基于物联网大数据分析的雁南湖智慧水务运营管理平台研究

中铁二院工程集团有限责任公司 吴悦菡，梁水明，韩帅，袁焦

自2013年住房城乡建设部办公厅发布关于做好国家智慧城市试点工作的通知以来，根据《国家智慧城市试点暂行管理办法》，已有193个城市（区、镇）成为创建国家智慧城市试点。在住建部与科技部联合第三批智慧城市试点中，特别增加了智慧水务专项试点。智慧水务最早在2014年提出，主要应用于自来水厂的数字化改造以及城市给水管网的渗漏预测。随大数据、物联网、人工智能等现代信息技术对各行各业的覆盖，随着中国新基建概念的提出，数字化与智能化要求越来越高，智慧水务概念的外延逐步扩大到厂网河湖（岸）等系统，如何实现不同子系统模型的构建、数据映射、模型驱动与数据管理成为科技人员急需解决的问题。本文以四川省资阳市雁南湖智慧水务应用实践为例，通过构建一体化智慧水务运营管控平台，结合物联网、水力模型和云计算等新一代信息技术，建立雁南湖水环境时空模型，实现智慧工程、智慧资产、智慧监测、智慧决策和智慧评价方面的应用，为未来智慧水务建设提供经验参考。

一、智慧水务管控系统的特点和问题

（一）智慧水务概述

智慧水务系统涵盖广泛，不仅包括水厂自动化管理、城市排污水处理、水源检测，还包括城市防旱排涝，水务智慧安防等功能，是一种基于大数据、物联网的综合性一体化信息管理平台。

（二）新一代信息技术的支撑

智慧水务管控系统是传感器技术、网络和移动应用与水务信息系统的结合。随着“物联网、云计算、大数据、移动应用”的新一代信息技术的不断发展和应用，为智慧水务建设从技术上提供了足够的保障。

1.物联网

物联网下构建的智慧水务系统是一种利用智能传感设备进行双向数据传输解决水务问题的方式，是智慧水务组成部分的重要环节。智慧水务需要能够更透彻地感应和度量世界的本质和变化。就是把传感器嵌入或装备到水源、供水系统、排污系统中，并且被普遍连接，从而形成物联网，然后采用5G技术将物联网与现有的互联网整合起来，实现政府管理机构、企业和社区与水物理系统的整合。

2.平台架构与移动应用

基于平台化的架构与移动应用技术，智慧水务将更加全面地互联互通，实现互联网的联通、数据的共享，打破信息孤岛。平台是智慧水务的载体，是智慧水务正常运行的基础保障，通过与移动应用技术的结合，支撑智慧水务的高效运行，实现智慧水务业务系统信息共享的通道，使各业务系统协同运行，保证基础数据畅通无阻、业务流程无障碍流转，有效提升业务系统的运行效率，打破企业信息孤岛。

3.大数据与云计算

在宽带化、移动互联网、物联网、社交网络、云计算的催生下，“大数据”成为时下最火热的IT行业的词汇。智慧水务基于大数据和云计算技术，智能融合技术的应用实现对海量数据的存储、计算与分析，并引入综合集成法，通过人的“智慧”参与，大大提升决策支持的能力。从而让所有的事物、流程以及运行方式都具有更深入的智能化，管理机构和企业获得更智能的洞察。

（三）存在问题

智慧水务管理信息平台所涉及的信息，从种类上，包括水文、水质等实时监测信息以及社会经济信息、地理信息、档案资料、电子邮件、办公多媒体等非实时信息；从数据格式上，可以分为数字、文本、图片、影像、声音、视频等类型；从时态性上，又可以将系统数据分为静态数据和动态数据；从数据性质上，又分为在线监测数据、 外部交换数据、基础信息数据（业务属性数据、空间数据、多媒体数据）和业务过程数据。而且随着系统运行将会积累越来越多的历史数据，因此，对数据存储空间的需求很大。

此外，在进行智慧水务系统的设计过程中，应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，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。

二、总体思路

（一）区域概况

资阳市位于四川盆地腹心偏西南，是四川省唯一能把西南地区两个特大城市— —成都和重庆直接相连接的地区，沱江自北而南纵贯地区西部。气候属于中亚热带湿润季风气候。雁南湖位于资阳市城南片区内规划的中国牙谷小镇核心区域。

通过现场调查，雁南湖的主要水源有上游迎接水库排水，降雨，周边雨水径流，周边农村生活污水排放尾水，农田灌溉废水以及在建工地施工废水。目前，雁南湖水质较差，水体浑浊，底部积淤严重，生态基流不足，水体自净能力低，河流生境破碎化，基础设施不完善，信息化程度低。虽现已实施了对雁南湖水环境的系统治理和生态修复工程，雁南湖治理面积约 295 亩，总投资约2.4亿元，采用 EPC 模式，2020 年4月开始施工建设。然而，治理完毕后，后期的长期监测管控和维护也尤为重要。

（二）雁南湖智慧水务管控需求分析

目前，雁南湖周边有大量外源污染排入水体，污染负荷大，水质严重污染。“资阳市雁南湖水环境治理及湿地工程” 建设实施完毕后，水质可逐步达到Ⅲ类水质要求。然而，雁南湖全域没有相关监测系统（如水质、水位、流速、空气质量等），管理单位无法对雁南湖环境情况进行实时掌握。并且缺少统一的智能管理系统，尚未形成标准的业务流程与体系，亟须提升雁南湖信息化程度。

据分析，雁南湖智慧水务综合管理信息系统数据需求主要包括：水质、水速、水位、视频、气象、报警等；河湖自动调水系统数据需求主要包括：湖区水位、水质等；水体智慧检测系统数据需求主要包括：水质、视频等；湖区气象在线监测系统数据需求主要包括风速、风向、雨量等；水域智能安防系统数据需求主要包括视频、报警等；湖区数字化广播系统的数据需求主要包括联动报警等。因此，本项目设计的雁南湖智慧水务管理信息系统主要包括综合信息展示系统（“智慧水务一张图”）、水务数据综合管理系统、水体智慧检测系统、湖区气象在线监测系统、水域智能安防系统、湖区数字化广播系统。

近年来，资阳市正在逐步加快信息化建设步伐，加大信息基础设施投入，积极运用信息技术改造提升传统产业，使得资阳市在信息技术运用、信息产业发展等方面取得了显著成效。在项目建设过程中，充分利用现有信息技术的优势，有效整合和利用资源，并将云运营的理念融入其中，在整体上提升资阳智慧水务建设水平。

（三）智慧水务运营管理平台建构整体思路

雁南湖智慧水务运营管控平台建设研究贯彻总体规划、统筹考虑、突出重点、分步实施的原则，从实际需求出发，紧密围绕水安全提升、水配置提升、水环境提升、水景观提升的切实要求设计系统功能，通过平台式系统化长期有效运行为治理效果的长效保持提供支撑与保障。构建一个能充分体现先进性、可靠性的现代化新型智慧水务管理信息系统。

平台构建流程为：数据采集接入→数据传输→数据库集群存储→数据处理→自动化评估→应急预警决策。具体如下：

（1）全面感知（数据采集）：通过遍布雁南湖关键区域的传感器与智能设备组成物联网，实时对水务信息进行全过程监控与分析，做到变被动为主动、全面感知。

（2）精细化管理（传输储存）：建设智慧水务管理信息系统，构建“智慧水务一张图”，实现水务管理业务的电子化和信息化，提高水务精细化管理水平。

（3）智能决策（评估决策）：深入结合大数据技术，运用数据挖掘、知识发现、专家系统等人工智能技术，为水务管理工作提供决策支持。智慧化决策系统能做到良好的感知、诊断、决策、执行等一系列自动操作，同时可围绕获取数据运用最新算法和智能硬件预测区域水务发展现状、未来发展方向。

三、管控系统建设

（一）总体架构

雁南湖智慧水务管控系统建设是基于物联网和人工智能技术，以水体水质实时自动多样化监测为支撑，全河湖智能安防为辅，以云计算、大数据、物联网技术为依托，支撑大数据分析服务及外部应用，实现各系统平台建设目标。主要包含各个应用平台建设、调度运营中心及数据分析存储等，以及为了保障正常运营所需要的标准体系建设、安全体系建设、运维体系建设等。

前端监测传感器采集的数据通过视频、现场设备设施及相应的感知单元、预警发布设备、气象监测单元等，实时接入网络系统。经中心内部局域网将数据存入数据库后，由智慧水务管控平台对数据进行分析，形成报警、预测预警信息等发布给用户及作为管理者决策依据。同时各管理运营单位可通过专线实现信息共享、数据互通。其中，平台层构建了HDFS大数据储存平台、Spark大数据计算平台、ElasticSearch智慧检索平台，用以存储和调用分析雁南湖水文数据等信息。云计算平台将资源进行整合，为应用层各系统提供显示工具集、分析工具集和业务工具集。

（二）功能设计

基于雁南湖水环境治理总体要求，结合相关规划情况，确定雁南湖智慧水务运营管理系统的建设范围和内容。综合运用物联网、大数据、水力模型、3S等技术构建智慧水务管控系统，对全水域的水源进行远程自动监测，形成水质、水速、水位监测预报以及污染源入侵报警。以数据采集、传输、存储和管理为基础，通过运用成熟的网络通信、数据采集与数据处理等技术手段，建立以数据采集与管理为核心，服务于安防监控、水质资源监测等业务的信息化综合管理平台，实现信息的技术标准化、采集自动化、传输网络化、管理集成化。主要包括：

（1）数据管理系统：包含数据收集和处理中心。数据综合管理系统对其他子系统的数据进行收集和分析。由专门的软件对各子系统的数据（包括水质、水位、图像等数据）进行管理。可实现在计算机、手机、平板电脑等终端设备查看和管理系统数据。

（2）智能水位调节系统：湖区水位的智能调节通过智能补水和智能排水来实现。①智能补水系统，当湖区水位低于设定值时，系统调用补水水源对湖区进行补水。调用之前，对水源部分水质指标设定限值，当满足水质要求时，才会进行补水。补水水量根据当月的降雨量、水源水质以及湖区纳污能力等指标决定。②智能排水系统：当湖区水位高于设定值时，系统启动排水设施将湖区多余湖水进行外排。

（3）环境质量监测系统：包括水环境质量智能监测系统和空气环境质量智能监测系统。①水环境质量智能监测系统通过在采样点布设多参数水质（pH、溶解氧、氨氮、氧化还原电位等）在线监测设备（水质指标监测数据由不同的水质传感器完成）测得数据通过通讯数据传输至管控终端。②空气环境质量智能监测系统通过在采样点布设的空气指标（PM2.5、PM10、SO2等）监测设备测得数据通过通讯数据传输至数据管理系统。

（4）水下环境监测系统：在监测点位布设水下摄像头，将摄像头采集的图像和视频通过通讯设备实时传输至数据综合管理系统，在终端设备上进行实时查看。水下环境监测系统可对沉水植物、鱼类、底栖动物以及水体透明度感官进行实时观测

（5）安防视频监控系统：在水体所在园区的重点位置布设视频监控设备，通过通讯设备将视频图像实时传输至数据综合管理系统。通过对远程监控对象的录制、回放、联动报警、监控策略制定、应急指挥等应用，达到监控与通讯的双重功能。该功能与传统的安防监控系统功能基本一致

（6）湖滨安全预警系统：在滨水带设置沿湖警戒红外线，红外发射设备与报警系统相连，当有人靠近水边接触红外警戒线时，红外设备上的传感器会启动报警系统，喇叭自动播放安全提示语音，同时触动警戒线的位置传输至数据管控中心，由管控中心提示安保人员及时抵达现场，及时劝离或对已经落水的游客展开营救。

（7）综合信息展示系统：综合信息展示系统包括现场数据实时监测、后台正常数据库对比、事件模拟、统计分析、信息传输等功能模块，可以实现监测信息展示、气象信息展示、报警信息展示、视频监控等功能。通过大屏幕终端设备，将水环境数据和图像进行展示和公开，提升游客对环境质量和智能化管理的实时体验，以最直接的方式向公众展示城市生态文明建设的成果。

四、结语

智慧水务是水环境治理中必不可少的一环，对水环境治理成效的长期维护起着不可或缺的作用。本研究智慧水务云平台的建设以信息化体系为核心，充分利用“物联网、云计算、大数据、移动应用”等新一代信息技术，为区域水务管理提供了便利条件，可提高运营管理精细化水平，提高决策能力、管理能力，减少环境事故带来的损失，实现“规、建、集、享、管、维、治”的有效结合。但同时，目前水环境河道流域智慧水务设计尚无相关规范标准支撑，迫切需要根据水环境河道流域的特点制定具有行业指导意义的技术标准、导则，以利于提高智慧水务信息系统建设与应用的整体水平。