打造城市水系智慧调度与管理新标杆——助推建设“数字应用第一城”.pdf

打造数字应用第一城，这是福州“十四五”规划建议中提出的“数字福州”建设目标。深化数字应用场景建设，提升各行各业各领域数字化水平，加快“城市大脑”建设，推进公共资源数据汇聚整合、开放和利用。本文主要围绕福州水系智慧调度与管理体系建设实践出发，在具体的分析福州水系智慧调度与管理体系建设面临的挑战与问题的基础上对福州水系智慧调度与管理体系建设提出对策建议。关键词：水系统；智能调度；管理；数字应用0 引用福州是闽东南沿海古老的水乡型城市，拥有白马河、晋安河、磨洋河、光明港、新店、南台岛等六大水系，共 156 条河道，总长 274 公里，名列全国前茅，被誉为“东方威尼斯”。自 2016 年底福州市启动城区水系综合治理以来，成立城区水系联排联调中心，整合城区治水管理部门，统一管理、调度涉水设施，初步建立水系数据库；建设城区水系科学调度系统平台，推动现代数字信息技术在水系调度与管理中的系统应用，初步实现物联网监测、大数据分析、云平台计算的智慧治水模式，为城市智慧管理贡献水系智慧“大脑”及水系大数据库。福建省人民政府发布国家数字经济创新发展试验区（福建）工作方案的通知中强调，积极打造“数字应用第一省”。建立健全省级数字技术应用场景征集、评审、发布、对接、落地工作机制，建设省级数字技术应用场景滚动推进项目库，促进数字技术、产品和解决方案应用和迭代，推动各领域数字化优升级1。1 福州水系智慧调度与管理体系建设实践1.1 涉水设施管理联排联调，实现水工程运营协同化城区库、湖、池、河、闸、站及相关联的管网设施是排水防涝、水多水动过程中的重要角色。福州市创新城区水系联排联调模式，统一调度管理 156 条河道 4371 个沿河排口、82 座调蓄池以及相关联的引水泵站、推流泵站、沿江闸站、截污提升泵站等累计超过上千个涉水设施单元，并通过自动化改造实现远程自动化控制水闸启闭、泵站开关，全市涉水工程要素实现从单一分散向一体联动转变。1.2 水系基建数字化改造持续升级，实现水行政管理科学化1）布设水系智慧“大脑”。依托中国水科院、福州勘测院技术力量，构建集信息化、数字化、可视化、自动化于一体的城区水系联排联调智慧中枢系统，城区排水防涝应急处置效率提高 50%、库湖河调蓄效率提高 30%以上。2）完善基础感知监测网络。结合窄频物联网（narrowbandinternetofthings,NB-IoT）与第四代移动通信技术（fourthgenerationmobilecommunicationtechnology，4G）网络技术，并接入平安福州部分监控网络，累计开通 85 个雨量监测点、390 个内河和库湖水动力监测点、790 个路面积水监测点和 1604 个管网液位监测点，结合 8 万多路“平安福州”监控视频和 2000 多个交警路面监控视频，加之增强现实（augmentreality，AR）巡河、无人机、无人船等手段，实时收集河道、城区雨量、路面积水和水位监测等数据。3）建立二级“智慧管家”调度中心。鼓台片区水系、龙津阳岐水系、晋安东区建立二级调度中心，并接入城区水系智慧“大脑”，实现数据统一，调度一体。四是推广城区水系智慧公示屏，在晋安河、三捷河、流花溪等 12 条城区重点河道落地，实时公示河道信 息 与 网 络Maritime Safety 水上安全53水质、水位、水动力数据。2 福州水系智慧调度与管理体系建设面临的挑战与问题2.1 中国城市水系调度与管理缺乏战略性、系统性的研究与实践改革开放 40 年来，中国城市建设取得巨大成就，城市基础设施建设不断提速，而路网密度每增加一点对城市水系调度与管理的优化升级都是巨大的挑战。过去各大城市频发的黑臭水体问题就是水系调度与管理存在失衡的表征。在“自然人工”耦合的复杂水系统运行环境，并由此产生海量、多源、异构的涉水数据，这些现实情况是决策者处理城市水安全必须面对的课题。如何建构城市水系调度与管理可复制的数据应用与共享模型，是中国城市管理中值得探索的研究方向2。2.2 水系基建数字化有进一步融合提升空间目前，我市水系基础设施整体数字化已具备相当规模。在平台开发领域，水系智慧“大脑”与手机端应用程序（application,APP）操控平台已投入实战；在感知监测领域，NB-IoT、4G 网络技术以及大众宽带网络按需投入采用，但还存在信息采集站点内容不够均衡，布设密度、深度与水系精细化管理还有一定差距。尤其对新一代数字网络技术尚未进行试点布局，尚未准备好迎接第五代移动通信技术（5th-generationmobilecommunicationtechnology,5G）时代对水系调度管理产生的质变，如解决海量视频数据传输零延时问题等。2.3 水系大数据挖掘应用尚不充分大数据应用要求对数量巨大、来源分散、格式多样的数据进行采集、存储和关联分析，从而实现管理、创造、处置等能力的提升。目前，水系大数据应用还集中在数据采集、筛选、组合、统计等领域，处在数据抽取整合与特征提炼阶段。虽然已经开发城区水系内涝水淹模型、水质水动力模型两个基础应用模型，但距离数据深度分析及业务问题建模仍有一定差距，仍不能有效满足决策及应急管理需求，而这一阶段是实现机器学习、科学辅助决策的必经过程。2.4 水系大数据跨行业开放共享有待进一步提升水系大数据作为应急管理数据的重要组成部分，数据基本在管理应用领域流转、应用、处置。而城市防洪排涝应急处置则涉及公安、气象、水利及各相关区级政府管理部门。应急处置的协同化对数据的开放共享提出了更高的要求，需进一步建立水系大数据开放应用场景库。2.5 水系调度与管理领域人才储备不足人才是第一资源，而福建省在水利与信息化融合领域的人才储备还很薄弱。兼具水利和信息化高级技能的人才比重较小，跨领域、跨行业的复合型人才短缺。3 福州水系智慧调度与管理体系建设对策建议3.1 打造中国城市水系调度与管理标杆示范项目1）打造全国城市水系管理示范项目，从技术的先进性和模式的可复制可推广性着手，探索水系智慧调度与管理的建设路径，实现数据挖掘、平台建构、应用试验三个维度相互补充验证、共同演进，完成水系大数据从数据抽取整合、特征提炼、深度分析、业务问题建模、模型固化全闭环实践。2）打造城市水系管理领域“产-学-研-用”实训基地，与国内科研机构、高校合作，成为水利专业与大数据、云计算、物联网等新基建相关联学科的融合实践基地，提供面向企业、科研院所、社会机构的场景化公共数据建模、分析、挖掘等基础服务和应用环境支撑，推进水系管理领域数字技术、产品创新应用，使福州成为水系管理与大数据技术融合创新的先发区域，为“数字应用第一城”建设积累实践成果。3）打造城市水系管理领域人才储备基地，为城市水系调度与管理提供有效人才保障。搭建与其他地市相关联领域管理和应用型人才双向交流合作机制，促进应用型人才“引进来”和“走出去”，积极探索水利信息化人才科技创新和激励机制；实行更加积极、更加开放、更加有效的人才政策，坚持高端人才引领，鼓励按照“一事一议”制定特殊人才引进试点，重点引进一批双一流高校和学科毕业生，大力依托高等院校、科研院所、高级技校和其他社会力量，加快培养水利信息化方面的高级技能人才3。3.2 全力推进水系新基建融合创新1）加快推进 5G 试点布局。过去一年，我国 5G 基站以平均每周新增超 1 万个的速度增长。工信部明确提出，加快 5G 网络规模化部署，推广升级千兆光纤网络，5G 垂直应用场景将进一步拓展。5G 时代，“人”与“人”、“人”与“物”和“物”与“物”之间原有的互联互通界线将被打破，数据将通过最优化的方式进行传递。5G 网络具有大带宽、低时延、高可靠、广覆盖等“天然”特性，满足实时数据采集和传输、远程调度与协调控制、多系统高速互联等功能，加速水系调度与管理实现数据采集与应急处置同频。尤其在地下管道、河湖等地貌特征中，获取数据信息更准确快捷。通过构建基于 5G 的应用场景，在水系调度与管理领域率先示范。2）继续完善水系基础设施数字化改造。继续加快地下雨污水管网数字化监控体系建设，通过加装物联网应用等相关设备，提升数据收集密度与广度，打造水系新基建融合创新示范项目。3）持续增强平台兼容能力。目前已经形成“水系信 息 与 网 络水上安全 2023 年 第 7 期54管理平台+小型超算中心+智慧公示屏”的格局。管理平台包括水系科学调度系统平台、手机端 APP 控制平台以及 3 个二级水系调度中心分系统，功能包括水质水动、排水防涝、管网排口监测等；进一步完善升级城区水系小型超算中心，根据城区防汛排涝应急管理要求统筹推进算力基础设施建设；智慧水系公示屏可进一步增至 20 面以上，实现水系治理全民监督新常态。3.3 全面推进大数据应用能力提升1）加强城市水系数据汇聚治理，为水系调度与管理数据建模垒基石。优化完善城市水系数据资源目录，进一步健全完善城区水系大数据库。建立问题数据全流程纠错处理机制，做到“一数一源、一源多用”，保障水系数据准确性、完整性、可用性和时效性。2）推动水系调度与管理数据建模，完善四城区内涝水淹、水质水动力基础模型。依托中国水科院的技术优势，结合历年汛期降雨情况进行核验修正，持续优化模型参数，提高精度和计算效率。在此基础上，继续挖掘大数据的处理计算能力，利用关联分析、分类聚类、回顾预测等手段对数据潜在因果关系、群体特征、趋势走向进行深度挖掘，是解决具体业务问题必要的数据探索，意味着水系调度与管理进入数据深度分析阶段4。3）推动水系调度与管理数据建模，完善小流域调度管理模型建构。业务问题建模是水系大数据应用关键步骤，从多重的水系业务场景中提炼核心问题和规律，将其转变为业务数据的处理流程，并实现由水系业务模型转化为数据模型，最终通过机器学习，数据模型可实现同步处理相关联现实业务问题。小流域调度管理模型研究对象为路面积水，数据参数则包括附近地下管网数据、周边河湖水位数据等，实现对积水隐藏问题的因果关系实时分析，指导系统实时发布处置建议指令5。4）推广应用数字创新技术，持续深化数字应用场景。数字孪生、应急仿真演练等基于数字模拟技术的不断成熟及应用，为水系设备预测性维护、水系调度管理效能提升提供了新的路径。数字孪生是以数字方式为物理对象创建高写实虚拟模型，并模拟、分析、预测其行为，这对于解决防台期间监控设备稳定性问题有巨大的实用需求；应急仿真演练以三维模拟场景替代传统场景，通过对各类灾害数值模拟，重大事故模拟和人员行为数值模拟的仿真，在虚拟空间中最大限度模拟真实情况的发生、发展过程，以及人们在灾害环境中可能做出的各种反应，有助于加强各部门协调能力和应急能力，使应急演练科学化、智能化6。4 全面搭建管理协作平台1）推动社会化专业化运营管理。福州四城区水系治理与管理涉及 107 条内河和 49 条支流，河道总长274km。在建设、治理、运维全过程中要敢于创新突破，搭建多方参与、多源预防、多元共治、多维联动的协作平台，充分调动社会力量参与水系调度与管理，通过购买服务的形式，逐步实现二级调度中心社会化运营、沿江闸站社会化管理。2）实现跨领域协同作战。水系智慧调度与管理体系建设实现面向全领域的整合，涉及水多水动、排水防涝、水环境安全监测等，需要在行业部门间实现资源共享和业务协同。当遭遇汛期突发积水事件时，纵向联合区级建设管理部门，横向联合水务、气象、公安等部门及新闻媒体共同实现信息共享、业务协同、应急处置，支撑城市所有的涉水事务应急管理，提升跨部门协同治理能力。5 结束语城市水系调度与管理是城市重要的管理职能之一，涉及排水防涝、水多水动、水质监测等细分职能，是数字政府在城市应急防涝领域探索场景应用的实验场。水系智慧“大脑”基于“城市大脑”共性基础平台而运转，围绕“人、地、物、事”等基础信息要素，构建监测感知、分析研判、指挥调度、应急处置“四位一体”的管理体系，实现水系数据有序汇聚、统一管理、深度共享、高效利用。福州城市水系调度与管理系统正逐步探索成为中国城市水系管理的实践标杆，在数据挖掘、平台建构、应用试验三个维度发力，服务于城市治水管水现代化目标的实现，为福州市建设“数字应用第一城”、福建省建设“数字应用第一省”建构水系调度管理领域数据模型。6 参考文献1 许艺章.福州市:打造城市水系智慧调度与管理新标杆 J.城乡建设,2021(22):24-29.2 孙元伍.以智慧化建设为目标,创新管道建设数字化管理新模式 J.中国化工贸易,2018,10(17):29-30.3 汤聪.雨洪调蓄在城市景观建设中的应用:以广州天河智慧城智慧水系(东部水系)连通一期工程为例 J.花卉,2020(2):132-133.4 许浩,周鹏程,周驰,等.智慧水环境指挥调度系统研究与设计:以昆明市为例 C/河海大学.2020 年(第八届)中国水利信息化技术论坛论文集.北京:北京沃特咨询有限公司，2020:133-140.5 刘晓星,余宁.助推雄安新区智慧城市建设发展策略的研究 J.丝路视野,2017(32):61.6 毛米罗.聚力数字河湖管理平台建设打造金华“智慧水利”新高地 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