《数据驱动的水务信息系统建设与应用研究——以重庆市为例》简要介绍了重庆市水务大数据概况和国内外水务大数据挖掘实例，系统介绍了重庆市水务数据管理决策平台总体架构、重要功能模块建设方案；对大数据共享机制、交叉行业数据共享需求与建设现状、智慧水务理论多源异构数据共享模型、多源异构数据共享的关键影响因素、水务及交叉行业业务模式创新和大数据共享原型系统设计进行系统阐述；对重庆自来水厂生产状况、供水设施运行状况和用户用水状况开展可视化分析；研究重庆市用水需求预测、重庆市供水管网状态预测、重庆市供水厂运营优化调度、重庆市供水厂管网布局优化；给出重庆市供水网络加压站选址*优化方案研究。

第1章 重庆市水务大数据概述
　　1.1 重庆市水务行业发展基本概况
　　1.1.1 行业基本情况
　　1.行业基本发展情况
　　水务行业具有巨大的市场规模和较稳定的投资收益。随着我国工业化、信息化的快速推进，尤其是现代互联网技术在水务行业中的试验及发展，该行业将会成为我国发展*迅速和*具有投资价值的行业之一。
　　我国的水务行业保持人们用水需求总量持续平稳增长的态势。在中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局的全面推进下，全面开展生态文明建设，从河长制到湖长制，河道治理与生态修复全面铺开，污水的处理率及污水处理能力快速提高。为了适应发展，污水处理设施也必须进行升级改造，因此智慧水务逐渐成为水务市场中一个新的投资热点。
　　信息技术在水务行业中的发展是为了降低能耗、实施国家节水行动，践行绿色环保、低碳生活方式。通过信息技术推动水务市场、污水处理市场供给侧结构性改革，以水价控制方式来约束污水的处理情况和改善居民用水习惯，以大数据监测供水和处理水的全过程来为水务行业提供高质量的服务，是未来大水务市场空间向外延展的推力。2016年12月印发的《水利改革发展“十三五”规划》提出，我国城乡供水量增加约270亿m3，即增加供水产能约7400万m3/d[1]。供水规模扩大导致对城乡供水管网的要求也相应提高，为了节约水资源和提高水资源利用率，必须严格防止公共供水管网的漏损，需要在这些工程项目中进行建设和改造：重点水源工程、重大引调水工程、雨水和海水利用工程。城市应急和备用水源建设等，并保证只有唯一供水水源的城市在2020年底前能基本完成备用水源或应急水源建设。根据实践经验可知，完成这一系列的工程建设将带来巨大的城镇供水经济市场。
　　2.行业技术特征
　　水务产业链包括水务行业的科研、规划设计[2]。
　　我国水务行业根据地区不同存在一定差异性，水务企业在新地区兴起将面临政策、资金及资质壁垒，但我国的水务行业大部分都具国有体制的特点，在一些新的领域和新项目中具有一定的优势。除此之外，一些优秀民营企业和外资企业具备先进技术、经验和资历优势，在水务行业竞争力相对较强。尽管水务行业的发展受到一定的地域条件局限，但结合水务行业的技术特点进行异地拓展也是一个新的突破点和挑战。
　　如图1-1所示，我国在水务行业中获得的专利数量呈明显上升趋势，说明我国在政策的指引下对水务行业投入的科研项目越来越多，重视程度越来越明显。2017年，我国水务行业专利数量达到1148项，为历年增长幅度*大的一年。到了2018年，我国进入了严重缺水期，专利数量增长幅度变得相对较缓。以我国水务行业龙头企业为例，其在水务方面的研发投入不断增长，如北京东方园林环境股份有限公司2018年研发投入4.31亿元，同比增长达到75.46%；深圳市水务(集团)有限公司成立水务投资公司，从地方性水务服务商向全国性水务服务商转变，截至2018年底，其总资产超过1400亿元，在全国7个省成功投资运作了36个水务项目，为全国2000多万人口提供优质、高效的水务服务。
　　图1-1 我国水务行业专利申请数量
　　根据《水利改革发展“十三五”规划》，供水规模的增加必然要求城乡供水管网加快建设和改造，以满足新增的供水量，并且要降低公共供水管网漏损率。此外，要对各项重大重要工程、**工程进行改造，单一水源供水的地级及以上城市应于2020年底前基本完成备用水源或应急水源建设[3]。这一系列的工程建设将带来万亿级的城镇供水投资市场。
　　3.行业发展前景分析
　　1)生命周期理论[4]
　　根据生命周期理论，行业在不同生命周期具有不同特征，见表1-1。
　　①初创期：市场增长率较高，需求增长速度较快，企业主要将重点聚焦在开拓新的用户、逐步扩大并占领市场上，技术上仍然存在很大的不确定性，在产品、市场等策略上有很大的回旋余地，对产业的竞争状况、产业用户特点等方面的信息掌握不全面，企业进入壁垒较低。
　　②成长期：市场增长率很高，需求增长迅速，技术变化很小，产业用户特点和产业竞争逐步形成，产品品种和竞争对手数量明显大批量增加，企业进入壁垒提高。
　　③成熟期：市场增长率低，需求增长速度较慢，技术基本成熟，产业特点、用户特点及产业的竞争状况都基本稳定，买方市场建立，由于产业盈利能力下降，新产品的开发或产品的新用途开发变得异常困难，企业进入壁垒非常高。
　　④衰退期：市场增长率下降，竞争对手数量明显减少。
　　2)水务行业的发展趋势[5]
　　水务行业的发展在居民的生产生活中起着至关重要的作用，关系国家经济发展，其必须与时代发展同步才能保证社会的健康发展。随着信息技术的发展，为了提高服务质量和效率，水务行业也将进行智能化、科技化。
　　水务行业主要面临的问题是水务企业的市场化。在市场化的激流浪潮中，要想持续发展，水务企业必须建立自己的经营体系。随着水务企业整体市场化、智能化、科技化，水务行业市场竞争力不断增强，水务行业的盈利空间与可投资性也会增大，与此同时，还会吸引更多的企业投身水务行业，行业竞争越激烈，越能促进水务行业领域的信息技术发展。在水务行业市场化的进程中，一方面，各自来水厂、污水处理厂及其他工程建设企业之间存在激烈的竞争，这样一种良性竞争可以使企业产生危机感，更能激发企业自身的创新力与活力；另一方面，企业也面临着挑战，市场化竞争激烈会推动企业的优胜劣汰。对于整个水务行业职能和服务的要求越来越高，我国的总体用水量持续平稳增长，因此水务行业迫切需要提高供水能力，以应对供水需求量的提高。水务行业对于污水的净化处理能力也要相应的提高，水务行业在追求盈利的同时，还需要兼顾供水质量，在提供纯净水源的同时，还需要对工业废水和生活污水进行必要的净化，以达到提高资源利用率的目的。
　　1.1.2 存在的问题
　　1.供水系统存在的问题
　　我国小城镇的供水服务是该城市经济发展和社会可持续发展的重要组成部分，结合全国统计数据来看，大多数城镇供水过程中都存在水污染、水资源浪费和供水不足等问题。导致这些问题的原因是供水管网系统的设计不合理，居民用水量的预测不科学不准确，对供水系统的监测管理不够导致管网破损得不到及时的修复，从而污染和浪费了大量的水资源[6]。因此，水源提供的水和居民*终用到的水，其水质和水量相差甚大，造成水务行业的经济损失、服务效率低和居民满意度低，不符合新时代的发展需求。
　　2.排水系统存在的问题
　　(1)污废水排放系统存在的问题。城市建设进程迅速，规模不断扩大，但污水排放设施没有和城市发展同步，以至于经常出现污泥垃圾堵塞、排涝不及时而影响交通道路等问题。此外，合流制排水管网也存在破损淤积、排水不畅引起环境污染、影响居民生活等问题。由于缺乏管理监督，有些居民擅自改建乱接排污管道，影响市容市貌。有部分局部管道设计不科学、不合理，导致排水不畅，污水溢出造成土地和空气污染，增大污染处理工作量和成本。
　　(2)雨水输送系统也存在问题。为了使管网的铺设更美观，大部分城市的排水系统主要是采用雨污合流输送排放的方式。与分流制相比，合流制管网的水力坡度较小，容易堵塞，对雨水的利用率也大大降低。近年来，城市内涝时有发生，严重影响市民的生活和社会发展，有时候还会造成严重的经济损失和人身安全威胁。这些都是因为管网建设缺乏合理和科学的系统布局，排水管道老化破损没有得到及时的修复，缺乏严格的管控和系统的监管，从而造成排放不达标等问题。
　　3.污水处理系统存在的问题
　　(1)部分小城镇污水处理设施不完善、分布不均。受到城市经济发展水平不平衡的影响，以及建设资金投入不够，小城镇污水处理设施建设进程较慢，缺乏机制保障。污水处理费短缺、财政补贴困难、管网不配套，影响处理效果。再生水回用率较低，许多污水处理厂周边缺乏使用再生水的用户，中水回用所占比例较小。
　　(2)技术运行成本高。一是技术分布不合理，部分小城镇没有得到技术支持，同时也没有足够的资金，所以污水处理效率低，部分污水处理厂处理不能达标。二是技术没有得到合理的利用，使处理工艺与当地水质情况不匹配，增加了成本且没有得到相应的处理效益。三是运行成本和地方建设成本的承担能力差异较大。四是运行效率低导致成本增加。运行效率与设计规模和实际的处理水量不匹配，导致处理负荷过大或者不足等，运行成本提高；人工监督和辅助构筑物的运行也需较高的人工成本；大部分工人都不具备专业知识和熟练的操作技术，导致处理过程中的不准确性也会增加成本。管网的运行没有得到严格的监控导致漏损和负荷不均匀，这些问题又会导致更多的污染和增加处理难度，因此整个污水处理系统处理效率低下。
　　1.1.3 发展对策
　　1.水务信息化建设
　　1)水务信息化建设的趋势
　　随着物联网、云计算、移动互联网等新兴信息技术的全球化发展和广泛应用，各大行业信息化发展正面临着巨大变革和新的突破，通过大数据的方式来解决各项问题已经成为一种发展趋势。近年来，我国智慧城市加速发展，已经深入到国家的经济、科技战略层面。智慧城市的建设细分到该城市的各个行业、各个领域的建设，智慧水务是智慧城市建设延伸的结果。
　　2)水务信息化发展
　　水务信息化发展是指水务行业逐步从自动化、数字化向智慧化阶段发展。随着社会的发展，水务企业的管理和经营模式也要进行改革创新，水务企业在生产、运营、服务以及管理中的自动化和信息化要求越来越高，应用也越来越广泛。从总体上看，我国水务行业的发展历程大致分为三个阶段，即自动化、数字化和智慧化阶段。据研究调查，目前，我国大部分的水务企业信息化建设已经进入数字化阶段并向智慧化阶段迈进。
　　(1)自动化阶段：我国水务企业信息化在此阶段主要是对基础信息的收集和整理，从而实现泵站、管网和生产工艺过程等的自动化操控，自动化提高了水质、水量和水压等各项参数的测量水平，在一定程度上解放了人工生产力和劳动力。
　　(2)数字化阶段：进入此阶段后，我国水务企业的管理才真正开始了信息化系统的建设。数据库技术和无线传感网络为相关水务企业陆续建立起各自的数据库系统和业务网络链，在很大程度上提高了信息的查储和利用效率。
　　(3)智慧化阶段：我国部分城市的水务企业已经在向这一阶段进军，通过运用大数据、物联网、云计算和移动互联网等新一代信息技术，对收集的大量数据进行分析模拟，实现信息化与管理提升的充分结合，紧跟市场转型，全力支持企业模式创新和产业转型升级。
　　3)水务信息化建设重点
　　水务信息化建设重点分为感知层、网络层、平台层以及应用层。
　　(1)感知层：随着水务物联网技术的深入发展，实现对水务资源信息的全面感知和分析，其原理就是通过智能化生产设备、仪器仪表、摄像头和传感器等采集外界生产时发出的物理信号。通过大数据与物联网技术将水务企业所有涉水的水厂、管网等关键构筑物和设备的传感器与智能装置相连，形成互联网系统，对水资源的流量进行全过程实时监测和分析，实现及时、全面的感知。
　　(2)网络层：主要是对感知层所获得的数据进行进一步获取和传输。网络层主要通过互联网和通用数据采集平台建立网络传输与通信，实现感知层的数据接入、传输和存储，对水务企业内下属单位和部门的生产情况以及运行状态数据进行及时采集分析，并实时传输到总部网络，*终形成一个相对完整的系统。
　　(3)平台层：主要是对各个下属单位采集到的水务数据进行存储、分析与处理，加强智慧水务平台层建设，*终实现网络层信息向应用层信息的转换，实现网络设备的管理、设备信息和业务信息的呈现。智能水务平台能有效屏蔽底层设备和网络的复杂性，统一数据标准。
　　(4)应用层：包括给排水、污水处理等全水产业链的信息应用系统，可为企业的生产、经营、服务和管理活动提供支持。为了贯彻落实水务企业发展战略要求，应用层建设以智能服务为导向，以智

目录
第1章 重庆市水务大数据概述 1
1.1 重庆市水务行业发展基本概况 1
1.1.1 行业基本情况 1
1.1.2 存在的问题 4
1.1.3 发展对策 5
1.2 重庆市水务行业大数据挖掘概述 8
1.2.1 中国水务大数据发展情况 8
1.2.2 重庆市智慧水务的建设现状 10
1.2.3 重庆市水务大数据的发展背景 11
1.2.4 重庆市水务大数据的跨行业联动效应 14
第2章 国内外水务大数据挖掘实例 16
2.1 智能水网 16
2.1.1 美国智能水网 16
2.1.2 澳大利亚智能水网 19
2.1.3 韩国智能水网建设框架构想 21
2.2 国内外水务公司的大数据挖掘应用现状 21
2.2.1 国外水务公司大数据挖掘应用现状 21
2.2.2 国内水务公司大数据挖掘应用现状—粤海水务 23
2.3 国内业务主管部门的大数据挖掘应用实例——长沙供水 26
2.3.1 大口径远传水表在长沙实施的背景及过程 26
2.3.2 项目实施中的重难点 28
第3章 重庆市水务数据管理决策平台总体架构 30
3.1 平台概况 30
3.1.1 平台的主要特点及特征 30
3.1.2 平台的用户分析 34
3.2 总体架构分析 34
3.2.1 总体架构设计 34
3.2.2 功能性分析 35
3.3 业务架构分析 37
3.3.1 数据资源总体设计 37
3.3.2 业务需求分析 39
3.4 技术架构分析 42
3.4.1 关键技术分析 42
3.4.2 功能性分析 45
第4章 重要功能模块建设方案 47
4.1 系统总框架建设 47
4.1.1 系统逻辑框架 47
4.1.2 建设模式 48
4.1.3 管控模式 49
4.2 监测体系建设 49
4.3 信息标准化建设 50
4.3.1 功能及框架 50
4.3.2 信息标准化 51
4.4 应用系统建设 52
4.4.1 营业管理收费及管网供排水综合调度系统 52
4.4.2 客户服务系统及工程报修装载 53
4.4.3 表务管理系统及商业智能分析系统建设 56
4.4.4 协同办公平台及水资源管理系统 57
4.5 支撑平台建设 59
第5章 大数据共享机制概述 61
5.1 大数据共享的内涵 61
5.1.1 大数据共享的定义 61
5.1.2 大数据共享的意义 61
5.1.3 大数据共享的原则 62
5.2 大数据共享机制的挑战 63
5.2.1 客体挑战 63
5.2.2 主体挑战 64
5.2.3 手段挑战 64
5.2.4 环境挑战 65
5.3 大数据共享机制的国内外发展现状 66
5.3.1 国外大数据共享发展现状 66
5.3.2 国内大数据共享发展现状 67
5.4 相关技术简介 67
5.4.1 区块链技术 67
5.4.2 以太坊 70
第6章 交叉行业数据共享需求与建设现状 72
6.1 总述 72
6.2 跨行业数据共享需求 72
6.2.1 水务行业-城市生态环境主管部门 73
6.2.2 水务行业-城市住建主管部门 74
6.2.3 水务行业-城市规划和自然资源主管部门 75
6.3 重庆市水务行业数据共享建设现状 76
6.3.1 水务行业内部建设现状 77
6.3.2 水务与交叉行业建设现状 78
第7章 智慧水务理论多源异构数据共享模型 79
7.1 传统数据共享模型研究 79
7.1.1 中间件共享模型 79
7.1.2 数据仓库共享模型 81
7.1.3 对等网络数据共享模型 82
7.2 常见的数据共享模型 84
7.2.1 基于联邦数据库的数据集成模式 84
7.2.2 基于中间件的数据集成模式 85
7.2.3 基于数据仓库的数据集成模式 86
7.3 基于Web Service的多源异构资源传输模型 87
7.3.1 XML技术 89
7.3.2 Web Services 远程调用服务 90
7.4 基于XML和Web Logic JMS的远程异构数据共享模型 92
7.5 基于关联数据的水务数据共享模型 94
7.5.1 基于关联数据的水务数据共享研究必要性 94
7.5.2 水务数据共享流程 95
第8章 多源异构数据共享的关键影响因素 97
8.1 水务体系在城市发展中的地位和作用 97
8.2 多源异构数据共享的影响因素 99
8.2.1 多源异构数据的协同系统集成问题 99
8.2.2 水务数据化技术水平存在的问题 101
8.2.3 水务企业采用的管控模式问题 102
8.2.4 城市管网信息化建设问题 103
第9章 水务及交叉行业业务模式创新 105
9.1 PPP 模式 105
9.2 BOT模式、TOT模式 106
9.3 委托运营及EPC模式 108
9.4 案例—盐城市某水环境综合治理项目 108
9.4.1 项目概况 108
9.4.2 项目简评 109
第10章 大数据共享原型系统设计 111
10.1 基于区块链的大数据共享模型 111
10.1.1 在区块链基础上的数字化共享模型 111
10.1.2 基于区块链的大数据共享信息连接模型 112
10.2 基于区块链的大数据共享模型分层架构 113
10.2.1 数据存储层 113
10.2.2 其他层 115
10.3 基于以太坊的大数据共享原型系统设计 117
10.3.1 账户体系、数据管理模块 117
10.3.2 其他模块 118
第11章 重庆自来水厂生产状况可视化分析 120
11.1 业务场景介绍 120
11.2 典型示范区画像建模 120
11.2.1 数据介绍 120
11.2.2 实施方案 122
11.2.3 可行性分析 128
第12章 重庆市供水设施运行状况可视化分析 130
12.1 业务场景介绍 130
12.2 典型示范区画像建模 131
12.2.1 设施介绍 131
12.2.2 数据介绍 135
12.2.3 实施方案 136
12.2.4 可行性分析 138
第13章 重庆市用户用水状况可视化分析 140
13.1 相关技术介绍 140
13.1.1 用户画像综述 140
13.1.2 用户画像流程 141
13.1.3 用户画像构建 142
13.1.4 用户画像评估和使用 143
13.2 聚类和回归 144
13.2.1 聚类模型 144
13.2.2 回归模型 145
13.3 可视化构建 148
13.3.1 可视化构建基础 148
13.3.2 信息可视化设计 149
13.4 典型示范区域画像建模 149
13.4.1 数据介绍 149
13.4.2 实施方案 153
第14章 重庆市用水需求预测研究 157
14.1 背景介绍 157
14.2 城市用水量预测模型 158
14.2.1 灰色预测GM(1，1)模型群 158
14.2.2 支持向量机回归模型 162
第15章 重庆市供水管网状态预测研究 172
15.1 城市供水管网微观模型的建立 172
15.1.1 供水管网微观模型建立原理 173
15.1.2 供水管网参数的率定 174
15.2 供水管网数学模型 175
15.3 机器学习论述 176
15.3.1 传统人工神经网络 177
15.3.2 LSTM神经网络 177
15.4 以LSTM预测模型为基础的适应性改进 179
15.4.1 LSTM预测模型 179
15.4.2 适应性改进 180
15.5 基于PLDNN预测模型的异常工况检测 182
15.6 实现应用集成框架 183
15.6.1 供水管网预测模型集成框架 183
15.6.2 调整模型参数 184
第16章 重庆市供水厂运营优化调度研究 186
16.1 重庆市供水系统 186
16.1.1 重庆市供水水资源调度分析 186
16.1.2 城市供水系统信息流分析 189
16.1.3 数据流程分析 190
16.2 预测城市用水量 190
16.2.1 常见的用水量预测方法 191
16.2.2 基于基本粒子群算法用水量预测 194
16.2.3 基于GA-BP的用水量预测 195
16.2.4 以ANFI网络用水量为依据预测 198
16.3 水务优化调度系统设计 198
16.3.1 设计软件系统架构 199
16.3.2 系统功能设计 200
16.3.3 水务系统的数据库设计 202
第17章 重庆市供水厂管网布局优化研究 204
17.1 供水管网的模型化 204
17.1.1 供水管网的简化 205
17.1.2 供水管网的抽象化 206
17.1.3 管网模型的标识 208
17.2 供水管网模型的拓扑属性 209
17.2.1 供水管网图的基本概念 209
17.2.2 管网图的关联集与割集 211
17.2.3 环状管网与树状管网 212
17.3 管网模型的水力特性 214
17.3.1 节点流量方程和管段能量方程 214
17.3.2 管网模型的矩阵表示 215
17.4 城市供水管网网络特性概述 215
17.5 基于繁杂网络的供水管网布局系统评价与优化 216
17.5.1 繁杂网络基本概念 217
17.5.2 供水管网网络设计与优化方法概述 218
17.5.3 建立基于P空间表示方法的重庆市供水管网布局网络模型 218
17.5.4 供水管网布局网络平均分流次数计算方法 219
17.5.5 重庆市供水管网布局网络分流系统分析与评价 220
17.5.6 探究供水管网布局网络分流系统优化方法 222
第18章 重庆市供水网络加压站选址*优化方案研究 225
18.1 供水加压站站址评价指标体系 225
18.1.1 选址原则 225
18.1.2 评价指标选取原则 226
18.1.3 评价指标体系 226
18.2 相关分析方法介绍 227
18.2.1 模糊层次分析法 227
18.2.2 灰色关联分析法 231
18.3 灰色-模糊关联分析方法 232
18.3.1 不同方法的融合条件 232
18.3.2 一致性检验步骤 232
18.3.3 灰色关联分析与模糊层次分析的具体结合方法 234
参考文献 235