工業互聯網支撐的智慧水務建設模式淺析

    據不完全統計，目前我國年均缺水約500億立方米，約2/3城市不同程度缺水，城鎮污水處理率不足90%，人均水資源總量只有全球平均水平的28%，水資源短缺及其開發利用處理能力不足、傳統水務行業自動化和信息化技術應用相對滯后已成為掣肘建設美麗中國、實現我國長期可持續發展的矛盾焦點。

    供水方面，我國供水總量在2013年達到前期峰值，之后開始出現供水總量增速趨緩甚至下降現象，尤其在城市供水管網漏損方面，目前西方發達國家基本將城市供水管網漏損降低到10%以內，但是在我國大部分城市地區供水管網漏損率仍舊超過15%，部分地區甚至超過了20%，水資源利用率過低、漏損過于嚴重，導致了我國水資源日趨緊缺。

    近年來，我國住建部、發改委等相關部門陸續出臺相關規劃、政策支持水務的智慧化發展，特別是2018年《水污染防治法》的正式實施，明確了水污染防治的標準、規劃和措施，對水質處理、污染防治提出更高要求。一系列水資源治理、供水管理、污水處理等方面的政策出臺，均瞄準提升我國城市資源綜合治理能力的目標，為我國發展智慧水務產業帶來了良好的政策環境支撐。

智慧水務是什么

    近年來，隨著新一代信息技術的迅猛發展，傳統水務行業與物聯網、云計算、大數據、移動互聯網、人工智能等新一代信息技術有機融合，推動了傳統水務行業智慧化轉型升級，智慧水務產業應運而生。

    在《工業互聯網術語和定義》中，智慧水務的定義為：以業務與數據雙驅動為核心，充分利用新一代信息與工業互聯網技術，深入挖掘和廣泛運用水務信息資源，通過水信息采集、傳輸、存儲、處理和服務，全面提升水管理的效率和效能，實現更全面的感知，更主動的服務，更整合的資源，更科學的決策，更自動的控制和更及時的應對。

    智慧水務可大幅提高水資源開發利用處理效能，不僅是我國水務行業發展的主導方向，也成為建設智慧城鎮、智慧中國的重要組成部分，值得高度重視并著力推進其健康快速發展。

    筆者單位長期從事智能制造的技術研究與應用，在智慧水務的領域，筆者創新性的將制造的全生命周期的理念應用在智慧水務定義中，提出：智慧水務的根本目的是實現水資源全生命周期的智慧化管理，提供水系統全生命周期管理機制，包含水安全、水環境、水生態、水治理、水科技、水利用等水務系統六大發展領域。

圖1：水資源全生命周期管理模式圖

    智慧水務發展的困境

    在智慧水務良好的發展機遇下，雖然有如北控水務、中環水務、碧水源集團等大型水務公司初步實現了智慧水務的轉型升級，并實施了一定數量的具備管控一體、數據可視、協同調度等功能的智慧水務建設項目；但從中國城市供水現狀及其水資源治理態勢來看，當前智慧水務的發展仍舊處在初級階段，通過對當前水務系統調研分析得出阻礙智慧水務發展的主要因素有如下幾方面：

    首先，水務、水資源管理系統信息化程度，數據信息孤島相對嚴重，甚多重要的水務信息數據無法實現互聯互通，信息資源的協同共享能力較差；

    其次，水務基礎數據不完備，部分水務部門尚未完成對管網地理信息系統的數據化規整，管網屬性數據相對缺失，管網的監測精度、監測頻率以及監測廣度等方面相對粗放，數據難以獲得、準確度差，限制了數據的綜合利用；

    最后，各企業及研究機構對智慧水務的本質認識相對較淺，尚未形成數據共享、資源協同的互利共贏局面。

    智慧水務如何擁抱工業互聯網

    為了破解智慧水務發展存在的各類制約因素，筆者嘗試結合國家工業互聯網發展戰略及其工業互聯網平臺建設模式，探索一種智慧水務融合工業互聯網的建設模式，以便促進智慧水務產業的高質量快速發展。

    首先，我們所說的工業互聯網是以互聯網為代表的新一代信息技術與工業系統深度融合形成的產業和應用生態，是工業智能化發展的關鍵綜合信息基礎設施?！豆I互聯網體系架構報告》在分析業務需求基礎上，提出了工業互聯網體系架構，指出網絡、數據和安全是體系架構的三大核心，其中“網絡”是工業系統互聯和數據傳輸交換的支撐基礎，“數據”是工業智能化的核心驅動，“安全”是網絡、數據以及工業融合應用的重要前提。該體系架構從本質上指出數據流的核心驅動地位，也闡明了數據是溝通工業物理實體與虛擬實體的根源，也是創建CPS系統、數字孿生體的根基。

    其次，在工業互聯網體系架構基礎上，工業互聯網產業聯盟給出了工業互聯網平臺架構，可概括為邊緣設備層、基礎資源層（IaaS）、平臺服務層（PaaS）、應用服務層（SaaS）。為了實現智慧水務與工業互聯網平臺的無縫對接，筆者針對當前智慧水務系統架構進行了剖析，智慧水務系統的架構可概括為如下幾方面：水務現場數據采集傳輸層，用于實現關鍵設備數據信息采集傳輸；數據中心層，用于實現數據的匯聚、清洗處理等；應用業務層，實現數據可視化展示、業務管理以及第三方服務接入等功能。

    綜合而言，常規智慧水務系統建設主要采用了物聯網+數據匯聚+應用服務模式，與工業互聯網的平臺架構模式存在一定的差異；但究其本質，工業互聯網平臺的核心在提供一種平臺架構，將數據接入平臺層（可分為本地接入或者云端接入兩種形式，目前更偏重于云端接入），工業互聯網平臺更多的提供了應用開發服務，用戶可以在服務平臺層進行服務的使用并開發具備定制化功能的第三方應用服務。結合該種思想，筆者架構了一種融合工業互聯網的智慧水務體系，如下圖所示。

圖2：工業互聯網支撐的智慧水務架構

    圖2所示架構從工業互聯網平臺架構出發，實現了常規智慧水務架構向平臺化、云服務化方向的轉化。

    在邊緣設備層，實現了將水務現場關鍵設備數據、數據采集系統等的歸集，為水務數據集中采集與匯聚提供了邊緣支撐；包括水處理的加藥裝置與配藥裝置、供水加壓裝置、流量測試設備、壓力測試設備、水質測試等等，通過采集水務現場關鍵設備信息數據，可實現水務現場生產治理狀態的實時監管。

    在智慧水務IaaS層，將水務數據處理、存儲、安全防護等所需資源進行了云化配置，實現數據的云化處理；在工業互聯網支撐下的智慧水務基礎資源層一般為云端服務商提供，包括計算服務器、網絡服務器、應用支撐服務環境等等。

    在云平臺層結合大數據智能分析、專家系統等技術實現水務數據的智慧化分析與處理為智能化決策與調度提供服務支撐；工業互聯網支撐的智慧水務云平臺端多采用諸如阿里云、INDICS平臺、華為云等相對成熟的云端服務平臺，原因在于大型云端服務提供上可以確保良好的數據安全防護服務，相對于本地私有化部署而言，其數據安全性防護更有保障。

    在應用服務層，特別設置了開發者中心，為智慧水務多業務功能應用提供開發接口，供水務業務部門開發使用，目前越來越多的水務企業對云端服務自主開發的需求越來越大，開放的開發者中心為此類企業提供了有效手段。本層通常采用水務平臺的云端部署方式實現服務的云端化，對于智慧水務平臺而言，主要可實現水務設備管理、水務營收管理、管網狀態監管、協同調度、第三方接口、移動服務等功能。

    融合工業互聯網的智慧水務建設模式可分為本地化部署、云端部署兩種情況：本地化部署——將數據中心部署到企業端，云端化部署——將水務數據中心部署到公有云上；其運營和商業模式創新主要有遠程運維服務智能化、服務平臺軟件化，可以將研制的智慧水務系統發布到工業互聯網平臺的APP超市中，為業界人士提供免費試用服務；筆者所在單位研制的智慧水務系統目前在INDICS平臺上實現了模塊化部署，有興趣的讀者可以到INDICS平臺搜索試用。

    圖2所示架構目前在筆者所在單位實施的新疆昌吉清源水務項目上得到了良好應用，在中國航天科工集團有限公司 “一云五網N平臺M應用”戰略部署下，實現了昌吉水務管網系統信息化建設，完成了水務全域數據融合和業務流通，在GIS平臺支撐下，實現了管控“一張圖”和業務“一條線”。該系統目前在公有云平臺上實現了上線部署和穩定運行，顯著提升了企業水務智慧化管理水平、有效降低了供水管網系統的漏損率，提升了企業在城市供水管理領域中的影響力，同時也有效改善了城市供水治理能力、提高了水資源綜合利用率、提升了公眾用水的安全可靠性。

圖3：智慧水務平臺應用效果圖

    小結

    本文通過分析我國水資源治理現狀、智慧水務產生的背景及其內涵意義，結合國家工業互聯網發展態勢，探討了智慧水務與工業互聯網之間的融合建設模式。在智慧水務系統典型應用案例分析下，指明了智慧水務融合工業互聯網是未來發展的大趨勢，智慧水務系統不僅可實現本地化服務，還可實現云端服務，在工業互聯網支撐下還可提供第三方開發服務。本文探索的融合工業互聯網的智慧水務建設模式，有望為業界人士提供一種有益的參考。