01.當前智慧水務的背景與政策

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

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

國家智慧水務相關政策發(fā)展的時間線

02 感知，智慧水務的“神經系統(tǒng)”

智慧水務標志著水務信息化的前沿發(fā)展，依托堅實的水務信息基礎設施，融合云計算、大數(shù)據(jù)、水務模型和數(shù)字孿生等尖端技術。

通過全面部署的感知系統(tǒng)，智慧水務能夠實時捕捉城鎮(zhèn)水務各部件的空間布局和運行狀態(tài)，并通過直觀的可視化手段進行展示。

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

如圖所示，浦東新區(qū)農村生活污水綜合監(jiān)管平臺是一個先進的智慧水務解決方案，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滿足排放標準，計劃在這些站點的出水口安裝水質監(jiān)測設備。同時，為了實時監(jiān)控泵站的運行狀況，將在每座泵站部署流量監(jiān)測裝置，并收集關鍵的工況數(shù)據(jù)。

這一智慧水務項目的核心是確保感知數(shù)據(jù)的精準性和可信度。這要求感知層建設從數(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)都必須嚴格把控。高質量的數(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)化運作和環(huán)境可持續(xù)性。

上海市排水運行調度平臺項目

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

從上述項目中，我們可以看到，智慧水務系統(tǒng)建設，是需要通過海量感知層數(shù)據(jù)的獲取，實現(xiàn)分析預測以及有效管理水資源，從而有效的管理城市或者農村水環(huán)境、疏導城市雨污管網(wǎng)，實現(xiàn)水務管理協(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的“神經系統(tǒng)”，為整個系統(tǒng)的智能化、自動化和高效運行提供了基礎支撐。

03 傳感器是感知系統(tǒng)的“神經末梢”

智慧水務是利用現(xiàn)代信息技術對城市水務系統(tǒng)進行智能化管理和優(yōu)化的系統(tǒng)。在智慧水務中，感知層是整個系統(tǒng)的基礎。

在另一些智慧水務應用場景，例如排水管網(wǎng)管理、水廠智能曝氣和智能加藥系統(tǒng)，構建精確的水務模型是關鍵。這些模型的準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)的準確性對于模型的校準和優(yōu)化至關重要，這直接影響到智慧水務系統(tǒng)的性能和效率。

當前，智慧水務的感知層急需解決的是，傳統(tǒng)采集設備“測不到、測不準、測得慢、成本高”等問題，而一些新技術應積極探索視頻、遙感等新技術在水務領域和關鍵要素監(jiān)測中的應用。

而對于智慧水務系統(tǒng)，感知層建設的基本要求應包括：

1. 實時的數(shù)字信號傳輸

智慧水務系統(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。

1. 低成本低功耗的感知層設備

智慧水務系統(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. 少運維或者免運維的感知層設備

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

1. 良好的精確度、線性、穩(wěn)定性

水質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)定或不準確，可能會導致錯誤的決策，導致不必要的水資源浪費或未及時應對污染事件。

1. 安全性

涉及到水務信息，其中的數(shù)據(jù)不僅關系到公共安全，還可能包含敏感信息。因此，感知層設備必須具備防止數(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)的關鍵技術包括傳感器技術、通信技術、數(shù)據(jù)治理技術等。

其中，傳感器相當于系統(tǒng)的”神經末梢”，負責收集水環(huán)境的實時數(shù)據(jù)。在智慧水務系統(tǒng)中，感知層的部署至關重要，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、水量和水壓傳感器三大類，如下圖所示：

禹山傳感-水質類傳感器                    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)水質分析儀產品，主要面向農村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水單村水站的建設方和各縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水公司。產品具有測量準確、可靠性高、使用成本低的特點，相較于進口品牌，具有采購成本低、使用成本低、維護量小、耗水量少等優(yōu)勢。該產品可同時實現(xiàn)濁度、余氯、PH、溫度、電導率等參數(shù)的測量，適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農村水廠的監(jiān)測需求。

天健創(chuàng)新TMS-E3000多參數(shù)水質分析儀

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、農村供水、節(jié)水改造和農業(yè)灌溉等場景。產品采用食品級高分子材料，具有高耐溫性和抗凍性能，準確度等級可達2級（可定制1級），微功耗技術，可穩(wěn)定運行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、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)建設的“六步走”

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

第一步 需求分析：

在智慧水務項目的感知層建設實施過程中，第一步是精確定義傳感器的應用場景、監(jiān)測目標、功能需求和性能標準。由于傳感器類型繁多，選擇之前必須明確其應用的具體環(huán)境。包括細化到供水系統(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)測等關鍵點。

在明確了應用場景后，接下來需要進行技術評估，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規(guī)格。這一評估將為智慧水務系統(tǒng)的傳感器選型和部署提供科學依據(jù)。

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

第二步 技術評估

依據(jù)《傳感器產品技術需求規(guī)格說明書》的指導，接下來的任務是確定符合技術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，應立即回顧并調整《傳感器產品技術需求規(guī)格說明書》，確保需求的可行性和實用性。

在完成技術評估和傳感器選型確認后，下一步是制定《智慧水務場景網(wǎng)絡拓撲圖》。這份拓撲圖將詳細展示傳感器在智慧水務系統(tǒng)中的布局和網(wǎng)絡連接，包括數(shù)據(jù)流向、通信協(xié)議和系統(tǒng)集成等關鍵信息，為項目的實施和后期維護提供清晰的技術藍圖。

第三步 供應商評估

在擁有了詳盡的《傳感器產品技術需求規(guī)格說明書》和清晰的《智慧水務場景網(wǎng)絡拓撲圖》之后，便可以啟動供應商詢價和評估流程。

在這一階段，關鍵是對比不同供應商的綜合實力，包括但不限于他們的資質證書、產品的質量標準、客戶服務的專業(yè)性以及產品報價。同時，要深入了解供應商的生產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。

為了更全面地評估供應商，建議實地考察其生產設施。在考察前，可以準備一份《供應商基本情況調查表》，明確考察的重點和目標，確保考察過程有序且高效。這樣的實地考察有助于直觀了解供應商的制造能力和服務水平，為最終選擇合適的供應商提供決策支持。

第四步 成本評估

在評估供應商報價時，應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用、安裝費用、通信費用、運維成本以及預期使用壽命。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，以及相關的耗材和人工費用。

通信和安裝成本的評估不僅要參考供應商的報價，還應結合《智慧水務場景網(wǎng)絡拓撲圖》來確定最合適的解決方案。這份拓撲圖將幫助分析通信網(wǎng)絡的布局和安裝的復雜性，從而更準確地估算相關成本。

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

第五步 實地測試：

在面對條件較為嚴苛的環(huán)境時，進行現(xiàn)場傳感器性能測試是確保其適應性和可靠性的關鍵步驟。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。

在進行實地測試時，應重點關注以下幾個核心指標：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、方法、時間表和預期結果。

測試計劃應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，應編制詳細的測試報告，總結傳感器的表現(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 維護支持：

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

鑒于傳感器部署現(xiàn)場的環(huán)境復雜性和不可預測性，選擇能夠提供全面售后服務和強大技術支持的供應商至關重要。這確保了傳感器收集的數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定、準確地傳輸至智慧水務系統(tǒng)，從而保障整個系統(tǒng)的長期有效運行。

05 智慧水務建設案例分析

案例1：常州排水“源網(wǎng)站廠”一體化數(shù)字運營平臺

案例來源：2023年住建部智慧水務典型案例

常州排水“源網(wǎng)站廠”一體化數(shù)字運營平臺系統(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)，應用系統(tǒng)數(shù)量全省領先。

平臺的一些關鍵特點和成效如下：

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、排水設備等在內的多個設施，形成了一個全面的數(shù)據(jù)計算體系，能夠實現(xiàn)水質水量的動態(tài)分析和預測研判。

數(shù)字化轉型：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)務決策提供了數(shù)字化支撐。

實時監(jiān)控與預警：平臺能夠實時監(jiān)控泵站和污水廠的運行狀態(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，異常事件識別準確率超過85%。

提升效率：平臺的建設使得維護人員可以減少，通過數(shù)字化運營管理，提高了工作效率，每年節(jié)約用人及電費成本至少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、城市內澇等風險并快速處置，提升了城市環(huán)境品位和綜合承載能力。

示范引領作用：常州排水“源網(wǎng)站廠”一體化數(shù)字運營平臺成功入選2023年度“智慧水務典型案例”，體現(xiàn)了常州智慧水務經驗的可復制、可推廣，具有較好的示范引領作用。

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年住建部智慧水務典型案例

2023年，住建部公布了智慧水務典型案例，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驗的問題，通過智能化技術提升出廠水的穩(wěn)定性和生產效率。

系統(tǒng)建設內容包括水源水質大數(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、系統(tǒng)工況等，并結合相關模型系統(tǒng)應用。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%。不僅提高了水質穩(wěn)定性，還減少了運行管理人員的工作量，為實現(xiàn)廠站一體化運控提供了技術支撐，并有助于降低生產藥劑的消耗。

06 感知系統(tǒng)建設的未來趨勢

感知層對智慧水務系統(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系統(tǒng)實現(xiàn)分析預測以及有效管理水資源，有效管理城市水環(huán)境、疏導城市雨污管網(wǎng)，實現(xiàn)水務管理協(xié)同化和水資源利用高效化。

未來，智慧水務感知系統(tǒng)層建設將有如下的發(fā)展趨勢：

1. 實時感知將結合智能控制、數(shù)據(jù)驅動和智慧決策等，推動水務行業(yè)的創(chuàng)新與變革。
2. 感知系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)范與標準是智慧水務標準體系的重要部分，有助于解決智慧水務建設中的混亂現(xiàn)象，實現(xiàn)信息互聯(lián)互通，避免信息孤島問題，引領智慧水務建設全面規(guī)范化發(fā)展。
3. 感知層與人工智能、數(shù)字孿生等技術的融合，為水務行業(yè)帶來新動能，通過構建數(shù)字孿生體，實現(xiàn)對水務基礎設施的仿真交互、故障預測，提高基礎設施的運維管理效率。
4. 智慧水務感知系統(tǒng)的建設和應用也推動了智慧水務相關軟硬件、解決方案的研發(fā)與推廣，吸引了各行各業(yè)具有技術優(yōu)勢的外部企業(yè)進入水務行業(yè)，帶來了新的理念、技術、資金和人才，推動了水務產業(yè)的升級。