魯菁 馬曉虎 楊濤

1.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.廣東粵海水務(wù)投資有限公司

水務(wù)工作是現(xiàn)代城市工作的基本內(nèi)容之一，承擔(dān)排水方面的責(zé)任，城市的發(fā)展、居民訴求的變化，則要求水務(wù)管理工作不斷完善，以匹配新時(shí)期工作需求。本文以智慧水務(wù)為例，分析城市智慧水務(wù)的建設(shè)價(jià)值、現(xiàn)狀，并就其構(gòu)建方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，給出系統(tǒng)構(gòu)建思路、基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、作業(yè)模式等內(nèi)容，最后簡(jiǎn)單展望智慧水務(wù)技術(shù)的前景，就其功能延伸、能力優(yōu)化等趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)述，服務(wù)相關(guān)技術(shù)、模式的進(jìn)一步發(fā)展和運(yùn)用。

從廣義上看，水務(wù)是為適應(yīng)各區(qū)域快速發(fā)展需求而設(shè)立的，以給排水為中心的綜合性工作，主要涉及城市水文規(guī)律分析、城市防洪與減災(zāi)、城市水資源利用與保護(hù)、城市水務(wù)規(guī)劃與管理、城市水環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)等基本理論研究和技術(shù)開發(fā)。狹義上的水務(wù)專指給排水管理。現(xiàn)代城市建設(shè)速度較快、發(fā)展迅速，水務(wù)工作也出現(xiàn)了多樣變化，以提升水務(wù)工作水平為目標(biāo)，信息技術(shù)在相關(guān)活動(dòng)中得到種植，催生了“智慧水務(wù)”作業(yè)模式[1]。就“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，有助于此模式的運(yùn)用，具有較突出的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 智慧水務(wù)簡(jiǎn)述

智慧水務(wù)是一種現(xiàn)代化的作業(yè)模式，也是一種工作理念。是指選擇合適的信息技術(shù)，將其與水務(wù)技術(shù)深度融合，充分發(fā)掘數(shù)據(jù)價(jià)值和邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)水務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的控制智能化、數(shù)據(jù)資源化、管理精確化、決策智慧化，保障水務(wù)設(shè)施安全運(yùn)行，使水務(wù)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)更高效、管理更科學(xué)和服務(wù)更優(yōu)質(zhì)。智慧水務(wù)模式已較早進(jìn)行了智慧城市建設(shè)，并以智慧水務(wù)作為重點(diǎn)項(xiàng)目?jī)?yōu)先投入實(shí)踐建設(shè)，收效良好。

2 城市智慧水務(wù)的建設(shè)

2.1 城市智慧水務(wù)的建設(shè)價(jià)值

城市智慧水務(wù)的建設(shè)價(jià)值集中于四個(gè)方面：（1）用戶用水全流程監(jiān)測(cè)；（2）供水管網(wǎng)漏水點(diǎn)的精準(zhǔn)定位；（3）智慧水量調(diào)節(jié)分配；（4）智慧供水管網(wǎng)模型建立與應(yīng)用。

“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)能夠通過智能技術(shù)和設(shè)備完成對(duì)用戶端信息的有效采集，實(shí)時(shí)了解用戶用水信息，組織管理、計(jì)費(fèi)。而廣泛分布的傳感器等執(zhí)行終端則能有效偵知管網(wǎng)工作情況，根據(jù)水壓變化評(píng)估是否存在漏水問題，并在確定漏水情況發(fā)生后進(jìn)一步評(píng)估漏水具體位置，為管理工作提供依據(jù)[2]。水量調(diào)節(jié)與分配，則建立在管網(wǎng)供水實(shí)時(shí)信息基礎(chǔ)上，通過分布在用戶端的工作設(shè)備，了解其用水情況，在用戶用水量增加時(shí)提升供水能力，反之則予以下調(diào)，避免供水能耗過高的情況。智慧供水管網(wǎng)模型建立與應(yīng)用強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)期性、服務(wù)性、穩(wěn)定性，供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)更新和維護(hù)難是管網(wǎng)建模和使用的主要障礙，在“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)支持下，研究開發(fā)的模型旨在克服該障礙，使得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)更新、自動(dòng)校核，并結(jié)合水量預(yù)測(cè)，將建模結(jié)果應(yīng)用于管網(wǎng)規(guī)劃、供水調(diào)度、事故時(shí)評(píng)估、消防時(shí)評(píng)估、管徑優(yōu)化、管網(wǎng)改造評(píng)估等實(shí)際生活中。

2.2 城市智慧水務(wù)的建設(shè)現(xiàn)狀

從現(xiàn)狀上看，包括我國(guó)在內(nèi)，很多國(guó)家已經(jīng)初步在都市建設(shè)工作中引入應(yīng)用了“智慧水務(wù)”相關(guān)技術(shù)和模式。從技術(shù)上看，“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)帶有一定的共性特點(diǎn)，比較關(guān)注系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、持續(xù)性，且能夠在現(xiàn)有技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)，難度不大。從效果上看，大部分地區(qū)的“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)可發(fā)揮預(yù)期價(jià)值，提升了管理效率、工作效益。從不足上看，我國(guó)“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、具體要求各有不同，尚不能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。此外，由于“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)大量應(yīng)用信息技術(shù)、設(shè)備，其成本依然較高，很多中小城市無(wú)法應(yīng)用該技術(shù)服務(wù)水務(wù)活動(dòng)。

3 智慧水務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建分析

3.1 系統(tǒng)構(gòu)建思路

智慧水務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建，思路上關(guān)注多技術(shù)的聯(lián)用，重視以集成技術(shù)、PLC 邏輯控制器等，保證系統(tǒng)作業(yè)邏輯清晰，各部分功能也能得到有效履行。原則上看，系統(tǒng)構(gòu)建主要考慮三個(gè)方面要求，即適用性、易維護(hù)性、便捷性。（1）適用性是指“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)能夠滿足其服務(wù)區(qū)域給排水要求，且能夠從共性角度出發(fā)，滿足其他類似區(qū)域的水務(wù)管理需要；（2）易維護(hù)性是指“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)完成、投入使用后，后續(xù)管理工作仍可有序開展，在發(fā)現(xiàn)工作問題或例行維護(hù)時(shí)，無(wú)需投入過多資源、人力，即可完成維護(hù)等一般性工作；（3）便捷性是指“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)使用方便，用戶端和管理端使用的技術(shù)設(shè)備具有通用性，無(wú)需借助復(fù)雜的技術(shù)手段進(jìn)行運(yùn)營(yíng)操作。

3.2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要重視邏輯清晰、簡(jiǎn)化非必要環(huán)節(jié)，其主要結(jié)構(gòu)以及作業(yè)方式如圖1所示。

圖1 “智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of the "Smart Water" platform system

結(jié)合圖1 信息，可知“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)主要分為四個(gè)功能模塊，即服務(wù)端、管理端、輔助模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)。（1）服務(wù)端包括用戶一端、管網(wǎng)各處、其他管理對(duì)象（如閥門、離心系統(tǒng)等），這些對(duì)象的信息依賴智能水表、傳感器以及其他終端收集對(duì)其進(jìn)行搜集，并借助通信線路實(shí)時(shí)進(jìn)行傳輸，最終匯總到“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)管理處；如果上述信息無(wú)異常，則由管理處進(jìn)行匯總，錄入信息庫(kù)中；如果某一部分或幾個(gè)部分的信息存在問題，則由管理處下達(dá)處理指令，同時(shí)也將相關(guān)信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，以備后用。（2）管理端主要承擔(dān)智能管理方面的功能，是智慧水務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)評(píng)估各終端信息（實(shí)時(shí)信息），其工作程序則由管理人員預(yù)先編寫、錄入，指導(dǎo)系統(tǒng)的總體運(yùn)作。此外，管理處也負(fù)責(zé)一些其他工作，如數(shù)字化顯示器的嵌入管理、總線系統(tǒng)的接入管理等。（3）輔助模塊的功能較為多樣，包括可視化系統(tǒng)、外置存儲(chǔ)系統(tǒng)和設(shè)備、警報(bào)系統(tǒng)等，這些模塊以及其功能并非“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)關(guān)注的核心，主要作用在于豐富系統(tǒng)功能，使其使用性能得到進(jìn)一步提升。如可視化系統(tǒng)可用于了解系統(tǒng)工作情況、遠(yuǎn)程端設(shè)備工作情況、損壞管網(wǎng)的情況等，便于指導(dǎo)下一階段工作。（4）數(shù)據(jù)庫(kù)即“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)與管理端高度聯(lián)動(dòng)，智能分析工作主要依賴數(shù)據(jù)庫(kù)提供的信息，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的工作信息，也需要錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中予以保存，以備下一階段系統(tǒng)管理、升級(jí)、參數(shù)調(diào)整使用。

3.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括智能技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)五個(gè)部分，也包括一些輔助性技術(shù)，如數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)、可視化技術(shù)、附加設(shè)備嵌入技術(shù)等。此外，“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)還依賴集成技術(shù)、信息技術(shù)提供基礎(chǔ)支持。從特點(diǎn)上看，各類基礎(chǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)、運(yùn)用方式比較成熟，其關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用更值得研究，尤其是智能技術(shù)。以管網(wǎng)漏水點(diǎn)的檢測(cè)為例，可采用降維分析的方式，做管網(wǎng)漏水點(diǎn)的檢測(cè)、分析。一般而言，當(dāng)管網(wǎng)出現(xiàn)漏水點(diǎn)時(shí)，其內(nèi)部水流的壓力會(huì)出現(xiàn)變化，較常規(guī)水平略低，因部分自來(lái)水只漏水點(diǎn)處流出，管網(wǎng)內(nèi)水流的水位也會(huì)相應(yīng)降低，水位、水壓是兩個(gè)帶有特異性變化的參數(shù)，可作為降維分析的直接對(duì)象。

在“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，可借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，調(diào)取管網(wǎng)正常工作模式下的水位、水壓參數(shù)，并納入到智能模塊，對(duì)智能工作系統(tǒng)組織降維訓(xùn)練，不考慮其他影響較小或無(wú)影響的參數(shù)（如水質(zhì)等），僅考慮水位和水壓參數(shù)的波動(dòng)，在無(wú)漏水點(diǎn)的情況下，并在條件允許的情況下確保參數(shù)收集的覆蓋效應(yīng)，保證原始數(shù)據(jù)的豐富性，理論上大數(shù)據(jù)信息不宜少于1000 條，以避免覆蓋性不足、不能匹配分析需求的情況。完成原始信息收集后，將其代入智能模塊，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，并通過編寫程序的方式，使系統(tǒng)完成對(duì)訓(xùn)練信息的記憶，代入到信息庫(kù)中備用。實(shí)際工作中，通過接觸式傳感器收集管網(wǎng)內(nèi)的水流信息，包括水壓和水位，再將信息提供給管理中心，由智能模塊通過決策樹分析法，對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行分析，評(píng)估是否存在漏水點(diǎn)以及漏水點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

管網(wǎng)內(nèi)管道水位、水壓信息，被內(nèi)置傳感器收集，并實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程管理端，管理端以決策樹法進(jìn)行分析。決策樹模式下，前期降維訓(xùn)練的信息被系統(tǒng)調(diào)出，決定著決策樹林的決策行為，如果傳感器收集所獲的信息不符合信息庫(kù)要求，水壓過小、水位過低，決策樹林中的決策樹大部分認(rèn)為此情況屬于“漏水”，系統(tǒng)可根據(jù)決策樹的判斷，初步確定目標(biāo)管道內(nèi)存在異常，并根據(jù)收集所獲信息、傳感器提供的實(shí)時(shí)信息做深入判斷，最終確定漏水點(diǎn)。如果決策樹認(rèn)定傳感器提供的實(shí)時(shí)信息無(wú)異常、管網(wǎng)管道內(nèi)的水壓和水位無(wú)問題，則繼續(xù)進(jìn)行信息收集，直到問題被發(fā)現(xiàn)（或確定管道無(wú)漏水情況）。智能技術(shù)的運(yùn)用可以顯著提升“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的工作能力，是該系統(tǒng)建設(shè)、使用的關(guān)鍵。

4 智慧水務(wù)技術(shù)的前景展望

4.1 功能延伸

從發(fā)展的角度上看，智慧水務(wù)技術(shù)的前景較為廣闊，一方面其技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較明顯，能夠提升水務(wù)管理活動(dòng)、效率；另一方面該系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)依然存在優(yōu)化延伸的空間。就其功能延伸而言，服務(wù)用戶更顯迫切，如用戶對(duì)本階段用水信息存在異議，當(dāng)前只能通過聯(lián)絡(luò)水務(wù)服務(wù)者的方式獲取明細(xì)。未來(lái)可在用戶端設(shè)置多功能智能水表，每日記錄用戶用水信息，并做7 ～14 天的緩存，由用戶自行打印或下載，了解用水明細(xì)以及計(jì)費(fèi)情況，進(jìn)一步完善“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)功能延伸。

4.2 能力優(yōu)化

“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的能力也會(huì)在未來(lái)進(jìn)一步趨向優(yōu)化。如問題檢修，當(dāng)前智能分析模式依然存在不足，定位的準(zhǔn)確性有限，可能出現(xiàn)誤動(dòng)作等問題。未來(lái)“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)會(huì)尋求功能的改進(jìn)，提升工作精度。仍以漏水點(diǎn)的檢測(cè)為例，當(dāng)前內(nèi)置傳感器提供的信息具有波動(dòng)性，用戶用水情況、管網(wǎng)的內(nèi)徑大小以及水流流速均影響傳感器的信息收集質(zhì)量。在降維分析模式下，可對(duì)智能模塊進(jìn)行優(yōu)化，考慮各類參數(shù)的影響，生成固定系數(shù)或動(dòng)態(tài)系數(shù)，在智能判斷工作中考慮該系數(shù)作用，排除其他因素的干擾，精準(zhǔn)進(jìn)行漏水點(diǎn)的分析和定位。

4.3 成本控制

“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)對(duì)技術(shù)、資金、建設(shè)方式、設(shè)計(jì)理念均有一定要求，當(dāng)前很多中小城市不能應(yīng)用“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)，很大程度上受到資金因素的制約，未來(lái)“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)、智能水務(wù)技術(shù)的發(fā)展，可能進(jìn)一步趨向低成本化。我國(guó)各地“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)用漸趨普遍，這意味著技術(shù)推廣效果良好，新技術(shù)、新設(shè)備不再遙不可及，同時(shí)，普遍運(yùn)用的“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)和智慧水務(wù)技術(shù)，也使其建設(shè)方式、設(shè)計(jì)思路趨向規(guī)范化和統(tǒng)一化，這也大大降低了各地單獨(dú)進(jìn)行“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)的開支，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)的多地聯(lián)動(dòng)和共享，從而削減“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的綜合成本，使智慧水務(wù)技術(shù)得到更廣泛的運(yùn)用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)建具有一定的積極價(jià)值，其牽涉到的技術(shù)則比較多樣，需要結(jié)合平臺(tái)作業(yè)特點(diǎn)、需求具體選取和運(yùn)用。城市智慧水務(wù)的建設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)用戶用水全流程監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)定位供水管網(wǎng)漏水點(diǎn)，并為水量調(diào)節(jié)分配、智慧供水管網(wǎng)模型建立與應(yīng)用提供支持。從現(xiàn)狀上看，大部分地區(qū)的智慧水務(wù)僅擁有上述部分功能，也有部分地區(qū)尚未進(jìn)行智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)。未來(lái)工作中主要強(qiáng)調(diào)以既有技術(shù)為基礎(chǔ)組織智慧水務(wù)系統(tǒng)管理，關(guān)注結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、技術(shù)選取得當(dāng)，且便于管理。從發(fā)展的角度出發(fā)，智慧水務(wù)技術(shù)可能呈現(xiàn)出功能延伸、能力優(yōu)化和成本削減等趨勢(shì)，這也為其進(jìn)一步運(yùn)用提供了思路和空間。

引用

[1] 鐵瀛.基于大數(shù)據(jù)的智慧水務(wù)信息共享數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建分析[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2022,19(23):24-26.

[2] 陳鈺,蔣新宇.基于DIKW體系的智慧水務(wù)建設(shè)規(guī)劃研究——以武漢市洪山區(qū)為例[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2022,43(20):29-31.