县域水务轻量化微服务智慧管理平台框架研究

王文佳 ，王忠静

（1. 清华大学水利水电工程系，北京 100084； 2. 北京奥特美克科技股份有限公司，北京 100193；3. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

0 引言

近年来，随着智慧“一切”的风生水起，智慧水务的研究与实践也层出不穷，亚洲智慧水务研究更是发展迅速，大量的有组织的智慧水务研究计划不断推出。如韩国的智慧水管理（SWMI）和智慧水城市（SWC）计划[1-2]，我国的智慧水利试点和规划[3-4]。欧盟为促进水行业数字化创新，通过“第七框架计划”（FP7）（2007—2013年）和“地平线 2020”计划（Horizon 2020）（2014—2020 年）资助了大量水领域 ICT（信息通信和技术）研究应用和技术协作项目[5]。

经过“十五”“十一五”和“十二五”期间的大规模建设与发展，我国中央-流域-省三级水利信息化骨干框架基本形成，开始步入智慧水利新阶段。为探索智慧水利的实现途径，“十二五”期间有学者提出以水联网体系架构实现智慧水利的技术路径，并建议研究与示范同步推进，加快探索[6]。“十三五”末，水利部要求全国各省区编制“十四五”智慧水利规划。

县区作为水资源管理体制的最基层，水利信息化建设成果有限，智慧化程度更是滞后，严重制约着县域水务管理水平。随着物联网、大数据、云计算和人工智能技术的逐步成熟及在水务行业的应用，县域水务有望借助水利信息化的建设实现水务管理水平的跨越式提升。微服务架构概念的提出和广泛应用，使得开发敏捷、快速迭代的县域轻量化智慧管理平台成为可能。

1 县域水务系统分析

1.1 县域水务业务关联系统

县域水务系统是指在县级行政区划范围内的，涵盖县城、乡镇和村庄的，水资源、防洪、水源、供水、用水、节水、排水、污水处理与回用，以及农村水利、水土保持和农村水电等涉水业务的复杂系统。目前国内外针对水务系统的研究和应用较多集中在城市水务系统方面[7]，对于农村水务（或基层水务）及城乡一体化管理改革后的县域水务等系统的研究成果相对较少[8]。

就水务本身而言，其业务范围已有基本共识[9]。县域水务系统基本结构由“水源—取水—用水/节水—排水—污水处理及回用”内循环和“降水—入渗—蒸发—产流—汇流—外界水体流入/流出—水环境”外循环嵌套而成，具体结构关联如图1 所示。根据水务子系统间的相互独立性及现有管理体制的职能划分，对整个水务系统进行业务结构划分，划分为防汛抗旱、水资源、水利工程、城乡一体化供水、用水节水、城乡一体化排水等的管理及水生态环境保护等 7 个子系统。

图1 县域水务业务结构关联图

1.2 县域水务用户关联系统

县域智慧水务是一个系统工程，涉及到水务行政监管服务机构、经营服务主体、客户及社会监督群体多个利益相关方。县级水行政监管服务主体为县级水务局、乡镇水利站、农民用水者协会及最基层的农村水管员，共同构成基层水管组织[10]。县域水务的经营服务主体以事业单位或国有企业为主，以特许经营为主导模式，包括水库、灌区、引调水等工程管理机构，以及县区级、乡镇级、村组级及分散式等不同级别和规模的，自来水厂、污水处理厂、再生水厂等供排水设施运营和服务机构[11]。县域水务的客户群体包括取水户、用水户、排水户等多种类型；社会监督群体主要为社会公众，社会公众监督和参与范围主要在防汛抗旱、江河湖泊保护、水资源综合管理、水利工程管理及突发事件防范等方面[12]。县域水务用户构成关系如图2 所示。

图2 县域水务用户构成关联图

1.3 县域水务业务协作系统

县域水务部门作为水务最基层的管理单元，在日常业务开展过程中与上级水行政主管部门，同级的应急管理、住房与城乡建设、生态环境及国土资源等部门有着密切的合作。以防汛抗旱业务为例，我国的防汛抗洪抗旱工作实行各级行政首长负责制，县级以上人民政府设立防汛抗旱指挥部，在上级防汛抗旱指挥部和县级人民政府领导下，执行上级防汛指令，并制定各项防汛抗旱措施，具体协作关联如图3 所示。县级水行政主管部门作为县级防汛抗旱指挥部的成员单位，负责水文检测、洪旱预报、防汛抗旱设施及其信息化建设等工作，需与县应急管理局、住房与城乡建设局、环境保护局等单位密切协作。县域水务业务协作系统是指县级水行政主管部门内部各部门之间，与上级水行政主管部门，以及同级应急管理、生态环境、住房与城乡建设、国土资源等部门之间的协作系统。

图3 县域水务业务协作关联图（以防汛抗旱业务为例）

2 县域水务智慧管理平台架构

2.1 总体架构

县域水务智慧管理平台框架设计立足于县域地区发展实际，通过梳理县域水务行业利益相关方及管理平台的潜在用户和水务系统业务流程，提出打造一个以解决县域地区水务管理核心需求为主要目标，以核心业务功能模块为基础，以专业模型及数值算法为内核，以个性化、可定制化模块为扩展的县域水务智慧管理平台，从而提高行业服务能力和整体服务质量，助力县域水务管理降本、增效、提质，总体架构如图4 所示。

图4 县域水务智慧管理平台总体架构

县域水务智慧管理平台要集成已建涉水信息系统，充分整合在建涉水信息系统，汇聚信息采集系统，并预留接口实现与上级省、市信息系统的数据交换和业务系统接口，向上级涉水信息系统提交汇总各类信息，并获取上级信息系统下发的相关规划计划、模型分析及预测成果等信息。在市县水务一体化改革实施较为良好、信息化发展水平较高的地区，还可依托市县级信息系统数据中心、云支撑平台、业务模型算法、综合管理平台及信息安全保障体系等，定制开发符合县域范围内城乡水务业务个性化需求的信息平台。

2.2 微服务平台架构

为避免县域水务信息化建设过程中的重复开发和投资，减轻地方政府信息化建设中的财政负担，因此提出对水务系统各业务流程及功能性需求进行分解，提取合并不同业务系统间相同的功能性需求形成业务微服务群，基于微服务架构搭建统一的应用支撑平台，构建各业务系统可共用的应用组件，实现跨系统的数据、流程与业务协同。

微服务概念最早于 2012 年由 Martin Fowler 提出，近年来随着互联网业务规模的快速增长和变更迭代速度的不断加快，以及 Docker 容器技术和DevOps 开发测试和部署运维的一体化技术的逐渐成熟，微服务架构得到越来越广泛的应用。微服务架构将系统解构为松耦合、粗粒度、可被发现的多个独立的分布式服务，每个服务专注于自己的特定功能，不同服务相互协作可实现系统所有功能，从而提高服务的高可复用性、扩展性和可用性。采用微服务架构能够实现从重要到次要，从中心到边缘的开发次序，有效降低由于部分需求变动对整个系统的影响，从而控制整体风险[13]。

县域水务微服务平台架构如图5 所示，应用支撑平台微服务群可分为公共和业务两大类微服务群。公共微服务群是通过将业务系统中通用的、共性的技术与类同需求进行提炼与抽象形成的，包括用户管理、数据访问、单点登录，以及消息、日志、目录、地图等服务。业务微服务群是通过对业务系统间通用的功能性需求进行提炼形成的，主要有以下几类：

图5 县域水务微服务平台架构

1）信息管理微服务。支持对水行政主管部门、涉水企事业单位等业务主体，江河湖泊等自然对象，水库、大坝和泵站等工程设施，以及各类管理范围、单元和对象，进行增加、删除、修订、查询等操作，是各业务系统正常运转和统计分析的基础。

2）信息感知微服务。支持水文气象、河湖水质、地下水情、土壤墒情、工情、管网流量压力等各类监测数据的查看展示，监测数据审核，实时监测数据地图输出，监测设备管理，设备状态监控，以及操作日志管理等功能，可简单配置在各业务系统中实现数据采集、实时感知和信息服务等。

3）报警管理微服务。支持包括 RTU 工况、数据异常、监测数据、业务类、突发事件等多种报警类型，以及报警设置、查询和处理等功能。

4）巡检养护微服务。具备巡检养护总览、计划制定、配置，以及查询统计、工单管理、问题上报和巡检记录等功能，能够为水利工程、河湖、供排水设施的巡查提供支撑。

5）综合分析微服务。包括特征描述、趋势分析等时间统计分析，多站/多要素对比分析，空间查询与量算和矢量/栅格数据分析，以及统计报表辅助编制等功能。

此外，还有设备资产、物资、值班、预案管理等多种微服务，可为防汛抗旱业务及水利工程和供排水管理中的应急抢险提供支撑。

本研究拟以主流的 Spring Cloud 作为平台开发的微服务应用框架，简化微服务架构模型的基础设施组件开发，降低开发成本。采用 Docker 容器进行微服务的封装和云化部署，在共享虚拟化操作系统的同时实现应用进程间的资源隔离；通过 Eureka（服务发现框架）实现服务注册、发现和状态同步，避免服务之间的直接调用；使用 Ribbon 界面为客户端提供负载均衡服务，将用户请求平摊分配至多个服务商，保证系统的高可用性；通过统一提供基于 HTTP 机制的 RESTful API 实现微服务之间的通信和交互。

3 县域水务轻量智慧构建

基于水务系统划分、用户及业务协作分析，按照开发难度及策略将县域水务应用系统划分为核心业务、智慧增强及个性化可定制等 3 个模块。

3.1 核心业务模块

核心业务模块是县域智慧水务平台建设的基础和现阶段建设重点，按照业务系统面向对象及专业程度差异，可划分为以下 3 个服务平台：

1）政务服务平台。包括轻量版的办公 OA 系统，以及行政审批、监察和征收 4 个主要板块。办公 OA 系统实现公文、流程和表单的管理，以及基于知识中心的信息共享；行政审批实现取水、河道采砂、入河排污口设置许可等县域水行政主管部门对外审批的 10 余项日常审批业务的线上审批和办理，以及结果发布的网格化管理；行政监察支持涉河监管、水政巡查、投诉举报管理、水事案件管理、督查管理，以及协同执法等水法规范围内的职权行使；行政征收实现县级水行政主管部门负责的水资源费、水土保持补偿费、污水处理费等事项征收标准的维护管理，征收计量和费用结算等功能。

2）业务服务平台。“1 + 7 + 1”业务服务平台包括 1 个信息服务平台，防汛抗旱、水资源、水利工程、城乡供水、用水节水、城乡排水等的管理及水生态环境保护等 7 个核心业务服务模块，以及 1 个应急会商与决策指挥平台。信息服务平台为核心业务服务模块提供数据分类聚合和可视化表达，应急会商与决策指挥平台为跨业务会商演示、讨论及决策执行落实提供支撑。

3）公共服务平台。按照信息一览无余、公开透明、及时推送，水务公众认知、产品推广及政民互动，划分为水务公众地图、信息发布平台、预警预报推送、科普宣传服务、产品技术推广及政民互动 6 个板块。

3.2 智慧增强模块

智慧增强模块是县域水务平台的大脑，是以智慧化手段推动水务行业转型升级和产业增值的关键所在，分为以下 3 个层次：

1）水务感知智慧增强。通过使用感知范围更广、精度更高、间隔和时延更短的手段及终端，如卫星、雷达等遥感监测手段，无人机、无人船、机器人等无人探测手段，低功耗、高精度的智能感知终端等，获取更高时空分辨率、更大范围及更多种类的信息。

2）水务管理智慧增强。水务管理智慧增强涵盖从感知数据分析、预测预报、综合评估评价、情景模拟仿真、辅助决策、调度指挥到监督考核的整个流程。具体分析如下：a. 感知数据分析，是水务管理智慧的基础，通过先进的数据挖掘算法对雨水情、工情和供排水管网等设施进行现状分析，为未来雨水情的预测和设施的预防性维护提供支撑；b. 预测预报，包括采用专业的水文水动力、水质、地下水、水工程等数值机理模型，以及基于大数据挖掘模型和指标分析方法进行来水量、需水量、排水量、污水量情况等预测；c. 综合评估评价，包括水资源、水资源开发利用、河湖生态健康等评价，以及洪旱灾害风险、供排水设施健康和水利工程安全等评估；d. 情景模拟仿真和辅助决策，基于数据可视化手段，实现对不同情景下的模拟预测结果进行全方位展示和分析，辅助决策者分析利弊，掌握全局；e. 调度指挥，通过对调度要素的实时掌握、规则的数字化及目标的管理，实现调度方案优化及实施过程全局指挥，提升日常和应急等调度指挥水平；f. 监督考核，基于业务管理过程中全方位、全过程的记录跟踪，实现对单位和个人在业务管理过程和目标的自动化、智能化、数字化考核。

3）水务经营智慧增强。包括供排水管网、区域漏损数据、区域产销差、供水管网/排水管网/污水处理厂/泵站运行和能耗等分析。

3.3 个性化定制模块

个性化定制模块针对不同县域地区水务行业特征和管理需求针对性开发定制：如具备水权交易条件的地区，可定制水权交易平台；正在开展涉水专项整治行动的，如黑臭水体治理，可定制行动专题；需要监管大型重要涉水项目的，可定制开发重点项目监管模块。还可根据东北节水增粮、西北节水增效、华北节水压采、南方节水减排的战略，为不同区划县域地区进行个性化节水模块定制。

4 结语

建立县域智慧水务平台可取得如下成效：能够及时、准确、全面地掌握雨水情信息和水工程运行状况，是实现县域地区水资源动态计划用水、科学管水、优化配水的重要途径；能够有效改善历史洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化等对当地居民的生产和生活造成的负面影响，最大程度地降低灾害损失和洪旱灾害管理成本；能够实时、全面掌握城乡集中和分散供排水工程和设施运行情况及运营人员相关信息，切实保障城乡居民的饮水用水安全，极大改善乡镇和农村的人居环境，有效遏制违规排水排污事件；能够通过精准计量和自动化抄表收费，提高城乡居民节约用水意识，减少水资源损失和浪费，提高水资源的利用效益，从而以水资源的可持续利用支撑县级地区经济社会的可持续发展。采用基于微服务架构的信息平台开发策略，能够通过抽取不同业务应用共性需求形成微服务群，减少重复开发，降低智慧水务开发成本；微服务独立部署、松散耦合、技术隔离、易于扩展的优势，可为智慧水务应用系统分步建设策略提供有效支撑，缓解和分散财政压力，同时能对需求快速响应，大幅缩短交付周期。此外，随着新一代 ICT 的创新变革，能够对信息系统不断进行迭代更新，不断提升平台生命力。但当前基于微服务架构的智慧水务信息平台尚处于研究和前期开发阶段，尚难以对其在开发和应用实践中的效益进行定量评价。

县级作为行政金字塔底端，合署、联合办公是常态，一个小机构常常需要对接上级多个部门，开展智慧水务建设的需求十分迫切。县域地区智慧水务建设须统筹城市和农村的发展，满足县乡村三级水行政主管服务人员、水务公司、取/用/排水户的信息和业务需求，可复制，推广，借鉴。建设中可考虑以下原则：

1）立足实际，适当超前。县域智慧水务建设和发展应立足当前，紧密结合业务需求和实际水平，不盲目追求“高大上”；同时，应充分考虑信息技术的快速发展，通过信息化和智慧化发展引领业务发展，加强队伍建设和人才培养，提升水务行业管理水平。

2）划分主次，分步实施。县域水务覆盖面广，内容繁杂，涉及县乡村三级行业监管服务机构及多种类型服务对象，各方对于智慧水务建设的需求不一。应充分细致分解不同主体对智慧水务建设的数据和公共需求，剖析聚焦核心问题和需要构建的核心功能，分歩推动智慧水务建设。

3）集约整合，轻装简行。县域智慧水务建设应当整合利用水务信息化建设基础，充分利用省市及县级智慧城市已有或规划建设的信息化基础设施，避免设施滥建，降低智慧水务建设成本，减轻智慧水务建设压力。

4）以人为本，服务至上。县域智慧水务平台直接面向基层、群众，应当以建设让人民群众满意、为人民群众服务的信息平台为宗旨，在信息平台的规划设计、业务流程梳理、功能设计方面不断清晰化和简单化，使用户能用，易用，会用，爱用。