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智慧水务建设的基础及发展战略研究

2015-10-14 16:10 点击: 次作者:中国水利

　随着信息技术的快速发展和广泛利用，智慧水务已成为许多国家完善水资源科学管理的有效载体。国内目前对智慧水务建设的战略核心理念和关键因素尚没有形成共识，本研究在梳理智慧水务在国内外前期实践的基础上，总结我国智慧水务建设当前存在的主要问题，提出了智慧水务的框架，并深入探讨了智慧水务建设的可行发展战略以及关键实施途径，为我国智慧水务建设提供有效支撑。
　　一、国内外智慧水务建设实践
　　为应对全球气候变化和人类剧烈活动导致的洪涝灾害、干旱缺水、水体污染、水土流失等复杂的水资源问题,推动水务信息化水平向更高层次发展，借鉴“智慧地球”的理念，在“智慧城市”的引领下，国内外相继开展了“智慧水务”的建设实践。
　　1.国内智慧水务建设成果
　　国内上海、江苏、浙江、深圳、北京等地相继开展了“智慧水务”建设。
　　2010年年初，江苏省借力物联网技术，通过“感知太湖、智慧水利”项目建设了“蓝藻湖泛智能监测及打捞车船实时调度物联网系统”，结合物联网技术应用，对太湖水环境治理、蓝藻湖泛、蓝藻打捞处置进行智能感知、调度和管理，建设了一体化的智慧水利物联网综合管理和服务平台。
　　深圳水务按照服务“低碳水务、安全水务、民生水务、效益水务”建设的总体要求，坚持“统一规划、统一标准、统一建设、统一管理”，统筹规划信息化建设，分别从信息采集、网络建设、数据中心建设以及数据共享交换平台建设出发，积极推动智慧水务的发展。
　　上海“智慧水网”发展以及水务信息化建设围绕上海“四个中心”建设和“安全、资源、环境”三位一体治水思路，以需求为导向，应用为核心，创新突破，标准先行，充分发挥体制改革优势，依托智慧城市网络基础，推进跨行业集约整合、市区协同联动、业务网上流转，服务于行政执法规范化、行业监管精细化、评价决策智能化、应用服务便利化，支撑政府职能转变、行业基础管理和社会公共服务。
　　2.国外智慧水务建设成果
　　IBM公司在2008年提出“智慧地球”的理念之后，在智慧水资源管理方面也做出了深入的探索，并不断寻求解决方案。IBM的智慧水资源管理分为利用、预测、协调三个步骤，第一步是利用水资源运营数据，为水资源管理提供深入分析，并提高日常运营管理能力；第二步是预测潜在的水资源问题及长期水资源需求；第三步是协调保障水资源健康运营，促进水资源的合理及可持续利用。在哥伦比亚，为了更好地利用人力资源并延长现有设备使用寿命，IBM公司为哥伦比亚水务局创建了一套系统，通过数据分析实现预先维护和优化流程，以延长设备使用时间，使得水务局能够前瞻性地管理水务基础架构，变被动响应为主动预测，并实现预先解决。在美国加利福尼亚州的索诺玛（Sono-ma）地区，因葡萄种植业对水的大量需求造成了用水高峰期水资源紧张和水位波动，且用水高峰期需要管理水库水位以维持生态环境，用水高峰对地下水的开采可能会导致海水倒灌从而影响水质，用水波动导致不必要的水资源浪费，这种水资源的供需矛盾导致了政府和供应商之间的问题。为此，IBM公司开发了智慧水资源管理系统，具有多组织数据共享，以可视化方式统一展示管网、事件和预警信息，可视化的管网和设备（如采水水箱、水井、增压水站、水塔等）以及信息发布等功能，从而实现了实时采集、及时发现问题、梳理管网顺序、优化调度以及跨部门的共享和促进协同。
　　在日本，日立公司开发了“智能水系统”作为其“智能城市”领域的一部分，该系统在常规的水处理和管理技术之上，借助日立的“信息、控制融合系统”，对自来水、污水、中水等各种水处理设施的运行数据进行一元化管理，从而改进城市整体的水循环经营效率。通过日立提供的监测终端和监控系统，水资源管理部门可以对供水厂、污水处理厂、工厂、水路管网等进行水量水质的实时最优调控，使得不同地点、不同时段和不同需求都成为供水量变化的因素。该系统不仅随时反馈用水信息，更能预测用水趋势，设计不同的用水方案，有效提高区域供水效率。
　　韩国KICT专家也正在致力于推进区域化的智能水网建设，他们认为智能水网是面向未来的水资源管理技术，通过最新信息技术和通信技术与现有水资源管理进行融合能够提高水资源生产、供给和管理效率，从而解决水资源区域不平衡的问题。其研究主要包括以下四方面：①通过建立先进的水资源管理信息平台系统和水资源管理设施的传感器网络来收集管理信息，推动水资源信息管理发展；②建立可替代性的水资源利用和交易系统，促进水资源高效生产和配置；③将电网和智能水网连接起来，节约水资源生产过程中的能量消耗，提高水资源管理系统的效率；④利用先进测量基础设施搭建智能水账单系统，防止水渗漏。
　　3.当前存在的主要问题
　　虽然目前国内外智慧水务建设都发展很快，但顶层设计存在缺位，仅处于盲目跟风和吸引投资的状态。我国智慧水务实践的主要问题包括水务基础信息要素欠缺、资源共享服务有待提高、智能化水平相对偏低等。
　　(1) 水务基础信息要素欠缺
　　截至2011年年底，省级以上水利部门可接收信息的各类水利信息采集点达到78720多个，其中自动采集点为44460个，自动采集点占全部采集点的平均比例达到56.48%；信息化的工程监控系统为346个，监控点（包括视频和非视频监控点）总数达 16098个，其中独立（或移动）点为131个。水务信息化监控水平明显提高，但仍存在监测精度、监测频率以及监测广度这三方面的基础要素欠缺的问题。
　　智慧水务的建设应该是基于地表、地下和遥感监测相结合，水量水质监测相结合，驻站监测和移动监测相结合的空天地一体化立体监测技术。需要通过建设汛情监测体系、水资源监测体系、水环境监测体系和水生态监测体系等四大监测体系，实现对自然水循环过程（降雨、蒸发、径流、地下水、墒情监测等）和社会水循环过程体系（水源、输水、供水、用水、排水和各类水利工程）的及时、全面、准确监测，进而实现信息内容全覆盖、循环过程全贯穿、监测时间全天候的智能感知。
　　(2) 资源共享服务有待提高
　　截至2011年年底，省级以上水利部门正常运行的数据库达600个，存储的数据量达到261899.5GB，平均库存达436.5GB/个。在数据中心建设方面，省级以上水利部门中有11个单位建立了数据中心；数据中心或数据库系统全部或部分实现了业务系统联机访问、目录服务和非授权联机查询等多种信息服务方式。数据存储、处理、多媒体等技术在水利行业能够广泛应用，但是各地的数据中心建设还处于雏形阶段，尚未形成统一的规划模式。
　　为了提高智慧水务的资源共享服务，应当基于一数一源的原则，开发标准统一的数据资源体系，实现数据统一集中存储和规范管理，保证数据中心的权威性及可持续发展。同时，通过提供的信息交换与数据应用服务，支持水利信息共享和业务协同，扩大和深化水利资源的开发利用，并建立相应的数据同步机制，实现数据中心的同步更新。
　　(3)智能化水平相对偏低
　　截至2011年年底，各省业务应用系统基本覆盖了防汛抗旱指挥与管理、水资源监测与管理、水土保持监测与管理、农村水利综合管理、水利水电工程移民安置与管理、水利电子政务、水利工程建设与管理、水政监察管理、农村水电业务管理、水文业务管理、水利应急管理、水利遥感数据管理与应用、水利普查数据管理与应用和山洪监测数据管理与应用，但业务应用系统发展仍不够平衡，且除防汛抗旱外其他业务的决策
支持系统较少。
　　智慧水务需要通过智能应用体系开发，进一步深化信息化手段在水务业务领域的应用，以业务应用加强水利信息化对水利现代化进程的带动作用。智能业务应用建设应当依托于水利信息基础设施，建立服务于四大条块业务（防汛抗旱、水资源管理、水环境管理、水生态管理）日常状态和应急状态的智能仿真、智能诊断、智能预警、智能预报、智能调度、智能处置和智能服务等决策全过程，集管理中心、指挥中心、服务中心等功能于一体的智能应用体系。
　　二、智慧水务的发展战略研究
　　1.智慧水务框架
　　在信息时代，智慧水务既是水务现代化发展的新目标，又是实现水资源科学发展的新模式。智慧水务通过新技术的应用，依靠市民、水供应商、管理部门的多方参与，实现水资源的感知更全面、决策更科学、管理更协调、服务更主动、控制更自动，从而达到新的发展目标。智慧水务总体架构设计如下图所示，包括智慧水务主动服务体系、智慧水务智能应用体系、智慧水务立体感知体系、智慧水务自动控制体系以及智慧水务支撑保障体系五部分。

　2.智慧水务发展战略
　　(1) 转变观念
　　随着信息时代的到来，智慧水务的意义日益凸显，要从被动支撑水务管理转变成融入水务管理乃至主动引领水务管理，分别从水务机构设置、对水突发事件的应急响应以及科学的决策支持角度，充分发挥智慧水务的优势。
　　(2) 领域协同
　　新型智慧水务的建设将实现面向领域的整合，而非仅在行业部门间实现的资源共享和业务协同。当遭遇水突发事件时，联合水务、气象、交通、国土资源、卫生、林业、环保、农业等相关部门以及新闻媒体共同实现信息共享、业务协同、决策支持，将支撑包括所有的涉水事务应急管理；提供面向所有涉水利益相关者的更加便捷、高效的水服务，对社会公众提供及时、便捷、温馨的服务，能够在水灾害事件发生后及时地告知社会公众，并采取相应有效的解决措施。
　　(3) 服务融合
　　智慧水务充分利用网站以及移动终端为市民提供涉水业务的一站式服务，以社会公众为核心，实现智能水表、电子支付水费、行政许可网上办理、水质投诉等功能，充分反映社会公众的需求，提高水务公共服务水平。
　　(4) 公众参与
　　智慧水务将通过基于云计算技术的应用支撑服务提供数据开放以及平台共享，公众及水服务商通过挖掘与自己行业相关的水数据，进行科研或实践活动，反过来促进水管理及水服务，以此实现管理部门、水供应商以及社会公众的共赢。这种模式能使得管理部门减少投入，增加公共服务的供给，对于水服务商来说是一种新的商业模式，公民也将享受到低成本、高质量以及多样化的服务。
　　3.实施途径
　　智慧水务是在充分利用现代信息技术的基础上发展完善的，所以不断发展的信息技术（包括软件和硬件）是智慧水务最为关键的实施途径。但智慧水务并不等于单纯的水利信息化，因为智慧水务在发挥信息化手段满足现代水务发展需求的同时，也为水利事业的发展提出了更高的要求和可能的条件。比如高效科学的水务管理模式，它一方面是对水利信息化技术提出的要求，同时也是智慧水务有效实施的关键要素。智慧水务是在适应当前水务管理体制机制下建立的，但随着智慧水务的发展，管理模式创新也势在必行，只有这样才能实现更高水平的智慧水务。除了管理模式，水利信息资源的共享及其安全、智慧水务的顶层设计及专项技术发展都是影响智慧水务发展和有效利用的关键实施途径。
　　(1) 信息技术和管理模式共存
　　物联网、云计算等现代信息技术的高速发展和成熟应用，为智慧水务的建设奠定了良好的技术基础，使得感知内容全覆盖、采集信息全掌握、传输时间全天候、应用贯穿全过程的设想成为可能，使人类能以更加精细和动态的方式对水务进行规划、设计和管理，改善了人类社会与自然的关系，改进了水务部门与政府、水供应商和社会公众之间的交互方式，提高了水资源管理和利用的明确性、高效性、灵活性和有效性。与此同时，信息技术由被动支撑管理向融入水务管理模式的转变，推动了水务业务流程的再造，真正实现精确精细、敏捷高效、全时段、全方位覆盖的水务扁平化管理模式，通过“水务一本账（即统计口径统一、技术标准统一、测量方法统一、共享程度统一的一本账）、水务一张图（即国家、省、地市、乡镇、县等各级都基于一个地理信息系统）、水务一张网（即一个传输网络）、水务一朵云（即一个云计算中心）、水务一平台（即一个统一管理平台）和水务一灾备（即一个灾备中心）”的实施途径，使水务管理部门将适量、适质的水适时、安全地通过水服务商送至用水对象，为促进水务由粗放管理向精细管理、由被动式管理向主动化服务、由静态管理向动态管理、由条块管理向协同管理、由传统管理向现代管理的转变提供全方位的科技支撑。
　　(2) 资源共享与信息安全双赢
　　智慧水务的有效运行是建立在广泛的水务信息资源基础之上的，而这些信息散布于不同的主体，信息的需求方与供给方又存在结构性不平衡，需要通过水务部门内部共享，水务部门与气象、国土、环保等部门跨部门共享以及与社会公众共享，及时、准确、完整地传递防汛抗旱、水资源、水环境、水生态等涉水业务信息，提高水资源综合管理能力。并且，通过水务信息资源共享，智慧水务的广泛应用能改变分散建设的模式，可以大大减少监测站点、通信设施等硬件和数据库、应用系统等软件的重复建设。
　　(3) 顶层设计与专项研究同步
　　智慧水务的建设和应用以统一的业务框架、统一的技术标准、统一的技术架构、统一的运行环境、统一的工作部署为内在要求，解决这个问题的最好办法就是率先进行全局性的顶层设计，自上而下地统筹、集约、协调水务发展，提升水务管理的整体优势和绩效。与此同时，也要积极开展各专项研究，做好深入规划。
　　三、结语
　　智慧水务建设将推动我国由传统水利向现代水利转变，是未来实现水资源科学发展的新模式。要在广泛借鉴国内外成功经验基础上，从我国水利事业科学发展的高度出发，明确指导智慧水务建设的长远性、全局性战略思想，牢牢把握住各项关键因素，抓紧解决制约智慧水务建设的瓶颈问题，实现我国智慧水务的高水平建设。
　　智慧水务建设的基础及发展战略研究田雨、蒋云钟、杨明祥