侯立安院士：数字化与智能化赋能智慧水务的创新发展
水务行业是支撑我国经济社会发展和居民生产生活保障的基础性产业，主要涵盖供水、用水、水资源、水环境、水生态、水安全、水经济和水文化等领域，是具备公用事业和环境保护双重属性的城市服务行业之一。在新一代信息技术的推动下，我国现代化城市建设已经从简单的信息化发展到数字化、智能化、智慧化。与此同时，我国水务系统的运转方式也逐渐由手动转为自动、运转人数由多到少，“智慧水务”应运而生，且成为传统水务行业转型升级的重要方向。
智慧水务作为智慧城市建设的重要环节，是衡量城市管理智能化程度的关键指标。近年来，随着数字中国、新基建、供水安全保障及生态环境保护等相关政策规划不断发布，以及物联网、大数据、云计算、移动互联网、区块链等先进技术的逐渐融入传统水务行业，国家对智慧水务建设越来越重视，国务院及相关部委相继出台了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》《“十四五”全国城市基础设施建设规划》等相关政策，引导水务行业智慧化发展。在当前数字化转型的时代背景下，数据是新型生产要素，是智慧水务的基础。2022年1月，国务院发布的《“十四五”数字经济发展规划》强调“数字经济是继农业经济、工业经济之后的主要经济形态，是以数据资源为关键的要素”。2023年2月，国务院印发的《数字中国建设整体布局规划》提出了促进数字经济和实体经济深度融合的目标，以推动生产、生活和治理方式变革的数字化驱动。这些政策的落地，彰显了社会经济已经进入到数据生产力时代，为推动水务行业向数字化和智能化转型开辟新路径。智慧水务已成为备受社会市场关注和必然发展的领域，是推进水务行业技术进步和高质量发展的关键环节。为此，本文从智慧水务发展沿革、现状与挑战及发展趋势三个角度，浅析数字化与智能化潮流下智慧水务的创新发展。
一、智慧水务的发展沿革
事实上，智慧水务概念并非一蹴而就，而是历经了自动化水务、数字化水务、智能水务、智慧水务四个发展阶段：
（1）自动化水务。在自动化阶段，主要体现为基础信息的自动化采集，并逐步实现对阀门、泵站、生产工艺过程等的远程操控，同时也显著提高了涉水数据指标（如水质、水压、流量等）的测量精确度。
（2）数字化水务。数字化水务是我国水务系统信息化建设的起点，标志着从自动化向数字化转型迈出重要一步。借助无线传感网络、数据库技术及3G网络等先进手段，成功搭建了各个业务系统与数据库，并显著提升了信息存储、查询和回溯效率，初步实现了业务和数据的全面信息化。
（3）智能水务。智能水务是通过供水设施与水务管理部门有机结合，形成城市水务物联网，实现对供水系统的实时监测和处理。
（4）智慧水务。智慧水务是通过深度融合新一代信息技术与水务技术，充分挖掘数据的价值和逻辑关系，利用数字孪生技术构建管理体系，实现高水平优化决策，确保水务设施安全运行，并提升水务业务运营效率、科学管理和服务质量。
二、智慧水务的技术现状与面临的挑战
作为新一代信息技术，智慧水务在水利调度、水压控制、农业灌溉控制及优化、水厂运营优化等方面的综合应用，有望解决我国用水安全、水资源过度开发、水体污染严重等问题，为城市的可持续发展提供有力支撑。水务“智慧化”的关键技术，既包括水务行业的传统技术，更包括物联网、云计算、大数据、人工智能、区块链等新兴技术。健康饮水保障的智能化和智慧化是未来发展趋势。
（1）物联网技术。物联网作为新一代信息技术，凭借其高效快捷、资源共享等特性，能够及时监测区域水质，保障饮水健康。基于物联网建设联控联调系统平台，可确保饮用水处理实现智能运行，及时监测水量、水质等相关信息。通过在中央集控室的远程操控，物联网技术可以实现对饮用水处理的远程控制、人机交互、智能诊断和智能决策，进而提升运营效率、降低意外损伤、追溯事故源头、节省人力成本。
（2）大数据信息技术。大数据信息技术是一种新兴的信息技术，具有容量大、多样性、快速存取和广泛应用价值等特点。利用大数据技术可以在水质检测、水质改善、安全监管等领域提供分析和决策。基于大数据平台对水污染进行风险识别与监测预警可以体现在四个方面。第一是将传统环境监测方法与卫星遥感、智能传感系统、无人机等新兴监测技术相结合，基于视频、图片、文本、数字等流媒体数据，实现对环境关键指标的动态实时监测；第二是采用多元数据融合及大数据分析挖掘技术，从多种维度对环境数据进行分析，改变传统环境监测与数据分析的模式；第三是采用大数据挖掘技术对水环境数据进行分析，评估影响水质的关键指标，革新水环境风险评估模式；第四是基于大数据平台，利用模型算法对海量历史数据进行深度学习，构建科学的分析预警模型，以提升水环境风险预警能力，并准确识别潜在风险来源。通过大数据挖掘技术，还可实现供水行业“从水源地到水龙头”的全流程监管，进一步提升供水行业政府监管质量和效率，并推动政府监管决策向科学化、高效化、精准化方向发展。
（3）人工智能技术。人工智能技术是水务行业实现“智慧化”的另一项重要技术。随着物联网、大数据和人工智能算法等领域的技术突破，人工智能在健康饮水行业得到了迅速发展，被广泛应用于供水设施设计、运营管理和调度决策等各个方面，助力供水行业的转型升级。目前，在“智慧化”领域，人工智能技术的应用形式可归纳为三种典型类型。第一种是基于天气、水量、水泵性能等历史数据，人工智能技术可评估运行状况，优化运行方式，实现供水系统的节能运行；第二种是基于管网在线压力监测数据结合供水管网水力模型，人工智能可以检测大型或高层建筑物泄漏点，并阻止泄漏源，减少用水量；第三种是针对给水厂运行维护仅靠经验、缺乏技术支撑和预判等现状，构建工艺过程处理分析与预测模型平台，预测设备设施潜在故障、评估优化应用、促进信息互通，从而实现对工艺过程的实时预测、在线诊断、优化运行、安全管理、排放管理。
（4）机器人智能科技。机器人智能科技在保障我国“从源头到龙头”的饮水安全和促进健康饮水体系建设方面发挥着重要作用，如协助水源地保护、水厂药剂精准控制、城市管网建设检修、末端供水水箱定期清理等。此外，还有一些特殊功能的机器人，通过卫星遥感和智能传感等技术监控整个水系统过程、采集样品、进行多功能水质监测、巡检水设施等。这些装备不仅可以排查源头污染、快速识别水质问题，还能提供预警服务。针对市政管网漏损和末端供水水质问题，未来管道探测机器人、爬行机器人等也有望实现对管道全方位观测，协助市政管道的运行维护，精准监控水务数据，保障供管网输配安全。
目前，智慧水务建设的主要挑战已在以下三方面凸显：（1）数据缺乏关联分析和深层次利用。具体是指，在水务企业中，生产数据、管网数据等大量的实时数据除生产报表和检查上报用途外，很少用于其他用途。（2）智慧水务产业链尚未全面打通。具体而言，目前水务行业的整个产业链和新消费链之间尚未实现互联互通，水务数字化价值变现速度相对迟缓，并且在产业布局拓展方面也进展缓慢，特别是在设计规划、建设运营、服务咨询等领域及水务新服务领域仍处于起步阶段。（3）数字化与智能化技术赋能业务的水平有待提高。具体地说，目前大多数水务企业的信息化程度较低，数字化和智能化技术在业务中的应用水平相对不足。
三、智慧水务的创新发展趋势
以数字化和智能化引领的数字经济，是当前市场经济的新增长引擎。在此背景下，智慧水务由技术创新到产业发展，将持续呈现出一系列创新发展趋势。尤其在当下智慧水务领域存在的一系列技术挑战方面，有望实现一系列创新突破。
（1）水务相关数据的关联解析与深层次利用。目前，相对先进的水务系统已基本具备运行过程中各项监测数据的实时获取与可视化展示能力，但为了满足深层次的数据应用，仍需正在向强化数据关联解析的角度发展。提升水务数据关联解析能力的重要性在于：一方面，关联解析能力的提升便于业内研究者更深入地理解不同数据之间的作用机制和影响途径，从而提高对水务系统运行控制的理论水平；另一方面，由于大量布设传感系统物联网的成本相对高昂，在深度解析数据关联的基础上运用关键传感器所收集到的数据对更多数据信息进行反演推算，可有效降低智慧水务系统的数据采集成本。
（2）数字化与智能化助力水务全产业链优化升级。过去，由于水务系统数据的敏感性和数据交互的高昂成本，相关数据大多保存在水务系统内部，与上下游产业链之间的渗透程度较低。但在智慧水务发展浪潮下，水务全产业链的优化升级局面已被打开。数字化与智能化的发展避免了水务系统的区域性、垄断性，促进行业良性竞争，正在逐步实现涵盖生产系统、监测系统、水厂管理、服务工作等方面的全面优化。
（3）数字化与智能化技术赋能业务水平提升。通过数字化与智能化技术所收集到的智慧水务系统运行数据具有重要的潜在应用价值。过去，由于相关数据的提取与分析能力不足，导致基于相关数据的业务水平提升有限。目前，随着电子商务、内容服务、智能制造等领域数字化与智能化技术的应用，水务系统的业务水平也在此背景下得到了提升。数字经济时代下的信息技术突破，成为包括水务在内各行业的技术红利，使得大数据、人工智能和数字孪生等先进技术逐渐成为构建智慧水务系统所必需的基础设施。与此同时，相关技术创新也不断推动着智慧水务行业迈向全新模式和场景，在实现生产流程自动化、运营流程优化及服务流程精确度方面发挥着关键作用。数字经济在各行业的应用广度和深度加快扩展，也不断激发其在净化单元模块化、回收物质资源化、净化过程绿色化和控制方式智能化等智慧水务应用环节的广度和深度的拓展，拓宽智慧水务新路径。
（4）数字经济拓宽智慧水务的辐射半径。数字技术的突破消除了地域限制，使得信息传输和经济交流变得更加高效。在经济互动中，沟通、交易和物流等费用大幅减少，并且覆盖范围更广，能够超越现有的经济互动半径，实现更广泛的跨区域交易。数字经济以其快速渗透能力将智慧水务各个方面彻底融合，在供排水服务、水质污染管控、防汛排涝、环境保护和防震减灾等领域实现互相协同，其经营半径互相渗透叠加，使得智慧水务展现出更为强大的生机和活力。
（5）数字经济扩大智慧水务的规模效应。通过建立完善的智慧水务产业体系，未来智慧水务将会迎来更多战略合作机遇。借助强强联手、优势互补、资源共享和数据共享等方式，加速推动智慧水务的发展与升级，扩大市场份额，并重塑行业格局，创造更为巨大的商业价值。
综上所述，经过数字化与智能化的支持，智慧水务能够高效整合共享气象水文、水务环境、市容绿化、交通建设等涉水领域的信息，进而扩大服务范围与规模，并拓展应用场景，让城市水务规划、设计和管理更加精细、动态、灵活和高效，从而实现提升水务管理效率和效益的目标。面对数字化与智能化时代背景，我们作为水务行业从业者，应加速智慧水务的技术革新，加快研发新型水环境保障技术，以提升我国智慧水务核心技术与装备国际竞争力。
