關(guān)于“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)分析

董海天

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048）

關(guān)于“智慧水務(wù)”平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)分析

董海天

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048）

智慧水務(wù)是水務(wù)信息化建設(shè)的高級(jí)階段，就是要建立起水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)，最終完成防汛抗旱、水資源調(diào)度以及水環(huán)境治理三大任務(wù)。本文從智慧水務(wù)的概念出發(fā)，分析了其具備的優(yōu)勢(shì)，并就此指出了智慧水務(wù)平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)建及關(guān)鍵技術(shù)，以供參考。

智慧水務(wù)；平臺(tái)；構(gòu)建；關(guān)鍵技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)

智慧地球概念的首次提出早在2008年，近些年的發(fā)展使其被世界各國(guó)所認(rèn)可，更多的城市將電、水、氣、交通等公共服務(wù)資源信息進(jìn)行科學(xué)管理，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展為目標(biāo)，努力改善政府的管理和服務(wù)，可持續(xù)的為市民的日常生活以及人類生存環(huán)境的優(yōu)化提供幫助?；谧詣?dòng)化、信息化等技術(shù)的智慧水務(wù)工程是智慧地球的一部分，更是智慧城市建設(shè)的重要組成，而相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算自然就成為各大科技強(qiáng)國(guó)制定本國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)。本文探討了智慧水務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)建以及關(guān)鍵技術(shù)，希望有所幫助。

1 智慧水務(wù)的概念及背景

十三五期間中國(guó)要進(jìn)入智慧城市2.0時(shí)代，智慧水務(wù)作為智慧城市當(dāng)中重要的子系統(tǒng)是建設(shè)的重點(diǎn)。借助智慧水務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水務(wù)工作的優(yōu)化升級(jí)已成為我們水利事業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。我國(guó)水資源特點(diǎn)是：水資源缺乏的情況下，水污染及浪費(fèi)的問(wèn)題還十分嚴(yán)重?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)多年平均的水資源總量是28412億m3，其中河川徑流量是27328億m3，地下水資源量是8226億m3，地表水和地下水是循環(huán)重復(fù)轉(zhuǎn)化的，考慮到洪水和基本生態(tài)用水，中國(guó)河道外最大的可消耗的地表水量只有7524億m3。目前全國(guó)總用水量已達(dá)到6095億m3，包括生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)這些國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水。進(jìn)一步分析流域情況，例如海河流域面積為32萬(wàn)km2，包括北京、天津、河北省的全部，山西省的東半部，河南、山東之黃河以北的地區(qū)，再加上遼寧和內(nèi)蒙的一小部分，總?cè)丝谶_(dá)到1.45億，但人均水資源量只有220m3，是世界平均水平7350m3的1/33。京津冀局部地區(qū)水資源量短缺更為嚴(yán)重，人均水資源量嚴(yán)重不足。如何將有限且短缺的水資源更高效的利用和管理已成為行業(yè)發(fā)展重點(diǎn)。

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)的背景下，水資源窘境倒逼發(fā)展轉(zhuǎn)型，而自動(dòng)化及信息技術(shù)的成熟，催生智慧水務(wù)的建設(shè)與發(fā)展。智慧水務(wù)即通過(guò)利用自動(dòng)化設(shè)備獲取底層數(shù)據(jù)，結(jié)合信息化技術(shù)的方法來(lái)提取、處理并公開(kāi)城市水務(wù)信息，進(jìn)而高效、低成本的管理城市給排水、污水處理、再生水綜合利用等過(guò)程，為解決城市水問(wèn)題提供必要的決策支持。

2 智慧水務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建

2.1 構(gòu)建目標(biāo)

（1）協(xié)同化管理。建立起城市給排水、防洪、保護(hù)水資源等業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的協(xié)同化管理。

（2）高效化資源利用。實(shí)時(shí)監(jiān)控水質(zhì)、供水管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)供水、用水情況的統(tǒng)計(jì)分析，為決策提供信息，合理調(diào)配資源。

（3）便捷化服務(wù)。搭建統(tǒng)一的門戶平臺(tái)，社會(huì)公眾可以利用新一代的信息技術(shù)隨時(shí)隨地查詢需要的水務(wù)信息，并利用無(wú)線終端預(yù)約服務(wù)，提高效率，改進(jìn)服務(wù)方式，提高服務(wù)水平。

（4）智慧化業(yè)務(wù)。深層挖掘水利大數(shù)據(jù)，為水務(wù)業(yè)務(wù)的發(fā)展提供支持，提高決策的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)整合、業(yè)務(wù)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)將為政務(wù)管理與民生服務(wù)搭建起一站式操作平臺(tái)。

2.2 構(gòu)建方案

2.2.1 系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)成

（1）感知層。深化水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全面感知水資源數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。將感知層信息進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)感知層信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集、傳輸和存儲(chǔ)，形成完善的網(wǎng)絡(luò)體系。

（3）數(shù)據(jù)層。建立數(shù)據(jù)高度集中中心，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)中心與外部業(yè)務(wù)庫(kù)同步的對(duì)外業(yè)務(wù)支持。

（4）應(yīng)用層。高度集成系統(tǒng)、應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息的共享、系統(tǒng)升級(jí)以及二次開(kāi)發(fā)，分割業(yè)務(wù)流程，多網(wǎng)融合，結(jié)合數(shù)據(jù)中心的大數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)輔助決策的作用和統(tǒng)一的業(yè)務(wù)管理。

（5）平臺(tái)層。實(shí)現(xiàn)對(duì)水務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和處理以及網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和業(yè)務(wù)信息、設(shè)備信息的展示。

（6）安全層。部署入侵檢測(cè)系統(tǒng)、安全審計(jì)系統(tǒng)、防病毒系統(tǒng)等，為平臺(tái)提供安全保障。

2.2.2 系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用

系統(tǒng)平臺(tái)以“分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)”為核心，搭建工業(yè)控制消息總線，集成面向服務(wù)（SOA）系統(tǒng)的信息服務(wù)總線。這兩種總線，支持通用信息交互和廣域服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高效的通信和應(yīng)用集成。系統(tǒng)平臺(tái)軟件涉及SCADA平臺(tái)軟件，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算引擎軟件、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)警管理軟件、GIS平臺(tái)軟件、WEB服務(wù)器、安全防護(hù)以及計(jì)算服務(wù)器等。

2.2.3 系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

2.2.3.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心的建設(shè)包括基礎(chǔ)設(shè)施，云平臺(tái)、應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)及安全運(yùn)維。

（1）軟硬件基礎(chǔ)。包括服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、安全設(shè)備等。

（2）云平臺(tái)和應(yīng)用。利用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、交互、存儲(chǔ)以及共享，基于 SOA架構(gòu)以及云計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的無(wú)縫連接。利用云應(yīng)用，將傳統(tǒng)的軟件應(yīng)用模式轉(zhuǎn)變成即取即用的服務(wù)模式，利用網(wǎng)絡(luò)連接各級(jí)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，并能夠在線開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)高度系統(tǒng)集成應(yīng)用。

（3）安全運(yùn)維。組建安全部門，安裝安全防護(hù)設(shè)備。

2.2.3.2 企業(yè)管理及公共服務(wù)信息平臺(tái)

（1）企業(yè)管理信息平臺(tái)。建立權(quán)限機(jī)制，通過(guò)身份認(rèn)證分配權(quán)限，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)、營(yíng)銷、服務(wù)等信息的動(dòng)態(tài)瀏覽，集成各類水務(wù)信息并與水務(wù)企業(yè)各級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)信息的集成與共享。

（2）公共服務(wù)信息平臺(tái)。該平臺(tái)主要用于管理方對(duì)外發(fā)布信息，公布相關(guān)政策法規(guī)信息，以及涉水業(yè)務(wù)的響應(yīng)、處理、繳費(fèi)、查詢等功能。

2.2.3.3 業(yè)務(wù)體系

業(yè)務(wù)體系包括生產(chǎn)、營(yíng)銷、管理和信息四個(gè)體系。生產(chǎn)體系包括制水、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、供水調(diào)度、相關(guān)設(shè)備管理等內(nèi)容；營(yíng)銷體系包括收費(fèi)、新裝、客戶服務(wù)、管網(wǎng)維護(hù)、用戶信息管理等；管理體系包括計(jì)劃、項(xiàng)目、成本等；信息體系包括系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)、改造升級(jí)、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)挖掘、指標(biāo)管控等。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)

在智慧水務(wù)中物聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)（射頻識(shí)別技術(shù)）、智能嵌入技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)。源自于ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）的定義，在智慧水務(wù)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要用于水資源管理、水務(wù)信息管理以及制水過(guò)程管理。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)水務(wù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)采集、調(diào)度以及遠(yuǎn)程管理方面，并利用水務(wù)專網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)完成相關(guān)設(shè)備標(biāo)定、管理以及監(jiān)控，提高效率，實(shí)現(xiàn)供水、用水以及決策制定的智能化。

3.2 云技術(shù)

云技術(shù)是在廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)當(dāng)中將硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)等資源集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算、儲(chǔ)存、處理和共享的一種托管技術(shù)，是網(wǎng)絡(luò)、信息、整合、管理平臺(tái)、應(yīng)用等技術(shù)的總稱。在智慧水務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)當(dāng)中主要用于搭建數(shù)據(jù)中心。所以要了解云技術(shù)的關(guān)鍵即云計(jì)算。

（1）虛擬化技術(shù)，計(jì)算元件運(yùn)行于虛擬環(huán)境中，擴(kuò)大硬件容量，簡(jiǎn)化軟件的配置過(guò)程，減少投資成本，并實(shí)現(xiàn)更廣泛的OS支持。

（2）分布式海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，只需要大量的服務(wù)器，并同時(shí)服務(wù)于大量的用戶，采用分布式儲(chǔ)存和冗余儲(chǔ)存，提高數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的可靠性。

（3）海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)，主要包括BigTable和HBase。這是為大數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)源的關(guān)鍵。

（4）平臺(tái)管理技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)云端運(yùn)行的應(yīng)用軟件的管理，協(xié)調(diào)大量服務(wù)器，使其協(xié)調(diào)工作。

3.3 移動(dòng)互聯(lián)

移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)就是將移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)，成為一體。這是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、平臺(tái)、商業(yè)模式和應(yīng)用與移動(dòng)通信技術(shù)結(jié)合并實(shí)踐的活動(dòng)的總稱?；谝苿?dòng)互聯(lián)的移動(dòng)APP，可以將移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，提高廠站運(yùn)作效率和管理服務(wù)水平；可以結(jié)合智能手機(jī)的OS特性，開(kāi)發(fā)出操作簡(jiǎn)單、高效便捷，專注于水務(wù)行業(yè)的移動(dòng)管理系統(tǒng)，并連接PC端實(shí)現(xiàn)信息的共享，使水務(wù)企業(yè)的成本管理、KPI展示、過(guò)程監(jiān)控、關(guān)鍵數(shù)據(jù)錄入進(jìn)行數(shù)字化。而移動(dòng)互聯(lián)將作為網(wǎng)絡(luò)通信的補(bǔ)充，打通信息孤島和業(yè)務(wù)隔閡，實(shí)現(xiàn)信息之間的無(wú)縫銜接，既有利于企業(yè)掌握經(jīng)營(yíng)全貌，也利于市民方便快捷的接受信息。

3.4 分布式對(duì)象技術(shù)

分布式對(duì)象技術(shù)涵蓋的主流技術(shù)包括COM/ DCOM/.NET組件技術(shù)、Java技術(shù)、CORBA技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)這四種技術(shù)。Java技術(shù)是一種可以撰寫擴(kuò)平臺(tái)應(yīng)用軟件的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有卓越的通用性、高效性、平臺(tái)一致性和安全性，它對(duì)于智慧水務(wù)移動(dòng) APP的開(kāi)發(fā)具有顯著的作用。CORBA技術(shù)，可兼容各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過(guò)該技術(shù)組件網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)，先在每臺(tái)設(shè)備上構(gòu)筑信息通道，保證數(shù)據(jù)傳輸，并由該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與上層軟件的信息交互和NAP功能，同時(shí)可在該子系統(tǒng)配置標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，實(shí)現(xiàn)用戶自定義程序與上層軟件的信息交互。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，是智慧水務(wù)當(dāng)中比較核心的技術(shù)，智慧水務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)信息采集的實(shí)時(shí)性要求高，DRTDBS（分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)）可滿足要求，商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，通過(guò)建立起RTDB，形成數(shù)據(jù)處理的子系統(tǒng)。這些技術(shù)的實(shí)質(zhì)在于構(gòu)建出數(shù)據(jù)中心的硬件基礎(chǔ)，然后向云計(jì)算轉(zhuǎn)型。通過(guò)虛擬化服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、軟件定義的存儲(chǔ)、混合等技術(shù)，架構(gòu)軟件定義數(shù)據(jù)中心，目的是解決大數(shù)據(jù)分析。

4 智慧水務(wù)應(yīng)用案例及發(fā)展形勢(shì)

近幾年，智慧水務(wù)作為建設(shè)的熱點(diǎn)，我國(guó)各大城市在智慧水利的建設(shè)上都開(kāi)始新的征程。

以北京為例，根據(jù)IEC智慧城市報(bào)告（2016.04）所提供的數(shù)據(jù)顯示，北京是中國(guó)規(guī)模龐大的城市化進(jìn)程的代表，從千禧年到 2010年僅十年的時(shí)間，北京人口增長(zhǎng)了42%，是中國(guó)同期人口增幅的7倍之多，這種超大規(guī)模的城市化進(jìn)程給北京帶來(lái)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，也導(dǎo)致這座城市面臨許多新的挑戰(zhàn)，而水資源短缺的問(wèn)題更為凸顯。北京市行政副中心—通州新城的智慧水務(wù)建設(shè)，規(guī)劃構(gòu)建“通州智慧水務(wù)平臺(tái)”，從側(cè)重水信息采集、處理和集成轉(zhuǎn)向水信息大數(shù)據(jù)的挖掘、分析和應(yīng)用。在規(guī)范組織水信息的基礎(chǔ)上，融合決策算法和仿真技術(shù)，不斷挖掘和分析水信息的潛在價(jià)值，科學(xué)、高效、智慧化解決水問(wèn)題，不僅為“智慧北京”的城市建設(shè)沖鋒陷陣，更為北京城市的水資源的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧水務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)的構(gòu)建已經(jīng)具備成熟的條件，基礎(chǔ)設(shè)施（感知層）建設(shè)逐漸完善，涉及到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等方面的運(yùn)用也在飛速發(fā)展。我們?cè)谌绱死镁置嫦?，不僅要清醒地認(rèn)識(shí)到我國(guó)智慧水務(wù)尚在起步階段，尚有諸多問(wèn)題需要解決，需要循序漸進(jìn)地開(kāi)展建設(shè)。同時(shí)要在緊密關(guān)注發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)的技術(shù)與理念同時(shí)，以“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”為治水思路，發(fā)揮我們的想象力、創(chuàng)造力，結(jié)合我國(guó)水資源特點(diǎn)、民生需求等各個(gè)方面的因素，為建設(shè)我國(guó)特色的水利行業(yè)持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。

［1］楊明祥，蔣云鐘，田雨，等.智慧水務(wù)建設(shè)需求探析［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（01）：133-136+144.

［2］張世濱.智慧水務(wù)構(gòu)想［J］.城鎮(zhèn)供水，2014（04）：56-60.

［3］龐靖鵬.關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+水利”的思考［J］.中國(guó)水利，2016（05）：6-8.

［4］鄒勁松.水務(wù)管理信息化專業(yè)建設(shè)創(chuàng)新與實(shí)踐［J］.天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016（05）：112-115.

［5］倪建軍，等.水聯(lián)網(wǎng)與水利信息化理論探討及應(yīng)用實(shí)踐［J］.水利信息化，2016（08）.

［6］陳新.物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2015（01）：48-50.

［7］文穎.基于云計(jì)算的分布式數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2016（15）.

［8］紀(jì)菁.智慧水務(wù)一體化平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)［J］.水電廠自動(dòng)化，2016（05）：37.

［9］王浩.多措并舉，治水興水［J］.科技創(chuàng)新與品牌-院士天地，2016（03）：8-11.

［10］王衛(wèi)峰，湯強(qiáng).一種城鎮(zhèn)智慧水務(wù)體系結(jié)構(gòu).電腦知識(shí)與技術(shù)，2015（08）：169-171.

［11］白永亮，石磊.美國(guó)水污染治理的模式選擇、政策過(guò)程及其對(duì)我國(guó)的啟示［J］.人民珠江，2016，37（04）：84-88.

TP393

A

1672-2469（2017）02-0022-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.009

2016-12-01

董海天（1988年—），女，助理工程師。