供水安全是民生工程的重要方面，是地区经济快速发展的基础和重要保障。目前，我国饮用水还存在很多问题，主要体现在以下几个方面：城市水资源匮乏，乡镇供水能力不足，水质安全不能完全得到保证，供水企业信息化建设单一独立、实用性低，供水企业本身业务繁杂、数据量大^{[1, 2]}。现有的供水设备数字化管理系统大多把重点放在了供水设备的实时监测运行上，建立了供水监视控制与数据采集系统(supervisory control and data acquisition，SCADA)，但运行的实时监控系统并未与地理信息技术相结合，不能在地图上直观展现供水设施及供水管网的位置分布^[3]。另外，现有的SCADA系统未实现预警、分析、远程操控等功能，不能达到智慧化的水平，这些都导致供水公司管理效率低下^[4]。

基于现状中存在的以上问题，本文提出了智慧供水的解决方案。智慧供水将地理信息技术和物联网技术相结合，供水可视化一张图实现了从源头到末端用户的全流程管理及数据的自动采集和分析，从而建设具有远控功能的智能化系统。

1 采用技术 1.1 物联网实时感知

物联网是互联网技术和传感技术发展到现代的必然产物，过去由人力采集的海量数据工作量大、采集频率低，物联网传感实时采集能解决这些问题。在供水全流程中，传感器的种类主要包括水库、水源井、江河水源等地的水质监测传感器、水位监测传感器，安装在输送管道上的水流量、管道压力传感器，还有在水厂和加压站的压力、流量、水质传感器。这些传感设备能够代替人工实时采集整个供水环路上重要点位的状况，保障供水压力和水质安全。

1.2 地理信息支撑

地理信息技术的引入改变了原来供水行业的管理思路，管理者进入系统就能够在地图上看到所有与供水相关的信息(水源地、供水设备、加压泵站、输送管道、水厂等)，并且通过地图的方式进行管理，同时实时监控数据也方便快捷地展示在地图上。通过系统的相关统计分析功能可为相关工作提供辅助决策支持，并能够结合工作进行调度指挥和档案管理。

1.3 多数据融合的一张图管理

对各类供水设施的基础空间数据、属性数据与运行管理数据进行统一的存储和管理需要建立统一的数据库管理系统。供水管网综合数据库是整个数字化系统的重要支撑，是各种类型数据存储、管理、共享的基础^[5]。

供水管线数据库的数据内容包括影像、地形等基础地理信息数据、城市重点地名地址数据和供水设施及管网数据^[6]。其中，地形数据主要包括与管线相关或者相邻的基础地理数据(测量控制点、独立地物、地形地貌、道路和水系等附属设施、垣栅以及上述要素和注记等); 供水设施及管线数据是指供水管线及相关设施信息的图形数据，主要通过管线探测及调查得到，主要包括X、Y、材质、附属物、地面高程、管底高程、管顶高程、埋设方式、管径、埋深、建设年代、权属单位、连接方向等属性^[7]。

1.4 大数据分析为决策提供支撑

系统数据库涵盖一个城市甚至是一个省的地理信息数据，同时还要涵盖整个地区的供水业务、供水管网和设施分布数据，以及各类基础设备设施的属性数据等，在物联网内，还有实时接收的传感器不间断采集的水量、压力、水质和视频数据; 在服务器端，参照云存储和云计算的模式，进行大数据的管理和数据挖掘分析，辅助管理的决策支撑^[8]。

大数据分析侧重于大数据可视化分析、数据挖掘算法的优化、数据检查和数据管理等方面，在提升数据访问速度的同时，保障数据的质量和数据的现势性。

2 智慧供水系统建设 2.1 总体设计

智慧供水以整合现有资源和提升综合效能为核心，以创新体制机制和提高管理水平为重点，为建设供水智慧化管理的信息资源库和应用平台，为建设城市供水智慧化管理的资源配置、队伍建设、保障体系和管理制度的一体化工作机制提供总体规划设计思路。

2.2 系统功能的设计与实现

城市供水管线的管理是城市基础建设管理工作中最重要的一环^[9]。智慧供水平台是一个集大型数据库、复杂专业模型和先进的软硬件系统为一体的综合性系统，主要包括综合数据库的建设、应用支撑平台、应用软件的开发和相关硬件平台的搭建^[10]。

2.2.1 供水管网、设施地理信息系统

供水管网的地理信息系统将供水系统的所有管线、设备(水泵、阀门等)与构筑物(水池、水塔等)录入系统，记录埋深、材质、年代、口径、连接、用途等静态信息，提供图形显示与查询定位，为管网建模与供水调度、设备管理、维修维护、爆管处理、工程建设及水质管理等提供基础数据。地理信息系统配备全球定位系统(global positioning system，GPS)接口与设备后，可以实现供水区域内所有管线与设备的快速测量与定位。

2.2.2 管网漏损监测管理系统

1) 分区计量模型。供水水力模型是实际供水系统的数学近似。在过去的30年，建模工具被应用于输配水系统分析，通过构建实用的模型，可以对各种情况进行分析。针对产销差问题，水力模型能够在多个方面发挥其作用，包括将大系统分成若干较小的子系统，通过监测直接内存存取(direct memory access，DMA)中的流量，识别出新发生爆管的可能性，可以将泄漏维持在一个最佳的水平。

夜间最小流量受季节性变化的影响很小，故通过夜间最小流量分析方法，可以将存在已报告的或未报告的泄露水量识别出来。如果所有可检测到的泄漏点得到及时修复，则最低夜间流量只包括用户使用和背景泄漏(检测不到)。

2) 分区计量系统。分区计量是供水区域化管理的基础，是对管理区域内流进的自来水总量和贸易销售的实际水量实施量值的一种管理方法，可以了解和掌握各区域内需水量、供销差、漏失量、未收费水量等因素，实现对漏损定位，从而降低产销差率，提高供水企业供水运营中的经营管理水平。

供水管网流量的分区域在线监测通过对漏损重点区域进行排查确定漏损点，进行漏损修复，减少破损点漏损时间，防止漏损面积进一步扩大甚至发展成爆管，使检漏工作有的放矢，缩小检漏工作的范围。

2.2.3 供水在线监控与预警系统

供水运行监控系统是在供水运行运营数据集成平台的基础上，通过对供水业务数据的挖掘和分析，在统一的运行监控平台上将当前系统检测项目的运行情况进行集中展现，以全面监督业务系统运行情况。供水在线监控系统界面如图 1所示。

对所有监测点数据如压力、流量、水质、管网等监测数据综合分析，并形成日报、月报及年报; 各测压点供水压力低于临界值，系统自动报警，并记录报警时间、位置及次数，形成报警报表并反馈给各供水相关单位，根据报警级别启动相应的应急预案; 对所有监测中采集到的数据有图表和趋势图等多种表示形式; 根据供水监测数据形成调度管理方案，为供水压力调控、流量分析等提供依据; 与地理信息应用系统、应急指挥决策等集成应用。

2.2.4 供水管网巡检与养护系统

供水管网巡查子系统提供了全流程、精细化、标准化的管理模式。巡查采用手持设备与Web相结合的方式，可以满足现场巡查人员与监控中心及时沟通信息的需要。在巡查过程中，现场人员通过手持设备登录系统，获取管网巡查路线，按照约定的路线做好当天巡查记录，结合GPS导航功能，巡查人员能够快速方便地找到需要巡查的设备，对设备的使用状况进行实时检查并及时上传到监控中心，而监控中心的管理人员通过登录Web系统对巡查明细和统计结果进行查询和审核，还可以派发紧急任务，现场巡查人员接到任务后即可快速处理事故现场。巡检与养护系统如图 2所示。

2.2.5 抢修维护系统

抢修维护子系统可以缩短抢修时间, 实现信息管理与决策的智能化，该子系统由抢修管理和运维管理两个模块组成，界面如图 3和图 4所示。

3 结束语

本文详细介绍了智慧供水的设计思路、建设目标及建设内容，分别从数据库、支撑平台、应用系统开发及硬件支撑平台等方面进行了详细介绍，为智慧供水的建设提供了思路，为类似智慧项目提供建设参考。但在具体实现环节，还未形成具体的实施方案，需要进一步做详细的研究。