浅析基于“一张图”的智慧水务综合管理平台应用研究-以呼和浩特市为例

王璐璐 朱玉明 刘红义

摘  要： 以呼市智慧水务一期建设项目-综合管理平台建设方案为研究对象，以综合分析“一张图”构建为核心，综合运用物联网、大数据、云计算、人工智能等先进理念和高新技术，结合呼和浩特市建设国家新型智慧城市标杆市的战略目标以及解决城市水资源及水环境等问题的实际需求，阐述了呼市基于“一张图”的智慧水务综合管理平台建设的必要性。基于“一张图”技术对智慧水务综合管理平台建设进行应用研究及分析探讨，科学的架构体系设计对于促进信息基础设施和应用系统效能提供客观的决策依据。综合管理平台建设是呼市打造智慧水务的一次突破与尝试，对于提升呼市公司的管理能力、经济效益和服务水平具有指导性的意义。

关键词： 物联网;大数据;智慧水务;一张图;精细化

【Abstract】： Taking Hohhot Smart Water Phase I Construction Project-Integrated Management Platform Construction Project as the research object， with the comprehensive analysis of “one map” as the core， comprehensive application of advanced concepts such as Internet of Things， big data， cloud computing， artificial intelligence and high-tech Combined with the strategic goal of building a national new smart city benchmark city in Hohhot and the actual needs of solving urban water resources and water environment， the necessity of Hohhot's intelligent water management platform based on “one map” was expounded. Based on the “one map” technology， the application research and analysis of the intelligent water management platform construction， the scientific architecture system design provides an objective decision-making basis for promoting the performance of information infrastructure and application system. The construction of comprehensive management platform is a breakthrough and attempt to create a smart water service in Hohhot， which has guiding significance for improving the management ability， economic efficiency and service level of Hohhot Company.

【Key words】： The Internet of things; Big data; Wisdom water; One map; Refinement

0  引言

智慧水務是智慧城市建设中的重要组成部分，也是呼和浩特市智慧城市试点建设的特色创新项目，是呼和浩特市政府落实“智慧城市”的重要载体，搭建融合式一体化企业管理和业务运营平台，利用大数据分析技术，构建智慧水务综合分析“一张图”，打破原有“信息孤岛”弊端，完善水务监测体系，通过构建基于“一张图”水务全要素的综合分析应用，实现数据共享、资源整合与业务协同，有利于为呼和浩特市智慧城市建设夯实基础，同时为呼和浩特“活力首府、美丽首府、和谐首府”建设提供重要的技术支撑及决策依据。

1  现状分析

1.1  概况

呼和浩特市市区水资源量为11.88亿立方米/年，人均水资源占有量为537.8立方米/年。目前，全市常规水资源可利用总量约42万吨/天，全市人均水资源量为465立方米/年，是全国平均水平的六分之一，属于全国严重缺水城市之一。因此，研究智慧水务“一张图”构建技术，整合水资源、水环境、水安全、水管理等各领域的静态基础数据和动态实时监测数据，提高水质水量安全保障水平，增加水资源的可利用率，通过大数据挖掘为城市及水务行业管理者提供决策支撑[1]，创新水务运营、管理、服务模式，助推呼市智慧城市健康有序发展尤为重要。

1.2  存在问题

（1）大数据分析不全面，多源异构数据须融合

数据是构建“一张图”的核心，在实际应用中，数据来源是多方面的，数据的格式和属性存在差异，在进行一张图构建时，必须将这些数据融合，形成统一的数据库。由于大数据思想从根本上未建立，水务业务未能与信息化深度融合，涉水管理部门重要业务信息系统建设欠缺，且各业务系统标准不统一[2] ，另外，由于第三方系统开放性，数据互通困难，这是本研究的一个技术难点。

（2）业务协同不彻底，分散资源待整合

除了数据之外，一张图指标体系构建是另一个核心要素，构建指标体系的基础是要充分了解水务业务，了解不同层次管理者关注的重点，才能形成与实际管理要求匹配的业务指标体系。在形成业务指标体系的基础上，才能进行数据的组织关联，现有的水务信息系统建设年代不同、分散临时性需求较多，并且不同承担单位技术不同，系统打通困难，数据孤岛现象较为严重。

（3）信息管理不及时，运维方式待改进

目前呼市信息系统运维各自为政，运维由不同单位负责，难以达到信息管理的及时、准确的要求。研究了智慧水务数据集成及综合管理系统技术，面对不同对象，提供相应展示界面，可进行分区管理，实现多系统联合办公，为水务公司不同单位运维管理部门提供应急处置支撑，为水务公司管理层、水厂管理层等提供业务决策支持。

1.3  解决方案

本技术研究以已落地项目为牵引，以数据整合为核心，以数据应用为手段，在深入掌握业务需求的基础上，重点研究综合“一张图”分析技术，通过数据分析手段，可视化地呈现水务公司生产、运行、经营、维护和管理状况，为水务公司不同层次的管理者提供决策支持。

（1）数据采集自动化

围绕水务类核心业务，完善水务监测体系，全面透彻感知水务全要素涉水信息。利用雷达、卫星、物联网等技术构建智能感知体系，确保信息互通和资源共享，形成“天空地水网”一体化的水务立体感知监测体系[3]。通过制定各类信息编码、标识、展现的统一，全方位采集呼市中心城区水务信息，包括雨量、水位、積水、流量、水质等，实现水务信息的汇聚、处理、整合、存储与交换，形成呼市智慧水务综合管理数据库，为呼市智慧水务“一张图”建设提供数据基础支撑。

（2）信息系统集成化

针对呼市现有水务业务系统分散、信息孤岛等问题，以数据仓库为数据存储模式，将不同系统、不同业务数据多源异构数据融合到数据库中，实现数据的集中式管理，打造智慧水务一体化应用平台，涵盖排水防涝的预警应急功能、水资源的智能监控功能、供水管网的监测调控功能等信息化管理功能等，提供贯穿综合整治业务全过程的整体智慧水务解决方案，为呼市智慧水务“一张图”分析奠定基础。

（3）决策调度智慧化

利用一张图的先进技术理念，通过智慧水务各业务应用系统等海量信息提取和挖掘，实现防洪排涝预警、应急指挥调度工作的智慧化决策、水厂管网数字化管养维护的智慧化管理，从而全面提升呼市中心城区在应对城市水资源、水环境问题的管理水平和应急能力，为呼市智慧水务建设提供决策服务。

（4）公众服务便捷化

发挥一张图的核心技术优势，利用移动社交网络，为呼市中心城区提供城市水务建设与公众的良性互动平台，充分调动公众对城市智慧水务建设和维护的积极性，从而能以更加精细、动态、灵活、高效的方式参与城市水务管理。

2  智慧水务“一张图”综合管理平台建设意义

针对呼市水务信息化，结合呼市水资源基本现状及水环境综合治理的实际需求，以计算机通信网络和各采集控制终端为基础，以物联网、大数据、人工智能等高新技术为动力，统筹谋划、系统治理，构建切实可行的智慧水务“一张图”应用体系，实现信息采集自动化、信息系统集成化、决策调度智慧化、公众服务便捷化，使得感知内容全覆盖、采集信息全掌握、传输时间全天候、应用贯穿全过程，提升城市水务整体管理水平，打造国内领先的智慧水务工程。

（1）“一张图”建设是贯彻落实呼市九大专项的有效实践

综合分析“一张图”在呼和浩特智慧水务项目中进行了成功应用，覆盖供排水全过程，涵盖水量、水质、水压、水设施的信息采集、处理与控制体系，有助于提升水务管理的效率，是贯彻落实呼和浩特市建设国家新型智慧城市标杆市的战略目标的有效实践。

（2）“一张图”建设是水务精细化管理的第一要义

水务精细化和智慧化管理是水务事业发展的要求和大趋势，针对现代水务信息化普遍存在数据壁垒不畅、智能应用程度偏低、业务协同形式简单等问题 ，“一张图”智慧应用建设理念能够满足水务信息化在新形势下的发展要求，提高较传统水务信息化建设的自动化控制水平。

（3）“一张图”建设是提升城市水安全保障能力的必然选择

构建基于“一张图”综合管理平台，建立排水防涝工程体系，破解“城市看海”难题，提高城市面对突发事故的应急处理能力，最大限度的减少安全事故的发生[4]，为呼市供排水公司制定内涝防治对策和应急抢险预案提供辅助决策支持，有助于城市应对水质污染、水务调度及内涝应急等多方面的挑战。

3  智慧水务“一张图”综合管理平台总体架构

智慧水务综合管理平台以水务公司的供水、排水业务为核心，覆盖了管网GIS、原水、供水、二次供水、管网测压、移动抄表、营业收费、排洪防涝等业务的综合管理。以ArcGIS服务为基础平台，以水务业务指标分析及流程为核心，重点研究基于“一张图”的智慧水务综合管理平台各业务系统。总体架构设计以水务云平台为技术支撑，通过建设统一的智慧水务综合管理数据库，面向水务业务应用，构建涵盖供排水领域业务信息的“N系统”，打造智慧水务标准规范和安全保障体系，形成“一云”，即一个水务云、“N系统”即“N张图”、“一体化支撑”包括水务数据中心、监控管理中心、标准体系、安全体系和网络系统等一体化的应用支撑。如图1所示。

（1）感知层：针对水源地、水厂、管网、排水防涝等涉水对象和环节安装在线监测设备，如压力传感器、液位计、流量计、雨量计等等，实时监测水质、液位、压力、流量等指标，利用视频、地下管线探地雷达、管线精确定位电子标识等设备，结合气象、卫星等第三方数据，综合感知采集涉水业务实时数据，反映从水厂生产到居民用水的全过程情况，为从源头到龙头的管理奠定基础。

（2）通讯层：采用通讯层解析后数据、各系统交换数据的传输方式，在互联网、局域网、窄带通信等基础通讯网络传输环境的基础上，利用交换设备、防火墙等网络设备，包括应用服务器、数据库服务器、模型服务器和备份服务器等服务器，全面支持2/3/4G网络通信，构建起适应智慧水务的综合通讯层。

（3）数据层：构建呼和浩特市指挥监控中心，为智慧水务应用提供数据支撑。通过数据集成或物联网采集的手段将多源数据划分为基础信息库、水厂SCADA数据库、视频数据库、排洪防涝数据库、管网测压数据库、预警数据库、移动抄收数据库、设备数据库等。主要用于数据资源的统一组织和管理，实现数据的标准化和统一表达，为数据交换、综合应用、大数据决策分析提供支撑。

（4）平台层：对于所采集的大量数据，基于人工智能、边缘计算、分布式计算、增强现实等先进技术和算法，综合运用物联网、大数据、移动应用技术，进行预处理，快速匹配分析指标所需要的数据，提供空间服务、GIS服务、移动服务、虚拟化等基础服务，为涉水业务智慧化应用提供物理、计算、运行等服务环境。

（5）应用层：建设城市一级大数据综合分析应用平台，构建面向水务综合监控体系的智慧水务应用体系，对监测、运行、管理等多源异构数据进行融合、关联、挖掘和分析应用，实现基于“一张图”分析水务全要素的综合分析应用，为供排水管网调度、运行、保障等环节提供服务支撑。

（6）门户层：搭建智慧水务的门户系统，作为整合各系统的框架，实现统一的组织机构及用户管理和权限管理，通过单点登录、功能集成和消息集成等方式，实现各系统在门户框架内的有效集成协同。

（7）扩展层：建设城市级应用体系，其中包括了覆盖水资源、水环境、水安全系统，同时智慧水务平台和呼市智慧城市实现信息共享，实现涉水全过程的综合监管应用，并通过监控中心，利用专业模型、一张图以及统计分析等大数据分析平台，为城市级水务综合监控、管理、治理、预测等环节提供辅助决策手段。

（8）安全保障体系：结合呼市智慧水务综合管理平台管理要求和业务特点，按照等级保护标准要求，从物理安全、网络安全、主机安全、应用安全、数据安全和管理安全等方面建立并完善智慧水务信息安全管理体系，为呼市智慧水务建设和运行监管提供支撑和保障。

（9）制度与标准规范体系：为促进智慧水务综合管理平台规范化、有序化开展，通过全面梳理智慧水务指标体系，规定数据交换手段和接口形式，明确综合管理平台的功能、性能和技术等要求，建立数据、集成和平台等方面的规范和技术导则，并逐步构建完成的标准规范体系。

4  智慧水务“一张图”分析系统构建

通过对水务业务管理需求和水务业务分析指标体系的研究，基于已有的供排水GIS地图的基础上，丰富、整合水源地、水廠、供水、排水、管网、设备监测数据信息，例如管网能力评估、防洪预报调度、内涝风险分析等相关监测点的水质、液位、流量等在线监控系统、设施、工程、地理的信息数据[5]，利用大数据分析技术和“一张图”展示技术，将主要数据信息叠加在一张图上，并实现大屏展现，快速实现呼市水网信息可视化。本研究主要进行综合“一张图”分析、管线压力“一张图”分析、排洪防涝“一张图”分析、水源井（水厂）“一张图”分析、二次供水“一张图”分析、视频“一张图”分析、设备管理“一张图”分析、移动抄表“一张图”分析等八个一张图构建技术研究。如图2所示。

4.1  综合“一张图”分析

综合“一张图”分析是为公司经营领导提供公司运营情况的数据看板，公司经营领导通过该视图能够了解公司的生产运营基本情况，通过简单数据分析发现经营上可改进的问题。

提供综合“一张图”分析总览视图，宏观分析生产运营的情况和供排水情况总览，可视化展现形式呈现企业生产、运行、经营、维护和管理状况[6]。主要包括供水量（日）、售水量（月）、产销差率（月）、用户数（月）、管网情况（月）、营收分析（月）、制水单耗（月）、远传表普及率（月）。地图上显示主干管网拓扑图、显示投诉区域及管理范围，并可以显示当月投诉量、同比和环比。具体系统的主界面如下图3所示。

4.2  管线压力“一张图”分析

管线压力“一张图”分析是将管线数据跟现有的水厂出厂实时压力、管网压力监测点数据、加压泵站出水压力数据、二次供水泵房的末端压力数据进行整合，提供压力分布分析与改进建议，并结合压力投诉量信息，为生产调度人员提供压力问题的分析工具。

通过管线压力总览视图可展示城市管网整体压力空间分布情况，地图上显示水厂出厂水实时压力、管网压力监测点实时压力、加压泵站实时出口压力、二次供水泵站出口压力，在图上根据压力高低用热力图展示，且GIS地图上有数据分档阈值和图例显示，直观显示热力图压力大小范围。对水厂出厂实时压力、管网压力点、二次供水泵站出口压力异常情况进行告警，对于告警信息发起工单。可对压力点所在管网的管径、管材、当日压力走势、历史压力走势进行分析。

4.3  排洪防涝“一张图”分析

排洪防涝“一张图”利用基础地形图和管线图发布数据进行一张图整合，以地图服务的形式把地图和排洪防涝点进行综合展示;直观地展示低洼桥区实时的降雨情况、桥区积水情况、积水预测、当前泵站运行情况;结合水力模型、排洪防涝预测以及通过历史数据，以科学准确的方式分析城市内涝的影响范围、积水深度、积水量和积水时间等致灾因素[7];当汛期来临，公司排洪防涝指挥人员通过系统数据进行辅助决策，掌握排洪防涝系统整体运行情况，为内涝防治对策和应急抢险预案的制定提供决策支持。

4.4  水源井（水厂）“一张图”分析

水厂作为公司的核心业务，提供更加全面的数据支撑，将各水厂业务数据分析、存档，提高生产运营稳定性，为公司领导、水厂厂长、监控人员三种角色提供三种不同视图。

公司领导视图：查看的是所有水厂的总体情况统计，以及各个水厂的分布情况、运行状态的信息。

水厂厂长视图：查看本水厂的情况统计，地图上展示该水厂周边的水源井信息，实时掌握水厂、水源井信息。

监控人员视图：指挥大厅的水厂实时监控人员，可掌握各个水厂的实时工艺运行信息，实现远程监控。

4.5  二次供水“一张图”分析

二次供水“一张图”为二次供水运行监控人员提供远程监控工具，将所有的二次供水泵房的运行信息进行整合，提供二次供水泵房运行分析，具备告警提醒、小区模糊搜索、单个供水泵房实时工艺情况监测功能，利于指挥大厅的二次供水监控人员能够及时发现二次供水运行问题。

二次供水“一张图”分析在GIS地图的基础上，把二次供水泵房的信息根据其地理位置在GIS地图上进行展示，在地图上能够分析泵房运行监控信息、泵房详情和视频，实现数据的集中、统一展示。

4.6  视频“一张图”分析

视频一张图在GIS地图的基础上，提供视频监控在线状态分析，展示监控视频在线与离线占比情况，以及查看详细信息，支持按类别（水厂、水源井、二次供水和排洪防涝）查询统计在线与离线数量，并按离线、在线状态进行排序，对于离线状态摄像头高亮展示，协助用户及时发现视频设备的异常情况。

视频“一张图”分析主要面向视频实时监控人员，通过与地图相结合，能够通过位置或摄像头名称的模糊搜索查找相关摄像头，并调取相关摄像头画面，为视频实时监控人员提供视频快速定位工具，综合全面了解水务现场状况。

4.7  设备管理“一张图”分析

设备管理“一张图”为设备管理部门的设备运行维护人员提供在线设备实时运行状态的远程监控工具，基于GIS地图对供排水公司的水厂、管网测压、排洪防涝、视频多种设备的管理;通过设备列表图层控制，进行设备统计范围的切换和定位。根据故障设备的位置，可以更有效的安排故障设备维修路线，保障设备日常运行维护，应对紧急情况、预防性维护。

设备管理一张图在GIS地图的基础上，把所有设备的信息根据其地理位置在GIS地图上进行综合展示，设备主要应用于水厂、水源井、管网、易涝点、二次加压泵站和营业收费厅六种类型，各类设备基于一张图进行统一的管理，提供设备一张图综合展示、设备总览、设备统计、设备图层控制、设备管理及设备实时报警功能。

4.8  移动抄表“一张图”分析

移动抄表“一张图”为移动抄表管理者提供总体抄表业务的汇总分析，并且提供基于抄表员抄表轨迹的抄表质量汇总展示分析，提升抄表业务管理水平。

移动抄表总览视图直观展示当前抄表工作进度、抄表设备情况监测、行业用水的区域分布情况、抄表工作质量分析情况，让领导对抄表部门的工作情况一目了然;并支持通过抄表员、抄表时间模糊查询抄表员的当前位置及历史轨迹。

地图上显示各个营业所管辖范围，显示当月的抄见率、平均用水量、居民生活用水、总用水量、总欠费金额。

综上分析，可视化城市水务管理全生命周期“一张图”包括国家基础地理数据、城市供排水管网数据、水厂基础数据、河道基础数据、气象水文数据等，是开展城市水务信息资源整合共享的关键环节，也是开展水务业务应用协同的关键措施。“一张图”让管理人员能够迅速定位和了解相关指标情况，以前需要“跑断腿”的信息收集工作，现在只需在一张图的服务设备上轻点鼠标即可实现。

5  建设效果

该项目具备典型大项目的特点，建设内容多，组织结构复杂，在深入研究供排水公司这种典型的供排水企业的运作模式、调度流程和生产销售等环节，着重学习企业经营和调度分析指标体系、关键岗位职能、业务办理流程以及面临的痛点和难点问题的基础上，在项目实施过程中，突破智慧水务关键技术，形成具备核心竞争力的“智慧水务一张图系统”典型产品，实现以信息化带动管理精细化，全面提升业务部门的监管效率效能。

5.1  深度挖掘水务业务指标体系，打造基于“一张图”的综合管控平台

（1）与已有业务系统深度融合，搭建统一的水务企业数据中心

在市政管网信息化的基础上，整合数据，按水务行业特性，建设统一的水务数据中心。设计不同主题域，对各环节水务企业的各类设备、业务系统所产生的大量紊乱的数据资源进行专业化的集中融合、分析处理，消除信息孤岛，实现对水务数据资产的有效积累和价值运营。

（2）可扩展能力和快速扩容能力，方便业务扩展

采用云架构，具备弹性计算、可扩展和快速扩容能力，能够根据业务需求快速动态扩展部署主机，可有效推动呼市水务系统与城建、环保部门的数据共享。

（3）跨平台跨厂商的大数据集成及处理能力，方便数据融合

平台采用大数据集成及处理技术，提供多种大数据处理组件，支持 Oracle、Mysql 等多种商业和开源的数据库和数据源。

（4）数据分析挖掘与业务创新能力，引领水务智慧化

平台借助与相关系统的接口以及对于相关生产设备的远程数据采集能力，支撑生产运行监控各个应用之间的按需联动，平台可沉淀大量水务数据，结合平台的大数据分析处理和挖掘技术，可支撑水务业务创新，引领水务智慧。

5.2  基于排洪防涝模型，建设排洪防涝系统“一张图”

基于排洪防涝模型，构建汛情预测、知识管理、数据分析，提供集数据采集、监控、分析、决策于一体的高度集成化信息系统，分析风险瓶颈、对异常信息和数据及时模拟推演，做好突发事件应急响应，将城市防洪排涝工作由事后“被动处置”向事前“主动预警”、“智慧治理”模式的转变。

6  结论

综上所述，本技术的研究与突破，能够为智慧水务领域产品的发展，提升产品含金量，提供必要的技术支撑。同时“一张图”综合分析作为呼市智慧水务建设的核心组成部分，借助大数据、云计算、物联网等先进技术，以管网GIS为基础，涵盖综合调度、在线监测、安全预警、应急处置等信息，整合水源地、水厂、管网、排水等各个环节的静态基础数据和动态实时监测数据，展示不同专题的水务业务，通过机器学习和大数据挖掘手段，提供服务于城市水务管理的智慧知识，通过构建从数据采   集——数据分析——综合调度——科学决策四个维度的一体化综合管理平台，全面提升水司在突发状况下的事件应急、事件联动、事件处理的决策、管理和执行反应能力。

参考文献

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[3]马照亭， 刘勇， 沈建明， 等. 智慧城市时空大数据平台建设的问题思考[J]. 测绘科学， 2019， 44（6）： 279-284.

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