隨著新時期治水方針的逐步落實，水利現代化、智能化建設已開啟，物聯網、圖像識別、數字孿生等新技術的成熟，也為智慧水務體系的搭建提供了技術保障，新時代治水新思路正逐步得到落實。本文對智慧水務的總體架構與包含的建設內容進行研究，力圖為智慧水務體系搭建及項目建設提供部分借鑒。
1 研究背景
新時期治水方針要求將傳統水務與現代信息化技術進行，提升涉水業務管理能力和水平，使水務參與相關方及社會公眾享受到水務的智慧化服務，實現防汛減災、水管理、水資源利用等方面的涉水業務綜合管控。當前水務監測體系已基本實現對水文信息采集、水資源水環境信息采集、工情信息采集、工程信息采集以及監控站點等覆蓋，但由于分屬不同業務部門，在不同時期建設，導致實時數據未得到很好整合，未能發揮整體效益，具體表現為監測站點布設缺乏統籌考慮，監測手段單一，缺少創新監測手段應用，以及數據資源整合利用程度低，業務應用不夠深化靈活等。因此，在新一代信息技術賦能下，搭建智慧水務體系，成為了必然趨勢，也具備了可落地基礎。
2 智慧水務內涵
2.1 智慧水務內涵
站在水務管理部門的視角，智慧水務即緊密圍繞水、水資源、水環境、水工程、水事務、水公共服務6大核心業務的需求，云計算、大數據、物聯網、人工智能、數字孿生等新一代信息技術，推進涉水業務智能應用，提升信息整合共享和業務智能管理水平，驅動和支撐水務治理體系和治理能力現代化[1]。
(1)水。主要包括水災防御、飲用水管理兩部分內容。水災主要為雨季型洪水、臺風型洪水造成的雨澇，當有大洪水來時，通過模型進行預報預警，可以提前采取措施，預報各水庫水位，騰出庫容調蓄洪水，減輕庫區周邊和下游的防洪壓力。在后汛期，根據來水預測及時攔蓄洪尾水量，盡可能多的儲備水量。當預測來水量較少時，可根據水庫蓄水情況和需水量分析，提前采取抗旱措施，減少旱災的影響。飲水工程則是統籌城鄉發展，和提高民眾生活質量，城鄉經濟社會發展的重要民生基礎設施，城鄉飲用水密切關系到群眾的身體健康，防范飲水風險十分必要。通過對人飲工程增加水質和水位自動監測，可實現城鄉飲水工程供水自動預警，同時加強城鄉飲水工程日常業務管理，提升城鄉供水和應急處置能力。(2)水資源。是指有利用價值且可被利用的水源，包括地表水及地下水等。在信息化中，水資源信息包括水質信息、監測信息、供水廠監測信息、排污口信息、取水戶信息、水庫信息、水電站信息、流量監測信息、水利工程信息等。水資源優化配置包含了水資源管理、供水管理、灌區管理的綜合優化。(3)水環境。主要通過監測站網進行監測，監測站網是指在流域內或者區域內，由適量的水質監測實驗室與地表水、地下水、大氣降水水質站組成的監測信息收集系統。在水環境管理及保護上，又可分為河湖長制綜合管理、采砂管理、水土保持管理等。(4)水工程。包括涉水的水利工程建設管理、水利工程運行管理。(5)水事務。即以水行政事件為主線，涉及到的對象、業務流程等，主要為水行政執法，包括執法對象、執法巡查管理、執法辦案管理、案件辦理管理、執法隊伍和裝備管理、執法指揮調度等。(6)水公共服務。即水務部門面向公眾提供的涉水政務服務，通過互聯網、移動端、辦理窗口、戶外展示引導等提供，主要包括行政審批事項處理、公眾水務事項解答、公眾水務事項投訴處理、公眾預報預警、公眾節水教育、公眾河湖治理宣傳教育、引導公眾參與河湖治理、公眾水情教育等。
2.2 智慧水務總體架構
智慧水務建設可按照“四橫兩縱”總體架構進行，即基礎設施、水務大數據、應用支撐平臺、智能應用，以及機制保障、技術保障。智慧水務整體架構圖。
基礎設施包括水務智能感知網和基礎運行環境。
(1)水務智能感知網。水務智能感知網即運用無人機、無人船、物聯網、5G等新一代技術，通過構建“空-天-地-水”監測感知網，實現水務要素全感知，區域感知全覆蓋、感知手段全應用，支撐水務工作。智能感知網需要在傳統水雨情、水資源、工情監測站點基礎上，強化無人機、無人船等技術的綜合應用，豐富采集種類、加密采集覆蓋、整合采集站點、規范采集數據，進一步加強水文、水資源、水環境、水工程、農村水利等方面的信息采集，提高信息的完備性、真實性和時效性，滿足精細化水務業務管理應用要求。廣義上說，水務智能感知網包括河道監測站網、人飲工程監測站網、在建水利工程監測站網、水庫及水電站監測站網。
(2)基礎運行環境。1)水務大數據。建設水務大數據，可豐富數據資源，實現各部門數據資源整合共享，提升數據共享和服務能力。2)水務模型。基本的公共服務基礎模型，方便應用軟件開發時在其上層更捷地搭建業務應用流程和構造信息門戶，水務模型為應用層提供統一的支撐服務。應用支撐平臺為應用層提供統一的支撐服務，是實現水務事件推理、水務事件協同、水務實景仿真、水務時空分析、水務行政服務等公共服務的基礎平臺。智慧應用為基于模型構建的應用，包括水專題、水資源優化專題、水環境保護專題等，配合綜合決策大屏、移動應用平臺和統一門戶使用。3)機制體制保障。標準規范的機制建設是工程建設重要的基礎性工作，是實現智慧水務運行管理的目標，保證信息交換、共享和應用支持性和可行性的重要前提。4)技術保障。技術應用是系統運行的支柱，貫穿于整個體系架構各層的建設過程中。
3 易慧水務建設內容
3.1 智能感知網
根據水務業務應用建設需求，以水雨情、水資源、工情監測站點為核心基礎，強化無人機、無人船等技術的綜合應用。智能感知網具體建設為河道監測站網、人飲工程監測站網、在建水利設施監測站網、水庫監測站網等。監測數據包括水位、流量、雨量、濁度、酸堿度、余值、實時畫面等。
3.2 水務大數據
(1)水務數據資源目錄。水務數據資源目錄建設是開展數據共享的重要手段和途徑，各級在建立數據資源目錄時，應保持基本維度分類體系的一致，并在水務數據建立統一的目錄服務系統，解決各自領域范圍的數據資源目錄管理與發布。根據水務系統的實際情況，水務數據資源目錄可分為基礎數據目錄、監測數據目錄、業務數據目錄。(2)制定數據標準規范體系。按照“一數一源”的原則，進行相關標準規范制定，主要包括數據庫設計規范、數據加工存儲規范、數據資源共享規范、數據接入規范等。(3)數據資料制作。數據資料制作包括河湖現場全景圖、城鄉供水三維場景、線上虛擬館等。
3.3 應用支撐平臺
(1)水務事件推理能力。可分為洪水預報模型、水庫來水及調度模型、圖像分析模型等。洪水預報模型的構建是為了實現將實時或預報水雨情數據作為輸入，通過預報模型，來實現對流域內重要節點的洪水過程的預報。水庫來水預報及調度模型則通過選取水庫并運用相關建模技術，搭建水庫來水預報模型、工程調度模型、水資源優化配置模型。圖像分析模型即由具備智能分析功能的設備組成的智能監控系統，可以按需求監控。(2)水務事件協同能力。通過搭建一個統一的綜合集成門戶，在實現統一認證、單點登錄的同時，可以根據登錄用戶的身份，確定用戶的權限，自動呈現不同的功能界面。另外，將應用及展示需求通過界面整合集成到門戶中，如將水務數據、水務一張圖、水務綜合決策大屏、水科學保障專題、水資源優化配置專題、水環境保護專題、水工程精細調度專題、水事務管理專題和水公共服務專題集成在一起。(3)水務實景仿真能力。可分為實景及數字孿生等，實景即通過720°全景技術對各場景點進行多角度環視拍攝取景，使用軟件進行圖片拼合等處理，將平面照及計算機圖變為全景，用于虛擬現實瀏覽。數字孿生為新一代信息技術，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射、虛實交互，為水務業務管理呈現可視化場景，輔助水務管理決策。(4)水務時空分析。通過搭建GIS平臺，為業務管理提供地圖信息的操作、瀏覽和管理等功能。(5)水務行政服務。主要包括門戶和智能問答等，門戶可通過分權分域設置，對不同角色、不同級別、不同崗位用戶所關注的信息做不同呈現，做到千人千面。智能問答面向內部工作人員和社會公眾用戶，以問答形式，定位用戶所需要的提問知識，為用戶提供個性化的信息服務。
3.4 水務專題應用
(1)水科學保障專題。聚焦水災防御工作需要，圍繞預案、預報、預警、預演等因素建設，實現與水災防御工作精細化管理要求。預案應做到結構化管理，由靜態預案向動態預案轉變。預報則通過多模型耦合方式，由經驗預報向科學預報過渡。通過自動監測預警和預警回執，打造預警工作的閉環流程。在人飲工程上增加水質和水位自動監測，實現飲水工程供水自動預警，提升供水和應急處置能力。(2)水資源優化配置專題。基于GIS平臺的展示基礎，實現水質、監控、水位、雨量等監測站點以及水文局、氣象局、環境局共享的監測站點等監測數據的疊加展示，為水質、水資源業務協同、水資源優化配置、動態評價、供水監控預警、供水運營管理、供水統計分析、灌區管理等應用服務。(3)水環境保護專題。聚焦河湖長制管理、采砂管理、水土保持管理等應用，建設投訴、采砂計劃管理、采砂許可證管理、采砂量動態監控、水土流失情況分析及呈現、政策法規宣傳等模塊。(4)水工程精細調度專題。引入信息化手段，將招投標管理、工程資料、工資支付、工程過程等文件數字化，實現工程業務數字化，同時基于GIS平臺，將在建項目、已建項目、規劃項目做疊加展示，實現工程全景可視化、工程自動預警、調度管理可視化等目標。(5)水事務管理專題。以水行政事件為主線，主要建設執法監視、執法巡查計劃制定和下達、執法信息(包括執法隊伍、執法艇、執法車、執法裝備等)的動態更新、調度指揮等模塊。(6)水事務公共服務專題。建設審批事項服務、智能問答、公眾投訴服務、水務信息服務、水務資訊、節水宣傳等模塊。(7)移動應用，開發移動應用系統，通過移動辦公，實現隨時隨地信息查詢和辦公管理。
3.5 基礎資源及網絡
包括應用服務器，數據庫服務器，數據采集服務器，數字孿生應用服務器，線上虛擬館應用服務器，以及存儲、網絡、等設備，一般結合建設及租用成本、自身維護能力綜合分析，可采用租用外部云資源的方式建設。
3.6 體系
信息系統要求的體系，包括系統物理、網絡、信息、系統、運行、制度等。
4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺
安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。
AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、電氣、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。
5 平臺子系統
5.1 變電站綜合自動化系統及電力監控
對水務配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。
監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常等數據。
5.2 電能質量監測與治理
水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統中存在大量諧波，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。
5.3 電動機管理
馬達監控實現水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監測和。準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
5.4 能耗管理
為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。
將所有有關能源的參數集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環節的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。
能耗數據統計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。
能效分析按計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環比、對標等。通過污水處理產量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析，同時將污水的單耗與行業/指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。
5.5 智能照明控制
系統為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區照明的智能控制達到、節能、舒心的目的。
5.6 電氣
5.6.1 電氣火災監測
監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣預警。
5.6.2 消防應急照明和疏散指示
根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。
5.6.3 消防設備電源監測
監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。
5.6.4 防火門監控系統
防火門監控系統集中控制其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門能發出信號，能指示部位并保存信息，保障了電氣的可靠性。
5.6.5 環境監測
污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統，排除隱患，保持良好的水處理環境。
5.6.6 分布式光伏監測
實時監測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪制上述監測的各個參量的歷史數據。
平臺結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。
5.6.7 工藝仿真監控
平臺通過2D、3D方式實時監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加接觸、污泥濃縮壓濾、生 物等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
5.7 產品清單
6 結語
總之，智慧水務建設是一個長期、動態的過程，涵蓋領導決策人員、業務人員、橫向相關單位、專家、巡查人員、企業單位、社會公眾等眾多用戶對象，因此做好頂層規劃和基礎平臺、模型的搭建，為不同用戶提供個性化業務支持是建設過程中的聚焦方向。此外，在建設中還應重視項目建設的后評估分析，及時調整。
參考文獻
[1]SL219-2013,水環境檢測規范[S].
[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版
更新時間：2023-05-08 
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