关于流域物联网及智慧水务系统探讨

袁峰，叶莹

（1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司；2.湖北省水利水电职业技术学院）

1 引言

依托于物联网监测、通信、远程控制等技术的“全流域联动联调智能动态管理”理念，是针对近年来城市水环境系统日益复杂的运维与管理需求，而提出的全新解决方案，亦即“物联网+智慧水务”系统。系统能够通过对整个流域内的各水务要素，包括河道、污水厂、污水泵站、排涝泵站、闸站、调蓄设施、管网、监测站点等的全面监测、实时管理和联控联调，并借助于外部气象预报数据等，实现全流域的水量管理、水质管理、内涝防控和设施维护的精细化、科学化、动态化管理，减少合流制溢流及其对城市和自然环境的影响，实现全流域尺度下的水安全、水环境目标。

2 项目简介

某市两河水环境综合治理，工程范围覆盖两河明渠及上游暗涵，同时包括河道沿岸排水管网，以及运维与考核的所有新建及原有设施。以“全流域联动联调智能动态管理”理念作为指导的智慧水务系统，着眼于实际需求，运用物联网技术作为载体，开发智慧水务应用系统，开展全流域水环境智能动态管理工作。

3 方案设计

3.1 设计原则及标准

流域物联网与智慧水务系统是一项跨学科、多领域工程项目，规模庞大、结构复杂、功能众多、技术难度大，涉及软件系统开发、数据库建设、自动控制、通信、电子设备等多个子项目工程，且不同子项目工程相互关联，具有很高的专业特殊性。在设计与建设过程中，需要严格符合以下原则要求。

1）合法合规

流域物联网与智慧水务系统的设计、建设、运营应当符合法律、法规要求，遵循规范、标准指导，满足国家及工信部对环境物联网、终端设备、核心处理器、网络协议的使用规定，同时满足国家相关设计规范、设计标准。

2）功能全面

依照项目整体目标要求，流域物联网与智慧水务系统具备不同层级的功能需求。

3）运行可靠

从硬件设备、软件系统等方面，保证系统运行可靠。

4）系统兼容

系统内的硬件设备、软件系统均应符合国际以及行业标准通讯协议，实现系统内信息传达的顺畅；监控中心、主控系统和链路系统在设计过程中应考虑未来系统服务范围扩大、监测点位增多、软硬件设备升级与更换的可行性和便捷性。

5）实时高效

项目运营过程中，水安全、水环境等目标极易受到极端降雨、突发环境事件的冲击与影响，智慧水务系统需要具备实时、快速的反应能力，包括实时运算功能、提前预知功能（例如将要到来的降雨以及可能导致的污染）、预警生成与发布功能，以及一定权限范围内的智能控制功能。

6）运行简易

考虑到运营维护的简易性、经济性，在不影响系统性能的前提下，所需软硬件应尽量采用成套化、模块化、标准化设备，便于维修、更换、升级。

7）安全稳定

硬件设计建设需要符合相关防尘、防水、防爆标准，保障设备耐受性与可靠性；软件设计建设需要经过严格的安全与故障测试，相关软件选择需要达到国际最先进水平。

8）内外兼顾

流域物联网与智慧水务系统既能满足于两河水环境综合治理工程的需要，又能够兼容项目外信息接入；既能够分析考核项目运行绩效，又具备监控外部因素，查找项目外原因对运维质量影响的能力。

3.2 技术架构

两河水环境综合治理具有多目标、多维度的特征，项目的设计与建设具有一定的复杂性。目标涉及水环境、水资源与水安全等多重目标；生命周期涉及设计部门、建设部门、运营部门等多个部门；空间尺度涉及项目、地块、汇水区、流域等不同范围。基于水环境综合治理的复杂性，需从水务系统的整体考虑，以智慧化的理念对全系统实现联动联调，提升系统运行管理效率。

流域物联网与智慧水务系统的整体架构以河道水环境治理整体架构为基础。考虑系统的多目标与复杂性，架构设计既需要符合当前水环境治理的基本需要，同时也要满足未来水务扩展需要。其核心理念指运用新一代信息技术，通过智能设备实时感知水环境状态，采集水务信息，并基于统一融合的公共管理平台，将海量信息及时分析与处理，并利用模型对未来水环境状态预测预警，辅助进行决策支持，以更加精细、动态的方式管理黄孝河、机场河全流域的水资源调度、水环境监测、系统管理和服务流程，并辅助决策，以提升城市水务管理与服务水平。

流域物联网与智慧水务系统由八层应用支持体系、两大运行保障体系共同构成，其中应用支持体系包括基础数据资料层级、监测数据采集传输层级、专项数据库层级、网络与硬件设施层级、应用软件支撑层级、模型与算法层级、自控指令下达层级、业务应用层级；保障体系包括信息安全体系和标准规范体系。

1）基础数据资料层级

基础数据资料是指两河汇水区范围内与项目建设、运行相关的自然、人工要素，包括地理要素、水文要素、设施要素等。校核工程范围内所有的河道、泵、闸等数据，并通过外业踏勘核实数据，对没有基础数据的资料，按照标准进行数字化建模。基础数据资料是项目整体数据库的重要组成部分，是项目设计、建设、运营的基础，也将列入流域物联网与智慧水务系统专项数据库的设计建设内容。

2）实时监测信息采集与传输层级

实时监测信息采集与传输层级在流域物联网与智慧水务系统中用于采集、传输各类监测与监控信息。主要包括两河主要断面、主要排口、闸坝、泵站、CSO调蓄设施、污水处理厂等重要环节的水文、水质监测，采集数据用于构建水力、水质模型，同时用于动态监测体系的构建。

3）专业数据库层级

专项数据库基于流域物联网与智慧水务系统特殊性要求定制开发，满足水环境类项目治理目标需求。包括基础支持数据库，数据服务平台，对全流域的基础空间地理信息、前期基础数据整理入库，气象、水文、水质监测数据整理存储。

4）计算机网络与硬件设施层级

硬件设施为流域物联网与智慧水务系统提供基础的硬件支撑环境，包括支撑各类应用运行和各类数据存储的服务器、存储、备份、显示及会商环境等。硬件设施的设计和建设，根据业务应用的需求进行建设或在已有硬件设施之上进行扩充。

计算机网络主要用于服务器与各设备终端、各管理用户、公众进行信息交互的载体渠道。根据智慧水务系统的应用范围、重要性和安全性要求，计算机网络系统需要采取一定保密措施与因特网进行隔离[1]。

5）基础应用软件支撑层级

提供统一的技术架构和运行环境，为流域物联网与智慧水务系统提供通用应用服务和集成服务，为资源整合和信息共享提供运行平台。主要由商用支撑软件和开发类通用支撑软件共同组成。

6）模型与算法层级

模型与算法是流域物联网与智慧水务系统分析与决策的核心。利用基础数据资料以及监测数据，模型能够对水环境系统现状进行模拟，同时对未来做出预测。系统采用不同的算法，对管理考核指标进行计算评估，并在不同优先级以及预设目标的前提之下，生成用于动态调控的运行指令。

7）业务应用层级

业务应用是流域物联网与智慧水务系统功能的集中展现，包含监测与监控数据展示处理、模拟预测展示输出、预警发布、全流域优化管理调度、信息发布、公众服务等业务应用功能，可实现多系统信息联动，同时也承担与用户交互的功能。

8）自控指令下达层级

自控指令的下达实施，是“智慧化”的最直接体现。指令的审核、传输、下达实施需要经过安全可靠的链路保障实施，通过多系统联动联调，在预测预警的基础上，实现在异常事件下的全流域泵站、闸门、调蓄池等设施的整体调动、自动响应。

9）标准规范体系

标准规范体系是支撑智慧水务系统设计、建设和运行的基础，是实现应用协同和信息共享的需要，是节省项目建设成本、提高项目建设效率的需要，也是系统不断扩充、持续改进和版本升级的需要。

10）安全保障体系

安全保障体系是保障系统安全应用的基础，包括物理安全、网络安全、信息安全及安全管理等（见图1）。

图1 智慧水务设计网络架构

4 结语

在进行城市智慧水务系统设计的过程中，应坚持以实用、安全为前提，选用国际先进、成熟、可靠、适应水务行业管理特点的信息技术手段，体现两河水环境管理差异化需求，同时保证信息系统的开放性、兼容性、可扩展性和可操作性。既满足行业管理和安全保密的自身需要，又要满足政务公开、公共服务的社会需求。在信息化建设时，选取的硬件、软件具有适度的前瞻性，建立切实可行的数据更新维护机制，保证数据的有效性和可靠性[2]。

同时应保证，统一数据标准、网络标准和应用标准，形成决策层、调度层、操作层之间相互衔接的标准体系。认真分析和梳理不同管理层次、不同业务部门的数据资源、通讯和计算机网络资源、应用系统资源，在全面规划、统一标准的基础上进行整合。满足政府以及业主各部门、各单位的合理需求，按照共享和交换标准实现分层共享。避免条块分割、信息孤岛和重复建设，并保证数据的准确性、完整性、系统性[3]。