摘要
智慧水務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水務(wù)管理相結(jié)合的產(chǎn)物，近幾年在美國、以色列等諸多國家已經(jīng)有了比較多的實(shí)踐，而我國智慧水務(wù)的發(fā)展還剛剛起步。本文從城市用水的角度對(duì)我國智慧水務(wù)的建設(shè)現(xiàn)狀和實(shí)施路徑進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞： 智慧水務(wù)；實(shí)施路徑；產(chǎn)銷差；科學(xué)調(diào)度
智慧水務(wù)的概念
顧名思義，智慧水務(wù)是“智慧化解決方案”與“水務(wù)”的結(jié)合?！八畡?wù)”包含的范圍很廣，而本文將主要從城市用水的角度來研究智慧水務(wù)的建設(shè)與發(fā)展。
具體而言，智慧水務(wù)是利用傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等先進(jìn)的信息技術(shù)，對(duì)水從原水、生產(chǎn)、輸配、排放、處理和客戶服務(wù)實(shí)現(xiàn)全過程的控制，實(shí)施智慧的水管理系統(tǒng)。
智慧水務(wù)建設(shè)現(xiàn)狀
1、國外
美國智能水網(wǎng)概念的提出始于2009年5月，由一個(gè)名為水創(chuàng)新聯(lián)盟的私人組織創(chuàng)建的基金會(huì)“智能水網(wǎng)倡議”率先提出。在智能水網(wǎng)概念的初始發(fā)展階段，其引領(lǐng)者群體主要是由包括IBM、西門子、蘇伊士等在內(nèi)的一些涉水事務(wù)及信息化技術(shù)大型企業(yè)共同組成。
IBM公司將智能水網(wǎng)作為其“智能地球”概念的重要組成部分，并為智能水網(wǎng)提出了三個(gè)關(guān)鍵詞：自動(dòng)化、交互性、智能化。智能水網(wǎng)在美國的發(fā)展大致可分為四個(gè)主要方向：一是基于先進(jìn)的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施建立水管理系統(tǒng)（AMI）；二是基于水資源管理設(shè)施和智能電網(wǎng)的優(yōu)化能源使用方案；三是水質(zhì)和水量的聯(lián)合檢測(cè)平臺(tái)；四是水資源高效管理系統(tǒng)的構(gòu)建。
在美國智能水網(wǎng)建設(shè)實(shí)踐案例中，基于國家層面的智能水網(wǎng)項(xiàng)目和基于州政府層面的蒸散發(fā)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目是對(duì)其智能水網(wǎng)建設(shè)思路的典型性反映。
以色列是世界上聞名的缺水國家，水資源格局與生產(chǎn)力布局嚴(yán)重不匹配。而其在供水方面之所以取得突破性進(jìn)步主要集中在兩個(gè)方面：一是自然水資源和海水淡化處理。以色列政府主要在以下幾個(gè)方面下了細(xì)致的功夫，包括節(jié)水和提高水的利用效率，改善地下水的提純水平與凈化質(zhì)量，提高廢水處理能力，循環(huán)用水，改善海水淡化能力并降低成本。
二是由于以色列缺水的自然條件以及在創(chuàng)新方面的優(yōu)越環(huán)境，在智慧水務(wù)領(lǐng)域涌現(xiàn)出諸多高科技公司，比如致力于優(yōu)化城市給水系統(tǒng)，通過減少輸配水過程的損失來極大地改善用水效率的Miya公司；通過基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)算法的管網(wǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)云端服務(wù)平臺(tái)對(duì)有關(guān)漏損、閥門等事件進(jìn)行預(yù)警和管理的TAKADU公司；采用圖像處理的方式實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)中細(xì)菌含量實(shí)時(shí)檢測(cè)的VBACT公司；專注于管網(wǎng)在線漏點(diǎn)定位、管網(wǎng)持續(xù)監(jiān)測(cè)解決方案的Aquarius公司；使用創(chuàng)新材料和技術(shù)實(shí)施地下管網(wǎng)漏點(diǎn)修復(fù)的Curapipe公司等。
其他國家，澳大利亞在2004―2007年嚴(yán)重水資源短缺危機(jī)后初次提出智能水網(wǎng)概念，其典型案例包括SEQ智能水網(wǎng)工程、維多利亞智能水網(wǎng)和寬灣智能水網(wǎng)工程等。
2011年始，韓國建筑科學(xué)研究院（KICT）就開始實(shí)施智能水網(wǎng)項(xiàng)目，其目標(biāo)是開發(fā)核心技術(shù)，如水資源獲取、處理、管道網(wǎng)絡(luò)、智能水網(wǎng)的子網(wǎng)和微型網(wǎng)；法國、西班牙和荷蘭計(jì)劃推出1100萬智能水表，荷蘭制定了智能水表標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)力士研究（Lux Research）所做的一份水領(lǐng)域IT市場(chǎng)調(diào)查顯示，預(yù)計(jì)2020年水領(lǐng)域IT的市場(chǎng)規(guī)模和投入將至少十倍于2009年，從2009年的5.3億美元增加到2020年的163億美元。
所謂水領(lǐng)域IT，很多都屬于智能水網(wǎng)的范疇。而如果能在智能水網(wǎng)上取得突破，無疑有助于更好地利用和保護(hù)水資源，也將為人類的更可持續(xù)發(fā)展作出積極而深遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)。
2、國內(nèi)
在我國，智慧水務(wù)建設(shè)還處于實(shí)踐探索階段，各地都從自身水資源特點(diǎn)和實(shí)踐需求出發(fā)建設(shè)各具特色的智慧水務(wù)、智慧水利或智能水網(wǎng)，因此建設(shè)理念、建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)思路、建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)路徑各異。
主要表現(xiàn)在智慧水務(wù)建設(shè)的側(cè)重點(diǎn)不同：北京市重點(diǎn)是為了解決水資源調(diào)度管理問題，上海市重點(diǎn)是為了提供更好的社會(huì)化水務(wù)服務(wù)，山西省和山東省重點(diǎn)是為了提高水資源時(shí)空調(diào)配能力應(yīng)對(duì)極端事件，無錫市重點(diǎn)是為了實(shí)現(xiàn)太湖生態(tài)治理目標(biāo)，海南省重點(diǎn)是為了促進(jìn)河湖連通實(shí)現(xiàn)“生態(tài)大城市”建設(shè)。
各地智慧水務(wù)建設(shè)缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)的模式指導(dǎo)，有些地區(qū)對(duì)智慧水務(wù)的內(nèi)涵理解和建設(shè)任務(wù)認(rèn)識(shí)還有偏差，表現(xiàn)在偏重于強(qiáng)調(diào)實(shí)體網(wǎng)建設(shè)，忽視信息網(wǎng)和管理網(wǎng)建設(shè)；偏重于強(qiáng)調(diào)實(shí)施監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)取案兄苯ㄔO(shè)，忽略“智慧”調(diào)度管理建設(shè)等。
我國水司智慧化管理現(xiàn)狀及問題
目前，基于信息化技術(shù)的“智慧化解決方案”在我國水司的應(yīng)用主要有以下內(nèi)容：SCADA系統(tǒng)，包含水量、水壓、水質(zhì)和水位等數(shù)據(jù)。營業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)，包含用戶、用水類型、水費(fèi)繳納等數(shù)據(jù)。
GIS系統(tǒng)（地理信息系統(tǒng)），包含管道、閥門、流量計(jì)等資產(chǎn)空間數(shù)據(jù)。維修養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，包含管道巡檢、現(xiàn)場(chǎng)維修、泄漏修復(fù)、管道更換、工單派發(fā)等信息?？蛻舴?wù)熱線系統(tǒng)，包含客戶投訴、報(bào)修、偷漏水舉報(bào)等數(shù)據(jù)。
雖然信息化技術(shù)在我國水司的應(yīng)用已經(jīng)日益廣泛，但仍存在一些問題。
第一，規(guī)劃不到位，缺乏戰(zhàn)略性、整體性和前瞻性的IT規(guī)劃，“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的現(xiàn)象比較突出。
第二，重硬件輕軟件，信息孤島問題嚴(yán)重。在實(shí)踐中，水司硬件設(shè)備安裝得多，軟件應(yīng)用得少，且對(duì)于軟件項(xiàng)目而言，定制開發(fā)多，靈活性、擴(kuò)展性差，從而導(dǎo)致兩方面的不利后果：一是各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)沒有交換，形成一個(gè)個(gè)的信息孤島，最終部分項(xiàng)目反成信息化包袱；二是信息數(shù)據(jù)繁雜，難以為管控決策有效利用。第三，服務(wù)溝通存在障礙。一方面，被動(dòng)式服務(wù)，缺乏高水平服務(wù)帶來的尊嚴(yán)和尊重感；另一方面，客戶服務(wù)和溝通渠道相對(duì)單一。
智慧水務(wù)建設(shè)及其實(shí)施路徑
1、智慧水務(wù)的建設(shè)原則
為了解決目前水司在信息化技術(shù)應(yīng)用上的諸多問題，智慧水務(wù)的建設(shè)應(yīng)遵循以下原則：
一是標(biāo)準(zhǔn)化，基于主流技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，建立健全各項(xiàng)技術(shù)規(guī)范和制度。二是流程化，基于工作流程實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程。三是集成化，多系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成與信息整合。四是簡單化，用戶操作和體驗(yàn)簡單易用。五是先進(jìn)性，對(duì)技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展要有遠(yuǎn)景規(guī)劃，既能兼容目前的常規(guī)體系架構(gòu)，亦能支持未來對(duì)大數(shù)據(jù)和云計(jì)算環(huán)境。
2、智慧水務(wù)的系統(tǒng)構(gòu)架
智慧水務(wù)的系統(tǒng)構(gòu)架遵循物聯(lián)網(wǎng)傳統(tǒng)意義上四個(gè)層次的原理。具體而言，最基礎(chǔ)的“感知層”包括了水量、水壓、水位、水質(zhì)以及漏損等信息的監(jiān)控或數(shù)據(jù)收集設(shè)備。
這些數(shù)據(jù)通過移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)、藍(lán)牙等方式所構(gòu)成的“傳輸層”進(jìn)入數(shù)據(jù)的“存儲(chǔ)層”，并通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，從而在“應(yīng)用層”以各個(gè)功能模塊或平臺(tái)的方式展現(xiàn)出來，輔助管理層的決策行為以及幫助操作層的執(zhí)行行為。
3、實(shí)施路徑
對(duì)于目前國內(nèi)多數(shù)水司來講，智慧水務(wù)建設(shè)的起點(diǎn)并不是一張白紙，而是需要根據(jù)水司的戰(zhàn)略和發(fā)展目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)狀進(jìn)行整體性規(guī)劃，并制定分布實(shí)施的計(jì)劃。
在實(shí)施過程中，為了解決“信息孤島”的問題，讓各業(yè)務(wù)系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)真正得到有效利用，需要對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行整合升級(jí)，并構(gòu)建一個(gè)可以集成各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合管理平臺(tái)，根據(jù)給管理者提供智能決策支持的需求，開發(fā)不同的功能模塊。
其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整合。在理論上，來自不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是海量的，對(duì)其進(jìn)行挖掘、分析，可以產(chǎn)生不同的功能模塊。
為了讓智慧水務(wù)的建設(shè)更加容易落地，需要找到符合水司發(fā)展要求的突破口，然后在數(shù)據(jù)不斷完善、管理水平不斷提高的前提下，逐步擴(kuò)展綜合管理平臺(tái)的功能模塊。
（1）產(chǎn)銷差綜合管理。產(chǎn)銷差管理是最易于落地的突破口，原因如下：其一，產(chǎn)銷差是所有水司都開始，或者將來會(huì)高度關(guān)注的問題。其對(duì)水司的重要意義體現(xiàn)在：在水資源匱乏的情況下，能更有效地利用資源；在政府控制的比較低的水價(jià)水平下，減少化學(xué)污染和能耗；減緩供水系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)從而減少投資；供水企業(yè)技術(shù)和管理水平的重要指標(biāo)。
其二，產(chǎn)銷差的產(chǎn)生是一個(gè)綜合問題，涉及到現(xiàn)有各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整合，以及明確各部門在產(chǎn)銷差管理上的職責(zé)。
其三，產(chǎn)銷差管理可以更容易找到商業(yè)模式。以上海城投水務(wù)集團(tuán)為例，其平均供水規(guī)模以600萬噸/日計(jì)，當(dāng)前居民水價(jià)1.92元/噸計(jì)，每降低1%產(chǎn)銷差節(jié)約的經(jīng)濟(jì)效益約4200萬元；如從當(dāng)前約28%的水平降低至15%，則累計(jì)節(jié)約5.5億元。
（2）科學(xué)構(gòu)建供水調(diào)度決策系統(tǒng)。以水力模型應(yīng)用為核心，首先實(shí)現(xiàn)“源水+供水”的調(diào)度整合，打造從源頭到水龍頭的一網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)。目前，我國水司的供水調(diào)度系統(tǒng)存在三方面的問題：
其一，有限的監(jiān)測(cè)手段和數(shù)據(jù)無法全面反映管網(wǎng)的水力狀態(tài)。
其二，基于人工經(jīng)驗(yàn)的調(diào)度，其全面性、一致性、穩(wěn)定性、可傳承性比較差。
其三，傳統(tǒng)指令發(fā)布的方式可追溯性差，難以進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)和分析，從而進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化。
供水調(diào)度系統(tǒng)以水力水質(zhì)模型為核心，集成來自GIS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、新裝和現(xiàn)維系統(tǒng)、泵站能效評(píng)估系統(tǒng)、危機(jī)和預(yù)案管理系統(tǒng)、大閥門管理系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)；
輸出在線監(jiān)測(cè)和報(bào)警、模型預(yù)測(cè)、危機(jī)和預(yù)案管理、圖表和報(bào)告等輔助決策分析、在線調(diào)度和指令管理、應(yīng)急響應(yīng)事件管理等信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、輔助決策和科學(xué)調(diào)度指令發(fā)布等功能。
這種以水力模型的應(yīng)用為基礎(chǔ)的科學(xué)調(diào)度系統(tǒng)，可以根據(jù)用水需求實(shí)施合理的調(diào)度措施，優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)行，在確保供水安全的基礎(chǔ)上降低管網(wǎng)運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用。
（3）構(gòu)建能源管理系統(tǒng)。從水司主要的能耗源頭，泵站的節(jié)能改造和用電監(jiān)測(cè)入手，打造能源監(jiān)測(cè)和管理平臺(tái)，開展能耗監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)集成分析、優(yōu)化調(diào)度、泵效測(cè)試、變配電系統(tǒng)改造等綜合措施，建立能源綜合管理平臺(tái)，可為水司節(jié)能降耗提供信息化和輔助決策，幫助水司降本增效。
建立水務(wù)業(yè)務(wù)全過程中的綜合能源管理平臺(tái)，對(duì)電、水、氣、熱等能源，以及泵機(jī)（含各式泵、各式風(fēng)機(jī)，電機(jī)等）、變配電設(shè)備（變壓器等）、照明（含辦公，樓宇，工廠車間等）、供熱（鍋爐，蒸汽等）等耗能實(shí)施綜合管理，優(yōu)化能源的管理使用。
具體而言，通過用能設(shè)備的耗能數(shù)據(jù)采集和用能監(jiān)測(cè)，有效管控能源使用，進(jìn)行必要的設(shè)備和系統(tǒng)的節(jié)能改造，建設(shè)信息化的能源管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)降本增效。在原水和供水環(huán)節(jié)，制水廠、輸配水管網(wǎng)泵站的耗電占比高達(dá)90%，其中，水泵機(jī)組和電力變壓器是最重要的耗能來源，可通過開展泵站能效分析和改造以及實(shí)施能耗監(jiān)測(cè)的方式實(shí)施節(jié)能減排增效工作。
在污水和排水環(huán)節(jié)，水泵、鼓風(fēng)機(jī)、污泥脫水機(jī)組和配電主變等是主要的耗能來源，可通過改造落后工藝和變配電設(shè)備、開展耗能設(shè)備用電監(jiān)測(cè)、廠網(wǎng)泵站的綠色照明改造等方式實(shí)施節(jié)能減排增效工作。
結(jié)語
智慧水務(wù)的建設(shè)具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益――不僅可以更加合理地利用水資源，確保水量、水質(zhì)、水壓和供水安全，為用戶提供更高水平的供水服務(wù)，降低由于管網(wǎng)漏損或爆管對(duì)路面建筑以及城市交通和用戶生產(chǎn)生活的影響，還可以提高水司運(yùn)維水平，保持合理的運(yùn)維成本，從而減緩供水成本升高對(duì)水價(jià)的壓力。
在智慧水務(wù)的建設(shè)實(shí)踐中，各水司應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，按照整體規(guī)劃、分部實(shí)施的原則，將先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與水務(wù)管理緊密結(jié)合，從最易落地的項(xiàng)目開始著手，逐步完善智慧水務(wù)的建設(shè)。
