经济发展息息相关，其服务质量的好坏不仅关系到企业自身的利益，也直接影响到社会的稳定和政府形象。而由于城市水务管理存在着涉及范围广、时空跨度大、突发事件多、不确定因素难于控制等技术性难点，城市水务传统管理仍面临诸多问题：设施信息“家底”不清，信息利用效率低，又缺乏数据标准及规范，从而影响信息的有效共享和使用；缺少长期定量化的运行动态数据监管，无法及时掌握管网动态，缺少进行优化调度科学分析的数据基础；有效的评估决策模式缺乏导致相关决策还是以主观判断为主，难以科学回答管网连通、布局优化、泵站调控、厂网联控、流域调水等工程措施对管网系统的动态影响；大多信息化建设停留在信息管理水平，数据、系统分散，“信息孤岛”问题突出。

近年来，互联网与信息化技术快速发展与应用，水务行业数字化管理逐步走向成熟，智能化管控、精细化管理、标准化作业、全流程监管成为水务行业运营管理的新要求与新高度，因此亟需利用“互联网+”时代下的供排水管网信息化技术和智能监测设备，打造水务智慧运营平台，实现管网状态的全面感知与运行优化，为水务合理运营管理和科学有效决策夯实基础。

智慧水务技术框架

1、智慧水务理念

智慧水务是信息技术对水务行业的一种变革，使水务管理突破传统模式，以更加智能化的方式运作。智慧水务的核心三大理念为感知、协同以及智能。

感知。数据是智慧水务的核心，通过感知将先进的传感技术和物联网技术嵌入水务业务系统中的各个环节，完成数据采集，并通过网络传输使水务业务系统得到充分的数据化，来为其他系统的建设创造条件，为智慧水务建设提供基础。

图1 智慧水务总体框架图

图2 综合数据库结构图

协同。利用水务系统各个环节内在的协同运行关系，将各业务单元更加整合地高效运行起来，实现水务系统在数据、业务流程、决策信息、门户等不同层面上的协同运行。

智能。利用先进的模型、计算分析模式、应用计算能力、强大的计算设备对数据进行整理、加工和分析，将数据转化成有效的信息，提升水务管理决策能力。

2、智慧水务总体框架

智慧水务平台包括感知层、软硬件支撑层、网络层、数据服务层、模型模拟层、应用层、人机交互层等七个层次。

智慧水务建设内容

智慧水务的主要建设内容包括设施管理、在线监测、模型评估以及综合决策四大部分。

图3 设施管理功能示例图

1、设施管理

综合数据库建设。供排水管道通常埋藏于地下，其数据量大、拓扑结构复杂，且处于不断的更新、扩展和改造中，应建立动态可维护的数据库结构，应采用高效率、低冗余的存储机制，对设施、地形、运行监测、气象、水动力学模拟等数据进行统一存储和有效管理，保证数据完整、准确和现势性，为智慧水务提供海量数据交换和共享的场所。结合水务管理特点，综合数据库的建设应遵循以下原则：结构可扩充性、拓扑可维护性、数据完整性、空间与属性可关联性、空间数据多源性、数据编辑并发性、数据安全性，一般包括基础地形数据库、管网资产数据库、运营监测数据库和文档、多媒体数据库等。

设施管理系统及数据更新机制。设施管理系统采用C/S（桌面端）与B/S（网页端）混合架构，C/S端主要供数据人员使用，实现设施空间、属性等数据的编辑录入、校验及更新维护等功能。B/S端主要供各业务人员进行数据查看，包括设施信息的可视化表达、图文一体化查询、专题图设计与表达、空间分析等功能。为保证数据的动态更新和有效维护，应建立有效的数据更新维护机制，实现设施从规划、设计、建设到运营全过程数据管理。比如对于批量的普查数据，应基于统一标准及规范进行批量更新；在日常数据使用过程中，业务人员可以通过B/S端上报数据的有误信息，经过现场核实后，数据维护人员通过C/S端进行修改和完善，更新的数据将统一发布，实时反馈给相关使用人员。

2、在线监测

利用在线监测技术，进行基于多点位、高频次的液位、流量、压力与水质数据监测，一方面能较真实地反映管网的当前状态和问题，通过监测数据的深入分析和挖掘，用于供排水系统长期运行规律及典型事件的分析；另一方面基于监测数据能进行供排水系统运行的短期风险预警及报警，提前预判管道溢流风险、爆管风险等，实现内涝、爆管等事件预警报警信息的及时推送和发布。

图4 在线监测功能示例图

同时，可以将管网、泵站、水厂、污水厂的液位、流量、压力、水质等监测数据与GIS平台集成，实现“一张图”展现，支持监测信息的实时查询显示和历史监测数据统一存储管理，方便管理人员准确掌握系统动态，进行科学决策。

3、模型评估

城市供排水管网模型软件众多，国外供水模型有EPANET、WaterCAD、Cybernet等，排水模型有SWMM、InfoWorks CS、MOUSE等，模拟软件应考虑以国际通用、数据透明且方便共享的底层模型为主，基于地理信息系统，强调系统评估分析过程对规划编制的作用。总结来说，供排水模型主要能支撑三个方面的应用：

（1）现状评估与问题诊断

利用经过验证的供排水管网模型，通过不同情景下的模拟分析，可以整体评估供排水系统的运行状况，进行问题诊断和原因识别，为供排水管网规划、运行维护以及辅助决策和管理等提供参考。具体评估包括：对供水管网进行压力分析、流速分析、往复流分析、水龄分析等，模拟全管网压力、流速等分布；针对排水管网进行管网结构瓶颈分析、淤积风险分析、水力负荷分析、溢流风险分析、内涝风险分析等。

（2）辅助决策

图5 现状评估示例图

在现状评估和问题诊断的基础上，可以利用模型辅助管理者进行科学决策，具体包括供排水系统规划设计方案的效果评估，为规划设计方案优化提供依据；进行水厂停产分析、水厂停产调度分析等分析，分析水厂停产对管网的影响，其他水厂如何调度来保证正常供水；进行事故分析，模拟爆管时以及关闭阀门之后对管网整体压力、流速、流向的影响；进行供水实时调度、排水泵站策略优化评估，以辅助管理者提升供排水系统的运行效率。

（3）辅助管理

将模拟分析结果与供排水业务管理流程进行深层次融合，同时通过GIS展示功能将结果进行可视化，以提升模型的可用性，辅助进行科学管理，是模型评估的更高层次应用，具体包括如通过模拟评估识别系统的关键节点和主要瓶颈，优化巡查养护方案；通过模拟评估结果提出调度方案，进行调度优化决策等。

4、综合决策

基于设施数据、在线监测、管网模型模拟等重要支撑，采用C/S、B/S和M/S（移动端）的混合架构，对水务管理的重要业务进行流程梳理和优化，构建智慧水务综合管理平台，形成智慧水务规范化软件体系及标准化管理模式，为整体的水务管理提供重要的工具和平台。具体包括生产管理、巡查养护、排水防汛应急、供水实时调度、供水漏控管理、排水户管理等系统，其中C/S端实现资产信息的动态维护与复杂模拟，主要供数据维护人员使用；B/S端实现业务的标准化与精细化管理，主要供业务管理人员使用；M/S端主要供现场人员进行任务接收、工单上报、照片上传、位置定位等现场信息的互动。

图6 辅助决策示例图

实施建议

智慧水务的实施本着“统一规划、分步实施、逐步完善”的“三步走”建设原则，切实保障智慧水务的建设实施按照计划稳步进行，进一步提升水务综合管理能力和科学调度水平。建议按以下几个阶段进行：

图7 智慧水务管理软件体系示意图

图8 防汛应急管理示例图

图9 实时调度管理示例图

1、规划阶段

基于前瞻性、针对性及实用性原则，进行智慧水务整体建设规划，明确建设目标，确定建设内容，估算建设预算，规划建设进程，为后期智慧水务建设提供依据。

2、建设阶段

在规划完成的基础上，进行智慧水务建设，建议分为四个阶段进行，即管网普查与资产管理、业务管理系统建设、管网在线监测与模拟诊断、业务化运行与决策支持。

其中，管网普查与资产管理阶段，主要开展管网测绘、普查与资产整理入库工作，制定并实施监测方案，对数据进行标准化处理，进行拓扑检查与修正，构建能基本反映现状的综合数据库；业务管理系统建设阶段，主要进行各业务过程的数字化管理，获取完整业务过程数据，实现业务工作的高效运行；管网在线监测与模拟诊断阶段，主要完成城市供排水管网模型构建，进行模拟综合评估，分析系统功能缺陷，诊断管网现状问题及风险；业务化运行与决策支持阶段，在上述阶段基础上，形成数据的动态更新机制，实现系统的业务化、常态化运行，为规划改造、运行调度、防汛应急等提供决策支持。

在实施过程中，建议加强管网信息化建设的专业化程度，切实结合建设单位当地实际，综合梳理智慧水务的顶层设计方案与实施技术路线，避免仅仅引入了数字化、智慧化的概念和先进技术的名词，而没有真正落实智慧管理需求，在过程中应重视基础数据及监测数据的收集、管理及动态维护，力求建立规划、建设、竣工、运营、改造各阶段管网数据的统一更新机制，同时应培养本地化的技术应用队伍，对于管理软件进行持续更新与完善，以真正将智慧与水务深层融合，切实提升城市供排水设施运行管理能力和科学决策水平。