基于供水全生命周期管控的智慧水务平台研建

杨胜飞，刘 明

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002）

0 引言

随着大数据、云计算、物联网、5G 和人工智能等新一代信息通信技术应用日益普及，城市建设正快速由信息化向数据化和智能化迈进[1]。新兴技术不断融入传统行业的各个环节，与智能工业的不断融合，城乡水务管理想要获得长足提升和发展，确保居民用水安全，解决城乡取水、供水、用水、排水等问题的诉求和矛盾，全面应用新科技和互联网思维是当前水务管理部门促进和带动水务现代化，提升水务行业社会管理和公共服务能力，保障水务可持续发展的必然选择。

智慧水务平台通过供水各环节的数据采集、无线网络、智能采集终端、水质检测传感器、压力计、流量计、智能摄像头、智能水表等在线监测设备实时感知城市供排水系统的运行状态，进行多源信息融合存储，将原本分散的、意义薄弱的数据个体，进行有效集合，解决信息孤岛问题[2]，智慧水务平台之所以可以实现智慧的效果，不仅仅是因为存在的传感器等监测硬件，或者是庞大的软件整合平台，它的智慧是在建立统一的数据中心前提下，通过对海量数据信息进行及时分析与处理，从而获得解决业务问题的应用算法，将这些算法集成到应用系统的软件平台上应用，使数据分析结果发挥“大脑”的作用，起到预警、预测等效果，实现更加精细和动态的管理方式以支持水系统的整个生产、管理和服务流程。最终实现从水源地到水龙头，水龙头再到排污口全生命周期的智慧化管理[3]。

本研究利用物联网、大数据、移动互联网等新技术研发一套基于供水全生命周期管控的智慧水务平台，并在黔东南州水利投资（集团）有限责任公司洛贯分公司投入应用。

1 供水全生命周期管控

供水全生命周期是指从水源地取水经输水管网到水厂制水，再经配水管网及其附属设施到达用户水龙头，生活生产废水经过排水管网输送至污水处理厂处理后排出的全闭环管理流程。这一系列的过程主要包括了原水监管、水生产及处理管控、输配水管网监控、营收管理、河湖长制管理等环节，如图 1 所示。智慧水务平台基于物联网技术和数据采集、水情水质监测等系统监测设备设施，实时监控城市的供水、排水管网及相关供水设备的运行状态，并采用可视化的方式将水务管理部门与供排水设施有机整合，形成城市水务物联网，并可将海量水务信息进行及时挖掘分析与深度处理，为城市水

图 1 供水全生命周期管控流程

务信息化管理、决策提供重要参考数据辅助决策 建议[4]。

在整个供水全生命周期管控过程中，运用了物联网、移动互联网、大数据、人工智能等多项新技术手段。智能物联网在供水行业中的典型应用是自动抄表[5]，NB-IoT 物联网水表通过专属网络与平台进行通信，实现水表数据计量存储、自动上报等功能。抄收员使用移动终端应用进行抄收作业，完成水费营收数据的动态采集。依托大数据、人工智能等技术，对供水全生命周期内各环节的多源异构数据进行抽取、清洗、归并、治理、存储，通过组合常规基础功能及融合多源异构数据，形成多业务场景的融合智慧应用，融合应用方式如图 2 所示。

2 智慧水务平台建设与应用

2.1 平台系统架构

智慧水务系统的构架是由多个执行各种功能的层协同运作组成[6]，包括以下几个层级：

1）基础设施层通过采集水质、流量、压力、视频等终端传感设备数据，利用视频、控制专网及互联网等有线或无线的传输方式，实现传感设备采集数据的安全稳定传输。

2）数据层为业务应用提供由基础、监测及专题数据库等组成的公共数据中心服务，以及由水文、水动力、水质等模型组成的模型服务。

3）平台层为业务应用系统提供统一的平台应用支撑服务，包括云平台资源、GIS 基础支撑平台、BIM 基础平台、统一认证服务等。

4）业务应用层向用户提供业务功能，应用层与平台展示层进行直接的数据和控制交互，也可以通过数据层和平台层获得数据的分析和展示能力，应用层支持多种用户设计的接入和访问[7]。

5）展示层是各种与用户交互的业务应用系统载体及交互终端。

系统架构如图 3 所示。

2.2 平台建设

通过建立数据汇聚平台，实现水源监管、生产管理、管网监控、营收管理、河（湖）长制、管网漏损分析、水库-水厂供需预警分析等功能应用。最终通过基于 B/S 结构的网页端系统与移动端系统提供可视化展示支撑，系统组成如图 4 所示。

图 2 融合应用方式

图 3 智慧水务平台系统架构

图 4 系统组成及数据流设计

1）B/S 结构的网页端系统是整个全生命周期智慧化管控平台的中枢，主要由数据汇聚平台、采集传感终端、通信网络、云资源、业务展示端组成。数据汇聚平台包括接收端软件及存储数据库。采集传感终端包括摄像头及各类设备传感器与采集器。通信网络使用 TCP/IP 协议的互联网及 NB-IoT。云资源包括租用的公有云服务器、云存储、云备份、弹性 IP 等资源服务。业务展示端采用 SpringBoot，Vue框架搭建，使用 Java，JavaScript，Html，CSS 等开发的网页端应用程序，通过对各类信息的处理及可视化展示实现对供水全生命周期的智慧化管控。

2）移动端系统包括基于 Android 的 App 和微信公众号，与网页端系统共用 1 套后端接口，通过4G/5G 网络与后端系统通信，实现各类业务数据的上传与下载。

2.3 平台功能

2.3.1 常规基础功能

平台功能包括常规基础和智慧应用功能，常规基础功能包括以下几点：

1）水源监管。指对水厂取水点（独洞水库）区域内各涉水要素的全方位监管，特别是水源点取水计量、水源水质等数据的监控。平台通过采集水库的雨水情、水质、工情、大坝安全监测、视频图像等信息，综合监控水源点水利工程的运行状态。

2）生产管理。对自来水厂、污水处理厂及其附属设施日常生产状态监控，厂区人员及出水水质检测日常管理。

3）管网监控。基于 GIS、三维倾斜模型，对供、排水管网水质，水压，水量数据进行实时监测和统计分析，根据预设的阈值进行自动报警，对管网抢修、巡检事件进行可视化管理与监控。

4）营收管理。通过手机抄表 App 与网页端业务系统联动，实现对抄表、报装、维修、收费等业务的管理，对供水量、售水量的汇总统计，手机抄表 App 主要采集常规机械水表数据，物联网智能水表每月定时自动上传抄表数据，依据 DMA（District Metering Area，独立计量区域） 分区管理技术对产销差、漏损率进行统计分析。

5）河湖长制。在污水排放过程的末端，经过污水处理厂加工处理过的废水最终要排入河湖中，通过接入河湖长制系统相关河长巡河数据，河湖长巡查反馈的河流健康问题可以作为污水处理厂排放是否达标的佐证。

2.3.2 智慧应用功能

智慧应用功能包括以下 2 点：

1）水库-水厂供需预警分析。综合分析水利工程运行的当前状况、历史过程，在建立判断标准的前提下，自动判断异常并进行预警报警[8]。整合供水水厂和水库的数据信息，构建水库-水厂供需预警分析模型，可按不同来水频率，计算期末蓄水量、可供水天数等并分析结果，快速生成调度方案，为城乡联网供水调配提供科学支撑，水库-水厂供需预警分析计算模型如图 5 所示。

图 5 水库-水厂供需预警分析计算模型

2）管网 DMA 分区漏损分析。用户用水量是随机的，而夜间漏损量相对于用户用水量则是相对稳定的，可通过实测流量的统计规律进行分析独立分区漏损量。计算 2—5 时之间的凌晨进水流量的最小值。此时大部分居民已经休息，除了部分随机用水外无其他用水。因此在此时间段内的最小用量最接近真实区域漏损量。

3 应用效果与建议

智慧水务平台自 2021 年 4 月份正式于黔东南州水利投资（集团）有限责任公司洛贯分公司投入使用以来，取得以下几方面的应用效果：

1）提升了工作效率和管理水平。通过线上抄表、线上缴费、线上营收报表打印输出，以及管网在线监控、App 巡检、水生产全过程管控的管理模式转变，方便了水务公司日常经营管理，提升了工作效率和管理水平。

2）计算漏损量及漏算率，有效降低爆管率及漏损率。管网上布设压力计、流量计等监控设施，实时监控管网运行压力和水量，方便统计分析区域漏损量、漏损率。运用人工智能和大数据等高新技术对管网爆管事件快速响应决策，增强了事前预测预警的能力，加快了事后快速处置及溯源分析，有效降低了爆管率，提升了爆管处置效率，实现整体漏损率由原来的 55% 降至目前的 25% 左右。平台通过提取洛香镇管网进水口处流量监测站点 2021 年 1 月28 日至 5 月 28 日凌晨 1 时 30 分—4 时 30 分间隔半小时采集的实时流量监测数据，剔除数据中的异常值（流量负值、零散个别零值、近零值），以 5 m3/h作为分位间隔进行统计，统计表如表 1 所示，从表 1可以得出夜间最小流量主要位于 150～155 区间。进一步进行直方图统计分析，如图 6 所示整体上符合正态分布，满足用户用水随机及漏损恒定的假定。计算中误差和均值（194.529 923 6，44.189 020 23），发现取 1 倍中误差的置信度下，置信区间的下界位于 150～155 区间，符合实际规律，故采用 1 倍中误差进行漏损估算，可得出洛香镇漏损量约为150.340 9 m3/h，计算月平均漏损率约为 45%。

表 1 洛香镇夜间流量统计表

图 6 洛香镇夜间流量统计直方图

3）增强了供水各环节多源异构数据的融合共享及智慧应用。系统平台打通了供水各环节信息孤岛，多源异构数据在统一数据中心处理后服务于各专题智慧应用，真正发挥供水业务数据的数据价值，增强了智慧水务应用的能力和水平。

智慧水务平台在规划设计及投入运行中取得良好的应用效果及用户反馈，但是也存在着缺乏智慧水务顶层设计规划及相应配套建设资金保障等问题，故对其他地区水务公司的智慧水务建设提出以下几点建议：

1）水务公司可在现有系统平台基础上，根据具体业务需求，分期分批集成涉水相关专题应用，如水务工程建设管理、水土保持管理、灌区监测、水资源监控、防汛抗旱指挥等。

2）地区水务公司在城乡供水工程前期设计上，应充分考虑水务信息化建设实施必要性及投资保障措施，为后续水务信息化实施提供建设依据及资金保障。

3）智慧水务系统平台的设计应做好顶层规划设计。各级水务公司应根据本级水务信息化的建设需求，做好本级智慧水务系统的总体设计与规划，统筹协调本地区水务信息化的实施，做到区域协同、多点联动，促进水务公司经营管理提质增效。

4 结语

本研究建设基于供水全生命周期管控的智慧水务平台，利用物联网、大数据、移动互联网等新技术，通过建立数据汇聚平台，对供水全生命周期各环节多源异构数据进行融合处理、存储、分析，实现水源监管、生产管理、管网监控、营收管理、河湖长制、管网漏损分析、水库-水厂供需预警分析等智慧应用，促进了城乡智慧水务管理智能化与智慧化水平的提升，为其他地区未来推进智慧水务建设与管理具有一定的参考价值。