长江大保护试点城市智慧水务系统构建探索

孔祥文

（长江生态环保集团有限公司，湖北 武汉 430062）

信息化是推动当今世界快速发展的强大动力，是水务智慧化建设的必要条件[1]。智慧水务系统平台的建设在长江大保护水环境系统治理项目中发挥重要支撑作用，有助于整合试点城市排水信息化资源，为智慧水务运营提供基础支撑；增强城市排水系统的监管能力，为水务业务智慧化管理、一体化运营和科学决策提供快速准确信息；增强城市排水应急的快速反应能力，降低城市内涝风险，为城市排水系统精细化、集约化管理提供技术支撑，保障城市安全[2]。试点城市智慧水务建设是推进长江大保护事业快速发展的助力器，事关长江经济带水环境系统治理建设的大局，具有很强的示范性。

1 建设背景

党的十八大、十九大以来，党中央、国务院高度重视长江经济带的生态环境保护工作，习近平总书记多次作出重要指示，强调推动长江经济带的发展，坚持生态优先、绿色发展，把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护，不搞大开发。为贯彻落实习近平总书记关于推进长江经济带发展系列重要讲话精神，2018 年 1 月 16 日，国家发展改革委员会基础司主持召开长江沿线江西、安徽、湖南、湖北四省污水处理项目协调推进会，明确将九江、芜湖、岳阳、宜昌 4 个长江经济带重要节点城市作为首批试点城市。三峡集团总结提出城镇水环境科学系统治水方案，主要内容为以城镇污水处理为切入点，以摸清本底为基础，以现状问题为导向，以污染物总量控制为依据，以总体规划为龙头，坚持流域统筹、区域协调、系统治理、标本兼治的原则，遵循“一城一策”，突出整体经济效益和规模化经营，通过“厂网河湖岸一体”“泥水并重”、资源能源回收、建设养护全周期等模式开展投资建设和运营，促进城镇污水全收集、收集全处理、处理全达标及综合利用，保障城市水环境质量整体根本改善[3]。

2 建设目标

长江大保护试点城市智慧水务系统建设的总体目标为充分利用已有的信息化基础和业务系统，梳理整合数据资源、应用资源和服务资源，坚持以创新为动力、服务为主线、需求为导向、应用为核心，聚焦“厂网河湖岸一体”的治理模式，通过大数据、物联网、云计算、移动互联、人工智能等新技术的应用，加强智慧化应用与水务业务工作深度融合，建成基础稳固、资源共享、业务畅通、管理高效、具有本地特色的智慧水务管控体系，实现水务系统“全面感知、智能应用、科学决策、综合展示”，全面提升试点城市智慧水务管理决策和服务水平。同时，探索可复制、可推广的长江大保护智慧水务建设管理模式，形成典型示范标杆。

1）感知方面。基于物联网技术，面向管理需求，构建覆盖源、网、站、厂、河湖的一体化在线监测及人工采样检测网络，实现监测数据的自动化采集、实时传输，为应用系统提供准确、快速的数据支撑，形成及时、全面、准确、稳定的智能在线监测体系。

2）智能应用方面。以 BIM + GIS 数据为基础，结合海量动态监测数据，实现对试点城市水务设备设施资产、生产运营等业务的数字化管理，以及对“厂站网”运行绩效、河湖环境、公众满意度等方面的智能化考核。

3）科学决策方面。充分挖掘数据资源，以大数据技术整合海量信息，通过优化算法和数学模型，实现对洪涝、污水冒溢、水环境污染等事件的预报预警，形成科学合理的调度决策体系和快速应急措施，为决策者提供智慧化的决策支撑，提高决策水平和应急处理能力。

4）综合展示方面。能够充分利用各应用系统的信息，结合地图、可视化技术集中提供信息共享和服务，实现面向用户部门、社会公众的多维度和可定制的综合展示体系。

3 信息化现状

当前，试点城市智慧水务信息化现状主要有以下几个方面：

1）排水管理单位众多，没有统一的水资源、水环境、水管理的组织架构。

2）缺乏顶层规划设计、统一管理与协调机制。

3）排水系统基础数据缺失严重，没有有效的资产管理系统，无法全面、细致地掌握排水系统资产情况。

4）资产运维手段落后，无法及时掌握地下管网设施的健康状况，不能快速识别和处理淤积、堵塞、破裂等问题管段。

5）监控体系不健全，信息采集不够完善，数据采集的及时性和可靠性差，不能满足水务业务精细化管理的要求。

6）污水厂、泵站管理运行调度的自动化程度不高，无法及时管控污水厂、泵站、管网的运行状态，缺乏厂站网河湖一体化联合调度能力。

7）信息资源开发利用程度不高，缺乏对数据的深入挖掘，难以满足智慧水务事业发展需求。

4 设计原则

系统整体设计应遵循以下设计原则：

1）统筹规划，统一标准。开展试点城市智慧水务系统平台项目建设，需从“厂网河湖岸一体化”系统治理模式的要求出发，统筹城市水环境顶层规划，明确建设目标，理清系统整体功能和业务范围，充分考虑系统功能的兼容性和扩展性；建立包括数据、网络、应用等标准在内的统一标准体系。

2）资源整合、信息共享。智慧水务项目建设应充分利用现有数据资源和软硬件设备，优化整合水务资产，构建统一的服务支撑平台，实现智慧水务数据采集、监控、网络、数据存储、计算、安全等软硬件基础设施的优化配置，避免重复建设；建立水务与气象、环保等行业的基础地理空间，水文，气象，水环境监测等数据资源信息的共享机制。

3）需求驱动，逐步完善。智慧水务项目不但系统复杂，而且建设周期长。在实施过程中要坚持以实际需求为导向、优先解决当前工作中的迫切需求，统筹安排建设任务，做好近远期建设规划，有序组织，分步推进落实，在建设中逐步完善。

4）制度保障、安全可靠。需要建立相应的规章、制度和机制，并确保这些规章、制度的强力执行，以保障项目建设的稳步推进和系统的高效运行。建立全面的安全保护体系，加强安全组织、管理、教育和培训等方面的制度建设，确保系统的安全稳定运行。

5 总体框架

智慧水务系统平台总体框架的构建既要满足长江大保护水环境系统治理的业务需要，又要充分考虑未来业务扩展的需求。总体框架由分层支持体系和 2 个保障体系共同构成，逻辑架构如图 1 所示。

5.1 智能感知层

智能感知层是智慧水务系统平台的重要数据来源，主要依靠液位、流量、水质、雨量、视频、无人机巡检和卫星遥测等，涉及多种数据监测与感知智能终端和监测设备，主要监测对象包括雨量、管网、雨水直排口、合流制溢流口、排水泵站与排涝泵闸、调蓄池、污水厂、河湖、易涝点、重点排水户等监测，以及视频监控、无人机巡检和卫星遥测等。

5.2 基础设施层

基础设施层为智慧水务系统平台数据存储和应用运行提供支撑，主要包括以下内容：

图 1 智慧水务系统平台总体构架逻辑图

1）网络传输层。将感知层监测设备所采集的数据通过 2G，3G，4G，5G，NB-IoT，LoRa 和运营商网络等传输方式传输到数据库，为系统应用提供数据支撑。

2）物联网统一接入层。主要包括设备安全接入、感知设备生命周期管理、数据保护和信息安全、数据路由规则、设备维护等，能够屏蔽终端接入协议的差异性，以统一的格式或 API 将数据向上开放，实现各类数据的融合。

3）硬件基础设施。主要包括服务器、防火墙和安全网关、存储设备、电源设备、显示及运行环境等，硬件设施的设计和建设应考虑兼容性和扩充性。

4）软件基础设施。主要包括操作系统、数据库、搜索引擎和大数据，机器学习，GIS，BIM 等平台，以及分布式缓存、消息队列、文件系统等应用开发框架及软件平台。

5.3 服务支撑层

服务支撑层采用中台架构，能够有效整合资源，快速扩展业务，支撑多种业务形态，集合整个系统数据、技术能力，实现业务服务化、数据化，对各业务应用形成强力支撑。服务支撑层由技术、数据和业务等中台构成，其中，技术中台为数据和业务中台及提供技术支撑；业务中台承载业务应用中所有的通用业务，将全部业务数据化；数据中台基于数据支撑业务，将一切数据业务化。它们的关系如图 2 所示。技术中台将各应用中通用的技术能力提炼沉淀而形成，如用户、权限、流程、API 治理等，主要由底层研发平台（脚手架项目、代码仓库、构建仓库、镜像仓库、监测告警和服务治理等）和大数据平台（数据采集、存储、处理、分析）构成，是支撑服务层的技术基础。数据中台主要包括 BIM + GIS、监测、业务、决策支持、绩效考核和外部等数据。数据中台把沉淀下来的数据，用统一口径统一标准进行一次加工，形成可复用的业务数据和数据服务，在各种数据基础上，通过数据资源管理系统，实现元数据、数据目录、系统等管理功能，并通过元数据及资源目录管理功能实现元数据和资源目录树的构建，为评估、管理、决策等过程提供数据支撑[4]。业务中台能够把可复用的业务应用能力沉淀下来，为上层应用提供统一的标准的服务，通过这些服务沉淀数据。主要包括监测预警、排水管理、决策支持、绩效考核等服务，以及单点登录、用户中心和权限中心等，为智慧应用提供业务服务基础。

图 2 技术中台、数据中台和业务中台的关系

5.4 业务应用层

业务应用层基于数据和业务中台为智慧水务管理提供专业的业务应用服务，主要分为以下几个系统：1）基础应用系统。主要包括资产、排水户、管网、闸泵、污水厂、河湖等管理及监测告警。2）决策支持系统。主要包括厂网一体化联合调度、洪涝预警预报、水环境管控、防汛应急调度、绩效考核等。3）公众服务系统。主要包括大屏综合展示系统、门户网站、公众服务平台、App、微信公众号等。

5.5 交互展示层

交互展示层是智慧水务系统的对外通道，与业务应用层进行直接的数据和控制的交互，能够在大屏端、PC 端和移动端等设备上展示业务系统功能并进行远程操控[5]。

5.6 标准规范体系

标准规范体系是支撑智慧水务建设和持续运行的基础，能够保证项目建设效率，优化成本控制，加强应用协同和资源共享。

5.7 安全保障体系

安全保障体系是系统安全运行的基础，能够提高智慧水务系统抗风险、防入侵的能力，保障系统运营的数据和通信安全。

6 建设内容

根据长江大保护试点城市信息化发展现状和智慧水务系统平台总体设计框架，智慧水务平台的主要建设内容可以概括为“3 + 2 +N”，即 3 个“一”（一张智能感知网、一个服务支撑中台、一张综合展示图），2 个体系（标准规范和安全保障体系）和N个应用（监测预警、排水管理、决策支撑、绩效考核、公众服务等应用）。

6.1 一张智能感知网建设

感知是信息的源头，是智慧水务的数据基础。智能感知网的建设主要依靠液位、流量、水质、雨量、视频、无人机巡检和卫星遥测等在线监测设备及人工采样检测分析设备，对水雨情、重点排水户、排水管网、泵站、闸门、调蓄池、排口、污水厂和河湖进行实时监测，并及时发现隐藏排污口，从而构建覆盖源、网、站、厂、河、湖的空天地一体化实时在线监测网络，建立完善的信息采集机制，形成试点城市智慧水务智能感知网。

6.2 一个服务支撑中台建设

服务支撑中台基于微服务框架和中台技术进行资源整合和应用沉淀，打破信息孤岛，实现水务信息完全共享共用，为业务应用体系的智慧运作提供技术、数据资源和能力的支持，主要包括数据中台和业务中台建设。

6.2.1 数据中台

数据中台主要以大数据、云计算、AI 算法等技术手段为基础，通过物联网、互联网等手段，依托 GIS 平台集中管理和储存从大数据平台和业务中台采集的海量静态和动态数据（主要包括基础地理信息、排水管网、泵站和污水处理厂运行、气象、水环境、规划设计等数据），通过对数据进行加工整理、清洗、抽取、转换、融合，建立 BIM + GIS、监测、业务、决策支持、绩效考核和外部等数据集，为业务中台和业务应用提供强大、可靠的大数据支撑。

6.2.2 业务中台

业务中台结合数据中台传输的数据，依托技术中台中的水文、水动力及水质模型、优化算法和技术服务，围绕“水安全、水资源、水环境、水生态”四大领域业务内容，沉淀出能够快速部署应用的监测预警、排水管理、决策支持、绩效考核等智慧水务专属应用，以及单点登录、用户中心、授权中心等通用服务，为具有本地化特点的业务应用体系建设提供强有力的支持。

1）监测预警。通过分析排水系统和河湖的实时监控数据，及时发现系统运行中的异常情况和突发事件，提前预警并快速进行事故溯源、追踪。在各关键和事故易发节点设置液位、水质等监测阈值指标，在达到阈值时发出警报。

2）排水管理系统。排水管理系统以 BIM + GIS数据为基础，结合业务数据，能够提高生产管理人员对水务资产管理的精细化管理和运维水平、规范生产管理流程、优化运营调度。排水管理系统有助于充分发挥水务设施效益，延长设施的使用寿命，实现精细化管理，提升运营效率，保证水务设施的正常高效运行。排水管理系统主要包括资产、排水户、管网、闸泵、污水厂、河湖等管理及监测告警。

3）决策支持系统。决策支持系统基于大数据分析、优化算法和水文、水动力与水质模型，进行实时分析与模拟，实现预警预报、在线调度和应急处理。有助于提高管理人员面对突发事故应急处理和指挥协作能力。决策支持系统主要包括厂网一体化联合调度、洪涝预警预报、水环境趋势预警、防汛应急调度等。

4）绩效考核系统。绩效考核系统根据基础资产信息和采集的监测和运行数据，利用统计分析、模型模拟、综合比对等方法，编制绩效考核评估规则，实现对水环境系统治理项目各项考核指标的自动评估，并通过图表、报表等多种展示方式进行评价指标的对比分析和展示，主要包括资产管理绩效、厂站运营绩效、管网运行、河湖水环境、群众满意度评估等考核。

6.3 一张图综合展示系统建设

将智慧水务数据中台及业务中台的数据和服务，集成到统一的地图上，实现多维度、多层次、多角度、全方位地展示与监管城市排水系统及水环境情况，形成试点城市智慧水务一张图综合展示系统，使所有相关职能部门能够在统一的平台上动态及时地共享信息资源，并通过大屏、电脑端及移动端设备进行展示和预警，更好地为智慧运营、管理和决策服务，主要包括智能感知、排水管网、河湖监管、雨情预报监测、巡检运维、防汛排涝预警、应急预警、污染源应急等一张图展示系统。

6.4 标准规范体系建设

应在国家、行业相关标准的基础上，结合智慧水务信息化需求的实际情况，建立具有长江大保护智慧水务特色的信息化技术标准体系；确保智慧水务信息化建设按照统一的数据组织标准、数据格式、命名规则和统计口径等进行，为数据整合建库提供指导和依据，为数据中台的共享应用、集约服务提供技术指导，实现统一标准、规范实施。

6.5 安全保障体系建设

应在国家相关法律法规指导下，结合智慧水务系统建设顶层规划、具体建设目标和内容，建设覆盖智慧水务系统平台各层级的全方位安全保障体系，制定安全制度、安全技术、安全管理、安全运营等安全策略，为智慧水务系统的建设、可靠和高效运行提供强有力的保障。

6.6 N 个业务应用体系建设

智慧水务应用体系基于数据和业务中台，结合本地智慧水务业务特点，从试点城市业务管理的实际需求出发，建设满足本地智慧水务业务精细化和集约化管理的监测预警、排水管理、决策支撑、绩效考核、公众服务等业务应用体系，为水务各级管理单位提供专业的智慧应用服务，以及与公众的互动。

7 结语

长江大保护智慧水务项目的建设，要充分认识长江沿线城市水务信息化基础设施十分薄弱的现状，在切实做好水务要素数字化，运营信息数据化的基础上，从各城市水环境综合治理的实际需求出发，探索智慧水务系统建设的“新技术、新标准、新规范”，脚踏实地，循序渐进，逐步由信息化向智慧化稳步推进，通过建设过程的工作总结，提炼可复制、推广的智慧水务建设新模式。