基于GIS的智慧管網平臺在供水管網管理中的應用

梁戰昌

廣西農村投資集團水務有限公司 廣西 南寧 530000

在智慧城市的大背景下，伴隨著 GIS、物聯網、大數據分析等前沿技術的發展，在智慧供水的應用方面有了新的突破。牟云峰從中國供水網絡的實際應用需要出發，在 GIS平臺上開發了供水網絡信息系統，為供水公司提供了可視化的地理位置調研與分析服務，使供水網絡成為一種基于網絡空間的社會管理方式；班富臣在供水工程中運用 GIS技術，對供水工程進行維修、檢修，提高了供水工程的科學管理水平，并在突發事件處理中發揮了重要作用。在前期研究的基礎上，本文對智慧管網平臺的多角度應用進行了分析，并對如何將地理信息技術在智慧管網平臺建設中的價值進行了深入的探索，使城市供水的智能化運營得以實現，提升了供水企業的管理與服務水平。

1 水務行業智慧化發展的需求

1.1 水務行業的智慧化現狀

目前，我國大部分的供水企業特別是縣級供水企業都采用較為粗放的操作與控制方式，但其操作的準確性、時效性較差，運行費用較高。為確保我國供水企業穩定、低碳、高效地穩定地運行，需要發展一套一體化的智能化控制方法，這一技術的實現離不開海量的水處理設施實時監測數據[1]。為此，亟需在水務行業中形成數字化、網絡化、智能化的管理方式，以海量數據的采集、聚合、分析與服務為基礎，構建一個能夠實現泛在互聯、靈活供應與資源有效配置的開放云平臺，為水務企業提供數據的高效處理與一體化的智能化流程水控制方案。

1.2 智慧管網云平臺技術的價值和意義

運用云計算、大數據、人工智能等新一代互聯網技術，與水務集團在過去幾年中所積累的行業知識和技術相結合，并與智能運營管理理念相結合，推出水務行業的智慧管網運營管理平臺，構建區域水務集團下屬水處理的數字化應用和標準化操作系統，從而實現了運營管理能力的深度提升?；谛畔⒓?，建立一個“全面感知，設備聯網，數字集成，智能預報”的智能云計算平臺。

2 GIS技術的多角度應用

2.1 地理信息數據輔助供水規劃

地理信息數據是地理學資料中最基礎的一種，它反映了地理學上的地形變化。為了把水從水庫輸送到給水系統，然后輸送到終端消費者，需要通過鋪設管道輸送水[2]。首先，要考慮到地形、地勢等因素對水流的影響，對水流中的水動力、位能轉化進行數值模擬與分析。在地勢起伏較大的水源輸送中，既要考慮水源上升時的水壓增大，又要考慮水源下降時的水壓減??；并在此基礎上，針對不同的地表高度及鋪設管線的需要，計算出管線的埋深，以便于施工；將 DEM應用于供水工程前期設計，可使供水工程的規劃與設計更加智能化。其次，以 GIS為基礎，通過對供水管網數據的分析，獲得了工程規劃中的收益；水的使用者可能是工廠，也可能是居民。與使用者有關的信息可以從基礎的地理資料中擷取。根據以上資料，再結合現有的水廠存量資料，就可以判斷出各區域的供水狀況。按照用戶量，可以粗略估計出需要多少水。

2.2 GIS數據庫實現供水資產管理

傳統上，供水網絡的數據管理多采用圖紙、文檔的方式。另外，供水企業的檔案室不但占用大量的空間，還不能保證資料的安全性，更難分析使用已有的數據。通過 GIS地理數據庫技術，實現對水源、水管、水廠、水表、閥門、給水管線、消防栓、升壓泵等的自動轉換。將其處理成具有空間信息的數據，存儲在 GIS數據庫中，實現對供水管網設施的數字化管理，對已有的供水管網值進行全面控制和整理，為供水數據的深度挖掘提供支持。

2.3 GIS分區實現精細化漏損控制

在 GIS技術下，以供水管網分布數據、用水戶及各類儀表為基礎，將供水用戶分成若干個儀表區域，在 GIS技術下，實現對單個區域的可視化管理。在此基礎上，通過結合夜間最小流量，可快速準確地判斷出漏點的位置，減少漏損，達到對漏點的精細控制。

3 智慧管網平臺的構建

智慧管網平臺以 GIS、物聯網技術、大數據技術等新一代先進技術為基礎，將物聯網前端感知數據和基礎數據進行融合，構建出與現代供水管理和長遠發展相適應的規劃框架，對供水公司的智能化服務水平進行全面的提高，真正實現供水管網管理信息化、資源可視化、決策專業化的設計目標[3]。

3.1 智慧管網平臺架構

智慧管網平臺的總體架構可以被劃分成七個層次，分別是：物聯網感知層、硬件平臺層、數據層、應用支持層、接口層、應用層、展示層等，構建出了適合智慧水務信息化建設的標準規范體系，具體包含了標準規范設計和安全體系。

每一級的智慧管網平臺具有以下具體的功能：

1）物聯感知層：物聯感知層，它是在系統的底層，為用戶提供最基礎的數據收集、傳輸等功能。通過訪問傳感器、傳感器終端、攝像頭和遠程傳輸設備等物聯網設備，與系統展開信息交換和通信，從而實現對供水設備運行數據的監測和管理。

2）硬件平臺：硬件平臺是支撐系統架構建設所需要的硬件設備，包含服務器、網絡及路由器等。

3）數據層：數據層以業務數據庫與數據倉庫為主，而數據庫則以歷史數據庫、各類業務系統數據庫、數據倉庫數據庫及其它數據庫為主。無結構數據庫中包含的數據大多是某些文件數據[4]。

4）應用支撐層：應用支撐層將分散的、異質的應用與信息資源進行聚集，為不同的應用系統之間的跨數據庫與系統平臺進行統一的接入與無縫的整合，并為信息的獲取與傳遞進行聚合，使個性化的商業應用得以有效地進行開發、整合、部署與管理。

5）應用層：是指基于應用支持平臺，向用戶提供各種應用服務的基本應用程序，這些程序包括：給水管網地理信息系統，給水綜合應用系統，給水計量系統，DMA分區計量系統，給水管網巡檢系統，給水應急維護系統，BI系統等。

6）接口層：智慧管網平臺的構建，也包含了對整個應用系統界面的管理，其中包含了數據推送界面、數據同步界面、地理信息服務界面、在線監測數據界面等，并通過一個高效的界面管理機制，達到了資源共享的目的。

張家界屬于中亞亞熱帶季風濕潤氣候，夏半年降水豐沛，冬半年降水較少，夏季經常受到降雨而使實景演藝取消演藝計劃，冬季寒冷的天氣使游客降低選擇實景演藝的可能性[4]。夏半年的旅游演藝產品需求最旺盛，冬半年的旅游演藝產品需求較少，旺季出現供不應求，淡季出現供過于求的情況，這不免降低了張家界旅游演藝市場的競爭力。

7）表現層：表現層是一個用于用戶與該系統進行互動的入口，一般包括一個內外兩個入口。外部入口是為企業以外的人員服務的，而內部入口是為企業中的人員服務的。

該平臺的縱向方向被分成：

1）根據《全國電子政府標準化導則》，構建了一套由相關技術規范、數據交換內容和格式、基本數據庫標準等組成的信息化標準體系架構。

2）安全保護系統的安全保護架構主要包括：網絡的身份驗證與權限管理系統，數據的加密與傳輸安全系統，安全評價與監控系統，內容的防偽篡改等。

3.2 智慧管網平臺模塊設計

1）給水網絡 GIS系統將水源、源管、給水系統、水表、閥門、給水管線、消火栓、升壓泵等分散的各類資源信息整合起來，在一個統一的平臺上實現了對這些資源的全面展示與管理，從而實現了以基本地理數據為基礎，對供水企業的資源進行全生命周期的管理，為水業企業的資源配置及有關工程的規劃提供數據支撐的管理目標。

2）以高精度的數字高程模型，高分辨率的影像，城市給水管網資料為基礎，建立供水企業給水業務的可視化管理系統。以管網資料為基礎，為用戶提供全方位的可視化資料查詢、管理及更新服務。為供水企業提供管網建設流程、成果信息、管網維護、檢修等信息，有效提升供水企業的運行與管理效率。

4）根據精細的 GIS數據，供水檢測維護系統對多作業系統中的作業進行聚類，并對作業系統進行規范化管理。本系統使維修人員編制自動化、維修流程透明化、工作任務規范化、工作績效規范化，為員工的考核工作提供了很好的基礎。

5） BI系統依賴于數據倉庫，以數據中心為載體，采集多個系統間的數據，并提供多種豐富的數據展示功能。通過GIS平臺上的前端傳感設備和控制系統，實現對管道設施的實時監測，對其進行管理，維護，擴展和訪問。利用綜合圖分析工具，對各種資料進行綜合、檢視和分析。將 GIS與實時監測、業務處理等空間和時間維度相結合，實現 GIS的整合與互聯。對水服務的全面、多維、集中的應用要求提供最大的支持。

4 具體應用場景和應用模式

4.1 實現采集、監控和分析的實時工業大數據

在水處理各工序中，通過圖形化的方式，將各工序中設備的運行情況以及各儀表的運行情況一一呈現出來。增強數據反饋的時效性，使實時數據的動態變化得到及時的反映，當現場設備或儀表出現警報時，可以得到告警信息，并能在第一時間將警報信息顯示給現場的操作者。在趨勢曲線中，將最重要的技術參數顯示出來，以展現數據的實時狀況，對實時數據的現在和過去的曲線趨勢進行分析，并對同一數據指數進行每月和每年的數據分析，并為儀器在現場的操作和維護工作提供數據分析的依據。

4.2 實現數據判別和清洗

通過對異常數據的繪圖，并對其進行統計和分析，可有效地提高設備、儀表的使用壽命，減少設備維修費用。通過地圖，可以看到各廢水處理站的分布情況及在線情況，多維度統計，全面分析各種不正常的數據。這個平臺能夠按照不同的數據清除規則和條件對海量數據進行清除，為數據的分析、挖掘以及數據模型的建立提供一個有效的工具。

4.3 整合數據，模型，工具，打造數字孿生的智慧管網服務

數字孿生是水務集團智慧大腦的核心模塊，其實質是利用智慧水務，對實時數據、靜態數據、機制模型和 BIM模型進行綜合開發，從而實現對實物資產和運營狀態的全面、可感知的數字化表達。在此基礎上，以數據分析、水質預測、生化分析、工藝參數優化、運行狀態監測、能源效率分析等為研究對象，以大數據分析為核心，以大數據為支撐，以數據為驅動，水質預測，生化分析，工藝參數優化，運行狀態監測，能源效率分析為目標。致力于提高生產效率，穩定生產，最大限度地使用人力資源。

4.4 為實現數字化的全業務管理，開發一整套云計算管理系統

以智慧管網云平臺為基礎，為污水處理廠、供水業務運營管理、水環境運營管理、統一的數據控制系統以及專業的自動化控制系統，提供一套完整的運營管理云系統。在此基礎上，對集團數字化管理模式進行探討和實踐。

4.5 基于大數據、應用人工智能等技術

智能水云平臺將大數據、人工智能等技術與商業理論和經驗融合起來，對污水生化全過程進行智能控制，保證了厭氧、缺氧、好氧等技術階段的技術環境；運用大數據技術和業務數據的合理結合，對水廠來水進行了精確的預測，并進行了智能化的抽水控制；建立了一種能夠準確預報生物除磷過程中的總磷濃度的虛擬裝置，并對其進行智能化控制；在人工智慧的指導下，通過對活性污泥中指標的識別，可以為自來水廠的生產操作提供參考，并為自來水廠的生產運行提供預報信息。

4.6 建立遠程控制運行的遠程支撐平臺

目前在運行中的部分供水系統，由于運行、維修人員的專業技術水平較低，很難獨立完成日常的設備運行、維修工作。比如，裝備維修，就要求有專門的技術人員進行遠距離的指導，并進行實時的監測。通過將 AR、遠程輔助和機器檢測等技術相結合，并將一套完整的輔助工具相結合，實現遠程實時引導系統。這個系統將遠程視頻控制和增強現實（AR）引導等創新交互結合起來，將其應用于對供水系統、城市污水和泵站進行遠程維護和日常檢查。

5 結束語

在“數字中國”的建設中，地理信息作為重要的基礎數據，具有不可替代的作用。在此基礎上，通過融合物聯網、大數據等前沿技術，建立“智慧管網”的企業管理與業務運行集成平臺，實現數據的統一管理、信息的統一展示、實時的科學模擬，從而達到規范、高效的運行管理的目的，為水務企業的管理與服務提供了有力保障。另外，GIS技術在“智慧管網”方面的應用也越來越廣泛，因此， GIS技術在城市智慧水管理中的作用也越來越重要。比如廣西農投水務有限公司下屬的岑溪供水公司、藤縣供水公司等供水企業，與熊貓公司等專業技術團隊合作建設智慧水務系統，建設過程中充分結合管網更新改造計劃，以智能化和自動化為目標，以可視化為手段，以地理信息和水力模型系統為核心，以物聯網、大數據分析、云計算為支撐，通過在供水管網關鍵位置安裝物聯監控設備，實時感知供水系統的運行狀態，對運行過程中的水量、水質和水壓進行評估，實現對供水管網全流程的信息監控和分析，為高效率、低成本運營提供了基于數據驅動的決策依據。實施的分區計量（DMA），可以實現供水管網網格化管理，快速分析判斷管網漏損狀況，為制定管網漏損控制措施、精確定位漏損提供依據，為應急搶修提供包括人力、物力在內的輔助決策依據。通過建設智慧水務系統，農投水務公司下屬企業實現了從零星分散數據向大數據集中、從系統孤島向全面集成的轉變，將“產水、輸水、銷水”無縫銜接成智慧水務生態鏈，對海量多維信息進行深度挖掘，及時生成預警處理建議，全過程閉環評估，實現供水系統水質、水量、水壓等信息的識別、監控、模擬和預測，以線上管理指揮及時主動服務，線下主動運維調控，逐步從水務自動化、數字化向智能化階段發展，系統精細化和動態化管理整個生產流程，綜合提升運營效益。