王爱杰教授团队：我国智慧水务发展现状及趋势
王爱杰1 许冬件2 钱志敏1 王储君2 刘广齐2 远野3
（1.哈尔滨工业大学(深圳)，广东 深圳 518055；2.珠海卓邦科技有限公司，广东 珠海 519070；3.盐城工学院，江苏 盐城 224051)
研究背景
智慧水务是指通过信息化技术、物联网技术、大数据技术等手段，对水资源的监测、调度、管理和利用进行智能化、自动化和系统优化的一种水务管理模式。智慧水务的发展不仅可以提高水资源的利用效率和水质安全，还可以为水务行业转型升级、高质量发展提供有力支撑。在数字中国蓬勃发展及水务行业高质量发展的趋势下，智慧水务建设和发展成为行业的共识，经过多年的建设，智慧水务取得了一定成效，同时也面临着挑战。为促进智慧水务的健康发展，本文结合大量行业调研数据、智慧水务工程实践以及思考，对我国智慧水务的发展现状进行了总结阐述，并对未来发展提出展望。
摘要
在数字和数据经济时代，智慧水务成为行业共同关注的发展方向。结合行业调研和实际案例，阐述了智慧水务的发展现状，深入分析了智慧水务发展的内部和外部驱动力、科研水平和数字化产品，尤其是人工智能、数字孪生和智能硬件产品等方面取得的重要进展。最后，总结和提炼了该领域发展的问题和挑战，并展望了智慧水务的未来发展趋势。
01我国智慧水务发展的核心驱动力
对于行业和企业而言，必须要回答的命题是我们为什么要发展智慧水务？我们的核心需求是什么？我国智慧水务发展的驱动力可分为内部驱动力和外部驱动力两种情况，两者处于协同驱动的状态。
1. 内部驱动力
内部驱动力源于行业和企业的自我要求，比如对高品质/优质饮用水的追求、对环保达标的硬性要求、对城市安全的韧性要求、对低碳绿色发展的要求、对城市生命线建设的要求，以及对未来智能化服务的期望和对数字意识的逐步觉醒等。
高品质/优质饮用水需求是智慧水务发展的重要内驱力。高品质饮用水是人民生活的重要保障和必需品。近年来，全球气候变化和人类活动对水资源的影响不断加剧，水资源短缺和污染问题越来越严重。随着居民对于水资源稀缺性的认识不断加深，对于水质和供水的要求也越来越高。他们往往通过自己的经验和观察对水质和供水的问题进行判断和评价。随着信息技术和社交媒体的发展，人们可以通过网络和社交平台了解到水质和供水的相关信息和问题。通过数字化技术可以实现对水质和水量的实时监测和管理，及时发现异常情况，实现快速响应和调整，保证供水的质量和可靠性。数字化水务系统易于实现对用户用水的智能监测和计量，实现精确的计费和用水管控，减少浪费和滥用。
智慧水务是环保达标的重要手段。环境污染和破坏对人体健康及生命安全造成严重威胁。通过数字化技术和管理手段，实现对污水的全面监测和控制，可以极大地提高污水处理的效率和性能，达到环保标准，从而实现水资源的可持续利用和环境保护的目标。
智慧水务是城市安全的重大需求。智慧水务可以提高城市防洪排涝的能力，提高供水和排水系统的安全性。智慧水务逐步发展对提高城市水资源的利用效率和管理效率起着重要的作用，并推进城市节水和环保工作，对城市安全起着至关重要的作用。
智慧水务是低碳绿色发展的重要推动力。智慧水务可以提高城市水资源的利用效率，实现节能减排，推动水环境保护和生态修复，提高城市的智慧化水平和可持续发展能力。而随着对低碳绿色的要求越来越高，对智慧水务也提出了更高要求。
目前，越来越多的水务企业开始逐步完善信息化建设。信息化建设是智慧水务内驱力的重要表现，可以提高水务企业的智能化水平、安全性和管理效率，从而推动智慧水务的循序发展。数字化意识觉醒是智慧水务发展的另一个重要标志。数字化（包括数据化）是现代智慧型企业的标准特征。随着数字化意识的觉醒，人们逐渐认识到智慧水务的重要性和潜在价值，积极探索智慧水务的新技术、新业务和新模式。数字化意识的提升可以促进智慧水务在数据监测、数据分析、智能化调度、可持续发展等方面的创新，促使水务企业的运行从传统的手工管理向数字化管理转变，提高智慧水务的运营水平和效率。此外数字化意识觉醒还可以加速智慧水务和其他行业的融合发展。
2. 外部驱动力
1）政策驱动。
政策驱动来源于数字中国和数字经济建设，已成为我国的核心战略，未来将共同推动水务行业数字化转型和实现智慧水务的高质量发展。近几年，国家陆续颁布了《数字中国建设整体布局规划》、《关于构建数据基础制度更好发挥数据要素作用意见》、组建国家数据局等一系列政策，智慧水务是一个非常关键的组成部分。2023年，中共中央、国务院印发了《数字中国建设整体布局规划》，提出数字中国建设的“2522”整体框架，即夯实“两大基础”，推进数字技术与“五位一体”深度融合，强化“两大能力”，优化数字化发展国内国际“两个环境”。2023年5月25号，中共中央、国务院印发《国家水网建设规划纲要》，目标到2025年，建设一批国家水网骨干工程，国家骨干网建设加快推进，水网工程智能化水平得到提升。到2035年，基本形成国家水网总体格局，国家水网主骨架和大动脉逐步建成，省市县水网基本完善，构建与基本实现社会主义现代化相适应的国家水安全保障体系。规划纲要中提到“加快智慧发展”的3个重点：1）加强水网数字化建设，深化国家水网工程和新型基础设施建设融合，推动水网工程数字化智能化建设；2）提升水网调度管理智能水平，加快推进国家水网调度中心、大数据中心及流域分中心建设，构建国家水网调度指挥体系；3）完善水网监测体系，推动新一代通信技术、高分遥感卫星、人工智能等新技术新手段应用，提高监测设备自动化、智能化水平，打造全覆盖、高精度、多维度、保安全的水网监测体系。
2）技术驱动。
技术驱动来源于数据成为继土地、资本、技术、劳动力之后的第5大生产要素。大数据、5G/工业物联网、智能设备和数字孪生等技术的逐渐成熟，尤其是生成式AI在2023 年的突破式进展，已经将智慧水务的发展推入快车道。2022年，国家启动大尺度空间统筹调度核心资源的超级工程——东数西算，将东部的数据需求和西部的算力综合调度，是实现资源跨区域调配重大战略工程。上述多项技术作为数据的主要生产工具和使用者，快速推动智慧水务的发展。
3）经济驱动。
经济驱动来源于当下是数字经济与实体经济融合的新经济时代。正处在快速发展阶段的水务行业也面临着许多问题，例如供水管网的迅速扩张导致水务部门和企业管理压力增加，急需建立支撑性的智慧管控平台；高漏损率使企业对智慧管网需求的进一步扩大，需要通过大量的智能监测设备作为技术辅助加强设施和管网的维护与管理；污水排放量持续增长，带动了污水处理需求的同步上升，并增加了管控的智能化和智慧化需求。智慧水务可以实现水务行业管理的智能化、高效、透明和可持续，提高用水效率、降低管理成本、保障水质安全。
图1 水务行业发展需求
4）需求驱动。
需求驱动来源于城市水安全、水生态、水环境、水服务难以满足人民群众对美好生活的向往。2023年3月22日，联合国重启水事会议，目的是寻求突破性解决方案应对全球水危机，加快普及安全用水和卫生设施。会议通过了具有里程碑意义的《水行动议程》，包含700多项承诺，旨在保护“人类最宝贵的全球共同利益”。
02我国智慧水务行业发展现状
1. 总体状况
在2017—2020年，在中国城镇供水排水协会的带领下，珠海卓邦科技有限公司对全国1000多家代表性水务企业开展了智慧水务建设调研。其中，95%以上的水务企业正在密切关注智慧水务的行业动态，越来越多的数字化领先水务企业都在启动顶层设计工作；80%以上的水务企业认同智慧水务在提升效率、管理增效、提升企业形象、保障安全等方面的价值；77.4%的水务企业发展智慧水务的动力来源于公司内部的发展战略需求，46.8%的水务企业则来自于外部环境的推动；60%以上的企业表示高管对于智慧水务支持力度极大，包括组织、资金、政策、人员支持等方面；在智慧水务发展的过程中，65%的水务企业关注基础设施的建设，52%的水务企业关注信息系统覆盖范围的拓展，56%的水务企业关注集成整合，60%以上的水务企业关注数据资源的挖掘利用 。
图2 代表性水务企业进行的关注度
随着越来越多的水务企业重视智慧水务，企业的数字化管理部门发展也在发生巨大变化。据中国水协牵头编制的《城镇水务行业智慧水务调研分析报告(2020年)》数据显示，50%的受调研水务企业已成立独立的数字化管理部门，且部分企业成立了智慧水务领导小组。水务企业的发展离不开行业的进步，该报告基于大量调研数据，指出我国智慧水务在标准化建设、人才储备、技术支撑和科研成果等方面都取得了较快的进步。
在标准制定方面，现行地方标准主要集中在直辖市和东部地区，区域发展不平衡。现行团体标准涉及多家协会组织，侧重方向与各协会业务范围相关，与智慧水务业务应用相关的标准数较少。2020年9月，住建部发布《住房和城乡建设部 2020 年科学技术项目计划》，立项通过了《2020-K040-智慧水务标准体系建设研究》课题，由中国城镇供水排水协会承担，北控水务集团、珠海卓邦科技有限公司、福建水投集团、福州水务集团等单位合作参与。2023年6月1日，住房和城乡建设部印发《2023年工程建设规范标准编制及相关工作计划》，内容涵盖工程建设强制性国家规范、工程建设标准（国家标准、行业标准、产品标准）、标准翻译、国际标准和专项工作，合计178项。该标准将紧密结合水务行业的业务特点，构建水务信息系统的安全架构，同时给出架构中各元素的具体安全技术要求。适用于城乡水务行业信息系统的安全建设、规划、验收等。在企业标准方面，重庆水务集团于2018年6月率先在行业内启动智慧水务标准体系建设工作，是行业内首先全面和成体系推动智慧水务标准建设的水务企业。近些年积极推动智慧水务企业标准建设的水务企业还有：北控水务集团、深圳水务集团、杭州水务集团、青岛水务集团、常州排水公司等。
在人才储备方面，2023年6月9日，武汉大学智慧水利系正式揭牌成立，是融合云计算、物联网、大数据、人工智能、电子信息、工程管理等专业发展而成立的新工科专业。智慧水务专业于2022年列入普通高等学校本科专业目录的新专业名单，包括河海大学、三峡大学、华北水利水电大学等十余所高校开设了智慧水务和智慧水利专业。高校在智慧水务人才培养的重视和加强，对于推动智慧水务行业发展具有重要积极意义。
在技术支撑方面，2023年4月14日，由中国城镇供水排水协会组织，中国市政工程中南设计研究总院有限公司主编，32家单位联合编制的《城镇智慧水务技术指南》重磅发布。该指南明确了城镇智慧水务的总体架构、保障体系以及数字化建设、智能控制和智慧决策的技术要求，系统化地说明了城镇供水、城镇水环境、排水(雨水)防涝等领域的智慧应用，填补了我国城镇智慧水务建设与应用的空白。为各地行业主管部门及城镇水务企事业单位推进智慧水务建设提供强有力的指导。
2. 我国智慧水务的发展历程
纵观智慧水务的发展历程，大体经历3个阶段，目前正处于由自动化、信息化向智慧化迈进的过程。第1阶段（1990—1999年），注重水系统信息化，以自动化控制为核心，着眼于工艺优化及生产效率提升，自动化信息采集等技术得到快速发展；第2阶段（2000—2009年），注重完善信息化数据建设，以企业信息化为核心，通信网络得到迅速发展，水务基础信息逐步实现联通。第3阶段（2010年—），集成应用，建立智慧水务系统平台成为重点，物联网和智能传感技术快速渗透，大数据、AI和区块链得到了综合应用，水务管理智慧化水平显著提升。据预测，从目前到2035年，将是智慧水务全面推进的阶段，有望实现业务全面智慧化自主运行，基本排除人为干扰，形成完善的智慧水务业务系统。智慧水务建设从自动化、信息化向智慧化的发展过程离不开国家信息系统建设。其中，供水企业信息系统侧重客户服务管理，比如收费系统、微信公众号和报装管理系统建设等；排水企业信息系统侧重运行控制管理，更关注水质在线监测预警系统和中控系统的建设等。
图3 我国信息系统建设状况
3. 我国水务企业智慧化建设目标和资金投入分布
基于对水务行业企业及用户的调研，我国水务企业智慧化建设排名前3的期望目标是水厂调控无人化、管网调度科学合理、工艺控制高效，详见图4。未来发展方向是加强智慧水务顶层设计、提高运营管理能力、大数据中心建设。我国政府采购智慧水务项目地域性特点较为突出，主要分布在东南部和华中地区。水务企业资金投入方面，未来5年总体上将呈现2个极端的趋势。区域上，华东地区资金投入较为平均，华中区域和华北区域的资金投入呈现两个极端的趋势。规模上，50万t以下企业资金投入呈两个极端的趋势; 50万t以上企业资金投入较平均。在招标投标方面，东南和华中地区处于引领状态，对未来五年水务企业的资金投入预测，整体上还是有不平衡性。
图4 我国水务企业智慧化建设目标
4. 水务企业数字化管理部门发展状况
目前，从水务企业数字化管理部门来看，在如何提高运营管理的能力和增强大数据中心的建设方面已经基本达成了共识，据目前调研的水务企业，已有一半以上成立了这种独立的数字化管理部门。领导高度重视和业务部门深度参与，是智慧水务建设和应用成效好的水务企业的共同特征，这在水务企业数字化管理部门是非常重要的一点。
图5 水务企业数字化管理部门发展状况
5. 我国智慧水务科研水平和数字化产品
相较于欧美的数字水务注重理论和基础方法创新，我国智慧水务科研注重技术应用和解决实际水务问题，例如水质监测和污染控制，主要以政府机构、科研院所、大学和企业等多方合作的方式。科研成果方面，如图6所示，围绕“智慧+水务”作为关键词的国家级课题共计95个，其中与城市相关的主题资助率较高。但资助领域交叉性强，与水务直接相关性小，水务科研人员参与度有待提高。华北院自主研发的一体机大脑Simuwater，是国内首款集机理模型、概化模型及人工智能于一体的混合模型，实现了无缝耦合流域城市排水系统仿真，打破了排水系统仿真受限于国外的瓶颈。而哈尔滨工业大学主导开发的基于AI的碳排核算模型（马头岗污水厂项目），结合机理模型与数据驱动算法，建立了生物处理过程“碳代谢”模型，发展了水处理碳排放实时计量方法，实现了碳排放的分钟级别计量。博爱第二污水厂项目应用数字孪生赋能污水厂低碳运维，采用三维可视化建模，工艺仿真、自控仿真和三维可视化等技术构建了三维虚拟水厂，整合了设备的静态数据和运行动态数据，实时反映现场细节，实现水质预测、水量预测、生化分析、物料平衡、运行调整、设备维护、故障诊断等功能。
除了AI技术的应用，我国水务行业也涌现出大量数字化产品，如智能井盖、智能水泵、智能阀门、智能水桩、水力控制装备、网格化积水识别系统等。智能井盖可以实现水质监测、水位监测、防溢漏控制、远程控制等功能；智能水泵可以实现自动调节水压、节能环保、防护功能、智能化运行等功能；智能阀门实现了自动调节流量、远程控制与监测、安全保护、实时数据上传云端及数据分析等功能。这些数字化产品是下一步如何获得真正实时有效大数据的重要前提，也是如何把数据能够真正纳入到数据资产体系框架内的一个重要基础条件。运用这些数字化产品，可以迅速响应国家的重大需求和新的挑战。
图6 我国智慧水务科研水平
03智慧水务发展趋势
1. 问题分析
目前，我国发展智慧水务尚存在3个难点问题：1）数字化技术与业务难以融合。水务公司有很多业务专家对业务研究很深，但是对数字化技术缺乏了解，而IT专家则对业务和场景的理解不够深刻，因此出现数字化技术和业务融合度不够的情况，技术对业务的支撑不充分，智能设备设施、工业软件需要突破水处理工艺的多个技术特点。2）智慧水务效益难以衡量。数字化项目目标在于优化商业模式、提升业务能力和转变运营方式，难以用标准量化。同时，智慧水务建设自身很难独立产生经济效益。3）难以形成有效的产业协同。因为整个智慧水务链条特别长，需要核心技术满足水务企业对智慧水务的发展需求，但这其中包括比较多的技术困难和应用瓶颈，因此难以形成有效产业协同。
为此，亟需在以下3方面尽快产生突破：1）亟需提升认知，推动数字化转型需要理念革新和企业数字化认同感，部分企业数字化认知停留在生产过程信息化控制上，而决策者应对数字化有更深刻的理解。2）亟需统筹建设，智慧水务建设发展也亟需行业认可的智慧水务标准。一些大型水务集团业务众多、子公司众多，大多情况是各自为战，缺少统筹，也缺乏标准。3）亟需专门人才，这是一个突出的行业痛点。因为智慧水务是相对特别的跨专业融合领域，企业亟需足够的信息科技专业人士赋能智慧水务的建设。而人才培养和企业的需求存在一定的脱节，高校缺乏智慧水务相关课程的设置，无法为行业输出合适的人才。
2. 发展趋势
AI大模型的技术发展已受到越来越大的关注，应当积极探索AI在水务领域可能产生的新突破，下一步会逐步把辨识性AI向生成式AI推进，其中包括防洪排涝、水资源估算和预测、水质异常监测、水文过程模拟、水资源分配优化、水力发电和能源管理、水质参数的测量等方面。同样，也包含行业的知识沉淀、行业知识图谱，未来可能会出现的人工智能助理，辅助解答各种各样专业领域问题。
总结下来，智慧水务发展呈现5大趋势：
1）思维的变革。数字化思维的变革让水务公司精益求精，不断地提高运营效率，安全保障的提高，继而推动组织架构和管理模式的变革，加速智慧水务建设的速度，推动水务行业发展。
2）数业融合，关键数字技术与水务业务不断深入融合。智慧水务会越来越多的融合到智慧城市的建设，在城市的治理和发展当中给予更多的贡献。
3）数据引领，智慧水务已进入到以数据资产为核心的新时代。数据资产驱动着水务行业生产方式、治理方式的变革，也是整个行业高质量发展的一个必由之路。
4）模式创新。大数据、AI、大模型等技术赋能，深刻改变了水务行业的生产、商业模式。
5）安全保障。水务系统作为城市的关键基础设施，安全和可靠地运行始终是最重要的要求。因此要强化网络防护体系，实现水务行业安全与发展并重，构筑智慧水务安全屏障。
未来，智慧水务发展有望在以下几方面产生新变化：
1）产生新职位。例如首席数据官、算法工程师、数字化标准管理员等。
2）商业模式变化。大数据、AI、大模型等技术驱动生产方式及关系变革，进行跨界融合，诞生新商业模式。
3）竞争格局变化。竞争格局逐渐由分散向集中过度，越来越多的水务企业成立数字科技公司，未来也有望诞生世界一流智慧水务龙头企业。
4）新机遇。县域智慧水务建设逐渐成为重点发展目标，大厂纷纷布局智慧水务领域实现跨界融合，赋能智慧水务建设，为传统水务行业发展带来新机遇。
5）新人才的培养，这里需要高校、企业、咨询公司三方合作：开办水务大学自主培养懂业务的科技人才和懂科技的业务人才；高校和企业合作打造产教融合人才培养体系；企业和咨询公司组成既懂技术又懂业务的复合型人才联合团队。
04结 论
我国智慧水务建设正处于快速发展期，未来的趋势是数字化、智能化、可持续化。智慧水务技术的不断创新，将为水资源的保护、利用和管理提供更多的工具和手段。同时，智慧水务的发展还需要政府、企业、学术界和社会各方的积极参与和合作，共同推动智慧水务的发展。
整体上，我国智慧水务发展是机遇与挑战并存。面向未来，我们应该高度重视智慧水务的创新、应用和推广，积极推动智慧水务的可持续发展，为建设数字中国、美丽中国做出更大的贡献。
