據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國年均缺水約500億立方米，約2/3城市不同程度缺水，城鎮(zhèn)污水處理率不足90%，人均水資源總量只有全球平均水平的28%，水資源短缺及其開發(fā)利用處理能力不足、傳統(tǒng)水務(wù)行業(yè)自動化和信息化技術(shù)應(yīng)用相對滯后已成為掣肘建設(shè)美麗中國、實現(xiàn)我國長期可持續(xù)發(fā)展的矛盾焦點。
供水方面，我國供水總量在2013年達到前期峰值，之后開始出現(xiàn)供水總量增速趨緩甚至下降現(xiàn)象，尤其在城市供水管網(wǎng)漏損方面，目前西方發(fā)達國家基本將城市供水管網(wǎng)漏損降低到10%以內(nèi)，但是在我國大部分城市地區(qū)供水管網(wǎng)漏損率仍舊超過15%，部分地區(qū)甚至超過了20%，水資源利用率過低、漏損過于嚴(yán)重，導(dǎo)致了我國水資源日趨緊缺。
近年來，我國住建部、發(fā)改委等相關(guān)部門陸續(xù)出臺相關(guān)規(guī)劃、政策支持水務(wù)的智慧化發(fā)展，特別是2018年《水污染防治法》的正式實施，明確了水污染防治的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃和措施，對水質(zhì)處理、污染防治提出更高要求。一系列水資源治理、供水管理、污水處理等方面的政策出臺，均瞄準(zhǔn)提升我國城市資源綜合治理能力的目標(biāo)，為我國發(fā)展智慧水務(wù)產(chǎn)業(yè)帶來了良好的政策環(huán)境支撐。
智慧水務(wù)是什么
近年來，隨著新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)水務(wù)行業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)有機融合，推動了傳統(tǒng)水務(wù)行業(yè)智慧化轉(zhuǎn)型升級，智慧水務(wù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)運而生。
在《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)術(shù)語和定義》中，智慧水務(wù)的定義為：以業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)雙驅(qū)動為核心，充分利用新一代信息與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，深入挖掘和廣泛運用水務(wù)信息資源，通過水信息采集、傳輸、存儲、處理和服務(wù)，全面提升水管理的效率和效能，實現(xiàn)更全面的感知，更主動的服務(wù)，更整合的資源，更科學(xué)的決策，更自動的控制和更及時的應(yīng)對。
智慧水務(wù)可大幅提高水資源開發(fā)利用處理效能，不僅是我國水務(wù)行業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)方向，也成為建設(shè)智慧城鎮(zhèn)、智慧中國的重要組成部分，值得高度重視并著力推進其健康快速發(fā)展。
筆者單位長期從事智能制造的技術(shù)研究與應(yīng)用，在智慧水務(wù)的領(lǐng)域，筆者創(chuàng)新性的將制造的全生命周期的理念應(yīng)用在智慧水務(wù)定義中，提出：智慧水務(wù)的根本目的是實現(xiàn)水資源全生命周期的智慧化管理，提供水系統(tǒng)全生命周期管理機制，包含水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水治理、水科技、水利用等水務(wù)系統(tǒng)六大發(fā)展領(lǐng)域。
圖1：水資源全生命周期管理模式圖
智慧水務(wù)發(fā)展的困境
在智慧水務(wù)良好的發(fā)展機遇下，雖然有如北控水務(wù)、中環(huán)水務(wù)、碧水源集團等大型水務(wù)公司初步實現(xiàn)了智慧水務(wù)的轉(zhuǎn)型升級，并實施了一定數(shù)量的具備管控一體、數(shù)據(jù)可視、協(xié)同調(diào)度等功能的智慧水務(wù)建設(shè)項目；但從中國城市供水現(xiàn)狀及其水資源治理態(tài)勢來看，當(dāng)前智慧水務(wù)的發(fā)展仍舊處在初級階段，通過對當(dāng)前水務(wù)系統(tǒng)調(diào)研分析得出阻礙智慧水務(wù)發(fā)展的主要因素有如下幾方面：
首先，水務(wù)、水資源管理系統(tǒng)信息化程度，數(shù)據(jù)信息孤島相對嚴(yán)重，甚多重要的水務(wù)信息數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)互聯(lián)互通，信息資源的協(xié)同共享能力較差；
其次，水務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完備，部分水務(wù)部門尚未完成對管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)化規(guī)整，管網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)相對缺失，管網(wǎng)的監(jiān)測精度、監(jiān)測頻率以及監(jiān)測廣度等方面相對粗放，數(shù)據(jù)難以獲得、準(zhǔn)確度差，限制了數(shù)據(jù)的綜合利用；
最后，各企業(yè)及研究機構(gòu)對智慧水務(wù)的本質(zhì)認(rèn)識相對較淺，尚未形成數(shù)據(jù)共享、資源協(xié)同的互利共贏局面。
智慧水務(wù)如何擁抱工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)
為了破解智慧水務(wù)發(fā)展存在的各類制約因素，筆者嘗試結(jié)合國家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略及其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)模式，探索一種智慧水務(wù)融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)模式，以便促進智慧水務(wù)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量快速發(fā)展。
首先，我們所說的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)深度融合形成的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用生態(tài)，是工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施。《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)報告》在分析業(yè)務(wù)需求基礎(chǔ)上，提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，指出網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和安全是體系架構(gòu)的三大核心，其中“網(wǎng)絡(luò)”是工業(yè)系統(tǒng)互聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸交換的支撐基礎(chǔ)，“數(shù)據(jù)”是工業(yè)智能化的核心驅(qū)動，“安全”是網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)以及工業(yè)融合應(yīng)用的重要前提。該體系架構(gòu)從本質(zhì)上指出數(shù)據(jù)流的核心驅(qū)動地位，也闡明了數(shù)據(jù)是溝通工業(yè)物理實體與虛擬實體的根源，也是創(chuàng)建CPS系統(tǒng)、數(shù)字孿生體的根基。
其次，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟給出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)，可概括為邊緣設(shè)備層、基礎(chǔ)資源層（IaaS）、平臺服務(wù)層（PaaS）、應(yīng)用服務(wù)層（SaaS）。為了實現(xiàn)智慧水務(wù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的無縫對接，筆者針對當(dāng)前智慧水務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)進行了剖析，智慧水務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)可概括為如下幾方面：水務(wù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸層，用于實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)信息采集傳輸；數(shù)據(jù)中心層，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚、清洗處理等；應(yīng)用業(yè)務(wù)層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示、業(yè)務(wù)管理以及第三方服務(wù)接入等功能。
綜合而言，常規(guī)智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)主要采用了物聯(lián)網(wǎng)+數(shù)據(jù)匯聚+應(yīng)用服務(wù)模式，與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的平臺架構(gòu)模式存在一定的差異；但究其本質(zhì)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的核心在提供一種平臺架構(gòu)，將數(shù)據(jù)接入平臺層（可分為本地接入或者云端接入兩種形式，目前更偏重于云端接入），工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺更多的提供了應(yīng)用開發(fā)服務(wù)，用戶可以在服務(wù)平臺層進行服務(wù)的使用并開發(fā)具備定制化功能的第三方應(yīng)用服務(wù)。結(jié)合該種思想，筆者架構(gòu)了一種融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧水務(wù)體系，如下圖所示。
圖2：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐的智慧水務(wù)架構(gòu)
圖2所示架構(gòu)從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)出發(fā)，實現(xiàn)了常規(guī)智慧水務(wù)架構(gòu)向平臺化、云服務(wù)化方向的轉(zhuǎn)化。
在邊緣設(shè)備層，實現(xiàn)了將水務(wù)現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等的歸集，為水務(wù)數(shù)據(jù)集中采集與匯聚提供了邊緣支撐；包括水處理的加藥裝置與配藥裝置、供水加壓裝置、流量測試設(shè)備、壓力測試設(shè)備、水質(zhì)測試等等，通過采集水務(wù)現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備信息數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)水務(wù)現(xiàn)場生產(chǎn)治理狀態(tài)的實時監(jiān)管。
在智慧水務(wù)IaaS層，將水務(wù)數(shù)據(jù)處理、存儲、安全防護等所需資源進行了云化配置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的云化處理；在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐下的智慧水務(wù)基礎(chǔ)資源層一般為云端服務(wù)商提供，包括計算服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用支撐服務(wù)環(huán)境等等。
在云平臺層結(jié)合大數(shù)據(jù)智能分析、專家系統(tǒng)等技術(shù)實現(xiàn)水務(wù)數(shù)據(jù)的智慧化分析與處理為智能化決策與調(diào)度提供服務(wù)支撐；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐的智慧水務(wù)云平臺端多采用諸如阿里云、INDICS平臺、華為云等相對成熟的云端服務(wù)平臺，原因在于大型云端服務(wù)提供上可以確保良好的數(shù)據(jù)安全防護服務(wù)，相對于本地私有化部署而言，其數(shù)據(jù)安全性防護更有保障。
在應(yīng)用服務(wù)層，特別設(shè)置了開發(fā)者中心，為智慧水務(wù)多業(yè)務(wù)功能應(yīng)用提供開發(fā)接口，供水務(wù)業(yè)務(wù)部門開發(fā)使用，目前越來越多的水務(wù)企業(yè)對云端服務(wù)自主開發(fā)的需求越來越大，開放的開發(fā)者中心為此類企業(yè)提供了有效手段。本層通常采用水務(wù)平臺的云端部署方式實現(xiàn)服務(wù)的云端化，對于智慧水務(wù)平臺而言，主要可實現(xiàn)水務(wù)設(shè)備管理、水務(wù)營收管理、管網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)管、協(xié)同調(diào)度、第三方接口、移動服務(wù)等功能。
融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧水務(wù)建設(shè)模式可分為本地化部署、云端部署兩種情況：本地化部署——將數(shù)據(jù)中心部署到企業(yè)端，云端化部署——將水務(wù)數(shù)據(jù)中心部署到公有云上；其運營和商業(yè)模式創(chuàng)新主要有遠程運維服務(wù)智能化、服務(wù)平臺軟件化，可以將研制的智慧水務(wù)系統(tǒng)發(fā)布到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的App超市中，為業(yè)界人士提供免費試用服務(wù)；筆者所在單位研制的智慧水務(wù)系統(tǒng)目前在INDICS平臺上實現(xiàn)了模塊化部署，有興趣的讀者可以到INDICS平臺搜索試用。
圖2所示架構(gòu)目前在筆者所在單位實施的新疆昌吉清源水務(wù)項目上得到了良好應(yīng)用，在中國航天科工集團有限公司 “一云五網(wǎng)N平臺M應(yīng)用”戰(zhàn)略部署下，實現(xiàn)了昌吉水務(wù)管網(wǎng)系統(tǒng)信息化建設(shè)，完成了水務(wù)全域數(shù)據(jù)融合和業(yè)務(wù)流通，在GIS平臺支撐下，實現(xiàn)了管控“一張圖”和業(yè)務(wù)“一條線”。該系統(tǒng)目前在公有云平臺上實現(xiàn)了上線部署和穩(wěn)定運行，顯著提升了企業(yè)水務(wù)智慧化管理水平、有效降低了供水管網(wǎng)系統(tǒng)的漏損率，提升了企業(yè)在城市供水管理領(lǐng)域中的影響力，同時也有效改善了城市供水治理能力、提高了水資源綜合利用率、提升了公眾用水的安全可靠性。
圖3：智慧水務(wù)平臺應(yīng)用效果圖
小結(jié)
本文通過分析我國水資源治理現(xiàn)狀、智慧水務(wù)產(chǎn)生的背景及其內(nèi)涵意義，結(jié)合國家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢，探討了智慧水務(wù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間的融合建設(shè)模式。在智慧水務(wù)系統(tǒng)典型應(yīng)用案例分析下，指明了智慧水務(wù)融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是未來發(fā)展的大趨勢，智慧水務(wù)系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)本地化服務(wù)，還可實現(xiàn)云端服務(wù)，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐下還可提供第三方開發(fā)服務(wù)。本文探索的融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧水務(wù)建設(shè)模式，有望為業(yè)界人士提供一種有益的參考。
楊會甲：博士、西安航天自動化股份有限公司研發(fā)中心副主任、中國航天科工集團西北物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心及陜西省物聯(lián)網(wǎng)與智能控制工程技術(shù)研究中心核心骨干
張萍：研究員，中國航天科工集團有限公司科信部副部長
張建奇：教授級高級工程師、西安航天自動化股份有限公司副總經(jīng)理、國家信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會物聯(lián)網(wǎng)分技術(shù)委員會（SAC/TC28 SC41）委員、陜西省物聯(lián)網(wǎng)與智能控制工程技術(shù)研究中心副主任、中國航天科工集團西北物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心骨干
