摘要:智慧水務(wù)具有實(shí)時(shí)監測、動(dòng)態(tài)調控、及時(shí)預警、動(dòng)態(tài)模擬、預報預測、仿真模擬等特點(diǎn)，不僅是順應信息化和城鎮化發(fā)展趨勢的需要，而且可以為全國一體化在線(xiàn)政務(wù)服務(wù)平臺建設管理、服務(wù)模式、流程優(yōu)化積累經(jīng)驗。文章以深圳寶安區為例，通過(guò)對該區當前水務(wù)狀況的總結分析，指出了水務(wù)管理業(yè)務(wù)現狀存在的主要問(wèn)題，提出以“一張網(wǎng)、兩支撐、三門(mén)戶(hù)、四應用、四體系"為總體框架的智慧水務(wù)系統，同時(shí)提出了“數據預處理、異常值檢測、空缺值填補"三階段水務(wù)數據處理技術(shù)，可為推動(dòng)類(lèi)似地區智慧水務(wù)建設提供借鑒。

１ 寶安區水務(wù)現狀

河流基本情況:寶安區共有66條河涌，66條河涌分屬茅洲河及珠江口沿海河涌?jì)纱笏?，?/span>長(cháng)254km，流域總面積532km2。全區水環(huán)境狀況有以下幾個(gè)特點(diǎn):一是水質(zhì)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(cháng)約50%，影響面積達176km2，約占全區總面積的45%；三是防洪達標率低，全區河道有168km未達防洪標準，占總長(cháng)的66%。

水庫基本情況:寶安區共有12座水庫，其中市管水庫2座，區管水庫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，寶安區主要飲用水源水質(zhì)良好，全區飲用水源水質(zhì)達標率為100%。鐵崗水庫、石巖水庫羅田水庫水質(zhì)類(lèi)別為亞類(lèi)，水質(zhì)為優(yōu)，水庫水質(zhì)保持穩定。

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

排水管網(wǎng)情況:全區目前已市場(chǎng)化委托運營(yíng)的排水管網(wǎng)共6732km，其中市政排水管網(wǎng)2882km。社區排水管網(wǎng)3475km，其他道路排水管網(wǎng)375km。水閘基本情況:寶安區一共有63個(gè)水閘，大部分服役年限為10~30年。

水質(zhì)凈化廠(chǎng)情況:寶安區已建水質(zhì)凈化廠(chǎng)6座，設計污水處理能力116.5萬(wàn)m/d

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

水廠(chǎng)基本情況:寶安區共有深水寶安水務(wù)有限公司有限公司及松崗自來(lái)水公司2家供水企業(yè)，共有水廠(chǎng)9座，水廠(chǎng)總設計規模達176萬(wàn)m/d，實(shí)際日平均供水規模為110.3萬(wàn)m/d。

易澇點(diǎn)情況:目前寶安共有29個(gè)易澇點(diǎn)區域，35個(gè)易積水點(diǎn)區域。

2 存在的主要問(wèn)題

當前，寶安區水務(wù)管理業(yè)務(wù)現狀主要存在以下問(wèn)題:①監測點(diǎn)位缺失，水務(wù)設施狀態(tài)不明；②整體規劃滯后、分散建設、資源有待進(jìn)一步整合；③局內系統割裂，數據共享困難；④橫向系統未對接，業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)難實(shí)現；⑤系統缺失老舊，業(yè)務(wù)覆蓋不完善；⑥數據價(jià)值未發(fā)揮，智慧決策待實(shí)現。

3 智慧水務(wù)系統構建

為進(jìn)一步提升寶安區水務(wù)監管智能化、智慧化水平，結合寶安區水務(wù)局實(shí)際情況，堅持“統籌規劃、統一標準，繼承優(yōu)化、整建結合，共建共享、共享，聚焦應用、服務(wù)，安全可靠、發(fā)布"的設計原則，充分利用大數據、物聯(lián)網(wǎng)、3S和5D等技術(shù)，構建寶安區智慧水務(wù)系統，本系統可簡(jiǎn)述為“一張網(wǎng)、、兩支撐三門(mén)戶(hù)、四應用、四體系"，根據項目的建設任務(wù)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控、地表水監測、易澇點(diǎn)監測、排水管網(wǎng)監測、泵站遠程監控、視頻監控等。

兩支撐:包括智慧水務(wù)信息資源分系統和智慧水務(wù)應用支撐分系統。智慧水務(wù)信息資源分系統將傳輸數據進(jìn)行分類(lèi)存儲，主要包括監測信息數據庫和業(yè)務(wù)信息數據庫。智慧水務(wù)應用支撐分系統通過(guò)組裝可復用業(yè)務(wù)構件的方式來(lái)打造智慧水務(wù)的各種智慧應用系統，同時(shí)，對外提供標準的數據接口和服務(wù)接口，將面向不同的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境發(fā)布不同的服務(wù)接口。四應用:包括水務(wù)管理分系統、綜合管理分系統、智慧管控分系統和決策支持分系統4個(gè)分系統，涵蓋區水務(wù)局水務(wù)監管業(yè)務(wù)、綜合管理業(yè)務(wù)、公眾服務(wù)、決策支持，能夠為區水務(wù)局提供業(yè)務(wù)支持三門(mén)戶(hù):包括內網(wǎng)辦公門(mén)戶(hù)、移動(dòng)應用門(mén)戶(hù)公共服務(wù)門(mén)戶(hù)。公共服務(wù)門(mén)戶(hù)將采用局內已建的寶安水務(wù)局門(mén)戶(hù)網(wǎng)站，并與項目系統實(shí)現數據互通。四體系:包括政策法規、標準規范、信息安全和運營(yíng)服務(wù)體系。

以寶安區管控水務(wù)分為載體，基于“智慧寶安管控指揮+10個(gè)街道辦+126個(gè)社區+主要職能部門(mén)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據資源，通過(guò)數據共享，實(shí)現寶安區水務(wù)局向上對寶安區管控、向下對各科室的“上下級聯(lián)動(dòng)"，打通上級單位對下級單位的監督監控、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據上報，實(shí)現寶安區水務(wù)狀態(tài)的綜合展示、監測預警、數據決策支持和聯(lián)動(dòng)指揮。

4 數據處理技術(shù)

4.1 水務(wù)數據分類(lèi)及特點(diǎn)

根據寶安區智慧水務(wù)系統構建思路，可將區水務(wù)數據劃分為監測類(lèi)、基礎類(lèi)和管理類(lèi)3類(lèi)數據監測類(lèi)數據主要包括水質(zhì)、供排水、水位信息等基礎類(lèi)數據主要包括污水無(wú)處廠(chǎng)處理工藝、基礎設施以及傳感器參數等，管理類(lèi)數據主要包括個(gè)河流之間的基本情況信息數據等。水務(wù)數據具有空間屬性和時(shí)間屬性，同時(shí)還具有數據規模量大，種類(lèi)繁多，來(lái)源不統一等特點(diǎn)，很容易造成水務(wù)數據在采集過(guò)程中產(chǎn)生較多的“臟數據"，因而需要采取一定的技術(shù)手段對這些臟數據進(jìn)行清洗。

4.2水務(wù)數據清洗流程

水務(wù)數據“臟數據"按屬性進(jìn)行劃分可分為通用數值屬性臟數據、具有空間屬性的臟數據和具有時(shí)間屬性的臟數據。通用數值屬性臟數據是常見(jiàn)的臟數據，出現這種臟數據的主要原因在于人工錄入失誤、傳感器失靈或者數據間斷性缺失等。具有空間屬性的臟數據就是指那些具有較多地域、流域或者對象屬性的錯誤數據。具有時(shí)間屬性的臟數據錯誤類(lèi)型比較單一在，主要是由于傳感器失效引起數值錯誤。人工錄入失誤造成的數據顛倒或者小數點(diǎn)錯誤屬于數據異常值，數據間斷性缺失則屬于空缺值。因此，水務(wù)數據的“臟數據"清理將主要經(jīng)歷異常值清理階段和空缺值填補階段。

寶安區智慧水務(wù)系統設計過(guò)程中，為了實(shí)現對大量水務(wù)“臟數據"的清理，將水務(wù)數據清洗設計為3個(gè)階段，如圖3所示。第一階段為數據預處理階段，在這一階段主要作用是對收集到的水務(wù)數據進(jìn)行分類(lèi)；第二階段為異常值檢測階段，在這階段，通用數值屬性臟數據的異常值檢測與時(shí)空異常值檢測方法有些區別，這主要是因為大部分臟數據并不具備時(shí)間和空間屬性，只具備數值屬性時(shí)空異常值檢測只需要利用馬氏距離閩值函數和隱馬爾科夫模型分別對數據的空間特性和時(shí)間特性進(jìn)行辨別，即可剔除相關(guān)臟數據，而在處理通用數值屬性臟數據時(shí)，由于數據量巨大，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，主要作用是對數據的問(wèn)題進(jìn)行檢測，局部異常值檢測采用層級聚類(lèi)法，主要作用是對人工錄入失誤造成的數據顛倒或者小數點(diǎn)錯誤屬于數據異常值進(jìn)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(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型對數據空缺項進(jìn)行查補。

5 預期經(jīng)濟及社會(huì )效益

5.1 經(jīng)濟效益

(1)實(shí)現水質(zhì)實(shí)時(shí)監測，提升執法、管養效率，節約人員成本

在傳統水務(wù)執法監察、水務(wù)設施養護巡檢模式下，由于無(wú)法實(shí)時(shí)獲取水質(zhì)水量數據、水務(wù)設施運行狀態(tài)數據，不能及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，在日常監管、管養維護過(guò)程中，投入大量人力物力以進(jìn)行地毯式的巡檢、管養維護作業(yè)，大大增加維護成本。本項目將建設易澇點(diǎn)、黑臭水體、排水管網(wǎng)泵站等在線(xiàn)監測系統，實(shí)時(shí)獲取黑臭水體、排水管網(wǎng)、泵站的運行狀態(tài)數據，并提供實(shí)時(shí)監測預警，可供執法監察、設備巡檢人員及時(shí)掌握環(huán)境的狀態(tài)，避免盲目執法、巡檢，大大減少人員成本。

(2)實(shí)現水務(wù)基礎設施的統一管理，提升管理效率，節約管理成本

寶安區智慧水務(wù)(一期)項目將改變傳統圖組存儲管網(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，形成統一的資產(chǎn)管理模式，有效減少由于資產(chǎn)狀況不清、數據標準不一等造成的數據無(wú)法共享，無(wú)法為業(yè)務(wù)管理提供數據支撐等問(wèn)題，從而提升了管理效率，節約了管理成本，減少了大量不必要的人力和物力投人。

(3)科學(xué)評估，避免粗放式管理，節約建設成本

在排水工程建設過(guò)程中，由于前期缺乏統一詳細、建設規劃方案評估，導致在施工過(guò)程中出現占用排水管道位置，甚至鑿穿排水管線(xiàn)等現象發(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(diǎn)等分析，以便管理人員、及時(shí)準確地發(fā)現和識別管網(wǎng)結構存在的問(wèn)題及瓶頸為排水管網(wǎng)系統規劃控制工作提供計算、分析及評價(jià)的支撐系統，通過(guò)有效的規劃方案評估，提高規劃設計的科學(xué)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運行風(fēng)險，減少排水系統維護費用，同時(shí)保證排水工程建設的順利進(jìn)行，防止出現返工現象而導致增加建設成本的投入。

5.2 社會(huì )效益

(1)實(shí)現寶安區水務(wù)設施數字化管理

通過(guò)本項目的建設，將完成排水相關(guān)的城市信息資源空間信息、動(dòng)態(tài)信息和公共信息的處理、智理、分發(fā)、挖掘、共享、維護，形成統一的數據資源池、基礎支撐系統和應用系統，實(shí)現共享應用實(shí)現排水設施數字化管理，為統籌資源布局,合理規劃城市發(fā)展英定堅實(shí)基礎。

(2)提升防澇監測預警能力

本項目開(kāi)發(fā)設計監測系統，可實(shí)時(shí)采集雨污水管道、泵站等排水設施的流量、液位等監測數據.并建設泵站自控系統，實(shí)現對監測數據的實(shí)時(shí)顯示和數據分析，有效識別排水管網(wǎng)的水量變化規律和趨勢，當出現污水漫造等管網(wǎng)異常情況時(shí)，可立即發(fā)出報警，輔助管理者及時(shí)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(huì )服務(wù)質(zhì)量與效率

通過(guò)本項目的建設，加強、河流污染、易澇點(diǎn)監測，實(shí)時(shí)了解環(huán)境現狀，當出現異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行報警，有助于執法監察、維護人員根據情況采取相應措施;推進(jìn)污水管網(wǎng)優(yōu)化運行，有計劃的對污水管網(wǎng)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行在線(xiàn)液位及流量監控，實(shí)現排水管網(wǎng)異常報警和科學(xué)調度等功能。提升排水服務(wù)質(zhì)量，保障城市排水機制。

(4)推動(dòng)政府數據開(kāi)放進(jìn)程

通過(guò)本項目的建設，實(shí)現為應用提供身份識別信息聚合推送、權限管理等服務(wù)，各類(lèi)應用系統統一向系統開(kāi)放服務(wù)接口、提供資源，通過(guò)系統調用其他部門(mén)開(kāi)放的服務(wù)，統一利用系統受理請求和提交服務(wù)。

6 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)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(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

6.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、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(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

6.3平臺拓撲圖

6.4平臺子系統

6.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統及電力監控

對水務(wù)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時(shí)預警。

監測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

6.4.2電能質(zhì)量監測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動(dòng)導致配電系統中存在大量諧波，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

6.4.3電動(dòng)機管理

馬達監控實(shí)現水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機保護器能對過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護、監測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機進(jìn)行健康診斷和預防性維護。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

6.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關(guān)能源的參數集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現各個(gè)工藝環(huán)節的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個(gè)工廠(chǎng)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(wù)中污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、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排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車(chē)間/職能部門(mén)的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過(guò)污水處理產(chǎn)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(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

6.4.5智能照明控制

系統為污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、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(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現室內、廠(chǎng)區照明的智能控制達到安全、節能的目的。

6.4.6電氣安全

①電氣火災監測：監測配電系統回路的漏電電流和線(xiàn)纜溫度，實(shí)現對污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站的電氣安全預警。

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(dòng)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(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

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

④防火門(mén)監控系統：防火門(mén)監控系統集中控制其各終端設備即防火門(mén)監控模塊、電動(dòng)閉門(mén)器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測疏散通道防火門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開(kāi)路、短路等故障信號。系統采用消防二總線(xiàn)將具有通信功能的監控模塊相互連接起來(lái)，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門(mén)監控器能發(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)境監測

污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等場(chǎng)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(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、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(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

6.4.8分布式光伏監測

實(shí)時(shí)監測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，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(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監測，以曲線(xiàn)方式繪制上述監測的各個(gè)參量的歷史數據。

平臺結合廠(chǎng)區實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂的裝機容量。

6.4.9工藝仿真監控

平臺通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)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(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機保護，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、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(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

7 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

8結語(yǔ)

寶安區是深圳的行政大區、產(chǎn)業(yè)大區和人口大區，充分利用新一代信息技術(shù)，采用松耦合架構模式，構建智能感知、數據融合和智慧應用三大體系實(shí)現涉水事務(wù)感知、監管及決策的全過(guò)程智能管控是寶安區智慧水務(wù)建設的核心任務(wù)。文章根據寶安區當前水務(wù)現狀，針對目前水務(wù)管理業(yè)務(wù)現狀存在的主要問(wèn)題，初步構建了以“一張網(wǎng)、兩支撐、三門(mén)戶(hù)、四應用、四體系"為總體框架的智慧水務(wù)系統，同時(shí)提出了智慧水務(wù)數據清洗“三階段"設計方案，可為推動(dòng)寶安區智慧水務(wù)建設提供參考。

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