根據國家對水務行業“十四五”期間“安全、便民、高效、綠色、經濟、智慧”的發展要求，各水務企業以智慧水務建設為抓手，積極探索與推進水務數字化轉型工作。立足于國家政策、行業發展現狀，分析了水務數字化轉型的機遇與挑戰，結合國內外水務企業數字化經典實踐，探討智慧水務2.0發展趨勢，思考未來“標準體系+數字資產+使能技術”數字水務的發展態勢，為我國水務企業制定和實施有效的數字化轉型戰略提供參考和借鑒。
0 引 言
黨的十九大報告明確提出“全面建成社會主義現代化強國”的宏偉目標。水務行業作為支撐社會經濟和城鎮化健康有序發展的重要行業，對標新時代新要求，全面進入從“粗放式發展”到“高質量發展”，從“傳統模式驅動”到“創新模式驅動”的變革期。根據《城鎮水務2035年行業發展規劃綱要》發展目標，“到2035年，基本建成安全、便民、高效、綠色、經濟、智慧的現代化城鎮水務體系”。從人民群眾對美好生活的向往出發，立足韌性城市保障需求和水務業務管理能力，水務行業未來將在飲用水安全保障、“廠網河湖”水環境治理、城鎮排水防澇、資源節約綠色循環、水務產業數字化五大業務領域集中發力。而其中新型信息技術賦能下的水務數字化轉型是支撐傳統水務行業突破短板、高質量發展的必然路徑與核心要務。
“數字中國”建設是大勢所趨，國家“十四五”規劃對數字化和水務行業新發展提出了明確要求，水務數字化轉型勢在必行。一方面，數字水務是數字經濟的重要組成，是提升公共服務、社會治理等數字化、智能化水平的基礎板塊。在“生態文明”新發展理念、“碳中和”遠景目標的指導下，城鎮供水、排水、水環境等涉水事務的建設、運營與服務綜合能力亟待提升。另一方面，水務產業化發展仍處于初級階段，與燃氣、電力等其他公用事業行業相比，運用“互聯網+”的能力比較薄弱。需要加快構建水務數字化產業鏈，打通“水安全、水資源、水生態、水景觀、水環境、水管理、水經濟”經濟社會循環，助力水務行業運營、管理、服務模式的數字化升級與創新。
在此大背景下，準確剖析智慧水務發展中水務數字化轉型的機遇與挑戰，正確運用數字技術，使之與水務企業基礎設施、生產運營和經營模式相融合，及時總結智慧水務建設路徑與實踐經驗，是未來打造水務行業新格局下數字水務體系的重要基礎和必要條件。
01 水務數字化轉型的機遇與挑戰
“十四五”產業結構、數字政策、數字經濟和數字技術改革與創新下的水務數字化轉型機遇與挑戰并存。
1.1 水務數字化轉型的機遇
?。?）產業引領，新型水務產業格局拓展水務發展增值空間。“十四五”期間，水務產業聚焦生態文明建設及環境治理，由“高能耗”和“粗放式”向“低碳”、“綠色”和“可持續”方向轉變。水務業務范疇也逐步向上游“節約水資源”和下游“環境污染治理”延伸，形成城市水務治理的一盤棋。大中型水務企業紛紛提升產業集中度和專業度，加快涉水事業一體化和水環境治理一體化發展布局。部分小微企業則注重深耕水務細分領域，謀求局部的優勢領先。市場化改革趨勢下，產業鏈上下游的智慧水務建設開發商也開始發揮集聚效應，通過并購融資等方式，匯聚產業鏈中優勢資源，加快水務行業軟硬件平臺、設備制造、解決方案的研發與推廣。智慧水務作為水務行業熱點領域，吸引了各行各業具有技術優勢的外部企業進入水務行業，帶來了理念、技術、資金和人才優勢，也推動了水務產業的升級。整個水務行業呈現一片欣欣向榮發展之勢，水務企業由過去的碎片式、粗放式、封閉式發展逐漸轉向規模化、精細化、生態化發展。數字水務助推水務企業在規劃建設、運營管理、技術研發等多個環節帶來創新突破，在發展中掌控制高點和主動權。
?。?）政策激勵，數字水務迎來良好的外部發展環境。近年來，國家、地方、行業各個層面出臺系列政策，為水務數字化轉型提供強有力支撐，營造了良好的發展空間。一是國家政策為水務數字化轉型在頂層愿景、目標和發展戰略指引方向。黨的十九大明確要加快推進信息化，建設“數字中國”、“智慧社會”。國務院國資委辦公廳在《關于加快推進國有企業數字化轉型工作的通知》中要求“推動新一代信息技術與制造業深度融合，打造數字經濟新優勢，促進國有企業數字化、網絡化、智能化發展”。國家“十四五”規劃提出“加快數字化發展，建設數字中國”。二是地方政策有力支持水務數字化轉型路徑與實踐。各地政府相繼出臺“數字政府”“智慧城市”“智慧國企”“智慧水務”等具體措施，加快產業數字化。三是水務行業專項政策加快提升企業數字化能力。2021年中國水協發布《城鎮水務2035年行業發展規劃綱要》，提出智慧水務發展目標和任務、實施路徑與方法。
（3）市場驅動，數字經濟為水務數字化轉型注入長效動力。數字經濟已經成為全球范圍內產業轉型升級的關鍵驅動力，數字經濟時代已經到來。據中國信通院發布的《中國數字經濟發展白皮書》顯示：中國數字經濟規模已由2005年的2.6萬億元，擴張到2020年的39.2萬億元（見表1），數字經濟占GDP比重已提升到38.6%。國家《十四五規劃》在“十四五時期經濟社會發展主要指標”中提出：預期“數字經濟核心產業增加值占GDP比重由2020年的7.8%增長至2025年的10%”，智慧水務市場規模預計將從2014年65.6億元人民幣上升至2023年251億元人民幣，其中蘊藏著巨大的數字化紅利。
?。?）技術賦能，新型數字技術助力傳統水務行業升級。智慧水務借助云計算、大數據、人工智能和5G為代表的新一代ICT技術，不斷構建水務數字化運營場景，改變傳統人工為主運營模式。一是實時感知，將各處的傳感器和智能設備連接，實時監測水文、水質等信息。二是全面整合，實現各異構系統完全鏈接與融合，利用云計算進行大量信息的分析和保存，實現信息共享。三是智慧應用，充分利用物聯網、云計算、數據倉庫、智能決策支持等先進技術，支撐洪澇預警、科學調度、客戶服務等各類業務應用，使設施、流程以及運行管理更智能化。四是協同運作，通過統一的水務綜合信息管理平臺，實現區域供排水系統統一調度、協同運作，實現資源優化配置、系統高效運行。由此，跨越式提高水務管理、產品和服務質量，全面實現服務品質、供水保障、水體治理、城市防澇、低碳發展、降本增效等水務業務數字化運營成效。
1.2 傳統水務面臨的問題與數字化轉型的挑戰
抓住機遇的前提是直面問題與挑戰。一方面，2019年新冠疫情爆發更加凸顯了傳統水務行業內部信息化基礎薄弱、運營管理粗放、勞動密集、資源利用率偏低、預防性保障能力不足等問題；另一方面，廠站無人/少人值守、全業務線上服務、優質飲用水保障、城市內澇防治、污水零直排和“廠網河湖”一體化管控等管理升級，也加速推動水務企業迎接水務數字化轉型的挑戰。
?。?）直擊問題，立足水務短板，推進數字水務建設。城市水務系統復雜、流程長、環節多，實現行業整體數字化和各環節數字化具有一定難度，特別是以下問題也一定程度制約水務數字化進程：
一是部分水務企業缺乏頂層規劃，發展方向和路徑不明，導致系統建設偏離企業發展戰略目標，造成應用系統相對分散，各自為政，制約企業數字化轉型效率。
二是傳統水務運營環節和操作流程管理仍顯粗放，數字化應用能力不足。水務領域工業自動化基礎普遍薄弱，廠站網生產效能偏低；供排水管理標準化、精細化程度不足，公共保障能力、運營成本和節能降耗水平偏低；水務企業人、財、物、事管理系統有待優化，管理效率偏低。
三是大部分水務企業仍處于信息化初級階段，數字技術賦能業務的水平偏低。水務行業在新一代ICT技術運用、數字資源挖掘、智慧化管理等方面任重而道遠。
四是水務行業全產業鏈和新消費鏈尚未打通，水務數字化價值變現速度與產業布局拓展緩慢。特別是在構建設計規劃、建設運營、服務咨詢、涉水產品生產銷售等水務產業生態，以及水務新服務等領域仍在起步階段。
（2）直面挑戰，立足智慧水務建設難點，有效保障水務數字化轉型。水務企業在智慧水務發展方面盡管取得了長足的進步，如生產更加精益、管理愈發高效、服務趨向便捷、決策逐漸智能，但在水務的數字化轉型路上還面臨行業創新發展、轉型方向、業務與信息融合、長效發展保障等諸多挑戰。
一是水務行業創新發展的挑戰。智慧水務帶來了水務行業的變革，但在運營模式創新、認知創新、技術創新等方面也帶來了挑戰。傳統供排水運營模式重構難度較大，業務與數字化流程尚未形成合力，數字化轉型倒逼業務架構重構，運營模式創新提升任重道遠；數字化轉型將破除業務壁壘、機構壁壘，帶來全流程、全鏈條和全業態的水務數字化發展統一認知挑戰；先進管理理念、給排水工藝技術與新一代信息化技術的融合度不足，未形成多源化、多維度技術支撐體系，技術創新已迫在眉睫。
二是水務數字化轉型方向的挑戰。水務數字化逐步朝著全面感知、智能控制、數據驅動和智慧決策的方向發展。全面感知需要行業內不斷擴大廠站、管網動態感知范圍，提升供排水全流程和水環境監管智能感知能力。智能控制發展離不開廠站設備和工藝自動化水平的提升。數據驅動的實現則需要行業不斷加大數據收集、管理、應用的投入和力度，逐步形成用數據分析、用數據診斷、用數據決策的數據生態。智慧決策是水務數字化發展的高級階段，需不斷探索數據、模型以及AI算法等在運行調度、節能降耗、應急處置等方面的深度應用。
三是水務業務與信息技術融合的挑戰。信息技術應用尚不深入、業務與信息管理模式不夠成熟、復合型人才的缺乏都會阻礙業務與信息技術的深度融合。
四是水務數字化轉型長效發展保障的挑戰。水務數字化轉型不可能一蹴而就，在轉型過程中，會面臨人才、資金、機制、組織、生態鏈等各方面的挑戰。人才與資金的匱乏，數字化轉型工作難以為繼；沒有合理的機制保證，轉型工作的有效推進會受到阻礙；組織保障更是資源協調與配合能否達到最優解的核心；生態鏈的發展則是企業內部資源與外部資源打通鏈接，產業鏈上下游協同，水務行業可持續健康發展的重要保障。
02 水務企業數字化轉型實踐
水務企業普遍開啟數字水務變革之旅。2019年，國際水協會（International Water Association，IWA)發布了數字水務白皮書報告《Digital Water： Industry leaders t the transformation journey》，報告指出，許多受訪公司已開始數字水務變革，早期發展的水務公司重點在于部署軟件平臺、新型傳感器與智能水表，數字化程度高的公司逐步應用VR、大數據、人工智能技術，制定智能化方案，而如葡萄牙AGSWater等先進公司則已開始對外部水務企業提供服務和支持。中國在過去的二十多年以來在水務領域發展迅速，成績顯著，2020年7月2日，Global Water Intelligence (GWI) 國際水務智庫根據十項維度進行綜合分析，從全球角度縱觀水務領域，給出了一份全球水務行業競爭力排名，中國名列第13名，在過去十年中，行業績效提高程度處于領先地位，被評價為十年的飛速轉型。
2.1 國外典型數字水務案例
在國外，特別是發達國家，尤其重視水務數字化轉型，力求結合數字優化技術、水務業務系統建設，實現水務精細化管理。
蘇伊士集團通過與OPTIMATICSTM公司合作，引進整合OPTIMIZERTM數字技術，擴展其數字化解決方案，為用戶提供貫穿于管網設計到運營全生命周期的水務基礎設施優化服務，搶占水務創新數字解決方案制高點。借助OPTIMIZERTM解決方案，水務項目的基礎設施投資得到大幅節約，客戶需求被進一步滿足。
日本東京都自來水踐行“確保供水穩定”“提升地震發生時的應對措施”以及“可生飲和口感好的自來水”三大供水指導思想，在東京供水長期戰略構想（2020年）中，計劃建設涵蓋供水監控、能源優化、應急供水、水質管理等關鍵業務的水務數字化系統，確保東京都自來水制訂的18項具體任務和15個考核指標能得到有效落實。
新加坡在《數字水務——新加坡經驗分享》一書中介紹了對未來水管理數字化的愿景，分享了其轉型之路。新加坡數字化轉型最終目標是創建一個單一的高效水系統，在該系統中，用水監測、污廢水收集和處理、飲用水生產及輸配的所有過程都能在系統級別上得到優化，而不是“各走各路”。
2.2 國內水務數字化案例
2.2.1 北控水務“全業務一體化”云平臺
北控水務是目前中國規模最大的水務公司，通過建立“全業務一體化”的BECloud智慧云平臺（見圖1），實現北控各個項目運營管理的“云化”部署和推廣，有效加強了北控水務對各個項目的統一管控和標準化管理，提升運營能力，同時也讓智慧水務云平臺成為對外推廣北控運營模式的有力工具。
2.2.2 重慶水務集團大數據探索
重慶水務集團是一家具有完整產業鏈國有控股的專業水務上市公司。近年來，重慶水務集團重視智慧水務建設和數字化轉型，2019年投入3 800多萬與阿里巴巴集團合作，共同打造智慧水務大數據中心，并計劃在智能客服、智能調度、決策輔助和故障診斷等場景中投入應用。
2.2.3 福州水務“1·3·6·8”數字水務戰略
作為全國首批啟動數字水務總體規劃的水務企業，福州水務的數字水務建設圍繞“1·3·6·8”戰略，“畫”好3年（2019—2021）的數字水務建設藍圖（見圖2）。福州水務的數字水務建設聚焦高質量發展的目標，重點建設項目包括大數據中心、綜合調度、水力模型、“互聯網+”客服等，以提高生產管理水平，提升客戶服務品質。
2.2.4 深圳水務集團數字化轉型實踐
深水集團以“建設最受信賴的環境水務綜合服務商”為目標，打造深水品牌的水務數字化體系，致力成為國內水務數字化領跑者。近幾年圍繞集團發展戰略，聚焦水安全運行、水質量提升和水環境改善，構建集團化數字運營管理基礎，融合智能核心技術，驅動業務流程、運營模式創新，賦能環境水務產業升級，構建智慧化水務生態，實現集團高質量發展。
?。?）自來水直飲供水全流程數字化管控。2018年底，深圳市鹽田直飲水示范工程建成，鹽田區率先成為中國首個實現自來水直飲的行政區域，開創了自來水直飲的先河。在鹽田直飲示范工程上，深水集團通過智慧化手段，構建了鹽田直飲數字化管控系統，實現了從“源頭到龍頭”水質安全監管一張圖管理，實現了自來水直飲全流程數字化管控（見圖3）。
得益于鹽田直飲數字化管控系統的支撐，鹽田區第三方客戶滿意度調查中供水水質、供水信息和供水服務三項滿意率顯著提升（92.4%），排名全市第一。
?。?）數字化工廠。針對傳統廠站自動控制精度不高、生產管理落后等問題，深水集團通過對光明水廠和洪湖水質凈化廠進行數字化改造，讓水廠的運行變得更加安全、高效、優質、節約。
水廠傳統堿鋁投加控制影響因素多、滯后性明顯，在光明水廠，采用神經元網絡算法建立數學模型，精準控制堿鋁投加量（見圖4）。通過在水廠引入工藝智能算法實現了生產精細化控制，使之初步具備自學習能力，水處理單元適應性變得更強，使生產更加安全可靠，并顯著降低水廠生產藥耗。
在洪湖水質凈化廠，立足于傳統的自動化控制及監控體系，運用多種人工智能算法進行數據分析，建立涵蓋有機負荷降解、生物脫氮等環節的完整污水處理智能工藝大腦，從而實現了高可靠、高穩定、高精度的工藝優化調控，在保障出廠水質實時達標的同時節能降耗10%以上（見圖5）。
?。?）深圳河流域廠網河全要素數字化治河模式。深圳河在過去由于接納了大量的生活、生產污廢水，河流污染嚴重，水體黑臭，存在著流域治理時空跨越大、涉水設施管控要素多、聯合調控邏輯關系復雜等治理難點。針對上述問題，深水集團創新提出廠網河一體化全要素治河模式，通過源頭管控、過程監控、結果可控的方式來治理深圳河，建設深圳河流域“廠網河”全要素一體化管控系統，輔助實現河口斷面的穩定達標。
廠網河全要素治理模式通過四個“一”實現了“廠網河”全要素一體化管控，即：一張網構建流域治理要素邏輯，一張圖監管涉水全要素數據信息，一中樞診斷排水系統關鍵問題，一閉環調度指揮異常事件。
深圳河流域“廠網河”全要素一體化管控系統有效識別出排水系統的關鍵問題，提供了智慧調度的決策支持，有力保障了河道治理工作的順利實施，目前深圳河水質已經達到了地表水V類標準。
03 水務數字化轉型的未來發展趨勢
未來水務行業應順時代發展，科學應變、迎接挑戰，把握機遇，推動數字水務發展。數字水務發展重點在以下方面發力：
一是推動水務領域的產業數字化和數字化產業發展，形成完整的數字水務價值鏈、生態鏈。水務行業在加快數字化轉型步伐的同時，數字化產業也將蓬勃發展，形成互相促進、多方協同，共同推進水務產業的升級發展。
二是加快大數據、人工智能、數字孿生等技術在水務行業的融合發展，培育水務行業發展新動能。數據作為數字水務發展中的重要生產要素，可以創新水務的運營管理，為城市水務集約建設、協同管理、資源共享和聯合應急提供新思路和新途徑。人工智能作為推動水務行業發展和變革的核心驅動力量，一是可以賦能水務基礎服務設施共性通用的AI能力，為數字化轉型打下智慧基礎，二是通過模型、智能算法的融合應用，推動業務流程優化與模式創新，不斷催生水務行業新模式、新場景，實現智能生產、精細運營、精準服務、智慧管理。
3.1 “互聯網+水務”——智慧水務2.0推動水務行業產業結構變革
推動互聯網、大數據、人工智能等在水務領域的深度融合，打造“工業互聯網”、“產業互聯網”和“消費互聯網”三網融合的數字水務空間，培育新技術、新業態、新模式，將會是智慧水務2.0的主要特征。依托“工業互聯網”“產業互聯網”和“消費互聯網”，加快數字水務運營管理能力、業務拓展能力、商業模式創新能力的價值賦能。
一是以工業+互聯網為核心，構建節能增效型水務運營管理數字化體系，打造以云化部署為核心的運營管控平臺，健全全域智能感知體系，強化多維數據共享與應用，構建節能高效智慧水務應用場景，打造城市供排水數字孿生系統，實現全業態平臺化管理以及智慧生產、運營、服務與決策。
二是以水務產業+互聯網為核心，構建全鏈條水務產業生態圈，整合外部資源，構建智慧水務產業聯盟；釋放企業內部優勢，構建水務品牌輸出模式，實現水務全產業鏈在多個領域的深度合作，推動產業鏈健康、綠色、可持續發展。
三是以水務消費+互聯網為核心，構建創新型水務商業經營模式，依托線上服務平臺，為用戶提供精準服務，形成高粘性水務專屬私域流量，并據此打造網上商城，提供多種個性化服務。
3.2 標準先行——數字水務標準體系促進水務資源共享
在智慧水務建設中，一方面各地區水務行業發展不均衡，認識不統一，智慧水務缺乏統一的建設指導，容易造成智慧水務建設各自為政，建設易偏離既定目標，效果大打折扣；另一方面由于沒有統一的規范與標準，智慧水務建設比較混亂，諸如硬件接口、數據類型、通信協議、性能要求等無標準可循，各自企業使用不同的開發建設廠商，系統建成后信息無法互聯互通，信息孤島問題突出。造成以上現象的一個重要原因就是水務標準體系的缺失。目前信息化領域國家標準總數已經超過2000項，但水務數字化的相關標準仍舊欠缺，標準體系亟待建立。為解決智慧水務標準缺失、滯后、交叉重復等問題，未來要系統梳理、全面布局、迭代進化各層級、各板塊標準，指導智慧水務合規、有序建設。各地水務管理單位、水務企業、高校以及水務開發建設廠商等相關單位應積極參與到智慧水務標準體系建設中，打造兼具先進性與適用性的數字水務標準體系，引領智慧水務建設全面規范化發展。
3.3 價值變現——數據質量提升增加水務數字資產價值
目前，很多水司尚處在建設信息系統的過程中，普遍存在著數據質量不高、數據格式不統一等問題，需要借助數據治理手段加以根治，規范數據共享和使用，提高數據質量，從而充分發揮數據的價值。規范、統一數據的存儲、共享和使用，能讓涉水數據更一致、更準確，方便數據在各業務系統間流轉交互，促使與數據相關的業務流程得到深度再造。此外，通過數據清洗工作，識別并改善數據重復、數據缺失、數據異常等問題，提升數據質量，一方面能讓數據更可信，使廠站能耗、產銷差等數據分析結果更合理，輔助管理人員作出更經濟、合理的決策；另一方面，數據問題往往跟設備故障、運維缺失等問題相關聯，借助數據清洗能更及時地發現隱患，助力供排水系統穩定安全高效運行，減少企業經濟損失。
3.4 技術賦能——使能技術研究應用加快數字化水務智慧升級
水務使能技術把“大數據+物聯網+云平臺+移動化”以及人工智能、邊緣計算等前沿技術與水務應用融合一體，形成新技術+新業務。供排水處理工藝的機理模型、供排水管網水力模型、AI智能優化算法等將廣泛應用于水務規劃建設、運行調度、防洪排澇、設施運維等業務中，提升決策的科學性、提高管理效率，使供排水系統的運行效能最大化。
一是智能規劃。結合模型預測，對工程地點選擇、規模設計、參數優化、運行效果進行模擬評估，指導項目的規劃與投資，為區域整體規劃建設提供決策依據，為廠站建設、管網建設等的預期效果提供量化手段。
二是智慧運行。一方面，隨著在線監測技術的發展和智能控制技術的成熟，供排水廠站逐漸由機械式、人工式監控向自動化、智慧化調控發展，最終實現廠站少人、無人值守，實現廠站工藝智能、安全、高效、達標運行。另一方面，精度高、實用性強的供排水管網實時在線水力模型作為調度系統的核心模塊，結合預測算法、AI分析等，能夠實現對管道中各種可能出現的問題進行預判，對管網調度操作進行事前模擬，為區域科學調度提供參考，保證生產順利開展。
三是治污排澇。利用排水管網模型、雨量預測等技術，在降雨發生前對排水管網可能的內澇點、污水冒溢點進行模擬評估，并針對高風險點，自動發送預警信息，事前排查管道淤積等問題，執行調度操作降低管網液位，定點配置足夠的人員、物資，降低污水冒溢風險，實現水污染智能化管控、防洪排澇智能化管控。
四是智能運維。借助數字孿生技術、物聯網感知設備，構建涵蓋供排水業務全鏈條的數字孿生體，將會是水務基礎設施運維管理的新模式。通過水務數字孿生，將水源、水廠、泵站、管網等設施精準地映射在計算機中，再利用數據分析、模型模擬等技術，實現對設施的仿真交互、故障預測等，為基礎設施的運維管理、事件處置的評估決策提供強有力的支撐。
