2023优秀案例丨基于多模型耦合的智慧水务综合管理平台

基于多模型耦合的智慧水务综合管理平台

陈宇佳    闫若凡    肖  楠

航天科工智慧产业发展有限公司

1. 建设背景

随着经济的快速发展，生态环境保护成为全世界所关注的共同话题。当今世界，信息技术创新日新月异，数字化、网络化、智能化深入发展，在推动经济社会发展、促进国家治理体系和治理能力现代化、满足人民日益增长的美好生活需要方面发挥着越来越重要的作用。同时，党中央也将生态环境保护提高到了新的高度，生态环境保护也从原有的事后监测预警向事前预报转变。

为落实党中央及省市相关政策要求，项目团队利用大数据、人工智能及水专业模型等先进技术，围绕“预报、预警、预演、预案”四预建设，成功研发基于多模型耦合的智慧水务综合管理平台，实现了水环境保护新突破，有效提升了水务管理工作精细化、智慧化水平，做到早发现、早预警、早治理，为水务管理提供辅助决策依据。

2. 建设的意义

项目通过透彻感知全面覆盖、数据资源整合开发利用、业务应用智能化提升，强化水利管理工作与信息技术深度融合，深化业务流程优化和工作模式创新，全面提升水务管理工作的规范化，促进水务管理协同工作的高效化，实现执法监督工作的实时化，保障考核评价结果的准确化，助力水务管理工作“管理有效、监督有力、决策有据”，驱动和支撑水务治理体系和治理能力的现代化发展。

3. 建设的必要性

（1）水务管理是城市管理的重要组成部分

智慧水务是智慧城市建设的必然延伸。作为城市经济增长的关键部分，完成水务的智慧发展平台能够提高管理效益，为进一步提升城市经济的发展转变提供更丰富的信息，及早发现内部管理机制存在的问题。

（2）智慧水务是生态文明建设的内在要求

为了满足人民对洁净水的需求和国家生态文明建设的要求，提高水环境品质，避免水资源污染变成首要任务，智慧水务也因此变成市场热点。水是生态环境中极为重要的一环，水量和水体能否满足生态所需，关系着生态文明建设的成败。生态文明的构建是需要全部行业合作的复杂过程，智慧水务作为提供信息合并和资源交换的平台，能够连接多个管理部门，推动多方位、全领域、全社会的生态文明建设。

（3）智慧水务是提升城市水务精益化管理水准的有效方法

时下，水务发展更加趋于智能化、精细化。以往数据繁杂、条块分割的粗放型运营已难以适应水务工作快速发展的规定，智慧水务根据“供排净治”一体化体系，搭建科学、高效的综合管理系统，从而实现整个水务管理工作的规范化、精细化及其智能化。

（4）智慧水务是改善水环境、修复水生态、确保水质安全的重要举措

智慧水务综合管理平台的建设能有效提高河湖水体水质，清除黑臭水体，改善水环境。政府依托智慧水务系统，第一时间发现安全事故和突发事件，并及时采取措施，最大限度地确保国家资产不受损失和人民生活不受影响。公众根据公共监测平台或移动在线软件等检举黑臭水体，及时发现水污染，确保用水安全。

1. 总体架构

平台建设项目的总体架构如图1所示。

平台总体架构设计严格遵循国家、省级、行业技术相关标准规范。架构内容包括感知层、基础层、数据层、支撑层、应用层和展示层。构建了“物联硬件+信息化平台软件+专业运维”的三位一体化系统架构，帮助用户全面掌握水务系统运行状态，同时为排水管网安全诊断、防汛应急指挥提供支持，有效解决排水户（含内部排水管网）的信息化管理、污水冒溢监管、雨污混排溯源等一系列实际问题，实现对水务系统的智慧化管理。

2. 平台建设内容

（1）排水数字孪生

如图2所示，以数字化三维管网、三维建筑、城市高程叠加多维度物联感知数据，模拟孪生实体城市排水运行场景，真实呈现城市排水管网运行现状，转变以往数据单一、感知不强的现状，使水务管理人员能够身临其境地感知问题发生，进而实现科学指挥调度。

（2）建设水务一体化感知网

在排水户的污水远端井布设液位监测仪，在重点排水户的雨水远端井布设水质液位一体式监测仪、视频监控；降雨量通过已建雨量站进行数据监测，在雨污提升泵站布设物联网关和视频监控；具备调蓄池试点条件的沿河主要雨水排口布设水质监测微型站和物联网关。通过排水一体化感知网建设，实现污水冒溢监管、雨污混排溯源分析、泵站统一监管、沿河排口智能监控等。

（3）建设智慧水务数据中心

通过新建智慧水务数据中心，构建水务管理数据库、数据动态采集平台、数据管理平台，并提供相关数据的共享服务和综合分析功能。运用大数据与云计算方法为平台项目的建设提供基础支撑，对海量数据进行数据挖掘，形成多融合管理，消除信息孤岛，提高业务的处理效率，实现数据统一化、服务标准化、应用模块化等。构建数据统一、信息共享、业务协同、服务标准的水务业务管理云信息平台，智慧水务数据中心包括信息资源目录管理、信息共享建设以及数据库建设等内容

3. 典型应用场景

（1）智慧水务“一张图”

如图3、图4所示，利用GIS手段，将庞杂的水务信息放到一张图上，基于大数据分析及可视化技术实现水务业务的全方位、多角度、一体化综合信息展示。在城区地图上叠加展示排水户的三维建模，包括排水户、排水管网、监测点位、雨污泵站、视频监控、沿河排口的基本信息、监测信息、位置分布以及设备运行管理状况和预警告警调度情况，通过“一张图”可直观了解辖区内的排水户（含内部管网）液位和水质情况以及监测指标告警状态和监测设备运行状态、污水井冒溢情况、雨污混排溯源等情况，将监测信息、业务数据与空间数据关联，帮助各级人员一目了然掌握区域情况，全面展示智慧水务的日常监管。

图 4 业务专题

（2）数字资产管理

如图5所示，基于文档识别和语义识别，自动解析入库排水管网普查资料，形成管网生命周期和资产管理，对排水管网和附属物进行属性全方位查询展示，支持普查结果更新和多维度统计分析，使管网管理从以往纸质档案查阅、底数不清的情况转变为高效准确便捷的生命周期管理。

（3）排水户智慧监管

基于排水户（含内部管网）的普查成果，在云计算、大数据、物联网、人工智能、三维仿真等新技术的助力下，建立适合现状和未来发展需要的排水户智慧监管系统，打造排水户数字资产。明确排水户（含内部管网）的基本静态数据，形成一户一档的电子文档、纸质文件的信息化智能化管理，实现排水户资产数字化运营；对排水户智慧系统现状和未来资产信息进行统一维护和综合管理，结合具体应用需求，提升排水户数据的高效管理和安全使用；对排水户的基础资料和全部业务过程的信息化管理和应用，实现现有排水户的电子地图及资产信息的多维显示、查询和分析。

（4）雨污泵站运行管理

为了保障泵站安全、稳定运行，科学、准确地进行排水调度，较大限度自动化生产，应合理安排人力巡检资源，应用信息化手段，提升管理质量和管理效率。建立雨污泵站运行管理系统，可以实现雨污水泵站可视化、远程化、科学化管理，节省人力物力的同时，还可以通过雨污水泵站运行状态进行分析，为城市整体化管理提供数据支持，实现雨污提升泵站的运行统一监管。

（5）沿河排口智能监管

沿河排口智能监管系统通过收集实时监测设备数据，集中展示排口的流量、水质信息，系统基于GIS一张图对排口监测设备的分布情况、设备基础信息以及监测信息进行统一展示，为相关人员提供辖区内沿河排口的水环境质量情况，实现对沿河雨水排口的统一监管。

（6）水务运维调度管理

如图6所示，水务运维调度管理系统针对水务业务中排水户巡查、排水管网巡查、泵站检修巡查、沿河排口巡查等涉及的所有事件，以及自动监测设备的监测指标告警事件和监测设备故障状态事件建立一套水务运维调度管理系统进行统一事件闭环管理，实现日常巡查、养护的全流程精细化管理，解决目前问题和未来风险，保障居民日常生产与生活。基于水务运维调度管理系统，有关部门能够第一时间掌握道路是否积水、排水是否正常、管道是否堵塞等情况，在一定程度上减少了险情的发生，避免了人民生命财产损失。通过水务运维调度管理系统能够维护水务业务的治理成效，实现城市水环境管控工作的“可视、可知、可控、可预测”，最终实现城市水环境的“长治久清”。

平台建设工作聚集了数据底座、物联感知、线下治理的先进技术，并且实现了三维一体有机融合的尝试。近年来，在全球信息化、经济一体化的格局下，我国资源信息化建设全面提速，如何正确认识数字化资产管理的重要性和必然性成为热点问题。为适应大数据时代的要求，项目利用数字化网络和平台，建立全覆盖的资源体系，为用户提供一站式的服务。在云计算、大数据、物联网、人工智能、三维仿真等新技术的助力下，建立适合现状和未来发展需要的水务智慧监管系统，具有极高的创新性和前瞻性。

1. 耦合机理模型驱动和人工智能数据驱动

基于流域复杂自然环境的不确定性分析，项目耦合机理模型库（水文模型、水动力模型、水质模型）驱动和人工智能数据驱动方法，为解决快速、准确的流域水环境预测问题提供新方法，实现流域环境综合治理。

2. 多学科交叉解决复杂模型模拟优化的共性难题

围绕流域自然环境要素管理要求，项目通过融合数值模拟、大数据集群运算（Hadoop）、人工智能等技术，充分发挥多学科交叉优势，实证人工智能建模方法近似和替代复杂数值模型的预测能力以及支持模拟优化的能力，为解决正向的预测和反向污染源反演提供新方法。

3. 人工智能预测和数值模型耦合深度融合数字孪生技术

结合流域地表水环境综合治理业务需求，项目运用新的模式和新的原则，创新人工智能预测应用和数值模型耦合深度融合数字孪生技术，打造1D—2D—3D一体化技术与四维仿真技术的结合，在数字孪生的基础上增加时间维度，实现暴雨城市内涝、洪水灾害风险、水环境污染扩散、排水管网系统水量水质等业务的四维一体化仿真，解决现重点区域合流制/分流制污水系统间歇性溢流问题、雨水系统污水下河溯源和暴雨内涝、洪水风险以及水环境预警预报等业务问题。

1. 社会效益

首先是新型智慧水务管理模式代替传统水务管理模式。新型智慧水务管理模式以用户需求为导向，以现代网络技术应用为支撑，在一个更加宽泛的平台内实现数字化资源融合，给用户提供一体化、便捷化、知识化的数字化融合服务，保障用户对水务管理信息的无缝获取和监管参考的新一代服务模式。

其次，通过水务“大脑”，利用物联网、云计算、大数据、人工智能等技术，将传感器、控制器等设备与泵站等系统无缝连接起来，可以实现泵站的自动化运行、远程监控和维护等功能。从而提升水务企业的管理水平和效能，减少碳排放，推动我国水务行业实现碳达峰碳中和。

2. 经济效益

首先，平台可以帮助企业提高效率。传统的水务管理需要人工巡检、维护等环节，工作量大、效率低，而智慧水务平台可以通过自动化、远程监测等技术手段，实现对水资源的实时监测和管理，可以有效降低人工成本，提高工作效率。例如，远程监测可以实时了解水质、流量等情况，及时发现和解决问题，保障水资源的正常使用。据计算，平台产生报警事件已达700余件，巡检维护效率提升70%。

其次，平台可以提升企业的服务质量，提升企业的社会形象。传统的水务管理方式存在诸多问题，如效率低、服务不及时、管理不规范等，导致用户投诉较多。而智慧水务综合管理平台的建设可以通过智能化、自动化、远程监测等手段，实现水资源的智能管理和优化，提高服务质量。例如，利用传感器和窄带物联网技术实现了污水远端井水位的自动监测预警，并基于大数据分析技术实现污水井冒溢风险分析及提示。同时，利用经验模型学习算法实现排水户早、中、晚用水高峰时的污水井水位低预警值计算，辅助分析内部管网堵塞问题，便于运维单位及时查找和解决管线问题。平台实现了排水户污水井冒溢问题的智能监管功能，减少了老百姓投诉，提升了社会治理水平。据计算，平台事件处置率高达98%。

依托此成果形成通用的智慧水务产品，聚焦水务治理痛点、难点，打造以“精准预警、高效处置、多跨协同、闭环管控”为特色的产品，是智慧城市、智慧水务建设必不可少的核心之一。项目成果先后在重庆、四川、广州、江西等地进行落地应用和技术验

证，项目转化率高达95%，年度经济效益达1.6亿元。项目推广后，公司将在各地形成一大批示范工程，可较好地形成辐射效益。依托此成果实现了示范地区数字治水高质量发展，为当地生态文明建设提供了良好的社会效益和环境效益。孵化5项双创课题，5项专利，15项软著。赣州项目获2022年度智慧环保十佳创新案例；金牛项目获得智慧水务综合考评第一名，获得资金奖励400万元；重庆项目被中国生态环境监测总站评定为全国一流。根据国家数字产业化的战略发展需求，数字赋能智慧水务，实现水务高质量发展，成果具备极强的复制推广性。

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