城市供水安全事關(guān)人民群眾的切身福祉，事關(guān)城市的健康安全運(yùn)行?！笆濉彼畬ｍ?xiàng)課題“城市供水全過程監(jiān)管平臺(tái)整合及業(yè)務(wù)化運(yùn)行示范”，在前期關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，探索綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息化技術(shù)手段，整合形成了城市供水系統(tǒng)監(jiān)管業(yè)務(wù)平臺(tái)，并在山東、河北、江蘇等省推廣應(yīng)用，支撐了國家供水應(yīng)急救援基地的監(jiān)控管理和應(yīng)急調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了“由單一水質(zhì)管理到供水全過程綜合監(jiān)管”的功能擴(kuò)展和“由技術(shù)平臺(tái)到業(yè)務(wù)平臺(tái)”的技術(shù)提升。下一步，課題將著力加強(qiáng)成果驗(yàn)證與應(yīng)用擴(kuò)散，按照功能完善、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運(yùn)行高效、總體安全的總體要求，不斷完善城市供水系統(tǒng)監(jiān)管平臺(tái)構(gòu)建的各項(xiàng)技術(shù)，為提升我國城市供水全過程的信息化監(jiān)管能力提供全面技術(shù)支撐。
1 城市供水監(jiān)管信息化的發(fā)展現(xiàn)狀
改革開放以來，我國城市供水能力和供水質(zhì)量不斷提高，現(xiàn)已建成規(guī)模龐大的供水設(shè)施，根據(jù)《中國城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒（2017年）》數(shù)據(jù)顯示，全國已建成城市公共供水廠約2 880個(gè)。近年來，我國各地按照相關(guān)政策法規(guī)的要求，開展了城市供水水量、水質(zhì)、水壓等監(jiān)測能力的建設(shè)，具備了一定的供水安全監(jiān)管能力。伴隨著在線監(jiān)測手段和信息處理技術(shù)的發(fā)展，我國地方政府和城市供水單位對(duì)于革新供水行業(yè)的傳統(tǒng)監(jiān)管方式、提高供水監(jiān)管的自動(dòng)化和智能化水平，表現(xiàn)出了濃厚興趣，“智慧水務(wù)”建設(shè)在各地蓬勃開展。
“十一五”和“十二五”期間，通過水專項(xiàng)課題的開展，初步建立了國家、省、市三級(jí)的城市供水水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)。但一方面當(dāng)前供水監(jiān)管中存在實(shí)測指標(biāo)不全面、監(jiān)測頻率不達(dá)標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警不及時(shí)等問題，另一方面仍有部分地區(qū)的供水運(yùn)營管理相關(guān)業(yè)務(wù)是以現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)判斷、手動(dòng)操作、人工報(bào)數(shù)等傳統(tǒng)手段為主，大中城市供水單位每日積累的海量供水?dāng)?shù)據(jù)所包含的信息幾乎尚未被挖掘利用。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，我國直轄市、計(jì)劃單列市、省會(huì)城市等36個(gè)重點(diǎn)城市的130多個(gè)公共供水廠，每年積累的水質(zhì)信息就多達(dá)1 350萬余條。當(dāng)前供水大數(shù)據(jù)所蘊(yùn)藏的信息利用潛能已越來越為業(yè)內(nèi)所共識(shí)，部分城市供水單位開始利用供水大數(shù)據(jù)開展了漏損控制、管網(wǎng)健康度評(píng)價(jià)管理等工作。國外一些供水單位對(duì)供水?dāng)?shù)據(jù)的應(yīng)用也進(jìn)行了一些探索，例如英國聯(lián)合水務(wù)用供水?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測未來用水量，從而提前做好生產(chǎn)預(yù)案；荷蘭的vitens公司針對(duì)管網(wǎng)建立了預(yù)警系統(tǒng)可以在2 min內(nèi)識(shí)別爆管事件；歐盟資助的智慧水務(wù)項(xiàng)目也在研究根據(jù)用戶用水習(xí)慣預(yù)測未來用水量和消費(fèi)趨勢等。
當(dāng)前我國各地的供水監(jiān)管信息化水平雖有差異，但信息化建設(shè)進(jìn)程正在提速發(fā)展。“十三五”期間，依托“城市供水全過程監(jiān)管平臺(tái)整合及業(yè)務(wù)化運(yùn)行”課題，多家供水單位在建成了業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)模塊基礎(chǔ)上，正在探索進(jìn)一步提高信息應(yīng)用效率、提高監(jiān)管水平。
2 城市供水大數(shù)據(jù)的獲取來源
2.1 內(nèi)部來源
2.1.1 統(tǒng)計(jì)報(bào)表數(shù)據(jù)
一是可從城市供水單位、水質(zhì)檢測機(jī)構(gòu)等單位獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)，包括水源水、水廠各工藝段進(jìn)出水、出廠水、管網(wǎng)水、二次供水、龍頭水等環(huán)節(jié)的水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)；二是可從城市供水單位獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括設(shè)施資產(chǎn)、設(shè)備工況、材料庫存、售水情況、供水用戶信息、供水管網(wǎng)信息、設(shè)備維護(hù)檢修記錄、服務(wù)投訴信息等。
2.1.2 設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)
一是可從城市供水主管部門和城市供水單位收集獲取設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括在線采集的水量、水位、水質(zhì)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；二是可從城市供水單位獲取現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)，包括員工通過移動(dòng)設(shè)備人為實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳的地理位置、供水用戶水量、事故特征、現(xiàn)場照片、視頻等數(shù)據(jù)。
2.2 外部來源
除了獲取城市供水系統(tǒng)內(nèi)各部門數(shù)據(jù)，還可從環(huán)保、水利、氣象、衛(wèi)生健康等相關(guān)部門獲取與城市供水相關(guān)的水質(zhì)、水文、氣象等數(shù)據(jù)。
此外，在不影響被訪問的網(wǎng)站正常運(yùn)行的前提下，采用符合法律、法規(guī)的方式，例如網(wǎng)絡(luò)爬蟲等技術(shù)，可獲取政府機(jī)構(gòu)、企業(yè)等組織提供的與供水服務(wù)有關(guān)的免費(fèi)開放數(shù)據(jù)，包括供水水質(zhì)信息公開數(shù)據(jù)、供水事故信息、人口數(shù)據(jù)、建筑信息數(shù)據(jù)等。
3 大數(shù)據(jù)在城市供水監(jiān)管中的典型應(yīng)用場景及實(shí)踐案例
3.1 水源和水廠大數(shù)據(jù)應(yīng)用
3.1.1 水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵指標(biāo)篩選
在水質(zhì)日常監(jiān)測、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和管控過程中，通過對(duì)水源、水廠，以及輸配水過程中的水質(zhì)指標(biāo)及其環(huán)境類指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，找出不同水質(zhì)指標(biāo)之間、水質(zhì)指標(biāo)與其它環(huán)境類指標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，可篩選出水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵指標(biāo)。
以篩選可預(yù)測水源水體富營養(yǎng)化的水質(zhì)預(yù)警指標(biāo)為例，山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心對(duì)某市水庫近5年的原水水質(zhì)月檢數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，包括溶解氧、總磷、總氮、氨氮、硝酸鹽（以n計(jì)）、氮磷比、ph、渾濁度、葉綠素a等9項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。皮爾森相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示，原水中葉綠素a與硝酸鹽、總氮、ph、總磷、氮磷比、氨氮濃度存在顯著相關(guān)性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，氨氮和磷元素是水源水中藻類增長最重要的限制因素。因此，初步篩選將ph、總磷和氨氮指標(biāo)納入預(yù)測水源水體富營養(yǎng)化趨勢的預(yù)警指標(biāo)。
3.1.2 水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型建立
以歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)、相關(guān)水文及環(huán)境類等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用各類數(shù)據(jù)特征挖掘與分析技術(shù)，構(gòu)建時(shí)間序列、回歸分析等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，可對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的未來數(shù)值和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測，通過單點(diǎn)閾值、多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)等方式進(jìn)行水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。
以預(yù)測原水高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)為例，山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心為做好水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，根據(jù)2012年5月～2016年2月的高錳酸鹽指數(shù)月檢數(shù)據(jù)，預(yù)測未來一段時(shí)間的高錳酸鹽指數(shù)月度平均值。根據(jù)數(shù)據(jù)波動(dòng)特征，選擇指數(shù)平滑法模型進(jìn)行分析，預(yù)測結(jié)果顯示2016年3～8月的高錳酸鹽指數(shù)月均濃度不存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。
3.1.3 水廠運(yùn)行工藝調(diào)整輔助決策
通過分析原水關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)在工藝流程中的變化情況，并對(duì)工藝運(yùn)行參數(shù)如藥耗、濾池反沖洗周期、排泥周期等，以及出水水質(zhì)情況同步分析，可基于不同進(jìn)出水水質(zhì)條件下的運(yùn)行工況和水質(zhì)預(yù)警結(jié)果構(gòu)建工藝調(diào)整輔助決策模型。當(dāng)面臨水源地水質(zhì)突變、水廠藥耗增加等相關(guān)參數(shù)變化問題時(shí)，可將相關(guān)信息作為輸入?yún)?shù)，利用輔助決策模型模擬出水情況，從而避免了人為判斷的主觀性。此外，輔助決策模型也可預(yù)測出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)條件下對(duì)應(yīng)的水源地水質(zhì)預(yù)警值及工藝藥耗最小值。
北京首創(chuàng)股份有限公司在經(jīng)營華北某水廠時(shí)，為了提前準(zhǔn)備工藝預(yù)案，基于2014～2017年實(shí)測的進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)和記錄的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，建立“水源地水質(zhì)/水量-水廠藥耗-出水水質(zhì)”在不同區(qū)間下一一對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)性，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了工藝調(diào)整輔助決策模型。模型的輸入值主要包括進(jìn)水條件（溫度、ph）、水源地水質(zhì)（渾濁度、色度、高錳酸鉀指數(shù)、細(xì)菌總數(shù)）、進(jìn)水水量及藥品投加量（聚合氯化鋁投加量、加氯量），輸出值為經(jīng)凈水工藝處理后的對(duì)應(yīng)出廠水質(zhì)。通過改變不同的工況條件，可準(zhǔn)確快捷地預(yù)測得到對(duì)應(yīng)的出水水質(zhì)，并可同步計(jì)算所實(shí)現(xiàn)的污染物去除率，同時(shí)可反推在出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求下，進(jìn)水條件或各工況工藝參數(shù)的預(yù)警值。
3.2 供水管網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用
在明確供水管網(wǎng)運(yùn)行事故具體評(píng)價(jià)對(duì)象前提下，根據(jù)供水管網(wǎng)大數(shù)據(jù)，可建立模型對(duì)供水管網(wǎng)的運(yùn)行事故評(píng)價(jià)指標(biāo)發(fā)生概率進(jìn)行定量預(yù)測。進(jìn)一步結(jié)合管道級(jí)別、道路等級(jí)、人口密度等因素，可通過構(gòu)建定量判別指標(biāo)體系和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估管道風(fēng)險(xiǎn)影響程度，從而明確管道修復(fù)/更新改造的優(yōu)先級(jí)，科學(xué)劃定供水管網(wǎng)修復(fù)/更新改造的范圍。
以評(píng)估供水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)為例，深圳市水務(wù)（集團(tuán)）有限公司選擇爆管風(fēng)險(xiǎn)作為供水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估指標(biāo)，選取管材、管徑、管齡、道路負(fù)荷、運(yùn)行壓力、雜散電流、是否發(fā)生破損等影響因子，采用隨機(jī)森林模型構(gòu)建了供水管網(wǎng)爆管風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，取得了較好的預(yù)測結(jié)果（見圖2），以該數(shù)值的大小來量化評(píng)價(jià)供水管網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，并作為制定供水管網(wǎng)更新改造計(jì)劃的重要數(shù)據(jù)參考。
利用供水大數(shù)據(jù)開展管網(wǎng)漏損控制也是當(dāng)前的熱點(diǎn)應(yīng)用之一。伴隨著住建部《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量管理工作指南——供水管網(wǎng)漏損管控體系構(gòu)建（試行）》等相關(guān)政策文件的出臺(tái)，基于分區(qū)計(jì)量管理的漏損控制在北京、上海、鄭州等多個(gè)城市得以推廣應(yīng)用。
3.3 供水用戶服務(wù)信息大數(shù)據(jù)應(yīng)用
3.3.1 公眾反饋供水問題熱詞與熱圖解析
以公眾反饋的供水客服、網(wǎng)絡(luò)輿情等數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)應(yīng)用的核心，通過解析問題熱詞和熱圖，可精準(zhǔn)掌握服務(wù)痛點(diǎn)問題與公眾輿情。進(jìn)一步結(jié)合與之相關(guān)的生產(chǎn)、營銷等數(shù)據(jù)，開展問題溯源，可為改進(jìn)服務(wù)提供決策參考依據(jù)。
以改進(jìn)水質(zhì)投訴問題為例，濟(jì)南水務(wù)集團(tuán)有限公司發(fā)現(xiàn)2016年10～12月間，水質(zhì)投訴類客服工單數(shù)量增加明顯。通過篩選統(tǒng)計(jì)高頻詞匯，并根據(jù)文本語義與組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行最小串分詞，選取高頻排序優(yōu)先的關(guān)鍵詞構(gòu)建出熱詞庫，發(fā)現(xiàn)高頻熱詞為龍頭水有異味。將所有涉及龍頭水有異味數(shù)據(jù)的發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，發(fā)現(xiàn)所涉及地點(diǎn)圍繞某道路周邊沿線分布，初步判定投訴問題與該道路對(duì)應(yīng)供水廠的出廠水水質(zhì)或其原水水質(zhì)相關(guān)。進(jìn)一步的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，原水的藻類物質(zhì)濃度與龍頭水有異味數(shù)據(jù)條目數(shù)量存在顯著相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為0.969）。溯源調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2016年10～12月，南水北調(diào)原水注入了水源地水庫，導(dǎo)致水庫水體藻類物質(zhì)濃度急劇升高，并分解產(chǎn)生了嗅味物質(zhì)，造成水體異味增加。經(jīng)此分析，供水單位在外水注入水庫之際，增加了對(duì)藻類指標(biāo)的檢測，提前制定生產(chǎn)預(yù)案控制水質(zhì)異味，減少了此類問題的投訴率。
3.3.2 供水用戶用水行為分析
以供水客服數(shù)據(jù)中的供水用戶信息數(shù)據(jù)與供水管網(wǎng)末端小區(qū)二次供水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其它相關(guān)數(shù)據(jù)，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可構(gòu)建二次供水泵房指標(biāo)變量時(shí)間序列，繼而對(duì)不同序列之間的指標(biāo)變量的趨勢性、周期性及其隨機(jī)性進(jìn)行相關(guān)相異分析，在此基礎(chǔ)上總結(jié)得出該序列所代表小區(qū)用水行為變化趨勢。
為優(yōu)化供水管網(wǎng)末端的壓力調(diào)度、改善客戶服務(wù)質(zhì)量，濟(jì)南水務(wù)集團(tuán)有限公司以供水用戶信息與2018年的二次供水生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合與之相關(guān)的其它業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，分析了不同小區(qū)之間的用水量變化特征。以其中2座泵房為例，泵房a所在小區(qū)建成于2004年、泵房b所在小區(qū)建成于2011年，兩座泵房設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好，在線儀表經(jīng)過校準(zhǔn)，且上游供水水廠相同、上級(jí)加壓站相同。分析發(fā)現(xiàn)，泵房a實(shí)時(shí)流量最高值多出現(xiàn)在0時(shí)，18時(shí)，7時(shí)，9時(shí)，10時(shí)，15時(shí)，16時(shí)，最低值多出現(xiàn)在5時(shí)，23時(shí)，2時(shí)，全天用水無明顯高峰；泵房b實(shí)時(shí)流量最高值多出現(xiàn)在0，22，7時(shí)，最低值多出現(xiàn)在6時(shí)，23時(shí)，3時(shí)，用水量的峰谷波動(dòng)明顯。結(jié)合小區(qū)業(yè)主用戶平均年齡（泵房a所在小區(qū)平均48.5歲，泵房b所在小區(qū)平均38.3歲），推斷出泵房a所在小區(qū)，由于成年人，尤其老年人較多，用水無明顯高峰；泵房b所在小區(qū)，由于青壯年、學(xué)前及義務(wù)教育階段適齡人群較多，導(dǎo)致出現(xiàn)晨間與晚間用水高峰時(shí)間的波動(dòng)。根據(jù)不同小區(qū)之間供水用戶平均年齡、小區(qū)位置、小區(qū)建造時(shí)間等因素，針對(duì)性地定性溯源用水行為特征產(chǎn)生原因，從而為提前做好客戶服務(wù)預(yù)案和供水調(diào)度決策提供了數(shù)據(jù)支撐。
4 結(jié)語
針對(duì)當(dāng)前城市供水監(jiān)管中存在的信息化水平較低、數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘不足等問題，基于大數(shù)據(jù)分析中的數(shù)據(jù)挖掘和綜合評(píng)價(jià)等技術(shù)，利用相關(guān)性分析、隨機(jī)森林、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)分析算法，可對(duì)城市供水大數(shù)據(jù)潛在信息進(jìn)行提取分析，開展大數(shù)據(jù)技術(shù)在供水安全動(dòng)態(tài)監(jiān)管與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警領(lǐng)域的應(yīng)用。
來源:給水排水
