智慧水务关键技术研究及应用

2018-03-21孙国庆

水利信息化 2018年1期

孙国庆

（西安航天自动化股份有限公司，陕西西安 710065）

0 引言

智慧水务采用先进的信息技术，实现城市水务运行的科学管理，确保供水水质安全，是城市管理信息化水平的重要标志[1]，更是保障民生的重要技术手段。水资源的日益稀缺与水环境保护压力的持续增大，以及阶梯水价等政策的推行，传统的管理方式远远不能满足需求，使得智慧水务的建设成为当务之急。

智慧水务是一项大型的复杂的系统工程，涉及水务系统的各个环节，水务系统存在分布范围广、时空跨度大、水环境突发事件多等特征，信息化、智能化也具有一定的独特性。只有采用先进的信息技术，全面感知，智能分析，科学决策，才能实现现代化的水务管理。信息技术高速发展，为智慧水务建设提供了强有力的技术支撑。

1 智慧水务总体架构

1.1 水务系统特征

智慧水务是一个可扩展、可持续改进的系统，具有兼容性和包容性，能根据需要对监控点及参数进行增减和修改。整个系统具有统一协调性，并且可随着行业和信息化等方面的发展，在原有基础上不断更新和升级。水务信息监测实时性要求高，针对运行异常情况能够及时做出反应；需要实现信息的发布与共享，全民参与水务管理，信息互动。

1.2 水务系统总体架构

不同城市的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，因此，智慧水务建设没有标准的模式，应根据具体的水务系统规划建设目标，采用或指定相关的技术标准，设计具体的技术方案。新建系统应具备前瞻性，充分利用已建基础设施和信息化系统，改造完善不能满足新需求的信息化系统。同时，智慧水务作为新型智慧城市重要的子系统之一，建设实施方案如果结合智慧城市建设总体规划，全局考虑，统筹规划，充分采用智慧城市建设的各种基础设施及软硬件平台，将大幅降低建设成本和周期。

智慧水务旨在实现对源水、制水、供水、排水、污水、中水等水资源的全生命周期管理，各个环节需采集大量的各类涉水数据，数据积累速度快，需采用智能感知、大数据分析、异构网络融合、虚拟化、移动互联等先进的信息技术，全面感知涉水数据，智能分析，及时响应，科学决策。

智慧水务总体架构如图 1 所示，具体组成如下：

1）感知层。采用数采仪、智能控制器、在线检测仪表、手持终端等采集各类涉水数据，实现运行状态、位置信息、设施设备 ID 等的感知，通过网络实现和水务数据中心的信息交互。

2）网络层。通过租赁运营商网络，如租用裸光纤或带宽，或采用 4G 方式等，完成数据、视频、图片的传输与交换。

3）数据层。系统内数据包括基础地理、水务专题等数据，通过数据转化、加工等处理过程，为系统业务应用提供数据支撑。

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、GIS 及网络安全接入、统一用户认证等，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。

图 1 智慧水务总体架构图

2 智慧水务关键技术

2.1 智能感知技术

智慧水务的实现需要大量的数据支撑，智能感知设备是实时数据的主要来源。通过建立前端测点位置与地理空间信息之间的逻辑关系，实现点、线、面三者有机结合，从而实现立体的、时序的、全方位的信息感知。

2.1.1 基于 RFID 的水务部件信息感知技术

水务设施分布分散，管道采用地埋方式，管理困难，采用无线射频识别 RFID 技术，实现包括供水、排水设施，净水、配水设备，污水处理设施等的标识管理，建立水务设施管理档案库，全面实现信息化管理。

RFID 标签具有防水、防磁、耐高温，受环境影响小等特点；RFID 读写器具有穿透性，无源和操作免接触，读取速度快，并能同时处理多个电子标签，高效且准确等特点。

在管线上嵌入 RFID 标签，标签内存储管线设备设施的属性信息，结合 GIS 系统进行供水管网位置、管径、材质等信息管理[2]。将 RFID 标签或传感器本身的物理编号与地图上的位置对应起来，精确定位地下设施，方便监测与维护，可以快速查找并识读地下设施信息，同时，城市地下施工时能够明确供水管道位置，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。

2.1.2 基于智能控制器的生产运行数据自动采集技术

实时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。水务现场环境差，多数管网监测点不具备市电和有线通讯条件。采用智能控制器，具备一定的存储容量、无线通讯功能及逻辑运算能力，通过 4G 无线通讯功能与水务数据中心交互数据，通讯中断或异常时，运行数据存储在智能控制器存储卡上，通讯恢复后再上传。系统报警或出现紧急事件时，智能控制器根据逻辑运算结果自动操作现场执行机构做出应急处理。

2.2 云计算技术

智慧水务私有云采用虚拟化对各种计算资源进行池化，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。将各种业务功能作为服务进行交付，最终实现“水务云”。

数据中心是云计算服务的基础[3]，智慧水务私有云存储可以部署在水务企业数据中心。智慧水务系统平台涉及的业务范围广，所需集成的数据内容较多，建立高效、可靠的数据中心，可实现水务系统生产过程、经营管理、安全监测、空间地理地测等数据的集中处理，存储，传输，交换与管理。

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]。综合利用水务企业现有的存储设备，同时根据数据属性选择相应的存储模式。实时采集的各种数据采用 FC SAN 存储，存取数度快，效率高。对水务企业管理归档、视频监控等数据采用成本相对低廉的 IP 存储模式，以降低成本。水务数据需要实现容灾备份，云存储技术可以简单方便地实现数据异地、增量备份。智慧水务作为智慧城市重要的组成部分，通过云存储可在智慧城市数据中心实现水务数据的异地容灾。

云 GIS 通过互联网以 Web 服务的形式提供空间数据存取与交换、信息查询及分析服务应用接口等服务[5]，能实现分布式跨平台的空间数据集成，为用户提供分布式协同信息处理和按需服务[6]。云 GIS的实现，为各种用户浏览地理信息，搭建业务运行系统提供了便捷的途径，使地理信息服务能无缝地嵌入到水务企业各部门的现有业务系统中。GIS 平台统一建设维护，地图数据统一更新，既可缩短项目开发周期，又能大幅降低建设及运维成本。

2.3 大数据分析技术

大数据是推进智慧水务建设的核心环节。智慧水务涵盖了从源水到用户端的所有涉水数据，也包括生产运营与水务用户反馈的各种数据。大数据分析采用非传统的数据过滤工具，对大量有序或无序数据集合进行挖掘。智慧水务涉及数据面广、量大且增长速度快，如果缺乏大数据分析处理，大量的数据就不能发挥数据本身的价值。

2.3.1 数据分类及来源

水务数据主要来源为水务普查和感知终端采集的各种数据，包括水务基础（电气设备、管网设施、空间数据）、水务系统运行（采集感知的所有数据）、公众反馈（用水服务监督，服务质量评估，故障、事故信息上报，安装、拆除、迁移等信息）、经营管理及环境（气象参数、城市规划等）等数据。

2.3.2 数据分析

水务系统现场存在着海量生产运行过程数据，对所属各生产单位实时和历史数据进行统计分析，实现对各超限数据的自动会诊，提供初步的起因判别与处理措施决策，为领导决策提供依据，同时建立智能学习体系，构建水务知识库和专家库，实现数据智能分析，利用感知数据的时空相关性分析系统关键性数据，为企业科学管理提供依据。

智慧水务可采用 Hadoop 结合实时、关系等数据库实现数据分析，Hadoop 是通过分布式方式处理大数据的开源的软件，功能强大，效率高。通过数据分析可以及时发现管网压力、流量突变，提高管网维护的应急能力，保障供水的稳定性和可靠性。通过对各生产单位供水量、水位、井泵运行、电流、电压、电量、出厂水余氯、浊度等数据分析，异常情况预警，从而及时掌控系统运行情况，提高供水的安全性和可靠性。

对设备的能耗、运行时间、故障次数及恢复时间等综合分析，提高设备运行效率，降低维护成本，为设备更换提供数据参考依据。以水务企业运行和表务管理及营业收费系统的数据为基础，结合环境数据，综合分析城市气温、降水、气压等与用水量的关系，制定中长期供水计划。

2.4 SOA 技术

智慧水务平台以应用为中心，采用 SOA 技术实现水务云平台，以 SOA 面向服务的特性，通过服务接口实现各子系统之间的松耦合，不同水务服务可以相互交换数据，使平台既可以整合现有的业务应用又能满足未来新的应用需求，实现信息的高度集成。

SOA 的核心是面向服务的，服务不依赖于任一独立的系统，具有可互操作性、独立性、松耦合性。面向服务的系统设计和开发，将信息的复杂性隐藏在服务的模块之中，将服务从复杂的环境中独立出来，组件化封装，通过服务交互或组合完成系统的实现。

采用基于 Web Service 的面向服务集成框架，实现各子系统平台之间的应用、服务的集成，为用户提供一个统一的面向服务的应用集成管理界面。咸阳水务集团水务业务应用服务主要分为基础、厂级和公司级应用及公众等服务。

搭建水务智慧应用系统，整合现有各行业部门涉水事务办事服务网点、网上电子政务和商务服务窗口、电话呼叫中心服务热线等服务资源，重组协同服务业务，通过基于无线宽带、三网融合等通信技术的多样媒体向社会公众提供个性化服务。用户可在多种客户端如浏览器、智能手机、传统桌面系统查询和浏览水务信息，系统也可为用户推送用水信息、停水公告等，为企业管理、用水用户、设备厂家、供电局、市政及其它政府部门提供及时和全面的信息服务。

2.5 信息安全技术

在满足实际应用的前提下，充分考虑水务系统数据的安全性。系统采用用户分级管理、网络防入侵等措施，确保系统的安全运行。重要数据采取容灾备份，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。咸阳智慧水务作为智慧城市的重要组成部分，通过智慧城市数据中心云存储实现水务数据异地容灾，水务数据长期安全存储。