安科瑞 陳聰

摘要:智慧水務具有實時監(jiān)測、動態(tài)調控、及時預警、動態(tài)模擬、預報預測、仿真模擬等特點，不僅是順應信息化和城鎮(zhèn)化發(fā)展趨勢的需要，而且可以為全國一體化在線政務服務平臺建設管理、服務模式、流程優(yōu)化積累經(jīng)驗。文章以深圳寶安區(qū)為例，通過對該區(qū)當前水務狀況的總結分析，指出了水務管理業(yè)務現(xiàn)狀存在的主要問題，提出以“一張網(wǎng)、兩支撐、三門戶、四應用、四體系”為總體框架的智慧水務系統(tǒng)，同時提出了“數(shù)據(jù)預處理、異常值檢測、空缺值填補”三階段水務數(shù)據(jù)處理技術，可為推動類似地區(qū)智慧水務建設提供借鑒。

關鍵詞:深圳寶安區(qū)；智慧水務系統(tǒng)；框架構建；水務數(shù)據(jù)；處理技術

１ 寶安區(qū)水務現(xiàn)狀

河流基本情況:寶安區(qū)共有66條河涌，66條河涌分屬茅洲河及珠江口沿海河涌兩大水系，總長254km，流域總面積532km²。全區(qū)水環(huán)境狀況有以下幾個特點:一是水質污染嚴重，主要污染物為氨氮、總磷和陰離子表面活性劑；二是感潮河流多66條河流有50條為感潮型河流，感潮河段占總河長約50%，影響面積達176km²，約占全區(qū)總面積的45%；三是防洪達標率低，全區(qū)河道有168km未達防洪標準，占總長的66%。

水庫基本情況:寶安區(qū)共有12座水庫，其中市管水庫2座，區(qū)管水庫10座，中型水庫3座小(1)型水庫7座，小(2)型水庫2座。鐵崗水庫石巖水庫、羅田水庫作為主要在用集中式生活飲用水水源，寶安區(qū)主要飲用水源水質良好，全區(qū)飲用水源水質達標率為100%。鐵崗水庫、石巖水庫羅田水庫水質類別為亞類，水質為優(yōu)，水庫水質保持穩(wěn)定。

泵站基本情況:全區(qū)共有132座泵站，包括現(xiàn)狀排澇泵站、規(guī)劃排澇泵和污水泵站，現(xiàn)狀排澇泵站104座，抽排規(guī)模697.05m/s；規(guī)劃排澇泵站17座，抽排規(guī)模565.28m/s；規(guī)劃泵站建成后總抽排規(guī)模1262.33m/s。污水泵站11座，總抽排規(guī)模185.7萬。

排水管網(wǎng)情況:全區(qū)目前已市場化委托運營的排水管網(wǎng)共6732km，其中市政排水管網(wǎng)2882km。社區(qū)排水管網(wǎng)3475km，其他道路排水管網(wǎng)375km。水閘基本情況:寶安區(qū)一共有63個水閘，大部分服役年限為10~30年。

水質凈化廠情況:寶安區(qū)已建水質凈化廠6座，設計污水處理能力116.5萬m/d

人工濕地情況:寶安區(qū)已建成4個石巖、黃麻布、塘頭河和牛城人工濕地及快滲工程，總規(guī)模為8.8萬m'/d。

水廠基本情況:寶安區(qū)共有深水寶安水務有限公司有限公司及松崗自來水公司2家供水企業(yè)，共有水廠9座，水廠總設計規(guī)模達176萬m/d，實際日平均供水規(guī)模為110.3萬m/d。

易澇點情況:目前寶安共有29個易澇點區(qū)域，35個易積水點區(qū)域。

2 存在的主要問題

當前，寶安區(qū)水務管理業(yè)務現(xiàn)狀主要存在以下問題:①監(jiān)測點位缺失，水務設施狀態(tài)不明；②整體規(guī)劃滯后、分散建設、資源有待進一步整合；③局內系統(tǒng)割裂，數(shù)據(jù)共享困難；④橫向系統(tǒng)未對接，業(yè)務聯(lián)動難實現(xiàn)；⑤系統(tǒng)缺失老舊，業(yè)務覆蓋不完善；⑥數(shù)據(jù)價值未發(fā)揮，智慧決策待實現(xiàn)。

3 智慧水務系統(tǒng)構建

為進一步提升寶安區(qū)水務監(jiān)管智能化、智慧化水平，結合寶安區(qū)水務局實際情況，堅持“統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一標準，繼承優(yōu)化、整建結合，共建共享、共享，聚焦應用、服務，安全可靠、發(fā)布”的設計原則，充分利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、3S和5D等技術，構建寶安區(qū)智慧水務系統(tǒng)，本系統(tǒng)可簡述為“一張網(wǎng)、、兩支撐三門戶、四應用、四體系”，根據(jù)項目的建設任務和設計邊界，本項目的設計對象和范圍如下:

一張網(wǎng):一張網(wǎng)承擔信息的采集和匯集。主要包括水庫安全監(jiān)控、地表水監(jiān)測、易澇點監(jiān)測、排水管網(wǎng)監(jiān)測、泵站遠程監(jiān)控、視頻監(jiān)控等。

兩支撐:包括智慧水務信息資源分系統(tǒng)和智慧水務應用支撐分系統(tǒng)。智慧水務信息資源分系統(tǒng)將傳輸數(shù)據(jù)進行分類存儲，主要包括監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫和業(yè)務信息數(shù)據(jù)庫。智慧水務應用支撐分系統(tǒng)通過組裝可復用業(yè)務構件的方式來打造智慧水務的各種智慧應用系統(tǒng)，同時，對外提供標準的數(shù)據(jù)接口和服務接口，將面向不同的網(wǎng)絡環(huán)境發(fā)布不同的服務接口。四應用:包括水務管理分系統(tǒng)、綜合管理分系統(tǒng)、智慧管控分系統(tǒng)和決策支持分系統(tǒng)4個分系統(tǒng)，涵蓋區(qū)水務局水務監(jiān)管業(yè)務、綜合管理業(yè)務、公眾服務、決策支持，能夠為區(qū)水務局提供業(yè)務支持三門戶:包括內網(wǎng)辦公門戶、移動應用門戶公共服務門戶。公共服務門戶將采用局內已建的寶安水務局門戶網(wǎng)站，并與項目系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。四體系:包括政策法規(guī)、標準規(guī)范、信息安全和運營服務體系。

以寶安區(qū)管控水務分為載體，基于“智慧寶安管控指揮+10個街道辦+126個社區(qū)+主要職能部門分”的“1+10+126+N”的智慧寶安建設運行平臺，綜合運用智慧寶安大數(shù)據(jù)資源，通過數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)寶安區(qū)水務局向上對寶安區(qū)管控、向下對各科室的“上下級聯(lián)動”，打通上級單位對下級單位的監(jiān)督監(jiān)控、事件分撥、協(xié)同指揮和應急指揮，打通下級單位向上級的事件上報和數(shù)據(jù)上報，實現(xiàn)寶安區(qū)水務狀態(tài)的綜合展示、監(jiān)測預警、數(shù)據(jù)決策支持和聯(lián)動指揮。

4 數(shù)據(jù)處理技術

4.1 水務數(shù)據(jù)分類及特點

根據(jù)寶安區(qū)智慧水務系統(tǒng)構建思路，可將區(qū)水務數(shù)據(jù)劃分為監(jiān)測類、基礎類和管理類3類數(shù)據(jù)監(jiān)測類數(shù)據(jù)主要包括水質、供排水、水位信息等基礎類數(shù)據(jù)主要包括污水無處廠處理工藝、基礎設施以及傳感器參數(shù)等，管理類數(shù)據(jù)主要包括個河流之間的基本情況信息數(shù)據(jù)等。水務數(shù)據(jù)具有空間屬性和時間屬性，同時還具有數(shù)據(jù)規(guī)模量大，種類繁多，來源不統(tǒng)一等特點，很容易造成水務數(shù)據(jù)在采集過程中產生較多的“臟數(shù)據(jù)”，因而需要采取一定的技術手段對這些臟數(shù)據(jù)進行清洗。

4.2水務數(shù)據(jù)清洗流程

水務數(shù)據(jù)“臟數(shù)據(jù)”按屬性進行劃分可分為通用數(shù)值屬性臟數(shù)據(jù)、具有空間屬性的臟數(shù)據(jù)和具有時間屬性的臟數(shù)據(jù)。通用數(shù)值屬性臟數(shù)據(jù)是常見的臟數(shù)據(jù)，出現(xiàn)這種臟數(shù)據(jù)的主要原因在于人工錄入失誤、傳感器失靈或者數(shù)據(jù)間斷性缺失等。具有空間屬性的臟數(shù)據(jù)就是指那些具有較多地域、流域或者對象屬性的錯誤數(shù)據(jù)。具有時間屬性的臟數(shù)據(jù)錯誤類型比較單一在，主要是由于傳感器失效引起數(shù)值錯誤。人工錄入失誤造成的數(shù)據(jù)顛倒或者小數(shù)點錯誤屬于數(shù)據(jù)異常值，數(shù)據(jù)間斷性缺失則屬于空缺值。因此，水務數(shù)據(jù)的“臟數(shù)據(jù)”清理將主要經(jīng)歷異常值清理階段和空缺值填補階段。

寶安區(qū)智慧水務系統(tǒng)設計過程中，為了實現(xiàn)對大量水務“臟數(shù)據(jù)”的清理，將水務數(shù)據(jù)清洗設計為3個階段，如圖3所示。第一階段為數(shù)據(jù)預處理階段，在這一階段主要作用是對收集到的水務數(shù)據(jù)進行分類；第二階段為異常值檢測階段，在這階段，通用數(shù)值屬性臟數(shù)據(jù)的異常值檢測與時空異常值檢測方法有些區(qū)別，這主要是因為大部分臟數(shù)據(jù)并不具備時間和空間屬性，只具備數(shù)值屬性時空異常值檢測只需要利用馬氏距離閩值函數(shù)和隱馬爾科夫模型分別對數(shù)據(jù)的空間特性和時間特性進行辨別，即可剔除相關臟數(shù)據(jù)，而在處理通用數(shù)值屬性臟數(shù)據(jù)時，由于數(shù)據(jù)量巨大，因此使用了從全局異常值檢測到局部異常值檢測的方法，全局異常值檢測采用拉依達準則，主要作用是對數(shù)據(jù)的問題進行檢測，局部異常值檢測采用層級聚類法，主要作用是對人工錄入失誤造成的數(shù)據(jù)顛倒或者小數(shù)點錯誤屬于數(shù)據(jù)異常值進行檢測；第三階段為空缺值填補階段，在這一階段主要是通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型對數(shù)據(jù)空缺項進行查補。

5 預期經(jīng)濟及社會效益

5.1 經(jīng)濟效益

(1)實現(xiàn)水質實時監(jiān)測，提升執(zhí)法、管養(yǎng)效率，節(jié)約人員成本

在傳統(tǒng)水務執(zhí)法監(jiān)察、水務設施養(yǎng)護巡檢模式下，由于無法實時獲取水質水量數(shù)據(jù)、水務設施運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，不能及時發(fā)現(xiàn)問題，在日常監(jiān)管、管養(yǎng)維護過程中，投入大量人力物力以進行地毯式的巡檢、管養(yǎng)維護作業(yè)，大大增加維護成本。本項目將建設易澇點、黑臭水體、排水管網(wǎng)泵站等在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時獲取黑臭水體、排水管網(wǎng)、泵站的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并提供實時監(jiān)測預警，可供執(zhí)法監(jiān)察、設備巡檢人員及時掌握環(huán)境的狀態(tài)，避免盲目執(zhí)法、巡檢，大大減少人員成本。

(2)實現(xiàn)水務基礎設施的統(tǒng)一管理，提升管理效率，節(jié)約管理成本

寶安區(qū)智慧水務(一期)項目將改變傳統(tǒng)圖組存儲管網(wǎng)信息的方式，并將原有獨立、分散的排水設施信息整合到同一系統(tǒng)，形成統(tǒng)一的資產管理模式，有效減少由于資產狀況不清、數(shù)據(jù)標準不一等造成的數(shù)據(jù)無法共享，無法為業(yè)務管理提供數(shù)據(jù)支撐等問題，從而提升了管理效率，節(jié)約了管理成本，減少了大量不必要的人力和物力投人。

(3)科學評估，避免粗放式管理，節(jié)約建設成本

在排水工程建設過程中，由于前期缺乏統(tǒng)一詳細、建設規(guī)劃方案評估，導致在施工過程中出現(xiàn)占用排水管道位置，甚至鑿穿排水管線等現(xiàn)象發(fā)生，造成重大經(jīng)濟損失和嚴重事故影響。本項目利用排水管網(wǎng)水力評估模型，對管道總容量、管網(wǎng)結構缺陷、污水管網(wǎng)水力瓶頸、污水管網(wǎng)易淤積點等分析，以便管理人員、及時準確地發(fā)現(xiàn)和識別管網(wǎng)結構存在的問題及瓶頸為排水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃控制工作提供計算、分析及評價的支撐系統(tǒng)，通過有效的規(guī)劃方案評估，提高規(guī)劃設計的科學性，從而避免管網(wǎng)存在的設計缺陷，從根本上降低了排水系統(tǒng)運行風險，減少排水系統(tǒng)維護費用，同時保證排水工程建設的順利進行，防止出現(xiàn)返工現(xiàn)象而導致增加建設成本的投入。

5.2 社會效益

(1)實現(xiàn)寶安區(qū)水務設施數(shù)字化管理

通過本項目的建設，將完成排水相關的城市信息資源空間信息、動態(tài)信息和公共信息的處理、智理、分發(fā)、挖掘、共享、維護，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源池、基礎支撐系統(tǒng)和應用系統(tǒng)，實現(xiàn)共享應用實現(xiàn)排水設施數(shù)字化管理，為統(tǒng)籌資源布局,合理規(guī)劃城市發(fā)展英定堅實基礎。

(2)提升防澇監(jiān)測預警能力

本項目開發(fā)設計監(jiān)測系統(tǒng)，可實時采集雨污水管道、泵站等排水設施的流量、液位等監(jiān)測數(shù)據(jù).并建設泵站自控系統(tǒng)，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示和數(shù)據(jù)分析，有效識別排水管網(wǎng)的水量變化規(guī)律和趨勢，當出現(xiàn)污水漫造等管網(wǎng)異常情況時，可立即發(fā)出報警，輔助管理者及時采取措施，有效地減少污水溢流對于環(huán)境的損害。(3)提升社會服務質量與效率

通過本項目的建設，加強、河流污染、易澇點監(jiān)測，實時了解環(huán)境現(xiàn)狀，當出現(xiàn)異常時及時進行報警，有助于執(zhí)法監(jiān)察、維護人員根據(jù)情況采取相應措施;推進污水管網(wǎng)優(yōu)化運行，有計劃的對污水管網(wǎng)的關鍵點進行在線液位及流量監(jiān)控，實現(xiàn)排水管網(wǎng)異常報警和科學調度等功能。提升排水服務質量，保障城市排水機制。

(4)推動政府數(shù)據(jù)開放進程

通過本項目的建設，實現(xiàn)為應用提供身份識別信息聚合推送、權限管理等服務，各類應用系統(tǒng)統(tǒng)一向系統(tǒng)開放服務接口、提供資源，通過系統(tǒng)調用其他部門開放的服務，統(tǒng)一利用系統(tǒng)受理請求和提交服務。

6 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

6.1平臺概述

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生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)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。

6.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、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(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

6.3平臺拓撲圖

6.4平臺子系統(tǒng)

6.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

6.4.2電能質量監(jiān)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(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍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。

6.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)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(jiān)測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、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(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

6.4.4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(qū)域。

將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(huán)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(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構，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(huán)比、對標等。通過污水處理產量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

6.4.5智能照明控制

系統(tǒng)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(qū)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(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

6.4.6電氣安全

①電氣火災監(jiān)測：監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

②消防應急照明和疏散指示：根據(jù)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(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

③消防設備電源監(jiān)測：監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

④防火門監(jiān)控系統(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

6.4.7 環(huán)境監(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。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(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

6.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)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(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結合廠區(qū)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(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

6.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。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(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

7 相關平臺部署硬件選型清單

8結語

寶安區(qū)是深圳的行政大區(qū)、產業(yè)大區(qū)和人口大區(qū)，充分利用新一代信息技術，采用松耦合架構模式，構建智能感知、數(shù)據(jù)融合和智慧應用三大體系實現(xiàn)涉水事務感知、監(jiān)管及決策的全過程智能管控是寶安區(qū)智慧水務建設的核心任務。文章根據(jù)寶安區(qū)當前水務現(xiàn)狀，針對目前水務管理業(yè)務現(xiàn)狀存在的主要問題，初步構建了以“一張網(wǎng)、兩支撐、三門戶、四應用、四體系”為總體框架的智慧水務系統(tǒng)，同時提出了智慧水務數(shù)據(jù)清洗“三階段”設計方案，可為推動寶安區(qū)智慧水務建設提供參考。

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