大数据环境下常州市新北区排水管理平台构建

刘 骏，朱 颖，贾玲玲

（常州市水资源服务中心，江苏 常州 213000）

0 引言

城市水务是一个民生问题，与地区人民的生活息息相关。目前我国水务面临极大的挑战，包括水资源短缺，南北水资源分布不均匀，水污染严重，城市内涝问题频发。伴随我国城镇化进程的加快，国家对城市公共水务系统的信息化程度更加重视，也加大了对信息化工程的投资力度。2013 年颁布的《国务院关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》，明确要求要在 5 a 时间内完成雨污管网的分流改造，用 10 a 左右的时间建成较为完善的城市水务信息系统体系[1]。

随着物联网、云计算等先进技术的不断发展和应用，信息化的建设思路也逐渐发生变化，当今城市面临各种各样的挑战，未来城市发展必须走包容化道路，即智慧城市[2]。2012 年常州市发布《常州“智慧城市”发展规划（2012—2016）》，立足常州市实际发展状况，以解决城市运行、民生保障为任务，打造一流智慧名城。以智慧常州为契机，以常州市新北区水利和水务主要业务为立足点，提出建设排水信息化的构想，利用物联网、云计算等先进技术，构建大数据环境下新北区排水管理一体化平台，整合水利部门数据，以排污为立足点，兼顾雨洪季节行洪、排涝功能，提高排水演化规律，为水务信息化建设提供新的思路。

1 常州新北水务管理体系

新北区排水管理一体化平台由常州新北水务公司建设，以常州市新北区全区污水排放管网的铺设和养护为主要任务，并集成防洪和排涝功能，主要维护设施包括市政污水管网 258.8 km，农村污水管网 647.0 km，区域性泵站 18 座，截留泵站 26 座，农村提升泵站 45 座，农村处理设施 173 座。按照市场运作、政府引导、突出主业、优化整合原则，整合水务资源，突出排水主业，集生产、运营、服务和资本运作一体化，常州市新北区水务的创立一定程度上实现了从“九龙管水”到“一龙管水”模式的转变，提高了企业的运营效率，大幅度提高了城市居民生活及排水服务水平。

目前常州新北水务管理存在以下不足：1）仓储出入库记录主要依靠手工进行，涉水资产（包括使用和仓储中）盘点较为困难，效率低下。2）排水管网漏损率较高，维修压力大，当管网爆裂事件发生时，需要人工查找爆裂地点，通知外包维修人员进行维修，告知相关泵站人工关闭排水阀，突发事件处理效率较低，极大地影响城市的正常运转。3）在暴雨季，为完成泄洪任务，需要外借人员在泵站值守，运营成本较高。

因此，通过信息化的手段，借助大数据、云计算、物联网等技术手段，实现泵站自动化控制、管网爆管点预测、维护维养自动派单、排水关键点实时监测，提高常州新北水务管理水平。

2 常州新北水务信息化现状

常州新北水务信息化工作遵循“统一规则、分步实施、平台共用、资源共享、应用先导、务求实效”的原则，初步部署了水位监测井 220 个，水质监测点 262 个，视频监控点 18 个，目前暂时只完成排水收缴、办公业务 2 个信息化系统的建设，实现部分传感器数据的自动采集传输，部分传感器数据仍采用人工方式采集，泵站依靠传统的人工方式进行控制，缺少集自动化控制、传感器数据采集、数据挖掘与分析和 GIS 可视化展示于一体的综合性排水智慧平台。在水务信息化方面还存在以下不足：

1）立体感知能力分布不均衡。目前新北水务监测能力较前几年有了显著提升，硬件设备部署相比前几年有了明显增多，但是数据采集设备布点存在不均衡的状况，设备的可靠性、数据采集的准确性有待进一步提高。通过各种信息采集器的均衡布点，可以对新北水务排水过程中产生的数据进行立体采集，全方位感知水务运行全过程。

2） 自动化控制程度不高。现阶段新北水务的泵闸站采用的人工控制方式工作效率低下，控制不及时，可能会对水务工作正常运转造成一定影响，且每个站点都需要有人值守，人力成本高。综合运用成熟的工业控制、传感器、数据传输及计算机等技术，建立先进的控制系统，可提高泵站运行的安全性、可靠性，提高新北水务的工作效率。

3）智慧决策支持能力缺乏。现阶段新北水务信息化程度不高，无法满足智慧排水的要求，已建的信息化系统主要以日常办公为主，系统功能以信息服务为核心，辅助决策类、数据统计类功能不足，不能有效满足水务管理的需求。通过建立排水管理辅助决策系统，支持数据统计、管网爆管及纵横断面等分析，能够分析实时数据并计算泵闸站的启闭高度及持续时间，提高系统运行效率，帮助运营者将思维从经验驱动转化为数据驱动，提高决策的科学性、准确性。

4）社会服务不够主动。水务公司服务的对象主要包括政府部门、企业和社会公众，目前的服务方式处于被动状态，人性化、主动服务有待提高。基于大数据环境下的排水管理平台，可以给普通群众提供预警服务，如及时发布排水故障，推送管网、招标信息，提供故障申报窗口和险情、民情反映通道，为社会公众提供便捷化的服务。

3 常州新北排水管理一体化平台建设

3.1 排水信息化建设目标

现阶段排水信息化主要利用物联网技术将传感器装备到管网、泵站、监测井等设备上，连接成网，然后基于云计算技术整合传感器数据资源，并进行运算处理辅助决策，以此改变水务工作与政府、企业、社会公众之间的交往方式，从而更加科学化、数据化、精细化地对城市水务进行运作管理[3]。

随着新北区建设规模的不断扩大，城区污水处理能力不断增强，排水设施规模不断扩大，季节性抗台防涝形势日益严峻。在原有数字排水的基础上，结合自身现状，向排水信息化过渡和转变，实现新北区排水数据资产、排污实时数据、预警信息、维修养护、巡查地的管理及任务指派等功能，构建常州市新北区排水信息化数据集采集整理、业务处理、挖掘分析、可视化展现等功能于一体的综合管理平台，为全面建设国际化、生态化的滨江新城提供有效的支撑和保障。

3.2 排水管理业务架构

根据常州新北水务的实际情况，将水务业务从系统用户角度划分为内部管理和公共服务两大类，具体架构如图 1 所示。项目建设内容主要包括 1 个数据中心，数据采集和业务管理 2 个平台，数据采集平台和中心可为业务管理平台提供支撑。

图1 新北排水业务架构图

3.2.1 排水数据中心

通过元数据库集合数据资源目录的方式，规定各项数据字段、类型等细节，实现数据的标准化管理，在现有综合库的基础上建设数据仓库，为分析、统计、决策等过程提供数据支撑，形成水务“一张图”（管网、站点），1 个数据中心，2 个业务平台。

3.2.2 数据采集平台

数据采集平台框架如图 2 所示，新北区在水务公司运营过程中涉及 Web、文档、其他数据库、传感器、照片、视频数据等多源数据。其中，Web 数据主要涉及公司网站数据，文档数据涉及日常工作过程中的发文及设备采购，其他数据库数据主要涉及其他部门的水雨情、水位、气象等数据库数据，传感器数据主要涉及泵闸站设备运行参数、液位数据，照片数据主要涉及设备维修、维护过程中产生的数据，视频数据主要涉及视频监控数据。数据采集方式主要包括自动发送、在线和离线填报、移动采集等方式，其中传感器、视频等数据采用自动发送的采集方式，水务相关工作数据采用在线和离线填报 2 种方式，在设备保养维护过程中采用移动端进行相关照片等的数据采集，采用 OCR（光学字符识别）技术对数据源进行扫描录入，减少人工工作量，提高工作效率。

图2 新北水务数据采集平台

3.3 排水总体架构

基于新北水务业务的梳理和分析发现，水位监测井 350 个（包含新增点）和监测点 385 个（包含新增点）的传感器每 5 s 传输 1 次数据，1 d 的数据量约为 80 MB，新北排水数据量较大且存在较多异构数据（传感器、视频等数据），对于一些操作，如爆管位置预测，水泵启闭高度确定，实时计算效率要求较高，因此初步搭建大数据环境下常州市新北排水管理平台总体框架，具体架构如图 3 所示。

图3 常州新北排水管理总体框架

主要包括以下 4 层结构：

1）数据来源。数据来源指的是结构化和非结构化数据，包括 RFID（无线射频识别）、移动终端记录的巡查轨迹的 GPS、网络舆情、传感器、视频监控等的数据。

2）数据操纵。数据操纵是数据分析前的核心步骤，数据分析过程中耗费时间最长的工作是数据清洗工作。从知识领域分，数据可以分为水文、排水、空间、社会经济等数据；从时间分，可以分为离线和实时等数据。从源数据处采集的数据必须经过清洗，规范数据字典，将数据存储在关系型或者非关系型数据库中，最后汇总到服务器中，根据不同的业务需求，提取不同的数据，借助计算框架进行分析，如进行泵站启闭高度预测，爆管位置分析等。

3）知识产生。排水信息化的辅助决策部分需要对积累的数据进行分析及深层次的关联、挖掘，才能找到内部隐藏的规律[4]，主要包含水网结构、排水、洪涝模型、设备故障、水质变化、空间分析、水位预警等规律。这些规律可以通过从数据仓库中调用数据，运用多个分析纬度、多种分析算法进行挖掘，产生可以应用的知识。

4）知识服务。数据最终价值的体现都在知识应用上，通过数据采集、清洗、存储、分析，进而产生对工作效率、决策有帮助的信息。新北排水管理的知识服务主要体现在排水情况监控，水质异常预警，爆管、排水安全、设备故障等分析，以及设备零部件更换预警和管网布控等方面。

3.4 排水网络安全体系建设

系统网络安全问题在系统设计中至关重要，根据《计算机信息安全保护等级划分准则》，以及新北区业务需求，排水管理系统采用计算机系统等级保护二级（审计保护级）进行建设。为保障新北水务业务的正常运作，从以下 2 个体系建设，保障信息安全：

1）网络安全管理体系。从组织机构、人员安全和制度标准 3 个方面进行建设，其中组织机构主要建立一把手抓网络安全工作组织机制，充分调动多个部门协调工作；人员安全主要以培养高素质人才为目标，以岗前培训和继续教育为重点；制度建设主要建立健全标准规范体系，参照国内同行业建设标准，建立健全网络安全标准。

2）网络安全技术体系。网络安全技术体系主要包括物理层和网络层建设，其中物理层主要针对网络设备如机房、路由器等进行建设。网络层方面，鉴于工作人员主要向区政府系统上报数据，访问政务网电子办公系统、外网等，因此将存在相应的访问出口，根据访问目标、策略、信息性质、功能特点等，将网络划分为互联网、电子政务网、水利专网、各区县网络等接入区，以及楼层办公区、应用服务器区、核心交换区、安全运维管理区、数据存储备份区。根据各安全域的特点和要求，分别采用多台一体化安全网关、入侵防御系统、数据库审计安全设备，保证网络和应用的整体安全性。

4 结语

排水信息化是智慧城市建设过程中不可或缺的一个环节，排水信息化的建设是数字化时代的必经之路，也是向智慧排水过渡的关键一步。排水信息化的建设需要有统一的数据标准、安全可靠的信息技术、海量数据的计算分析平台，这样才能提升水务工作效率，促进整个水务领域的发展。本研究尝试在排水管理总体框架的指导下，对排水信息化建设方案进行研究，借助物联网、云计算等技术，构建了排水管理一体化平台，整合数据资源，显著提高了常州新北水务的管理水平，为水务业务从经验驱动到数据驱动的转变提供理论依据。现阶段，虽然已经实现了水务信息化，但是尚需更深层次的研究，探索智慧水务的建设，进一步提高管理和服务水平。