01.當(dāng)前智慧水務(wù)的背景與政策

自2014年，國務(wù)院、國家發(fā)改委、水利部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等多部門都陸續(xù)印發(fā)了支持智慧水務(wù)行業(yè)的發(fā)展政策。

從國家政策的發(fā)展時間線也可以看出，我國水務(wù)工程及管理信息化建設(shè)經(jīng)歷了基礎(chǔ)階段-自動化-信息化-智能化的發(fā)展歷程。國家對智慧水務(wù)行業(yè)的支持政策經(jīng)歷了從“發(fā)展智能水務(wù)”到“發(fā)展智慧水務(wù)”再到“構(gòu)建智慧水利體系”的變化。

國家智慧水務(wù)相關(guān)政策發(fā)展的時間線

02 感知，智慧水務(wù)的“神經(jīng)系統(tǒng)”

智慧水務(wù)標(biāo)志著水務(wù)信息化的前沿發(fā)展，依托堅實的水務(wù)信息基礎(chǔ)設(shè)施，融合云計算、大數(shù)據(jù)、水務(wù)模型和數(shù)字孿生等尖端技術(shù)。

通過全面部署的感知系統(tǒng)，智慧水務(wù)能夠?qū)崟r捕捉城鎮(zhèn)水務(wù)各部件的空間布局和運(yùn)行狀態(tài)，并通過直觀的可視化手段進(jìn)行展示。

浦東新區(qū)農(nóng)村生活污水綜合監(jiān)管平臺https://mp.weixin.qq.com/s/VzmpGT9l3G5O6aiH6EBLsw

如圖所示，浦東新區(qū)農(nóng)村生活污水綜合監(jiān)管平臺是一個先進(jìn)的智慧水務(wù)解決方案，它涵蓋了358座污水處理站和730座泵站。為了確保污水處理站的出水水質(zhì)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，計劃在這些站點的出水口安裝水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備。同時，為了實時監(jiān)控泵站的運(yùn)行狀況，將在每座泵站部署流量監(jiān)測裝置，并收集關(guān)鍵的工況數(shù)據(jù)。

這一智慧水務(wù)項目的核心是確保感知數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和可信度。這要求感知層建設(shè)從數(shù)據(jù)采集的精確性，到數(shù)據(jù)在傳輸過程中的穩(wěn)定性，再到后續(xù)處理的可靠性，每一個環(huán)節(jié)都必須嚴(yán)格把控。高質(zhì)量的數(shù)據(jù)收集與分析將使監(jiān)管平臺能夠高效監(jiān)控污水處理流程和泵站操作，從而保障整個系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)作和環(huán)境可持續(xù)性。

上海市排水運(yùn)行調(diào)度平臺項目

（https://swj.sh.gov.cn/shspaglc-xxhjs/20200214/eef8b0c2495e48e3ada54014fa189d7b.html）

從上述項目中，我們可以看到，智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，是需要通過海量感知層數(shù)據(jù)的獲取，實現(xiàn)分析預(yù)測以及有效管理水資源，從而有效的管理城市或者農(nóng)村水環(huán)境、疏導(dǎo)城市雨污管網(wǎng)，實現(xiàn)水務(wù)管理協(xié)同化和水資源利用高效化。而感知層，又是這海量數(shù)據(jù)的來源，是不可或缺的一環(huán)。

可以說，感知層是整個智慧水務(wù)的“神經(jīng)系統(tǒng)”，為整個系統(tǒng)的智能化、自動化和高效運(yùn)行提供了基礎(chǔ)支撐。

03 傳感器是感知系統(tǒng)的“神經(jīng)末梢”

智慧水務(wù)是利用現(xiàn)代信息技術(shù)對城市水務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理和優(yōu)化的系統(tǒng)。在智慧水務(wù)中，感知層是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

在另一些智慧水務(wù)應(yīng)用場景，例如排水管網(wǎng)管理、水廠智能曝氣和智能加藥系統(tǒng)，構(gòu)建精確的水務(wù)模型是關(guān)鍵。這些模型的準(zhǔn)確性和有效性依賴于傳感器提供的精確數(shù)據(jù)。因此，確保傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對于模型的校準(zhǔn)和優(yōu)化至關(guān)重要，這直接影響到智慧水務(wù)系統(tǒng)的性能和效率。

當(dāng)前，智慧水務(wù)的感知層急需解決的是，傳統(tǒng)采集設(shè)備“測不到、測不準(zhǔn)、測得慢、成本高”等問題，而一些新技術(shù)應(yīng)積極探索視頻、遙感等新技術(shù)在水務(wù)領(lǐng)域和關(guān)鍵要素監(jiān)測中的應(yīng)用。

而對于智慧水務(wù)系統(tǒng)，感知層建設(shè)的基本要求應(yīng)包括：

1. 實時的數(shù)字信號傳輸

智慧水務(wù)系統(tǒng)要及時的提供決策支持，需要數(shù)據(jù)能及時的上傳分析。需要數(shù)字信號傳輸，從而確保數(shù)據(jù)的無線傳輸，和及時更新和快速響應(yīng)。

1. 低成本低功耗的感知層設(shè)備

智慧水務(wù)系統(tǒng)往往需要部署大量的傳感器，覆蓋廣泛的區(qū)域，大多區(qū)域無法提供電源。低成本和低功耗的設(shè)備可以降低整體成本，并減少能源消耗，這對于大規(guī)模部署尤其重要。

1. 少運(yùn)維或者免運(yùn)維的感知層設(shè)備

由于智慧水務(wù)的很多場景需要將傳感器部署在難以到達(dá)或環(huán)境惡劣的地方，因此設(shè)備的維護(hù)成本和難度都較高。而少運(yùn)維或免運(yùn)維的設(shè)備可以減少維護(hù)頻率，降低運(yùn)營成本。

1. 良好的精確度、線性、穩(wěn)定性

水質(zhì)和水量的測量需要高精度和穩(wěn)定性，以確保數(shù)據(jù)的可靠性。例如，若流量的讀數(shù)不穩(wěn)定或不準(zhǔn)確，可能會導(dǎo)致錯誤的決策，導(dǎo)致不必要的水資源浪費(fèi)或未及時應(yīng)對污染事件。

1. 安全性

涉及到水務(wù)信息，其中的數(shù)據(jù)不僅關(guān)系到公共安全，還可能包含敏感信息。因此，感知層設(shè)備必須具備防止數(shù)據(jù)泄露和篡改的能力，確保系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)的完整性。

感知系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)治理技術(shù)等。

其中，傳感器相當(dāng)于系統(tǒng)的”神經(jīng)末梢”，負(fù)責(zé)收集水環(huán)境的實時數(shù)據(jù)。在智慧水務(wù)系統(tǒng)中，感知層的部署至關(guān)重要，它通常需要安裝大量不同種類的傳感器，

傳感器根據(jù)其功能可分為水質(zhì)、水量和水壓傳感器三大類，如下圖所示：

禹山傳感-水質(zhì)類傳感器                    美儀-水量類傳感器               堯慧-水壓類傳感器

在感知層方面，新型傳感器技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

例如，天健創(chuàng)新（北京）監(jiān)測儀表股份有限公司新推出的TMS-E3000多參數(shù)水質(zhì)分析儀產(chǎn)品，主要面向農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水單村水站的建設(shè)方和各縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水公司。產(chǎn)品具有測量準(zhǔn)確、可靠性高、使用成本低的特點，相較于進(jìn)口品牌，具有采購成本低、使用成本低、維護(hù)量小、耗水量少等優(yōu)勢。該產(chǎn)品可同時實現(xiàn)濁度、余氯、PH、溫度、電導(dǎo)率等參數(shù)的測量，適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村水廠的監(jiān)測需求。

天健創(chuàng)新TMS-E3000多參數(shù)水質(zhì)分析儀

青島乾程科技股份有限公司推出的新一代超聲波水表，適用于新建小區(qū)、直飲水入戶、老舊小區(qū)改造、農(nóng)村供水、節(jié)水改造和農(nóng)業(yè)灌溉等場景。產(chǎn)品采用食品級高分子材料，具有高耐溫性和抗凍性能，準(zhǔn)確度等級可達(dá)2級（可定制1級），微功耗技術(shù)，可穩(wěn)定運(yùn)行10年以上，并支持多種通訊接口。

青島乾程科技 新一代超聲波水表

這些新型傳感器的發(fā)展，不僅提高了測量的精度和效率，還為水質(zhì)、水量和水壓的監(jiān)測提供了更為智能化和自動化的解決方案。

04 感知系統(tǒng)建設(shè)的“六步走”

感知層建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)通常包括需求分析、硬件部署、通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等。具體可以分為六個步驟：

第一步 需求分析：

在智慧水務(wù)項目的感知層建設(shè)實施過程中，第一步是精確定義傳感器的應(yīng)用場景、監(jiān)測目標(biāo)、功能需求和性能標(biāo)準(zhǔn)。由于傳感器類型繁多，選擇之前必須明確其應(yīng)用的具體環(huán)境。包括細(xì)化到供水系統(tǒng)中的供水管網(wǎng)、二次供水泵房、用戶終端等具體環(huán)節(jié)，以及排水系統(tǒng)中的排水管網(wǎng)、泵站提升、排污口監(jiān)測等關(guān)鍵點。

在明確了應(yīng)用場景后，接下來需要進(jìn)行技術(shù)評估，以確定這些場景下所需的監(jiān)測參數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率、數(shù)據(jù)精度的要求以及供電需求等技術(shù)規(guī)格。這一評估將為智慧水務(wù)系統(tǒng)的傳感器選型和部署提供科學(xué)依據(jù)。

最終，需要編制一份詳盡的《傳感器產(chǎn)品技術(shù)需求規(guī)格說明書》，該文檔將詳細(xì)闡述傳感器的技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)，確保所選傳感器能夠滿足智慧水務(wù)項目的具體需求。

第二步 技術(shù)評估

依據(jù)《傳感器產(chǎn)品技術(shù)需求規(guī)格說明書》的指導(dǎo)，接下來的任務(wù)是確定符合技術(shù)要求的傳感器類型和實施方案。在此階段，需要深入分析市場上現(xiàn)有傳感器的性能、成本效益以及它們在特定應(yīng)用場景中的適用性，從而精確選擇傳感器型號。

評估過程中，如果發(fā)現(xiàn)初步需求與實際條件不符，比如原計劃的電池更換周期與傳感器實際功耗不匹配，應(yīng)立即回顧并調(diào)整《傳感器產(chǎn)品技術(shù)需求規(guī)格說明書》，確保需求的可行性和實用性。

在完成技術(shù)評估和傳感器選型確認(rèn)后，下一步是制定《智慧水務(wù)場景網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D》。這份拓?fù)鋱D將詳細(xì)展示傳感器在智慧水務(wù)系統(tǒng)中的布局和網(wǎng)絡(luò)連接，包括數(shù)據(jù)流向、通信協(xié)議和系統(tǒng)集成等關(guān)鍵信息，為項目的實施和后期維護(hù)提供清晰的技術(shù)藍(lán)圖。

第三步 供應(yīng)商評估

在擁有了詳盡的《傳感器產(chǎn)品技術(shù)需求規(guī)格說明書》和清晰的《智慧水務(wù)場景網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D》之后，便可以啟動供應(yīng)商詢價和評估流程。

在這一階段，關(guān)鍵是對比不同供應(yīng)商的綜合實力，包括但不限于他們的資質(zhì)證書、產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、客戶服務(wù)的專業(yè)性以及產(chǎn)品報價。同時，要深入了解供應(yīng)商的生產(chǎn)和檢測流程是否符合規(guī)范，以及他們是否提供及時有效的售前和售后服務(wù)。

為了更全面地評估供應(yīng)商，建議實地考察其生產(chǎn)設(shè)施。在考察前，可以準(zhǔn)備一份《供應(yīng)商基本情況調(diào)查表》，明確考察的重點和目標(biāo)，確?？疾爝^程有序且高效。這樣的實地考察有助于直觀了解供應(yīng)商的制造能力和服務(wù)水平，為最終選擇合適的供應(yīng)商提供決策支持。

第四步 成本評估

在評估供應(yīng)商報價時，應(yīng)全面考慮傳感器的總體擁有成本，包括但不限于傳感器本身的購置費(fèi)用、安裝費(fèi)用、通信費(fèi)用、運(yùn)維成本以及預(yù)期使用壽命。傳感器的成本不僅僅局限于購買價格，其長期的運(yùn)維成本同樣重要，這包括傳感器耗材的更換以及更換頻率，以及相關(guān)的耗材和人工費(fèi)用。

通信和安裝成本的評估不僅要參考供應(yīng)商的報價，還應(yīng)結(jié)合《智慧水務(wù)場景網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D》來確定最合適的解決方案。這份拓?fù)鋱D將幫助分析通信網(wǎng)絡(luò)的布局和安裝的復(fù)雜性，從而更準(zhǔn)確地估算相關(guān)成本。

為了系統(tǒng)地管理這些成本信息，應(yīng)編制一份《傳感器成本核算表》，該表格將詳細(xì)列出所有相關(guān)成本，包括一次性的購置和安裝費(fèi)用，以及長期的運(yùn)維和耗材更換成本。這樣的核算表將為項目的經(jīng)濟(jì)評估和預(yù)算編制提供清晰的數(shù)據(jù)支持。

第五步 實地測試：

在面對條件較為嚴(yán)苛的環(huán)境時，進(jìn)行現(xiàn)場傳感器性能測試是確保其適應(yīng)性和可靠性的關(guān)鍵步驟。這樣的測試能夠驗證傳感器是否能夠滿足項目的實際需求。

在進(jìn)行實地測試時，應(yīng)重點關(guān)注以下幾個核心指標(biāo)：傳感器的數(shù)據(jù)傳輸效率、數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性以及能耗情況。為了系統(tǒng)地開展測試，可以制定一份《傳感器實地測試計劃》，計劃明確測試的目標(biāo)、方法、時間表和預(yù)期結(jié)果。

測試計劃應(yīng)包括對傳感器在不同環(huán)境條件下的性能評估，如極端溫度、濕度、壓力等。測試完成后，應(yīng)編制詳細(xì)的測試報告，總結(jié)傳感器的表現(xiàn)，包括其優(yōu)勢和可能的局限性，并提出任何必要的改進(jìn)建議。這份報告將為最終的傳感器選型和部署提供重要的參考依據(jù)。

第六步 維護(hù)支持：

盡管維護(hù)和支持通常是感知層建設(shè)的最后一環(huán)，但它的重要性不容忽視。

鑒于傳感器部署現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜性和不可預(yù)測性，選擇能夠提供全面售后服務(wù)和強(qiáng)大技術(shù)支持的供應(yīng)商至關(guān)重要。這確保了傳感器收集的數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地傳輸至智慧水務(wù)系統(tǒng)，從而保障整個系統(tǒng)的長期有效運(yùn)行。

05 智慧水務(wù)建設(shè)案例分析

案例1：常州排水“源網(wǎng)站廠”一體化數(shù)字運(yùn)營平臺

案例來源：2023年住建部智慧水務(wù)典型案例

常州排水“源網(wǎng)站廠”一體化數(shù)字運(yùn)營平臺系統(tǒng)覆蓋3座城市污水處理廠、172座雨污水提升泵站、2000多公里管網(wǎng)、10萬多只檢查井、4400多臺套排水設(shè)備等，先后建成了城區(qū)排水防澇指揮中心、排水管網(wǎng)GIS系統(tǒng)等10個信息化系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)量全省領(lǐng)先。

平臺的一些關(guān)鍵特點和成效如下：

系統(tǒng)整合性：常州智慧排水系統(tǒng)覆蓋了包括污水處理廠、雨污水提升泵站、管網(wǎng)、檢查井、排水設(shè)備等在內(nèi)的多個設(shè)施，形成了一個全面的數(shù)據(jù)計算體系，能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)水量的動態(tài)分析和預(yù)測研判。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型：平臺打通了排水全鏈路數(shù)據(jù)的匯聚、治理、融合分析，為排水業(yè)務(wù)決策提供了數(shù)字化支撐。

實時監(jiān)控與預(yù)警：平臺能夠?qū)崟r監(jiān)控泵站和污水廠的運(yùn)行狀態(tài)，通過自動診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對管網(wǎng)淤積、外水入侵、水量水質(zhì)規(guī)律異常等7類異常場景的自動診斷識別，異常事件識別準(zhǔn)確率超過85%。

提升效率：平臺的建設(shè)使得維護(hù)人員可以減少，通過數(shù)字化運(yùn)營管理，提高了工作效率，每年節(jié)約用人及電費(fèi)成本至少1200萬元。

環(huán)境效益：通過數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析功能，平臺能夠第一時間識別污水冒溢外滲、城市內(nèi)澇等風(fēng)險并快速處置，提升了城市環(huán)境品位和綜合承載能力。

示范引領(lǐng)作用：常州排水“源網(wǎng)站廠”一體化數(shù)字運(yùn)營平臺成功入選2023年度“智慧水務(wù)典型案例”，體現(xiàn)了常州智慧水務(wù)經(jīng)驗的可復(fù)制、可推廣，具有較好的示范引領(lǐng)作用。

案例2：基于大數(shù)據(jù)的自優(yōu)化供水廠多藥劑智能投加系統(tǒng)

案例來源：2023年住建部智慧水務(wù)典型案例

2023年，住建部公布了智慧水務(wù)典型案例，其中包括了基于大數(shù)據(jù)的自優(yōu)化供水廠多藥劑智能投加系統(tǒng)。這一系統(tǒng)由蘇州市自來水有限公司和南京郵電大學(xué)聯(lián)合研發(fā)，旨在解決傳統(tǒng)供水廠藥劑投加依賴人工經(jīng)驗的問題，通過智能化技術(shù)提升出廠水的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率。

系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包括水源水質(zhì)大數(shù)據(jù)建模、智能加礬系統(tǒng)、智能加臭氧系統(tǒng)、智能加次氯酸鈉系統(tǒng)、大滯后多藥劑協(xié)同的聯(lián)合加藥系統(tǒng)。系統(tǒng)感知層數(shù)據(jù)包括流量、各種水質(zhì)、系統(tǒng)工況等，并結(jié)合相關(guān)模型系統(tǒng)應(yīng)用。系統(tǒng)于2022年8月全面正式上線，并已在蘇州市自來水有限公司的三座水廠得到成熟應(yīng)用，同時正在向長三角地區(qū)的供水廠推廣。通過這該案例系統(tǒng)的應(yīng)用，沉淀池出水濁度波動率和出廠水余氯波動率相比人工控制模式都有顯著降低，分別降低了約50%和35%。不僅提高了水質(zhì)穩(wěn)定性，還減少了運(yùn)行管理人員的工作量，為實現(xiàn)廠站一體化運(yùn)控提供了技術(shù)支撐，并有助于降低生產(chǎn)藥劑的消耗。

06 感知系統(tǒng)建設(shè)的未來趨勢

感知層對智慧水務(wù)系統(tǒng)具有長期影響，通過海量數(shù)據(jù)的獲取，感知層助力智慧水務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)分析預(yù)測以及有效管理水資源，有效管理城市水環(huán)境、疏導(dǎo)城市雨污管網(wǎng)，實現(xiàn)水務(wù)管理協(xié)同化和水資源利用高效化。

未來，智慧水務(wù)感知系統(tǒng)層建設(shè)將有如下的發(fā)展趨勢：

1. 實時感知將結(jié)合智能控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動和智慧決策等，推動水務(wù)行業(yè)的創(chuàng)新與變革。
2. 感知系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)是智慧水務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系的重要部分，有助于解決智慧水務(wù)建設(shè)中的混亂現(xiàn)象，實現(xiàn)信息互聯(lián)互通，避免信息孤島問題，引領(lǐng)智慧水務(wù)建設(shè)全面規(guī)范化發(fā)展。
3. 感知層與人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)的融合，為水務(wù)行業(yè)帶來新動能，通過構(gòu)建數(shù)字孿生體，實現(xiàn)對水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的仿真交互、故障預(yù)測，提高基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維管理效率。
4. 智慧水務(wù)感知系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用也推動了智慧水務(wù)相關(guān)軟硬件、解決方案的研發(fā)與推廣，吸引了各行各業(yè)具有技術(shù)優(yōu)勢的外部企業(yè)進(jìn)入水務(wù)行業(yè)，帶來了新的理念、技術(shù)、資金和人才，推動了水務(wù)產(chǎn)業(yè)的升級。