1. 住房和城鄉(xiāng)建設部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心；2. 珠海卓邦科技有限公司；3. 上?？睖y設計研究院有限公司

摘要：當前我國智慧水務的發(fā)展由建設營收、GIS、SCADA 等MIS系統(tǒng)為主的業(yè)務數(shù)據(jù)化，逐步轉變?yōu)橐詳?shù)據(jù)治理和管理為主的數(shù)據(jù)業(yè)務化。目前，國內(nèi)有很多水務企業(yè)啟動了數(shù)據(jù)治理和大數(shù)據(jù)中心建設項目。水務行業(yè)數(shù)字化轉型進入新的發(fā)展階段。本文結合國內(nèi)水務企業(yè)開展水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理面臨的挑戰(zhàn)和存在的主要問題，進行分析探討，提出城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理體系構建模式，闡述數(shù)據(jù)管理的實施路徑和多場景應用價值。本文可為水務企業(yè)數(shù)字化建設和發(fā)展提供參考和借鑒。

關鍵詞：城鎮(zhèn)水務；智慧水務；數(shù)據(jù)管理體系；數(shù)據(jù)治理

當前我國正步入數(shù)字化發(fā)展新時期。習近平總書記指出，要充分發(fā)揮我國海量數(shù)據(jù)和豐富應用場景優(yōu)勢，促進數(shù)字技術與實體經(jīng)濟深度融合，賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉型升級，催生新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式，不斷做強、做優(yōu)、做大我國數(shù)字經(jīng)濟。近年來，以數(shù)字技術為支撐、數(shù)據(jù)資源為關鍵要素的數(shù)字經(jīng)濟蓬勃興起，正在成為重塑各國經(jīng)濟競爭力和全球競爭格局的關鍵力量。數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的核心，是要充分發(fā)揮數(shù)據(jù)作為新型生產(chǎn)要素的重要作用。

我國智慧水務發(fā)展正處于由“業(yè)務數(shù)據(jù)化”逐步轉為“數(shù)據(jù)業(yè)務化”的過渡階段。多數(shù)水司已經(jīng)完成了水務系統(tǒng)信息化基礎建設、基于網(wǎng)絡和物聯(lián)感知的系統(tǒng)平臺建設，實現(xiàn)了建設營收、GIS、SCADA 等MIS系統(tǒng)為主的業(yè)務數(shù)據(jù)化，逐步轉變?yōu)橐詳?shù)據(jù)治理和管理為主的數(shù)據(jù)業(yè)務化。對于水務企業(yè)而言，水務系統(tǒng)的數(shù)字化發(fā)展可以提升水務管理的精細化，為智慧化發(fā)展奠定良好的基礎，提升水務企業(yè)社會服務能力，并成為未來市場競爭的核心基礎資源。經(jīng)過近些年的發(fā)展，水務系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)管理已經(jīng)初步形成了一個較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，包括數(shù)據(jù)采集、整理、傳輸、存儲、分析、呈現(xiàn)和應用。眾多企業(yè)開始參與到大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈中，并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。水務企業(yè)也不斷加大數(shù)據(jù)收集、管理、應用的投入力度，逐步形成數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)診斷、數(shù)據(jù)決策的大數(shù)據(jù)發(fā)展生態(tài)。

1  城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理面臨的挑戰(zhàn)

水務企業(yè)面向海量基礎數(shù)據(jù)，其工作重心逐步由“注重數(shù)據(jù)生產(chǎn)和收集”轉為“注重數(shù)據(jù)資源管理和數(shù)據(jù)資產(chǎn)化”。但是，在數(shù)據(jù)管理和應用過程中，很多企業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)，主要包括以下幾個方面：

（1）數(shù)據(jù)種類多。水務數(shù)據(jù)的來源多樣，包括了勘測、規(guī)劃、設計、施工、管理等多種渠道的數(shù)據(jù)源。同時，其形式多樣，包括了水務企業(yè)長期積累的結構化、半結構化數(shù)據(jù)和大量非結構化數(shù)據(jù)。一個公司的數(shù)據(jù)量級通常在數(shù)百TB或PB以上，并且隨著各工作環(huán)節(jié)和應用領域的信息化程度不斷增加、監(jiān)測密度及指標不斷提升、數(shù)據(jù)增加速度不斷加快，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)持續(xù)高速增長態(tài)勢。

（2）數(shù)據(jù)質量差。水務企業(yè)的數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)質量差是一個非常嚴重的問題。水務企業(yè)大多已歷經(jīng)十余年的信息化建設，系統(tǒng)中已存儲了海量數(shù)據(jù)，包括客戶信息、水表信息、歷史水量、水質、水壓數(shù)據(jù)等。其中一些系統(tǒng)數(shù)據(jù)年代久遠，標準化程度不高，改造成本大，給數(shù)據(jù)集成應用帶來很大困難。如果數(shù)據(jù)質量達不到要求，則會導致水務企業(yè)對業(yè)務管理的評估和預測不準確，甚至會導致整個系統(tǒng)決策失敗。

（3）數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一。水務信息化發(fā)展的初期階段，水務企業(yè)不同部門的信息化系統(tǒng)分散管理和無序開發(fā)，數(shù)據(jù)采集和管理難以在標準和規(guī)則層面達成一致，致使數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一，跨部門信息共享困難。且由于缺乏統(tǒng)一標準和數(shù)據(jù)關聯(lián)，大量的數(shù)據(jù)清洗依靠人為判斷，數(shù)據(jù)清洗難度大、風險高。另外，由于業(yè)務分散在多個部門，信息系統(tǒng)功能重疊，數(shù)據(jù)重復錄入，數(shù)據(jù)冗余問題嚴重，數(shù)據(jù)使用效率低下。

（4）決策支持作用不足。一些企業(yè)智慧水務建設由于缺乏頂層設計和總體部署，決策層、管理層和業(yè)務層等不同層級對數(shù)據(jù)管理缺少完整、統(tǒng)一的思路。智慧水務初期發(fā)展階段的系統(tǒng)平臺缺少有效的數(shù)據(jù)挖掘與分析功能，導致數(shù)據(jù)過于死板僵化，難以發(fā)揮數(shù)據(jù)對業(yè)務管理的追溯，無法對現(xiàn)在及未來的業(yè)務管理進行指導，對水務企業(yè)的業(yè)務管控和決策分析的支撐效果不明顯。

2  城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理體系構建模式

城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理體系是對水務企業(yè)海量數(shù)據(jù)進行管理的一種工作手段。通過數(shù)據(jù)管理體系的構建，可以匯聚城鎮(zhèn)水系統(tǒng)全過程、全要素的各個主題領域內(nèi)的數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一集中的數(shù)據(jù)資源中心，并對數(shù)據(jù)資源進行有效治理和管理，同時充分利用大數(shù)據(jù)分析等技術，挖掘數(shù)據(jù)價值，服務于水務企業(yè)的管控、決策、生產(chǎn)、運營、客服等各個環(huán)節(jié)。

2.1  城鎮(zhèn)水務數(shù)據(jù)管理體系

城鎮(zhèn)水務數(shù)據(jù)管理體系主要包含數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化和智能算法六部分內(nèi)容。

2.2.1  數(shù)據(jù)抽取

數(shù)據(jù)抽取是數(shù)據(jù)管理體系構建的重要一環(huán)，運用數(shù)據(jù)提取工具，從數(shù)據(jù)源抽取出所需的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，最終按照預先定義好的數(shù)據(jù)模型，將數(shù)據(jù)加載到大數(shù)據(jù)中心中去，從而實現(xiàn)以下功能：對不同來源不同種類的數(shù)據(jù)進行融合；針對數(shù)據(jù)進行清洗加工，形成主題庫；把數(shù)據(jù)分析能力作為服務提供給上層應用。

2.2.2  數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲建議采用分布式文件系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的存儲方式，成本更低，且具備良好的擴展性、安全性和可靠性，能夠滿足數(shù)據(jù)平臺海量的存儲需求。大數(shù)據(jù)中心能夠將傳統(tǒng)的結構化數(shù)據(jù)存儲技術和非結構化數(shù)據(jù)存儲技術相結合，滿足數(shù)據(jù)存儲和處理的靈活性，實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的存儲與計算分析。

2.2.3  數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘技術可提供多種監(jiān)督和非監(jiān)督學習算法，應用于結構化和非結構化數(shù)據(jù)，如聚類、主成分分析、線性和非線性回歸、邏輯回歸、分位數(shù)回歸、決策樹、隨機森林、梯度提升、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機、因子分解機等。數(shù)據(jù)挖掘過程中，可通過圖論和網(wǎng)絡分析算法進行數(shù)據(jù)拓展，通過交互式界面進行模型創(chuàng)建。數(shù)據(jù)挖掘技術，能夠完成數(shù)據(jù)融合匯聚，通過數(shù)據(jù)挖掘建模和深度學習框架，讓系統(tǒng)具有“自己思考”能力，形成具有智慧決策的人工智能大腦。

2.2.4  數(shù)據(jù)管理

通過抽取、存儲和挖掘后的海量數(shù)據(jù)，需要通過科學的數(shù)據(jù)管理，使之能夠更好地服務于水務生產(chǎn)及業(yè)務決策。數(shù)據(jù)管理主要包括數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)服務和數(shù)據(jù)接口管理等。數(shù)據(jù)分類主要包括對元數(shù)據(jù)、主數(shù)據(jù)及不同類型數(shù)據(jù)交換的管理；數(shù)據(jù)服務是基于數(shù)據(jù)形態(tài)演變的一種信息技術驅動服務，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理（包括計算、分析、可視化等）、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)銷毀等。數(shù)據(jù)接口管理可對數(shù)據(jù)接口進行定義、配置、查詢、授權等操作，管理所有的業(yè)務接口，實時增加或者刪減服務器，并對單個服務器的接口服務進行配置，向外提供優(yōu)質的數(shù)據(jù)接口服務等。

2.2.5  數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化及交互技術，主要是利用二維、三維地圖引擎、時空分析引擎、圖文交互引擎等，實現(xiàn)人機交互界面的可視化。該技術通過有效融合計算機的計算能力和人的認知能力，獲得對于大規(guī)模復雜數(shù)據(jù)集的洞察力，從而實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)管理、多維數(shù)據(jù)分析、多維數(shù)據(jù)展現(xiàn)等功能，為數(shù)據(jù)分析的實效性提供強有力的保證。

2.2.6  數(shù)據(jù)智能算法

基于大數(shù)據(jù)的人工智能技術，可對數(shù)據(jù)資源進行深層次的分析和挖掘，在智慧客服、故障診斷、工藝調控、設備管控等方面做出更準確的預測和判斷，輔助管理層進行科學決策。通過基礎算法庫、組合算法庫和定制算法庫等 AI 算法庫的建立，靈活運用多種類型智能算法，構建數(shù)據(jù)模型，如分區(qū)計量數(shù)據(jù)模型、管道泄漏定位模型、用水量實時預測模型、智能加藥模型等，加強工況預測、優(yōu)化工藝調控，提高水務管理水平。

2.2 城鎮(zhèn)水務數(shù)據(jù)管理體系平臺架構

圖1  城鎮(zhèn)水務數(shù)據(jù)管理體系平臺架構圖

城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理體系平臺，其功能為向下接入業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)，向上對業(yè)務應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，中間為大數(shù)據(jù)中心核心能力支持。其架構主要包含數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)加工層和數(shù)據(jù)服務層。其中，數(shù)據(jù)接入層負責從各業(yè)務系統(tǒng)及數(shù)據(jù)源頭接入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加工層負責對接入的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)治理及加工處理，數(shù)據(jù)服務層負責將加工好的數(shù)據(jù)提供給各應用系統(tǒng)。城鎮(zhèn)水務數(shù)據(jù)管理體系平臺架構圖，如圖 1 所示。

2.3  城鎮(zhèn)水務數(shù)據(jù)管理體系構建重點任務

為了做好對城鎮(zhèn)水務智慧管理系統(tǒng)的應的支撐，數(shù)據(jù)管理體系建設的重點任務主要包括：標準中心、應用中心、大數(shù)據(jù)中心、能力共享中心、物聯(lián)感知中心以及資源中心等六大板塊。其中，大數(shù)據(jù)中心作為核心組成部分，與其他各板塊有機緊密結合。標準中心確保大數(shù)據(jù)中心獲取規(guī)范統(tǒng)一的標準化數(shù)據(jù)；應用中心、能力中心和物聯(lián)感知中心分別向大數(shù)據(jù)中心提供應用系統(tǒng)、生產(chǎn)監(jiān)測、事件等場景實時數(shù)據(jù)；大數(shù)據(jù)中心則向其他板塊提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務、主數(shù)據(jù)管理等功能。各板塊的邏輯關系，如圖 2 所示。

圖2  城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理體系建設重點任務

3  城鎮(zhèn)水務系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理體系建設實施路徑

科學的實施路徑是保障城鎮(zhèn)水務數(shù)據(jù)管理體系建設的必要條件。不同水務企業(yè)數(shù)據(jù)基礎不同，需求也有所差異。因此，水務企業(yè)在構建數(shù)據(jù)管理體系時，需要結合企業(yè)自身實際情況，進行頂層設計和系統(tǒng)部署。但是總體而言，數(shù)據(jù)管理體系的建設，需要注重摸現(xiàn)狀、理需求、繪藍圖、定設計、制標準、搭基座、治數(shù)據(jù)、建數(shù)倉、布應用、守運營這 10 項工作內(nèi)容。

3.1  摸現(xiàn)狀

在前期廣泛開展業(yè)務現(xiàn)狀調研的基礎上，通過對業(yè)務模式加以分析，結合數(shù)據(jù)管理成熟度評價指標與評估模型，評估水務企業(yè)數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理現(xiàn)狀。其中，數(shù)據(jù)管理成熟度評估可參考《數(shù)據(jù)管理能力成熟度評估模型》（GB/T 36073-2018）。評估內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)架構、數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)質量、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)應用、數(shù)據(jù)生命周期管理等。通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理成熟度評估，評判企業(yè)數(shù)據(jù)管理能力水平，發(fā)現(xiàn)存在的主要問題，明確未來數(shù)據(jù)管理能力提升的路徑。

3.2  理需求

水務企業(yè)在數(shù)據(jù)管理體系構建過程中，面向眾多業(yè)務方向，需同時結合“自上而下”和“自下而上”的建設思路，理清業(yè)務架構，掌握業(yè)務痛點，確定業(yè)務范圍，明確建設程度。具體需要明確的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)范圍、硬件資源數(shù)量、數(shù)據(jù)標準數(shù)量、平臺集群規(guī)模、數(shù)據(jù)治理范圍、數(shù)據(jù)倉庫范圍、數(shù)據(jù)應用類型等。數(shù)據(jù)管理的核心是數(shù)據(jù)應用，這項工作是為業(yè)務管理進行服務的，也是數(shù)據(jù)管理體系建設工作獲得投資回報的最重要途徑。因此，其他數(shù)據(jù)建設內(nèi)容都是在為數(shù)據(jù)應用提供支撐。

3.3  繪藍圖

數(shù)據(jù)管理體系建設是一項周期長、投入大、實施復雜的工程，需要進行全盤考慮，做好整體規(guī)劃設計。水務企業(yè)可以大數(shù)據(jù)中心建設為核心內(nèi)容，在此基礎上，逐步建設管理管控業(yè)務平臺、營銷客服業(yè)務平臺、生產(chǎn)運營業(yè)務集成管理平臺等其他業(yè)務平臺。大數(shù)據(jù)平臺的建設，可實現(xiàn)對各條業(yè)務線的基礎數(shù)據(jù)、財務、人力、物資、資產(chǎn)設備等進行集中管控、統(tǒng)一授權，并通過直觀的展現(xiàn)方式，讓不同層級的管理人員得到不同的管控指標及管控信息。

3.4  定設計

在以上各項工作基礎上，數(shù)據(jù)管理體系建設的目標、要求和總體架構已經(jīng)基本清晰明確。水務企業(yè)管理層和信息化技術人員共同商討，確定數(shù)據(jù)管理體系和大數(shù)據(jù)平臺的設計方案。方案可包含數(shù)據(jù)管理體系建設實施方案、大數(shù)據(jù)平臺規(guī)劃設計方案、數(shù)據(jù)倉庫構建模式，數(shù)據(jù)支撐業(yè)務范圍和內(nèi)容，數(shù)據(jù)應用場景等等。設計方案和實施方案，是水務企業(yè)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)治理、系統(tǒng)平臺開發(fā)等各項智慧水務建設的總體綱領，長期指導水務企業(yè)的數(shù)字化建設和管理工作。

3.5  制標準

水務企業(yè)在數(shù)據(jù)管理體系構建過程中，應該采納行業(yè)內(nèi)部通識的數(shù)據(jù)標準，或建立企業(yè)自身的數(shù)據(jù)標準體系。數(shù)據(jù)標準一般包括基礎標準、業(yè)務體系標準、應用體系標準、數(shù)據(jù)資源標準、IT 基礎設施標準、信息安全標準、信息化管理標準和系統(tǒng)評價標準等。標準建設可促進智慧水務建設按照一定模式有序進行，對大量的看似無序的數(shù)據(jù)資源進行提前約定，從而消除數(shù)據(jù)孤島，并在一定程度上避免投資浪費，使數(shù)據(jù)資源具有可持續(xù)發(fā)展的生命力。

3.6  搭基座

采用成熟的商用大數(shù)據(jù)平臺軟件、主流的大數(shù)據(jù)技術手段或工具，如HDFS、HBase、Hive等，通過多模塊、多組件搭建大數(shù)據(jù)平臺，作為整個數(shù)據(jù)管理體系的基礎底座。數(shù)據(jù)存儲可采用基于分布式存儲方式，支持水平擴容，支持多種存儲數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)平臺提供結構化、半結構化、非結構化數(shù)據(jù)的存儲解決方案。前期架構設計應能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合、存儲、計算、分析等多種功能。在此基礎上配置數(shù)據(jù)質量管理、數(shù)據(jù)安全管理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)服務等模塊。另外，數(shù)據(jù)平臺基座也可借助云平臺進行靈活部署。云平臺的應用可有效應對突發(fā)狀況下計算能力不足的問題，保障數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

3.7  治數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)治理包括數(shù)據(jù)管控機制和管控手段兩大模塊。管控機制由管控組織、管控政策、管控流程及技術支撐四個方面組成。管控手段指實施數(shù)據(jù)治理所采取的技術手段，包括數(shù)據(jù)架構、主數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)標準、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)質量、數(shù)據(jù)安全等。數(shù)據(jù)治理主要是通過組織、管理、技術三者相互協(xié)作，提高數(shù)據(jù)質量，保證數(shù)據(jù)安全性、保密性、完整性和可用性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源在各單位的共享，推進數(shù)據(jù)資源的整合、對接和共享，從而提升水務企業(yè)信息化水平。

3.8  建數(shù)倉

數(shù)據(jù)倉庫是指對各類數(shù)據(jù)資源進行集中、集成、共享、分析的場地。數(shù)據(jù)倉庫是數(shù)據(jù)中心的核心組成部分，具備數(shù)據(jù)抽取、轉換與加載能力，能夠高效地將前端業(yè)務分析所需的各類數(shù)據(jù)移動到數(shù)據(jù)倉庫內(nèi)，根據(jù)預先制定的業(yè)務規(guī)則對數(shù)據(jù)進行處理轉換使其符合目標數(shù)據(jù)格式，并根據(jù)前端展現(xiàn)需求提供高性能數(shù)據(jù)加載機制。通過數(shù)據(jù)倉庫，幫助水務企業(yè)實現(xiàn)按業(yè)務主題進行數(shù)據(jù)集中存儲，完成對分散數(shù)據(jù)的集成整合工作，形成企業(yè)內(nèi)部“唯一事實”。

3.9  布應用

智慧水務系統(tǒng)的應用場景包括安全保障、管理增效、優(yōu)質服務、節(jié)能降耗、企業(yè)形象、管理創(chuàng)新、應急指揮、智能決策等多個方向，內(nèi)容涉及水廠、管網(wǎng)、水環(huán)境、客戶服務等多個領域。智慧水務建設，應面向各類應用場景，基于大數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)治理和管理，開展系統(tǒng)平臺建設。不同的應用系統(tǒng)平臺與大數(shù)據(jù)平臺進行深度數(shù)據(jù)交換，進行分析和模擬。平臺建設的出發(fā)點，要以數(shù)據(jù)驅動的精細化管理為目標，提升運營效率，預見潛在風險。

3.10  守運營

數(shù)據(jù)管理體系和大數(shù)據(jù)中心建設完成后，需要保持數(shù)據(jù)的持續(xù)更新，并確保數(shù)據(jù)的真實、穩(wěn)定、準確、可用和高效，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)價值最大化。在數(shù)據(jù)中心運營管理過程中，工作人員需定期檢查數(shù)據(jù)資產(chǎn)當前的狀態(tài)，尤其是數(shù)據(jù)質量和安全情況，如更新頻率、合規(guī)性、空值率等；同時，從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)應用，對數(shù)據(jù)管理全過程進行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和排除故障，保障數(shù)據(jù)資產(chǎn)的穩(wěn)定性。