王愛杰¹  許冬件²  錢志敏¹ 王儲君²  劉廣齊²  遠野³

（1.哈爾濱工業(yè)大學(深圳)，廣東 深圳 518055；2.珠海卓邦科技有限公司，廣東 珠海 519070；3.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051)

智慧水務是指通過信息化技術、物聯網技術、大數據技術等手段，對水資源的監(jiān)測、調度、管理和利用進行智能化、自動化和系統(tǒng)優(yōu)化的一種水務管理模式。智慧水務的發(fā)展不僅可以提高水資源的利用效率和水質安全，還可以為水務行業(yè)轉型升級、高質量發(fā)展提供有力支撐。在數字中國蓬勃發(fā)展及水務行業(yè)高質量發(fā)展的趨勢下，智慧水務建設和發(fā)展成為行業(yè)的共識，經過多年的建設，智慧水務取得了一定成效，同時也面臨著挑戰(zhàn)。為促進智慧水務的健康發(fā)展，本文結合大量行業(yè)調研數據、智慧水務工程實踐以及思考，對我國智慧水務的發(fā)展現狀進行了總結闡述，并對未來發(fā)展提出展望。

在數字和數據經濟時代，智慧水務成為行業(yè)共同關注的發(fā)展方向。結合行業(yè)調研和實際案例，闡述了智慧水務的發(fā)展現狀，深入分析了智慧水務發(fā)展的內部和外部驅動力、科研水平和數字化產品，尤其是人工智能、數字孿生和智能硬件產品等方面取得的重要進展。最后，總結和提煉了該領域發(fā)展的問題和挑戰(zhàn)，并展望了智慧水務的未來發(fā)展趨勢。

對于行業(yè)和企業(yè)而言，必須要回答的命題是我們?yōu)槭裁匆l(fā)展智慧水務？我們的核心需求是什么？我國智慧水務發(fā)展的驅動力可分為內部驅動力和外部驅動力兩種情況，兩者處于協同驅動的狀態(tài)。

內部驅動力源于行業(yè)和企業(yè)的自我要求，比如對高品質/優(yōu)質飲用水的追求、對環(huán)保達標的硬性要求、對城市安全的韌性要求、對低碳綠色發(fā)展的要求、對城市生命線建設的要求，以及對未來智能化服務的期望和對數字意識的逐步覺醒等。

高品質/優(yōu)質飲用水需求是智慧水務發(fā)展的重要內驅力。高品質飲用水是人民生活的重要保障和必需品。近年來，全球氣候變化和人類活動對水資源的影響不斷加劇，水資源短缺和污染問題越來越嚴重。隨著居民對于水資源稀缺性的認識不斷加深，對于水質和供水的要求也越來越高。他們往往通過自己的經驗和觀察對水質和供水的問題進行判斷和評價。隨著信息技術和社交媒體的發(fā)展，人們可以通過網絡和社交平臺了解到水質和供水的相關信息和問題。通過數字化技術可以實現對水質和水量的實時監(jiān)測和管理，及時發(fā)現異常情況，實現快速響應和調整，保證供水的質量和可靠性。數字化水務系統(tǒng)易于實現對用戶用水的智能監(jiān)測和計量，實現精確的計費和用水管控，減少浪費和濫用。

智慧水務是環(huán)保達標的重要手段。環(huán)境污染和破壞對人體健康及生命安全造成嚴重威脅。通過數字化技術和管理手段，實現對污水的全面監(jiān)測和控制，可以極大地提高污水處理的效率和性能，達到環(huán)保標準，從而實現水資源的可持續(xù)利用和環(huán)境保護的目標。

智慧水務是城市安全的重大需求。智慧水務可以提高城市防洪排澇的能力，提高供水和排水系統(tǒng)的安全性。智慧水務逐步發(fā)展對提高城市水資源的利用效率和管理效率起著重要的作用，并推進城市節(jié)水和環(huán)保工作，對城市安全起著至關重要的作用。

智慧水務是低碳綠色發(fā)展的重要推動力。智慧水務可以提高城市水資源的利用效率，實現節(jié)能減排，推動水環(huán)境保護和生態(tài)修復，提高城市的智慧化水平和可持續(xù)發(fā)展能力。而隨著對低碳綠色的要求越來越高，對智慧水務也提出了更高要求。

目前，越來越多的水務企業(yè)開始逐步完善信息化建設。信息化建設是智慧水務內驅力的重要表現，可以提高水務企業(yè)的智能化水平、安全性和管理效率，從而推動智慧水務的循序發(fā)展。數字化意識覺醒是智慧水務發(fā)展的另一個重要標志。數字化（包括數據化）是現代智慧型企業(yè)的標準特征。隨著數字化意識的覺醒，人們逐漸認識到智慧水務的重要性和潛在價值，積極探索智慧水務的新技術、新業(yè)務和新模式。數字化意識的提升可以促進智慧水務在數據監(jiān)測、數據分析、智能化調度、可持續(xù)發(fā)展等方面的創(chuàng)新，促使水務企業(yè)的運行從傳統(tǒng)的手工管理向數字化管理轉變，提高智慧水務的運營水平和效率。此外數字化意識覺醒還可以加速智慧水務和其他行業(yè)的融合發(fā)展。

1）政策驅動。

政策驅動來源于數字中國和數字經濟建設，已成為我國的核心戰(zhàn)略，未來將共同推動水務行業(yè)數字化轉型和實現智慧水務的高質量發(fā)展。近幾年，國家陸續(xù)頒布了《數字中國建設整體布局規(guī)劃》、《關于構建數據基礎制度更好發(fā)揮數據要素作用意見》、組建國家數據局等一系列政策，智慧水務是一個非常關鍵的組成部分。2023年，中共中央、國務院印發(fā)了《數字中國建設整體布局規(guī)劃》，提出數字中國建設的“2522”整體框架，即夯實“兩大基礎”，推進數字技術與“五位一體”深度融合，強化“兩大能力”，優(yōu)化數字化發(fā)展國內國際“兩個環(huán)境”。2023年5月25號，中共中央、國務院印發(fā)《國家水網建設規(guī)劃綱要》，目標到2025年，建設一批國家水網骨干工程，國家骨干網建設加快推進，水網工程智能化水平得到提升。到2035年，基本形成國家水網總體格局，國家水網主骨架和大動脈逐步建成，省市縣水網基本完善，構建與基本實現社會主義現代化相適應的國家水安全保障體系。規(guī)劃綱要中提到“加快智慧發(fā)展”的3個重點：1）加強水網數字化建設，深化國家水網工程和新型基礎設施建設融合，推動水網工程數字化智能化建設；2）提升水網調度管理智能水平，加快推進國家水網調度中心、大數據中心及流域分中心建設，構建國家水網調度指揮體系；3）完善水網監(jiān)測體系，推動新一代通信技術、高分遙感衛(wèi)星、人工智能等新技術新手段應用，提高監(jiān)測設備自動化、智能化水平，打造全覆蓋、高精度、多維度、保安全的水網監(jiān)測體系。

2）技術驅動。

技術驅動來源于數據成為繼土地、資本、技術、勞動力之后的第5大生產要素。大數據、5G/工業(yè)物聯網、智能設備和數字孿生等技術的逐漸成熟，尤其是生成式AI在2023 年的突破式進展，已經將智慧水務的發(fā)展推入快車道。2022年，國家啟動大尺度空間統(tǒng)籌調度核心資源的超級工程——東數西算，將東部的數據需求和西部的算力綜合調度，是實現資源跨區(qū)域調配重大戰(zhàn)略工程。上述多項技術作為數據的主要生產工具和使用者，快速推動智慧水務的發(fā)展。

3）經濟驅動。

經濟驅動來源于當下是數字經濟與實體經濟融合的新經濟時代。正處在快速發(fā)展階段的水務行業(yè)也面臨著許多問題，例如供水管網的迅速擴張導致水務部門和企業(yè)管理壓力增加，急需建立支撐性的智慧管控平臺；高漏損率使企業(yè)對智慧管網需求的進一步擴大，需要通過大量的智能監(jiān)測設備作為技術輔助加強設施和管網的維護與管理；污水排放量持續(xù)增長，帶動了污水處理需求的同步上升，并增加了管控的智能化和智慧化需求。智慧水務可以實現水務行業(yè)管理的智能化、高效、透明和可持續(xù)，提高用水效率、降低管理成本、保障水質安全。

圖1 水務行業(yè)發(fā)展需求

4）需求驅動。

需求驅動來源于城市水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水服務難以滿足人民群眾對美好生活的向往。2023年3月22日，聯合國重啟水事會議，目的是尋求突破性解決方案應對全球水危機，加快普及安全用水和衛(wèi)生設施。會議通過了具有里程碑意義的《水行動議程》，包含700多項承諾，旨在保護“人類最寶貴的全球共同利益”。

在2017—2020年，在中國城鎮(zhèn)供水排水協會的帶領下，珠海卓邦科技有限公司對全國1000多家代表性水務企業(yè)開展了智慧水務建設調研。其中，95%以上的水務企業(yè)正在密切關注智慧水務的行業(yè)動態(tài)，越來越多的數字化領先水務企業(yè)都在啟動頂層設計工作；80%以上的水務企業(yè)認同智慧水務在提升效率、管理增效、提升企業(yè)形象、保障安全等方面的價值；77.4%的水務企業(yè)發(fā)展智慧水務的動力來源于公司內部的發(fā)展戰(zhàn)略需求，46.8%的水務企業(yè)則來自于外部環(huán)境的推動；60%以上的企業(yè)表示高管對于智慧水務支持力度極大，包括組織、資金、政策、人員支持等方面；在智慧水務發(fā)展的過程中，65%的水務企業(yè)關注基礎設施的建設，52%的水務企業(yè)關注信息系統(tǒng)覆蓋范圍的拓展，56%的水務企業(yè)關注集成整合，60%以上的水務企業(yè)關注數據資源的挖掘利用 。

圖2 代表性水務企業(yè)進行的關注度

隨著越來越多的水務企業(yè)重視智慧水務，企業(yè)的數字化管理部門發(fā)展也在發(fā)生巨大變化。據中國水協牽頭編制的《城鎮(zhèn)水務行業(yè)智慧水務調研分析報告(2020年)》數據顯示，50%的受調研水務企業(yè)已成立獨立的數字化管理部門，且部分企業(yè)成立了智慧水務領導小組。水務企業(yè)的發(fā)展離不開行業(yè)的進步，該報告基于大量調研數據，指出我國智慧水務在標準化建設、人才儲備、技術支撐和科研成果等方面都取得了較快的進步。

在標準制定方面，現行地方標準主要集中在直轄市和東部地區(qū)，區(qū)域發(fā)展不平衡。現行團體標準涉及多家協會組織，側重方向與各協會業(yè)務范圍相關，與智慧水務業(yè)務應用相關的標準數較少。2020年9月，住建部發(fā)布《住房和城鄉(xiāng)建設部 2020 年科學技術項目計劃》，立項通過了《2020-K040-智慧水務標準體系建設研究》課題，由中國城鎮(zhèn)供水排水協會承擔，北控水務集團、珠海卓邦科技有限公司、福建水投集團、福州水務集團等單位合作參與。2023年6月1日，住房和城鄉(xiāng)建設部印發(fā)《2023年工程建設規(guī)范標準編制及相關工作計劃》，內容涵蓋工程建設強制性國家規(guī)范、工程建設標準（國家標準、行業(yè)標準、產品標準）、標準翻譯、國際標準和專項工作，合計178項。該標準將緊密結合水務行業(yè)的業(yè)務特點，構建水務信息系統(tǒng)的安全架構，同時給出架構中各元素的具體安全技術要求。適用于城鄉(xiāng)水務行業(yè)信息系統(tǒng)的安全建設、規(guī)劃、驗收等。在企業(yè)標準方面，重慶水務集團于2018年6月率先在行業(yè)內啟動智慧水務標準體系建設工作，是行業(yè)內首先全面和成體系推動智慧水務標準建設的水務企業(yè)。近些年積極推動智慧水務企業(yè)標準建設的水務企業(yè)還有：北控水務集團、深圳水務集團、杭州水務集團、青島水務集團、常州排水公司等。

在人才儲備方面，2023年6月9日，武漢大學智慧水利系正式揭牌成立，是融合云計算、物聯網、大數據、人工智能、電子信息、工程管理等專業(yè)發(fā)展而成立的新工科專業(yè)。智慧水務專業(yè)于2022年列入普通高等學校本科專業(yè)目錄的新專業(yè)名單，包括河海大學、三峽大學、華北水利水電大學等十余所高校開設了智慧水務和智慧水利專業(yè)。高校在智慧水務人才培養(yǎng)的重視和加強，對于推動智慧水務行業(yè)發(fā)展具有重要積極意義。

在技術支撐方面，2023年4月14日，由中國城鎮(zhèn)供水排水協會組織，中國市政工程中南設計研究總院有限公司主編，32家單位聯合編制的《城鎮(zhèn)智慧水務技術指南》重磅發(fā)布。該指南明確了城鎮(zhèn)智慧水務的總體架構、保障體系以及數字化建設、智能控制和智慧決策的技術要求，系統(tǒng)化地說明了城鎮(zhèn)供水、城鎮(zhèn)水環(huán)境、排水(雨水)防澇等領域的智慧應用，填補了我國城鎮(zhèn)智慧水務建設與應用的空白。為各地行業(yè)主管部門及城鎮(zhèn)水務企事業(yè)單位推進智慧水務建設提供強有力的指導。

縱觀智慧水務的發(fā)展歷程，大體經歷3個階段，目前正處于由自動化、信息化向智慧化邁進的過程。第1階段（1990—1999年），注重水系統(tǒng)信息化，以自動化控制為核心，著眼于工藝優(yōu)化及生產效率提升，自動化信息采集等技術得到快速發(fā)展；第2階段（2000—2009年），注重完善信息化數據建設，以企業(yè)信息化為核心，通信網絡得到迅速發(fā)展，水務基礎信息逐步實現聯通。第3階段（2010年—），集成應用，建立智慧水務系統(tǒng)平臺成為重點，物聯網和智能傳感技術快速滲透，大數據、AI和區(qū)塊鏈得到了綜合應用，水務管理智慧化水平顯著提升。據預測，從目前到2035年，將是智慧水務全面推進的階段，有望實現業(yè)務全面智慧化自主運行，基本排除人為干擾，形成完善的智慧水務業(yè)務系統(tǒng)。智慧水務建設從自動化、信息化向智慧化的發(fā)展過程離不開國家信息系統(tǒng)建設。其中，供水企業(yè)信息系統(tǒng)側重客戶服務管理，比如收費系統(tǒng)、微信公眾號和報裝管理系統(tǒng)建設等；排水企業(yè)信息系統(tǒng)側重運行控制管理，更關注水質在線監(jiān)測預警系統(tǒng)和中控系統(tǒng)的建設等。

圖3 我國信息系統(tǒng)建設狀況

基于對水務行業(yè)企業(yè)及用戶的調研，我國水務企業(yè)智慧化建設排名前3的期望目標是水廠調控無人化、管網調度科學合理、工藝控制高效，詳見圖4。未來發(fā)展方向是加強智慧水務頂層設計、提高運營管理能力、大數據中心建設。我國政府采購智慧水務項目地域性特點較為突出，主要分布在東南部和華中地區(qū)。水務企業(yè)資金投入方面，未來5年總體上將呈現2個極端的趨勢。區(qū)域上，華東地區(qū)資金投入較為平均，華中區(qū)域和華北區(qū)域的資金投入呈現兩個極端的趨勢。規(guī)模上，50萬t以下企業(yè)資金投入呈兩個極端的趨勢; 50萬t以上企業(yè)資金投入較平均。在招標投標方面，東南和華中地區(qū)處于引領狀態(tài)，對未來五年水務企業(yè)的資金投入預測，整體上還是有不平衡性。

圖4 我國水務企業(yè)智慧化建設目標

目前，從水務企業(yè)數字化管理部門來看，在如何提高運營管理的能力和增強大數據中心的建設方面已經基本達成了共識，據目前調研的水務企業(yè)，已有一半以上成立了這種獨立的數字化管理部門。領導高度重視和業(yè)務部門深度參與，是智慧水務建設和應用成效好的水務企業(yè)的共同特征，這在水務企業(yè)數字化管理部門是非常重要的一點。

圖5 水務企業(yè)數字化管理部門發(fā)展狀況

相較于歐美的數字水務注重理論和基礎方法創(chuàng)新，我國智慧水務科研注重技術應用和解決實際水務問題，例如水質監(jiān)測和污染控制，主要以政府機構、科研院所、大學和企業(yè)等多方合作的方式。科研成果方面，如圖6所示，圍繞“智慧+水務”作為關鍵詞的國家級課題共計95個，其中與城市相關的主題資助率較高。但資助領域交叉性強，與水務直接相關性小，水務科研人員參與度有待提高。華北院自主研發(fā)的一體機大腦Simuwater，是國內首款集機理模型、概化模型及人工智能于一體的混合模型，實現了無縫耦合流域城市排水系統(tǒng)仿真，打破了排水系統(tǒng)仿真受限于國外的瓶頸。而哈爾濱工業(yè)大學主導開發(fā)的基于AI的碳排核算模型（馬頭崗污水廠項目），結合機理模型與數據驅動算法，建立了生物處理過程“碳代謝”模型，發(fā)展了水處理碳排放實時計量方法，實現了碳排放的分鐘級別計量。博愛第二污水廠項目應用數字孿生賦能污水廠低碳運維，采用三維可視化建模，工藝仿真、自控仿真和三維可視化等技術構建了三維虛擬水廠，整合了設備的靜態(tài)數據和運行動態(tài)數據，實時反映現場細節(jié)，實現水質預測、水量預測、生化分析、物料平衡、運行調整、設備維護、故障診斷等功能。

除了AI技術的應用，我國水務行業(yè)也涌現出大量數字化產品，如智能井蓋、智能水泵、智能閥門、智能水樁、水力控制裝備、網格化積水識別系統(tǒng)等。智能井蓋可以實現水質監(jiān)測、水位監(jiān)測、防溢漏控制、遠程控制等功能；智能水泵可以實現自動調節(jié)水壓、節(jié)能環(huán)保、防護功能、智能化運行等功能；智能閥門實現了自動調節(jié)流量、遠程控制與監(jiān)測、安全保護、實時數據上傳云端及數據分析等功能。這些數字化產品是下一步如何獲得真正實時有效大數據的重要前提，也是如何把數據能夠真正納入到數據資產體系框架內的一個重要基礎條件。運用這些數字化產品，可以迅速響應國家的重大需求和新的挑戰(zhàn)。

圖6 我國智慧水務科研水平

目前，我國發(fā)展智慧水務尚存在3個難點問題：1）數字化技術與業(yè)務難以融合。水務公司有很多業(yè)務專家對業(yè)務研究很深，但是對數字化技術缺乏了解，而IT專家則對業(yè)務和場景的理解不夠深刻，因此出現數字化技術和業(yè)務融合度不夠的情況，技術對業(yè)務的支撐不充分，智能設備設施、工業(yè)軟件需要突破水處理工藝的多個技術特點。2）智慧水務效益難以衡量。數字化項目目標在于優(yōu)化商業(yè)模式、提升業(yè)務能力和轉變運營方式，難以用標準量化。同時，智慧水務建設自身很難獨立產生經濟效益。3）難以形成有效的產業(yè)協同。因為整個智慧水務鏈條特別長，需要核心技術滿足水務企業(yè)對智慧水務的發(fā)展需求，但這其中包括比較多的技術困難和應用瓶頸，因此難以形成有效產業(yè)協同。

為此，亟需在以下3方面盡快產生突破：1）亟需提升認知，推動數字化轉型需要理念革新和企業(yè)數字化認同感，部分企業(yè)數字化認知停留在生產過程信息化控制上，而決策者應對數字化有更深刻的理解。2）亟需統(tǒng)籌建設，智慧水務建設發(fā)展也亟需行業(yè)認可的智慧水務標準。一些大型水務集團業(yè)務眾多、子公司眾多，大多情況是各自為戰(zhàn)，缺少統(tǒng)籌，也缺乏標準。3）亟需專門人才，這是一個突出的行業(yè)痛點。因為智慧水務是相對特別的跨專業(yè)融合領域，企業(yè)亟需足夠的信息科技專業(yè)人士賦能智慧水務的建設。而人才培養(yǎng)和企業(yè)的需求存在一定的脫節(jié)，高校缺乏智慧水務相關課程的設置，無法為行業(yè)輸出合適的人才。

AI大模型的技術發(fā)展已受到越來越大的關注，應當積極探索AI在水務領域可能產生的新突破，下一步會逐步把辨識性AI向生成式AI推進，其中包括防洪排澇、水資源估算和預測、水質異常監(jiān)測、水文過程模擬、水資源分配優(yōu)化、水力發(fā)電和能源管理、水質參數的測量等方面。同樣，也包含行業(yè)的知識沉淀、行業(yè)知識圖譜，未來可能會出現的人工智能助理，輔助解答各種各樣專業(yè)領域問題。

總結下來，智慧水務發(fā)展呈現5大趨勢：

1）思維的變革。數字化思維的變革讓水務公司精益求精，不斷地提高運營效率，安全保障的提高，繼而推動組織架構和管理模式的變革，加速智慧水務建設的速度，推動水務行業(yè)發(fā)展。

2）數業(yè)融合，關鍵數字技術與水務業(yè)務不斷深入融合。智慧水務會越來越多的融合到智慧城市的建設，在城市的治理和發(fā)展當中給予更多的貢獻。

3）數據引領，智慧水務已進入到以數據資產為核心的新時代。數據資產驅動著水務行業(yè)生產方式、治理方式的變革，也是整個行業(yè)高質量發(fā)展的一個必由之路。

4）模式創(chuàng)新。大數據、AI、大模型等技術賦能，深刻改變了水務行業(yè)的生產、商業(yè)模式。

5）安全保障。水務系統(tǒng)作為城市的關鍵基礎設施，安全和可靠地運行始終是最重要的要求。因此要強化網絡防護體系，實現水務行業(yè)安全與發(fā)展并重，構筑智慧水務安全屏障。

未來，智慧水務發(fā)展有望在以下幾方面產生新變化：

1）產生新職位。例如首席數據官、算法工程師、數字化標準管理員等。

2）商業(yè)模式變化。大數據、AI、大模型等技術驅動生產方式及關系變革，進行跨界融合，誕生新商業(yè)模式。

3）競爭格局變化。競爭格局逐漸由分散向集中過度，越來越多的水務企業(yè)成立數字科技公司，未來也有望誕生世界一流智慧水務龍頭企業(yè)。

4）新機遇。縣域智慧水務建設逐漸成為重點發(fā)展目標，大廠紛紛布局智慧水務領域實現跨界融合，賦能智慧水務建設，為傳統(tǒng)水務行業(yè)發(fā)展帶來新機遇。

5）新人才的培養(yǎng)，這里需要高校、企業(yè)、咨詢公司三方合作：開辦水務大學自主培養(yǎng)懂業(yè)務的科技人才和懂科技的業(yè)務人才；高校和企業(yè)合作打造產教融合人才培養(yǎng)體系；企業(yè)和咨詢公司組成既懂技術又懂業(yè)務的復合型人才聯合團隊。

我國智慧水務建設正處于快速發(fā)展期，未來的趨勢是數字化、智能化、可持續(xù)化。智慧水務技術的不斷創(chuàng)新，將為水資源的保護、利用和管理提供更多的工具和手段。同時，智慧水務的發(fā)展還需要政府、企業(yè)、學術界和社會各方的積極參與和合作，共同推動智慧水務的發(fā)展。

整體上，我國智慧水務發(fā)展是機遇與挑戰(zhàn)并存。面向未來，我們應該高度重視智慧水務的創(chuàng)新、應用和推廣，積極推動智慧水務的可持續(xù)發(fā)展，為建設數字中國、美麗中國做出更大的貢獻。