城市制水行业中地理信息系统与智能水务的融合应用研究

摘要：在城市化进程的发展下，对于城市制水行业的发展也提出了全新要求，通过发展智能水务可有效解决制水行业的各类问题，通过对水压、水质、水流量等参数的在线监测能够打造出完善的城市水务物联网，使整个城市制水系统进入了智慧化的发展状态。文章介绍了智能水务的相关概念，总结了智能水务建设中对于地理信息系统的要求，提出了城市制水行业中地理信息系统与智能水务的融合应用要求。

关键词：城市制水行业；地理信息系统；智能水务；融合应用

地理信息系统在各个行业中都有广泛使用，包括社会发展、国民经济的各个部门，能够为人民群众提供高效的导航、计时、短信、监控等服务，在技术水平的发展下，人民群众对于城市制水行业的服务能力也提出了更高要求，传统水务系统在逐步朝着智能水务的方向迈进，智能水务建设取得了良好成果。要实现智能水务，提高服务效能，精准的定位必不可少，通过地理信息系统与智能水务的深度融合，能够满足各个场景的水务服务要求。

1 智能水务及其发展

1.1 智能水务的概念

智能水务是新一代水务技术、信息技术的深度结合产物，实现了水务系统的数据资源化、决策智慧化、控制智能化以及管理精准化。在“互联网+”时代的发展下，各个行业纷纷搭上“互联网+”的快车，重新迸发出新的活力，水务行业也是如此，智能水务是“互联网+”时代下水务行业发展的必然趋势，显著提高了整个城市制水行业的服务能力，也实现了水务的智慧化监管，通过应用大数据、云计算、通讯技术、数据分析、云存储等能够使管理者便利的掌握管线、水厂、泵站、水库运行情况，通过对水质、流量、雨量、水位的动态分析来科学优化用水调度方案，保障生活与生产的供水安全。

1.2 智能水务系统的应用价值

智能水务系统属于新型管理系统，通过各类先进技术将水务系统的设备、基础设施相连接，能够打造出智能化的水务系统，满足数据的自动采集分析和处理要求，使得城市水务系统成为一个综合化的决策调度中心，做到了反应及时、统一指挥。在智能水务系统投入使用之后，能够实现精细化管理、智能调度、标准化服务的有机结合。首先，与传统水务相比，智能水务系统能够克服传统人工监测的不足之处，可以做到24小时不间断对水质、安全的动态监测，为水务工作的开展提供了极大便利；其次，智能水务系统涉及的技术手段较多，可以有效提升管网调度的实效性，从操作角度来看，工作人员在打开智能水务系统之后即可清晰掌握各个区域的供水情况与用水情况，还可以实时监控水量，通过对历史数据、当前数据的分析优化调度方案，保障用水质量；最后，在应用智能水务系统之后可以对水务系统运行进行在线监测，将各个部门和供水设施高效整合起来，真正做到了水务物联。

1.3 智能水务系统的建设现状

目前，我国各地智能水务建设取得了初步成果，早在2013年开始，国家就颁布了系列政策，推进智慧城市的试点建设，智能水库就是智慧城市建设的标志之一，随着智慧城市建设的推进，智能水务建设也取得了良好的成果，各个地区制定了一系列试点实施方案，联合骨干企业、科研院所、高校、示范单位等建立了协同创新联盟，使得智能水务的建设突破了技术难关，建立了完善的智能水务生产系统，能够对治水环节进行集中化、实时化监控，帮助管理人员准确、及时、全面的了解现场信息，打造出智慧生产链，建立了一批绿色环保、安全健康的现代化水务企业。同时，积极打造智能水务经营系统，通过推广远程水表监控管理系统、漏损控制系统、报装业务管理系统以及营业收费系统等使得水务企业的精细化管理水平得以显著提升，另外，智能水务服务系统的建设也初见成效，能够用高效率的服务模式打造人民群众满意的水务发展营商环境。

2 智能水务建设中对于地理信息系统的要求

为了为智能水务的实现提高有效支持，使系统运行变得更为精准，需借助于地理信息系统对智能水务运行中的人员、物料、药品的运行提高支持，实现定位的多场景全覆盖，满足各个场景的无缝过渡。具体来看，智能水务建设中对于地理信息系统的要求包括几个方面：

2.1 人员定位

在智能水务系统中涵盖多个子系统，比如泵站监测节能预警系统、发电站监测管理系统、水厂自动化系统等，需要通过人员定位了解人员的工作场景和具体位置，具体的定位内容需要满足几个方面：一是人员实时定位。水务系统人员需要能够借助APP接收各类信息，通过区域定位与场景相连提高工作效率；二是访客实时定位。访客实时定位功能要求能够在定位系统指引下使访客迅速前往目的地，管理人员也可以通过系统查看访客位置，还需要提供滞留预警、越界预警等功能，如果未授权访客进入特殊区域或者长时间滞留，系统即可发出预警；三是区域智能监测。基于人员实时定位基础上根据人员的具体职责对工作场景作出划分，如果发现人员长时间静止不动或者滞留时间超时，系统就会发出预警，管理者在接收到信息之后即可查看情况，有效规避风险的产生[1]。

2.2 物品定位

在物品定位方面，需要在物品上张贴定位标签，满足实时定位要求，物品定位的具体功能包括几个方面：一是安全管理。通过设置定位标签，对物品进行全流程的安全管理，在人员使用设备时可以通过系统查看设备状态，实现了设备的可视化管理，如果需要盘点清查，也可通过物品定位功能迅速查找到物品位置，如果设备离开许可区域会发出警报，工作人员能够迅速借助定位找寻到遗失设备；二是维修定位导航。这一功能是借助定位标签来标注维修地点的一种方式，尤其是在外来人员不了解设备分布情况时，由于智能水务系统功能复杂，借助于设备维修定位导航即可有效满足维修工作的要求；三是物料定位。在水厂生产线、污水处理厂的生产活动中会使用到各种类型的物料，如果物料供给不及时，就会对生产效率造成影响，传统的人工管理法容易导致物料丢失或者供应不及时，通过定位能够实时确定物料的状态和位置，根据生产合理安排，保障物料及时供应；四是危险药品供应。在水厂加药间中有一些危险药品，如果忽视了这类药品的监控，可能会由于处理不当带来危险，危险药品定位是借助定位标签来实现，工作人员可以通过系统及时寻找到危险药品的当前定位，如果药品脱离了安全区域，会发出预警，从而保障生产安全；五是配送小车定位。在整个水务系统的生产中，配送小车必不可少，其作用是负责物料的运送，需要穿梭在各个车间，因此，需要赋予配送小车室内外无缝定位功能，满足室内外移动轨迹的对接要求；六是工具定位。通过为工具添加定位标签，使员工能够迅速查找到工具位置，也可监控工具的实时使用状态，防止由于不当使用导致工具磨损。

2.3 地理信息系统的具体应用

2.3.1 室外场景定位

主要借助GNSS定位系统来实现，在设计时需要借助三维非线性的方程组获取定位结果，其定位精度与定位卫星几何分布、卫星测量误差几个参数相关，定位卫星数量越多精度也就越高，还需科学设置好卫星仰角滤角，一般以5～10度为宜。

2.3.2 室内场景定位

这可以借助无线电通信来实现，通过接收WiFi信号、RFID、蓝牙信号、超带宽无线电信号来满足室内定位要求，具体可以根据几何原理的边、角来得出定位结果，目前，使用较多的定位方式是基于信号强度值的三角质心算法。在蓝牙信号与WiFi信号中，随着距离的延长，信号会慢慢衰减，在采用测距定位算法时需要建立渐变模型，通过模拟信号衰减过程来得出距离与信号之间的转换结果。另外，水务系统的运行具有一些特殊性，其信号传播环境比较复杂，加之室内外温度、湿度变化较大，这会影响接收端的接收信号强度值，导致信号距离转换出现误差，对此，可以建立RSSI 信号指纹库，借此来实现定位目标[2]。

2.3.3 室内外场景无缝定位

这一定位技术是基于复杂多场景环境下融合了多种定位算法，需要满足室内外场景无缝切换和定位要求，实现定位服务的全覆盖，这一技术的关键在于两个定位系统的切换，在从室外切换到室内或者从室内切换到室外时，其速度必须要能够满足要求，如果速度过慢，就会影响用户的体验感，这需要利用切换函数来进行计算。目前，解决过渡问题的方案主要有择优选择和融合定位，其中，择优选择即在接收器接收到定位结果之后根据定位误差选择误差较小的结果作为最终结果；融合定位即在接收到两个定位结果之后将其融合起来，获取新的结果。

3 地理信息系统与智能水务的融合应用方案

综合考量到定位精度、设备成本、部署难度等，可以选择低功耗蓝牙，这具有成本低廉、体积小的优势，更换一次电池可以维持1～2年的定位服务，不需要额外接入电源，可以满足智能水务的运行要求。

3.1 人员定位方案

人员定位方案包括系统内部人员与外来人员，由于水务系统需要连续不间断运行，设备损耗较高，容易发生故障，因此还需要将维修人员作为定位重点，避免给智能水务的运行留下安全隐患。针对内部工作人员的定位可以借助APP来实现，在下载APP之后工作人员可以实时查看到各类数据，也可便利进行数据信息的上传；对于外来人员的定位可以使用定位标签，在外来人员进入水务系统之后，要求其携带外来标签，通过标签可以将定位数据传至基站，再传回定位服务器，有效解决了定位监督存在的问题。另外，在人员定位方面还需要关注智能区域检测，这可以在各个出入口位置部署一个节点，在人员靠近时就会发出预警，通知管理人员[3]。

3.2 物料与药品定位方案

物料与药品的定位精度要求较高，与其他场景的作业相比，物料和药品很少移动，多处于固定位置，在定位时可以利用卡片式定位标签来满足要求，物料和药品是处于室内，不需要考虑室外定位要求，在选择标签时即可采用iBeacon 标签，这可以有效降低定位成本，每个定位标签都对应唯一MAC地址，这为物料和药品的管理提供了便利。考虑到物料和药品的成本较高，在满足定位精度的要求基础上还需要保障物料和药品安全，可以在区域中建立指纹库。

3.3 配送小车定位

借助标签定位来实现，但是与物料药品的定位方案不同，由于配送小车需要往返于车间和仓库，在定位时还需要考虑到室外区域，定位标签需选择一体化标签。在室外定位方面，应用GPS定位方案，扫描时可以扫描到多个特征节点，这时就需要在指纹库中选择对应的定位区域。

3.4 工具仪器定位

水务系统涉及的工具仪器有余氯检测仪、水质分析器、电磁流量计、氯气测漏仪等，这类工具仪器体积较小、使用频繁，需要在不同车间中使用、流动频繁，并且成本较高，因此，其定位的主要目标是为了防止工具仪器丢失。定位方式上也可采用标签定位方式，建立指纹库，在监测到信号值超过触发点阈值时，即可发出警报。

3.5 室内外定位的切换

关于室内外定位的切换目前有两种方案：一是室外定位优先方案。在该种方案中，是由室外定位享有优先被选择权，再通过接收器计算出室外位置之后，就不需要再计算室内位置，但是这一方案的缺点是容易收到外部因素的干扰，影响精度；二是室内定位优先方案。这一方案与之相反，在利用接收器接收到室内位置之后就不需要再计算室外位置，但是这一方案也同样面临问题，即处于室外场景时定位精度会受到影响，也需要增加指纹库工作量。为了解决这一问题，需要根据智能水务的特点，可以选择参考量作为定位评估的主要依据，对参考量进行归一处理，建立多参考量加权的代价函数。当位置处于室内或者室外时判断比较简单，但是如果位置处于室内外交叠区域，会同时获取到两个位置的定位信息，这时就需要对信息进行评估，确保定位的精准性[4]。

对于接入网络的评估主要是选择代价函数，这也是目前使用较为广泛的一种评估方法，可以基于代价函数值为标准来进行评估，如果接收器处在室内和室外的交叠区域，仅仅依靠单一参数值无法精准定位具体位置，可以借助多参数值生成的代价函数来解决问题，在选择好参数值之后需要进行归一化处理。除此之外，还需要关注切换过程的融合定位问题，具体就是采用加权融合方式将定位结果相融合，得出最优解。

4 结语

水务行业是保障经济社会发展的重要基础性行业，已经有多年发展历史，智能水务是水务行业信息化发展的高阶段产物，是一项新的研究领域，尽管取得了良好成果，但其中还有较长的道路要走，尤其是当前面临数字化时代的改革，在智能水务的应用过程中距离真正融合的新业态还有较长距离，通过将地理信息系统与智能水务的融合有效满足了精准定位要求，具体需要根据不同的定位目标来合理设置、消除误差，为智能水务的进一步发展赋能。

参考文献：

[1]王天元. 基于GIS的供水管网运营智能初探[C]//中国城镇供水排水协会设备材料工作委员会2015年度工作会议暨智慧水务的建设与运营设备技术研讨会论文集. 2015：148-151.

[2]李锐，卻星旭. 文成县智慧水务综合管理平台的研发与实践[J]. 水电站机电技术，2022，45（8）：50-52.

[3]张恋，李超，李哲. 武冈市城乡供水一体化智慧水务系统研究及应用[J]. 湖南水利水电，2023（1）：75-78.

[4]景静. 城市智慧排水系统的设计与应用[J]. 建设科技，2024（5）：20-23.