水库型生活用水水源地供水工程信息化建设方案研究

徐小平 ，王 璐 ，丁 乾

（1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210022；2.南京市三汊河河口闸管理处，江苏 南京 210036；3.南京市滁河河道管理处，江苏 南京 210048）

0 引言

生活用水水源地（以下简称水源地）是保障饮水安全的源头，水源地管理与保护是污染防治攻坚战的核心任务之一。江苏省以保障水源地安全为主线，大力加强水源地保护，着力解决水源地安全方面存在的突出问题。随着社会经济的发展及人口的增加，因污染物、自然灾害、生产事故、交通运输等因素造成的水源地突发环境事件层出不穷，如2017 年 5 月，陕西省汉中市发生嘉陵江铊污染事件；2017 年 8 月，媒体曝光了仪征长江水源地的污染隐患问题等[1]。在物联网、大数据等新技术的带动下，各行各业都朝着智能化、智慧化方向发展，这为水源地安全发展提供了思路，急需构建科学合理的水源地智慧化监管支撑体系，加强水源地的监测监控、预警预测与应急处理能力，实现水源地监控预警和动态管理，为生活用水安全保障工作提供技术支撑[2]90。

针对江苏某城区主要供水水厂均以长江为水源，供水水源单一，无备用水源，而且当前应急供水量为 16.5 万 m3/d，无法满足规划中近期 2020 年应急需水量 31 万 m3/d，不足以保障供水安全。为保障应急用水需求，提高饮用水应急能力，该区开展了水源地供水工程建设，同时利用水利信息化手段，建设了运行调度智慧管控系统，提高水源地安全管理水平。

1 信息化系统需求分析及设计思路

水源地供水工程利用凤凰湖疏浚挖深扩容形成蓄水池，连通现状水系与新修连通渠道，使蓄水池形成封闭水库水源地，蓄水池总容量约 220 万 m3，正常蓄水位为 4.5 m；为补充蓄水池水量，布置 1 座引水泵站和 1 座补水闸。为控制调节水源地水位及流量，沿凤凰湖周围布置 2 座分水闸、2 座节制闸。通过新建输水泵站 1 座，将凤凰湖水，通过穿江供水管线廊道联通至滨江水厂，推进备用水源及相应管网建设，形成多源供水，保证水质水量[3]，为城区提供 60 万 m3/d 的应急水量，供水工程总平面图如图1 所示。

图1 供水工程总平面图

建立水源地供水工程信息管理系统，需要以水源地水质安全保障为导向，实现从凤凰湖蓄水池水源地，经原水输水泵站、过江供水管线廊道到水厂这一过程中水质自动在线监测，沿线 5 闸 2 站（补水闸 1 处、节制闸 1 处、分水闸 3 处、补水泵站1 处、输水泵站 1 处）自动化控制运行及水量动态调节，从而为水源地保护管理部门提供辅助决策分析支持，综合提升生活用水水源地的监管能力。

根据生活用水水源地建设基本功能要求，信息化系统设计时需考虑到水源地水质、视频监控、工程自动化、信息共享和工程联合调度等多个方面：依据水源地保护区划分要求，划定城区水源地一/二级保护区；在使用智能信息化管理技术时，需要先在水源地布设一些监测点，并使用传感器等设备，获取水源地的环境信息。为确保水源地水质监测的实时性与准确性，在传统监测方法的基础上，采用新型船载水质监测技术和在线监测分析设备，进行水源地水质自动化监测；工程重要节点安装视频监控摄像机，同时利用视频 AI 分析功能，智能发现非法入侵、水面漂浮物、垂钓游泳等行为，可视化监控工程的运行状况；工程沿线控制性水工建筑物水闸和泵站等安装 PLC 远程控制系统，并在取水口、渠道、河道、管道等重要的监测断面布设水位计，液位差计，流量计，压力计及环境传感器，实时掌握运行的工况和环境信息，确保工程自动化运行和安全控制；建设监控和数据中心，实现与各级监管单位信息的互联互通。

2 整体架构

根据《江苏省集中式饮用水源地达标建设标准》总体要求，以“水量保证，水质达标，管理规范，运行可靠，监控到位，信息共享”为总体目标，加强水源地水量、水质和生态环境监测预警，积极运用先进技术和智能设备，加大供水工程的运行和管理水平，构建运行调度智慧管控系统。整个系统结构采用多层次架构[4]，设计结构由感知采集层、数据层、支撑平台层、业务应用层等 4 个层次，以及标准规范和安全保障 2 个体系构成。整体框架如图2 所示。

图2 信息化系统架构图

2.1 感知采集层

感知采集层是水源地供水工程信息化系统平台数据的来源，主要依靠水质、流量、无人船、水位、视频、安全监测、环境监测、闸泵自动化等前端感知设备。感知采集体系监测对象包括建设范围内的水源地、补水泵站、输水泵站、补水闸、节制闸、输水廊道等。监测监控指标包括水质、水位、流量、闸泵自动化、视频监控、安全和环境监测等。经过加工处理后，通过网络传输到上层数据层，为水源地供水运行提供必要的数据和信息支撑。

2.2 数据层

数据层为整个供水工程信息系统的应用提供基础数据生态环境，满足海量数据的存储管理要求。整合系统资源，避免或减少重复建设，降低数据管理成本，并保证数据的完整性和统一性[2]92-93。系统建设数据中心，内容主要包括：1）河流湖泊、工程设施、监测站点等基础数据库。2）雨水情、水质、闸泵、环境监测及安全监控的数据库。3）水质分析评价、运行调度、运行维护和文档及多媒体数据等专题数据库。4）用户等权限信息和接口配置等管理数据库。同时数据中心预留相关接口，便于实现与主管部门等单位的数据共享和交换。

2.3 支撑平台层

支撑平台层为上层业务提供可复用的基础和支撑[5]。支撑平台层主要包括以下 2 个平台：1）物联网数据采集子平台。该平台负责监测设备的数据采集、处理、存储、汇集，提供流量计、水位计、水质监测、闸门设备和阀门设备等物联网设备的接入，配置，远程控制，以及相关数据的存储、组织、分析、分发等。2）视频 AI 分析平台。通过视频 AI 分析平台，接入和集成各视频监控点的视频数据，实现对闸泵控制工程、长江、关键河段、凤凰湖、监控中心、关键道路卡口等区域的全方位的监视和管理，使供水工程各关键节点的运行情况能够得到有效监控，为水源地巡查和安全管理提供技术支撑。

2.4 业务应用层

业务应用层是水源地供水工程信息化功能的实现层，为水源地供水工程提供专业的业务应用服务，主要是运行调度智慧管控系统，包括实时监控报警、生产调度管理、综合展示服务三大模块，以及水质在线监测与预警、闸泵远程控制、工程安全监测、工程自动联合调度、工程运行维护管理、水源地信息一张图、移动 App 和 Web 门户网站等共计8 个子系统。

2.5 标准规范体系

标准规范体系是支撑信息化系统建设和持续运行的基础，能够保证建设运行效率，优化成本控制，加强应用协同和资源共享[6]14。

2.6 安全保障体系

安全保障包括设备、网络、平台、系统和数据等安全。安全保障体系是系统安全运行的基础，能够保障系统运营的数据和通信安全[6]15。

3 建设内容

3.1 智能感知采集建设

感知是信息的源头，是实现信息系统智慧化的数据基础[6]15。智能感知采集建设包括水质、闸泵自动化、工程安全、视频监控和环境等监测。1）基于水源地当前的监测体系，布局生活用水水源地监测点的位置，共布设长江取水口水质站 1 座、凤凰湖出水口水质站 1 座、岸基站 3 座、水质采样监测无人船 1 艘。2）针对供水工程现地 5 闸 2 泵（补水闸1 处、节制闸 1 处、分水闸 3 处、补水泵站 1 处、输水泵站 1 处）建设闸/泵自动化控制系统。3）在蓄水池、输水泵站、补水泵站、补水闸和输水管线廊道范围内布置人工水尺、自动水位计、渗压计、沉降计、应变计和土压力计等安全监测设备。4）对过江廊道、重要建筑物、水源地一级保护区、水质站、闸站及整体进行实时视频监控，同时结合水源地一级保护区声光报警摄像机，利用视觉蓝藻监测新技术，识别水体中富含的藻类总丰度，起到蓝藻提前预警作用；结合人工水尺，利用视觉水位自动识别新技术，自动识别水尺水位。5）环境监测采集主要针对输水廊道和污水处理站、控制中心附近的风向，风速，气温，相对湿度，气压，空气质量，噪音，有害气体浓度等环境要素进行全天候现场监测。

3.2 基础设施建设

基础设施为整个系统提供运行支撑，主要内容包括建设监控中心、机房及基础运行环境、通信网络等 3 项。

通过监控中心的建设，可实时监视河道水位、水量、水质的变化情况，通过对现场视频数据的采集分析，回传至监控中心以供决策与应急响应，实现了现场信息感知、综合态势显示、智能辅助决策和实施指挥控制等多种用途。监控中心主要包括大屏显示、音频扩声、语音通讯、视频会商、中央控制、视频监控等系统内容。机房及基础运行环境包括计算服务器、存储、网络、网络安全等设备。

智慧水务平台的特色具体为云服务，可根据应用需要将平台部署在公有云、私有云或混合云等运行环境，最大程度地保证系统稳定可靠运行[7]。水源地供水工程通信网络采用自建私有云方式部署，采取 3 台超融合一体机，系统部署采用“统一部署，分级访问”的原则，分为以下 3 类：1）控制专网。用于部署闸控远程控制、工程安全监测、电力控制等系统，控制专网与业务内网通过网闸实现单向数据传输，将控制专网内数据同步至业务内网，保证控制网络的安全运行。2）业务内网。用于部署物联网采集、视频监控平台，以及水质在线监测与预警、工程自动联合调度、工程运行维护管理等系统核心业务应用，是支撑整个工程正常运行和调度的网络。3）业务外网。用于部署 Web 门户网站和移动 App，供社会公众和外网用户访问，通过划定的DMZ（Demilitarized Zone，隔离区）区域，保障业务内网数据的安全访问。业务外网与内网通过防火墙实现隔离。上级管理单位用户可通过运营商专线经防火墙逻辑隔离后访问业务内网，实现对水源地供水工程的远程监视。网络部署结构图如图3 所示。

图3 网络部署结构图

3.3 支撑平台建设

支撑平台整体技术架构主要采用 SpringBoot[8]1110作为基础研发框架，MyBatis（持久层数据框架）作为主要的 ORM（对象关系映射）组件与数据库进行数据交互，使用 Mapper（映射器）进行数据表映射达到便捷操作数据。物联网子平台协议解析采用Netty[8]1110作为框架解析层的具体实现路线，结合Webflux[9]61（反应式架构）进行数据传输。搭建视频 AI 分析平台，通过视频的监控和结构化分析，结合人工智能图像识别、深度学习算法等技术手段，实现对视频图像中游泳、垂钓、水面漂浮物等现象的主动预警，告知相关人员及时处理。总体技术架构包括存储、基础能力、应用服务、网关和前端展示。支撑平台技术架构图如图4 所示。

图4 支撑平台技术架构图

3.4 运行调度智慧管控系统建设

运行调度智慧管控系统是供水工程信息化体系的重要组成部分，主要包括实时监控报警、生产调度管理、综合展示服务为核心的业务应用。根据水源地供水工程业务需求，系统设计有 3 个功能模块，结构如图5 所示。

图5 运行调度智慧管控系统功能结构图

3 个功能模块具体分析如下：

1）实时监控报警模块。长江水污染预警是水源地的第一道关口。基于前端采集监测设备通过物联网数据采集、视频监控平台，将数据统一采集、汇集、处理、存储至监控中心机房数据库，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与追踪[6]15，设置水位、流量监测指标的报警阈值参数，在达到阈值时发出警报。在监测数据的处理与应用方面，则由水质在线监测与预警、闸泵远程控制、工程安全监测等子系统，实现采集数据的管理、分析、统计、预警，同时支持远程控制执行。

2）生产调度管理模块。建设工程自动联合调度、工程运行维护管理等子系统。工程自动联合调度系统通过接入自动化监控设备，打通与城区水厂的数据共享通道，实现长江和蓄水池的水位、工程设施运行状态、供水计划的实时获取与展示，满足用户在平时、应急、排涝、自流等工况下的管理决策需要，为实现供水工程管理精细化、自动化、智能化提供重要的技术支撑。工程运行维护管理是对水源地保护区情况进行动态监管，按照“一源一档、同时建立、同步更新”的原则，建立生活用水水源地、应急水源地管理与保护电子档案。包括水源地信息查询与信息维护、闸门信息管理、泵站信息管理、水源地日常巡查、工程维修管理、工程养护管理和运维考核等。

3）综合展示服务模块。综合展示服务主要由水源地信息一张图、Web 门户网站、移动 App 等组成。水源地信息一张图是建立在各业务应用系统之上，通过 GIS 地图手段，以二维/三维方式展现供水工程分布、河湖水系分布、实时监测预警数据及各类专题数据分析，为运营管理人员提供快速、便捷、直观、全面的数据展示和分析手段。移动 App作为智慧管控平台的延伸，充分发挥移动互联网与智能终端的便捷性、高性能，为运营管理人员提供了一个可扩展的平台，通过该 App 可以实现移动巡查、实时监控及各类办公服务。通过 Web 门户网站实现供水工程基本信息、文化景点、新闻动态、实时雨水情和水质信息查询及各重要网站的网址链接等功能，及时准确地发布与公众密切相关的水环境运行管理动态，对工程运行状况监视和操作实现窗口化，用户通过鼠标和键盘就能快捷操作[10]94。

运行调度智慧管控系统功能实现是以物联网采集子平台和视频 AI 分析子平台为基础，获取监测数据并执行控制命令，具体业务流程如图6 所示。

图6 水源地供水工程信息系统业务流程图

4 结语

智慧城市的建设随着经济的不断发展、科技的进步必将进入一个崭新的阶段，城市生活用水水源地管理与保护未来的发展趋势必然是信息化及智能化[11]。以城市生活用水水源地供水工程为研究对象，采用构建运行调度智慧管控系统，开发水源地水质自动监测、闸泵监控自动化、安全监测、工程联合调度、工程运行维护等业务应用功能，实现从水源到管网的全程自动化运行，提高管理者决策科学性，更好地为城市生活用水水源地管理与保护工作的推进奠定信息化基础。系统的建设虽然满足了当前需求，但仍需要健全配套供水管网漏损监测等系统，并要完善制度，提高运维水平[10]94，才能真正保障水源地水安全。