深圳宝安区智慧水务系统构建及数据处理技术研究

李 铎

(深圳市宝安区水务局，广东 深圳 518101)

1 宝安区水务现状

河流基本情况：宝安区共有66条河涌，66条河涌分属茅洲河及珠江口沿海河涌两大水系，总长254km，流域总面积532km2。全区水环境状况有以下几个特点：一是水质污染严重，主要污染物为氨氮、总磷和阴离子表面活性剂；二是感潮河流多，66条河流有50条为感潮型河流，感潮河段占总河长约50%，影响面积达176km2，约占全区总面积的45%；三是防洪达标率低，全区河道有168km未达防洪标准，占总长的66%。

水库基本情况：宝安区共有12座水库，其中市管水库2座，区管水库10座，中型水库3座，小(1)型水库7座，小(2)型水库2座。铁岗水库、石岩水库、罗田水库作为主要在用集中式生活饮用水水源，宝安区主要饮用水源水质良好，全区饮用水源水质达标率为100%。铁岗水库、石岩水库、罗田水库水质类别为Ⅱ类，水质为优，水库水质保持稳定。

泵站基本情况：全区共有132座泵站，包括现状排涝泵站、规划排涝泵和污水泵站，现状排涝泵站104座，抽排规模697.05m3/s；规划排涝泵站17座，抽排规模565.28m3/s；规划泵站建成后总抽排规模1262.33m3/s。污水泵站11座，总抽排规模185.7万t/d。

排水管网情况：全区目前已市场化委托运营的排水管网共6732km，其中市政排水管网2882km，社区排水管网3475km，其他道路排水管网375km。

水闸基本情况：宝安区一共有63个水闸，大部分服役年限为10～30年。

水质净化厂情况：宝安区已建水质净化厂6座，设计污水处理能力116.5万m3/d。

人工湿地情况：宝安区已建成4个石岩、黄麻布、塘头河和牛城人工湿地及快渗工程，总规模为8.8万m3/d。

水厂基本情况：宝安区共有深水宝安水务有限公司有限公司及松岗自来水公司2家供水企业，共有水厂9座，水厂总设计规模达176万m3/d，实际日平均供水规模为110.3万m3/d。

易涝点情况：目前宝安共有29个重点易涝点区域，35个易积水点区域。

2 存在的主要问题

当前，宝安区水务管理业务现状主要存在以下问题：①监测点位缺失，水务设施状态不明；②整体规划滞后、分散建设、资源有待进一步整合；③局内系统割裂，数据共享困难；④横向系统未对接，业务联动难实现；⑤系统缺失老旧，业务覆盖不完善；⑥数据价值未发挥，智慧决策待实现。

3 智慧水务系统构建

为进一步提升宝安区水务监管智能化、智慧化水平，结合宝安区水务局实际情况，坚持“统筹规划、统一标准，继承优化、整建结合，共建共享、最小共享，聚焦应用、最大服务，安全可靠、权威发布”的设计原则，充分利用大数据、物联网、3S和5D等技术，构建宝安区智慧水务系统[1- 5]，如图1所示。

图1 智慧水务系统总体框架

本系统可简述为“一张网、一中心、两支撑、三门户、四应用、四体系”，根据项目的建设任务和设计边界，本项目的设计对象和范围如下：

一张网：一张网承担信息的采集和汇集。主要包括水库安全监控、地表水监测、易涝点监测、排水管网监测、泵站远程监控、视频监控等。

一中心：管控中心负责各子系统运行、管理、调度指令下发。

两支撑：包括智慧水务信息资源分系统和智慧水务应用支撑分系统。智慧水务信息资源分系统将传输数据进行分类存储，主要包括监测信息数据库和业务信息数据库。智慧水务应用支撑分系统通过组装可复用业务构件的方式来打造智慧水务的各种智慧应用系统，同时，对外提供标准的数据接口和服务接口，将面向不同的网络环境发布不同的服务接口。

四应用：包括水务管理分系统、综合管理分系统、智慧管控分系统和决策支持分系统4个分系统，涵盖区水务局水务监管业务、综合管理业务、公众服务、决策支持，能够为区水务局提供业务支持。

三门户：包括内网办公门户、移动应用门户、公共服务门户。公共服务门户将采用局内已建的宝安水务局门户网站，并与项目系统实现数据互通。

四体系：包括政策法规、标准规范、信息安全和运营服务体系。

以宝安区管控中心水务分中心为载体，基于“智慧宝安管控指挥中心+10个街道办分中心+126个社区微中心+主要职能部门分中心”的“1+10+126+N”的智慧宝安建设运行平台，综合运用智慧宝安大数据资源中心，通过数据共享，实现宝安区水务局向上对宝安区管控中心、向下对各科室的“上下级联动”，打通上级单位对下级单位的监督监控、事件分拨、协同指挥和应急指挥，打通下级单位向上级的事件上报和数据上报，全面实现宝安区水务状态的综合展示、监测预警、数据决策支持和联动指挥[6- 8]。智慧水务系统运行架构如图2所示。

图2 智慧水务系统运行架构

4 数据处理技术

4.1 水务数据分类及特点

根据宝安区智慧水务系统构建思路，可将区水务数据划分为监测类、基础类和管理类3类数据。监测类数据主要包括水质、供排水、水位信息等，基础类数据主要包括污水无处厂处理工艺、基础设施以及传感器参数等，管理类数据主要包括个河流之间的基本情况信息数据等。水务数据具有空间属性和时间属性，同时还具有数据规模量大，种类繁多，来源不统一等特点，很容易造成水务数据在采集过程中产生较多的“脏数据”，因而需要采取一定的技术手段对这些脏数据进行清洗[9- 10]。

4.2 水务数据清洗流程

水务数据“脏数据”按属性进行划分可分为通用数值属性脏数据、具有空间属性的脏数据和具有时间属性的脏数据。通用数值属性脏数据是最常见的脏数据，出现这种脏数据的主要原因在于人工录入失误、传感器失灵或者数据间断性缺失等。具有空间属性的脏数据就是指那些具有较多地域、流域或者对象属性的错误数据。具有时间属性的脏数据错误类型比较单一在，主要是由于传感器失效引起数值错误。人工录入失误造成的数据颠倒或者小数点错误属于数据异常值，数据间断性缺失则属于空缺值。因此，水务数据的“脏数据”清理将主要经历异常值清理阶段和空缺值填补阶段。

宝安区智慧水务系统设计过程中，为了实现对大量水务“脏数据”的精确清理，将水务数据清洗设计为3个阶段，如图3所示。第一阶段为数据预处理阶段，在这一阶段主要作用是对收集到的水务数据进行分类；第二阶段为异常值检测阶段，在这一阶段，通用数值属性脏数据的异常值检测与时空异常值检测方法有些区别，这主要是因为大部分脏数据并不具备时间和空间属性，只具备数值属性，时空异常值检测只需要利用马氏距离阈值函数和隐马尔科夫模型分别对数据的空间特性和时间特性进行辨别，即可剔除相关脏数据，而在处理通用数值属性脏数据时，由于数据量巨大，因此使用了从全局异常值检测到局部异常值检测的方法，全局异常值检测采用拉依达准则，主要作用是对数据的最大值和最小值问题进行检测，局部异常值检测采用层级聚类法，主要作用是对人工录入失误造成的数据颠倒或者小数点错误属于数据异常值进行检测；第三阶段为空缺值填补阶段，在这一阶段主要是通过人工神经网络模型对数据空缺项进行查补。

图3 水务数据清洗流程

5 预期经济及社会效益

5.1 经济效益

(1)实现水质实时监测，提升执法、管养效率，节约人员成本，

在传统水务执法监察、水务设施养护巡检模式下，由于无法实时获取水质水量数据、水务设施运行状态数据，不能及时发现问题，在日常监管、管养维护过程中，必须投入大量人力物力以进行地毯式、无重点的巡检、管养维护作业，大大增加维护成本。

本项目将建设易涝点、黑臭水体、排水管网、泵站等在线监测系统，实时获取黑臭水体、排水管网、泵站的运行状态数据，并提供实时监测预警，可供执法监察、设备巡检人员及时掌握环境的状态，避免盲目执法、巡检，大大减少人员成本。

(2)实现水务基础设施的统一管理，提升管理效率，节约管理成本

宝安区智慧水务(一期)项目将改变传统图纸存储管网信息的方式，并将原有独立、分散的排水设施信息整合到同一系统，形成统一的资产管理模式，有效减少由于资产状况不清、数据标准不一等造成的数据无法共享，无法为业务管理提供数据支撑等问题，从而提升了管理效率，节约了管理成本，减少了大量不必要的人力和物力投入。

(3)科学评估，避免粗放式管理，节约建设成本

在排水工程建设过程中，由于前期缺乏统一、详细、精确的建设规划方案评估，导致在施工过程中出现占用排水管道位置，甚至凿穿排水管线等现象发生，造成重大经济损失和严重事故影响。本项目利用排水管网水力评估模型，对管道总容量、管网结构缺陷、污水管网水力瓶颈、污水管网易淤积点等分析，以便管理人员全面、及时、准确地发现和识别管网结构存在的问题及瓶颈，为排水管网系统规划控制工作提供计算、分析及评价的支撑系统，通过有效的规划方案评估，提高规划设计的科学性，从而避免管网存在的设计缺陷，从根本上降低了排水系统运行风险，减少排水系统维护费用，同时保证排水工程建设的顺利进行，防止出现返工现象而导致增加建设成本的投入。

5.2 社会效益

(1)实现宝安区水务设施数字化管理

通过本项目的建设，将完成排水相关的城市信息资源空间信息、动态信息和公共信息的处理、管理、分发、挖掘、共享、维护，形成统一的数据资源池、基础支撑系统和应用系统，实现共享应用，全面实现排水设施数字化管理，为统筹资源布局，合理规划城市发展奠定坚实基础。

(2)提升防涝监测预警能力

本项目开发设计监测系统，可实时采集雨污水管道、泵站等排水设施的流量、液位等监测数据，并建设泵站自控系统，实现对监测数据的实时显示和数据分析，有效识别排水管网的水量变化规律和趋势，当出现污水漫溢等管网异常情况时，可立即发出报警，辅助管理者及时采取措施，有效地减少污水溢流对于环境的损害。

(3)提升社会服务质量与效率

通过本项目的建设，加强、河流污染、易涝点监测，实时了解环境现状，当出现异常时及时进行报警，有助于执法监察、维护人员根据情况采取相应措施；推进污水管网优化运行，有计划的对污水管网的关键点进行在线液位及流量监控，实现排水管网异常报警和科学调度等功能。全方位提升排水服务质量，保障城市排水机制。

(4)推动政府数据开放进程

通过本项目的建设，实现为应用提供身份识别、信息聚合推送、权限管理等服务，各类应用系统统一向系统开放服务接口、提供资源，通过系统调用其他部门开放的服务，统一利用系统受理请求和提交服务。

6 结语

宝安区是深圳的行政大区、产业大区和人口大区，充分利用新一代信息技术，采用松耦合架构模式，构建智能感知、数据融合和智慧应用三大体系，实现涉水事务感知、监管及决策的全过程智能管控，是宝安区智慧水务建设的核心任务。文章根据宝安区当前水务现状，针对目前水务管理业务现状存在的主要问题，初步构建了以“一张网、一中心、两支撑、三门户、四应用、四体系”为总体框架的智慧水务系统，同时提出了智慧水务数据清洗“三阶段”设计方案，可为推动宝安区智慧水务建设提供参考。