水質(zhì)信息管理系統(tǒng)及可視化平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范

1、水質(zhì)信息管理系統(tǒng)及可視化平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范黃健黃金桃張曉亮宋秀明楊柳忠曾文許峰剴張忠貴扈尹建四震邊際牛晗黃平捷侯迪波陳興廳王（ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部信息中心，北京 ； 中國地質(zhì)大學(xué)，武漢 ； 中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京； 浙江大學(xué)，杭州 ； 濟(jì)南市供排水監(jiān)測中心，濟(jì)南 ； 東莞市水務(wù)監(jiān)測中心，東莞 ； 鄭州市自來水總公司，鄭州 ）摘要 針對各級城市供水主管部門難以及時(shí)完整獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)、多樣化海量水質(zhì)數(shù)據(jù)難以綜合 處理和分析等問題，課題研究了四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了國家、省、市水質(zhì)信息管理系統(tǒng)及可視化平臺(tái)， 提供多種可視化表達(dá)方式和多維數(shù)據(jù)分析手段，展示水質(zhì)信息、分析水質(zhì)變化趨勢。 課題在國家、山

2、 東省、濟(jì)南市、杭州市、東莞市進(jìn)行了應(yīng)用示范。 研究成果能夠解決當(dāng)前供水管理部門水質(zhì)監(jiān)管急需 解決的難題，豐富了各級主管部門的日常監(jiān)管手段。關(guān)鍵詞 水質(zhì)信息管理 可視化 水質(zhì)監(jiān)測時(shí)空關(guān)系 數(shù)據(jù)融合 項(xiàng)大幅度增 加 到 項(xiàng)、各地檢測頻率增加、在線監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室檢測及流動(dòng)檢測等采集方式增加， 水質(zhì)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多樣化、海量的發(fā)展趨勢。 這些 數(shù) 據(jù) 大多以表格形式孤立呈現(xiàn)，缺乏直觀的、多樣化的表 現(xiàn)方式，缺乏有效的整理和分析。由于信息化手段具有及時(shí)完整獲 取 海 量 數(shù) 據(jù)， 以及開展綜合分析的能力。 因此，本課題設(shè)計(jì) 建 立 國家、省、市三級水質(zhì)信息管理系統(tǒng)及可視化 平 臺(tái)， 支撐水質(zhì)安全監(jiān)管，形成新的

3、管理形態(tài)。 不僅 有 效 解決了以上問題，而且能提高監(jiān)管效率。擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題城市供水水質(zhì)安全監(jiān)管是城市供水主管部門的 重要職責(zé)，但現(xiàn)行手段難以全面有效地支撐監(jiān)管，主 要存在以下問題：（）各級城市供水主管部門難以及時(shí)完整獲取 水質(zhì)數(shù)據(jù)。 為切 實(shí)做好城 市供水 水質(zhì)監(jiān)督管理工 作， 年建設(shè) 部 頒 布 了 修 訂 后 的 城 市 供 水 水 質(zhì) 管理規(guī)定（部令 號文），明確了建立我國從中央 到地方的城市供水水質(zhì)監(jiān)測體系。 同年頒布了城 市供水水質(zhì)數(shù)據(jù)報(bào)告管理辦法，明確了城市供水單 位上報(bào)水質(zhì)數(shù)據(jù)的內(nèi)容和流程，以及各級政府的監(jiān) 督責(zé)任，并提出通過信息系統(tǒng)上報(bào)數(shù)據(jù)。 水質(zhì)數(shù) 據(jù) 管理包含日檢、

4、月檢、季檢、年檢等多個(gè)頻率的檢測； 包含實(shí)驗(yàn)室檢測、在線監(jiān)測、流動(dòng)檢測等多種檢測方 式；包含水廠、水司、監(jiān)測中心等多個(gè)檢測單位的數(shù) 據(jù)。 由于缺乏有效的支撐手段，水質(zhì)數(shù)據(jù)往往未 能 及時(shí)完整進(jìn)行上報(bào)，導(dǎo)致供水主管部門難以高效履 行城市供水水質(zhì)安全監(jiān)管職責(zé)。（）多樣 化 海 量 水 質(zhì) 數(shù) 據(jù) 難 以 綜 合 處 理 和 分 析。 我國有 多 個(gè) 城 市，僅 縣 城 以 上 城 鎮(zhèn) 的 水 廠數(shù)量就達(dá) 多 座，各地的供水水質(zhì)現(xiàn)狀具有 多樣性。生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)將水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)由課題技術(shù)路線課題技術(shù)路線如圖 所示，通過深入山東省、濟(jì) 南市、東莞市、杭州市等示范地及其他代表性城市調(diào)研，分析三 級 平

5、臺(tái) 數(shù) 據(jù) 多 樣 性 完 整 性 需 求、功 能 需 求，為課題研究與實(shí)施提供指導(dǎo)。 遵循標(biāo)準(zhǔn)先 行 的 原則，結(jié)合調(diào)研實(shí)際情況，開展對水質(zhì)數(shù)據(jù)信息分類 編碼標(biāo)準(zhǔn)、水質(zhì)數(shù)據(jù)交換接口標(biāo)準(zhǔn)、水質(zhì)信息管理系 統(tǒng)及可視化平臺(tái)技術(shù)規(guī)范、水質(zhì)信息管理系統(tǒng)及可 視化平臺(tái)構(gòu)建模式的研制工作并貫穿課題全過程。 研究水質(zhì)數(shù)據(jù)管理與分析的關(guān)鍵技術(shù)，為三級平臺(tái) 構(gòu)建提供 技 術(shù) 支 撐。 開 展 國 家、省、市 三 級 平 臺(tái) 研 發(fā)，形成包括日常管理、多維分析、應(yīng)急處理信息化 支持等模塊的平臺(tái)。 開展示范建設(shè)，為示范地 的 水 質(zhì)管理提供支撐，為實(shí)現(xiàn)中央到地方的水質(zhì)分級管 理提供可操作的技術(shù)路線。國家水體污染控制

6、與治理科技重大專項(xiàng)（）。給水排水 據(jù)形成信息孤島，不能 滿 足 水 質(zhì) 監(jiān) 測 管 理 業(yè) 務(wù) 對 兩類數(shù)據(jù)的整合使用的需求，進(jìn)行了基于時(shí)空關(guān)系模 型的水質(zhì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的研究。研究了不同類型水質(zhì)數(shù)據(jù)樣本，按照水樣類別、 數(shù)據(jù)來源、檢測標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)數(shù)據(jù)集等進(jìn)行分類，提取 各類樣本共性，確定水質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與約束關(guān)系，構(gòu)建 水質(zhì)數(shù)據(jù)模型。通過將實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間特 征按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)、時(shí)間頻率等劃分，空間特征按照空 間坐標(biāo)、地域、流域等劃分，梳理兩類水質(zhì)數(shù)據(jù)時(shí)間、 空間上對應(yīng)關(guān)系，建立低頻實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)與高頻 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)間相關(guān)性，以及實(shí)驗(yàn)室采樣點(diǎn)與 在線監(jiān)測點(diǎn)的空間相關(guān)性，構(gòu)建了水質(zhì)數(shù)據(jù)

7、時(shí)空關(guān) 系模型，表達(dá)水質(zhì)數(shù)據(jù)自身的時(shí)空特性、實(shí)驗(yàn)室檢測 數(shù)據(jù) 與 在 線 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 之 間 的 時(shí) 空 相 關(guān) 性 （見 圖 、 圖）。 研究了海量數(shù)據(jù)分區(qū)儲(chǔ)存方案，建立數(shù)據(jù)分 區(qū)索引檢索策略，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)數(shù)據(jù)時(shí)空關(guān)系的數(shù)據(jù) 庫存儲(chǔ)。圖課題技術(shù)路線主要技術(shù)成果基于數(shù)據(jù)融合的輔助決策支持技術(shù)針對實(shí)驗(yàn)室檢測和在線監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)缺乏可靠性檢測手段，兩類水質(zhì)數(shù)據(jù)孤立零散，導(dǎo)致水質(zhì)數(shù)據(jù) 監(jiān)測業(yè)務(wù)信息檢索和統(tǒng)計(jì)困難的問題，進(jìn)行了基于 數(shù)據(jù)融合的輔助決策支持技術(shù)研究。對在線監(jiān)測與實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)通過鄰近空間特標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完成了水質(zhì)數(shù)據(jù)信息分類編碼標(biāo)準(zhǔn)、水質(zhì)數(shù) 據(jù)交換接口標(biāo)準(zhǔn)、水質(zhì)信息管理系統(tǒng)及可視化平 臺(tái)技術(shù)規(guī)

8、范，通過了主管部門組織的審查。 為進(jìn)一 步總結(jié)水專項(xiàng)" 十一五" 研究成果，并征求行業(yè)管理 部門和專家意見，課題與相關(guān)單位共同開展了城鎮(zhèn)供水管 理信 息 系 統(tǒng) 標(biāo) 準(zhǔn) 的 編 制 工 作，并 已 列 入 年 住 房 城 鄉(xiāng)建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制訂計(jì)劃， 對城鎮(zhèn) 供 水 水 質(zhì) 信 息 系 統(tǒng) 的 建設(shè)具有指導(dǎo)意義，為平臺(tái)推 廣提供了規(guī)范化的支撐，給其 他城市 開 展 平 臺(tái) 建 設(shè) 提 供 了 參考依據(jù)，可降低研發(fā)成本。課題關(guān)鍵技術(shù)基于時(shí)空關(guān)系模型的水質(zhì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)針 對 實(shí) 驗(yàn) 室 檢 測 與 在 線 監(jiān)測水 質(zhì) 數(shù) 據(jù) 采 集 頻 率 不 一 致，空 間 位 置 相 分 離

9、，兩 類 數(shù)圖對時(shí)間序列數(shù)據(jù)建立空間對應(yīng)關(guān)系給水排水 圖在空間關(guān)系基礎(chǔ)上建立時(shí)間關(guān)系映射圖生產(chǎn)全流程水質(zhì)數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)了面向生產(chǎn)流程、時(shí)間序列和 管 理 層 級 等三類水質(zhì)數(shù)據(jù)的信息檢索和統(tǒng)計(jì)，并采用模糊檢索、 水質(zhì)統(tǒng)計(jì)報(bào)表定制、水質(zhì)信息可視化、大屏幕展現(xiàn)等 技術(shù)手段，從不同視角和維度分析展示水質(zhì)數(shù)據(jù)現(xiàn) 狀及變化規(guī)律，為水質(zhì)信息日常監(jiān)管輔助決策、應(yīng)急 處置輔助決策提供支持?；诩訖?quán)計(jì)算的水質(zhì)綜合分析評價(jià)技術(shù)針對當(dāng)前貫 通 國 家、省、市 三 級 的 城 市 供 水 水質(zhì)管理效 能 的 統(tǒng) 一 綜 合 評 價(jià) 體 系 尚 未 形 成，不 利 于政府部 門 有 效 監(jiān) 管 水 質(zhì) 管 理 狀 況 的

10、 問 題，進(jìn) 行 了基 于加權(quán)計(jì)算的水 質(zhì) 綜合 分 析 評 價(jià)技 術(shù) 的 研究。首先重點(diǎn)研究了在線監(jiān)測水質(zhì)綜合合格率的加 權(quán)計(jì)算方法。 通過分析山東省及濟(jì)南市 （引 黃 水）、 東莞市（東江）、杭州市（錢塘江）等示范地水質(zhì)特點(diǎn)， 對在線監(jiān)測涉及的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，按照原水、出廠水 和管網(wǎng) 水 的 不 同 類 別 賦 予 不 同 的 權(quán) 重，得 到 綜 合 評分。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了完整的城市供 水 水 質(zhì) 管 理 效能綜合評價(jià)體系，并給出了加權(quán)計(jì)算模型。 通 過 調(diào)研不同城市水質(zhì)信息管理情況，選定水質(zhì)上報(bào)情 況、實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)合格率、在線監(jiān)測水質(zhì)合格率、水質(zhì) 事故情況等 個(gè)指標(biāo)，作為城市供水水質(zhì)管理效

11、能 評價(jià)因子。 根據(jù)大、中、小等不同類型城市水質(zhì)管理 能力的差異，為各評價(jià)因子賦予相應(yīng)的權(quán)重，并基于 加權(quán)計(jì)算的方法，得到城市供水水質(zhì)管理效能評價(jià) 分值，從而實(shí)現(xiàn)對城市供水水質(zhì)管理效能的綜合評 價(jià)（見圖）。圖基于時(shí)空關(guān)系模型的水質(zhì)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)比對征進(jìn)行比對，捕捉數(shù)據(jù)的異常波動(dòng)及異常值，基于數(shù)據(jù)規(guī)則甄別數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，完成數(shù)據(jù)校核（見圖）。按供水生產(chǎn)流程（原水、出廠水、管網(wǎng) 水），將 不 同采樣頻率、不同采樣點(diǎn)、不同檢測方式中的孤立水 質(zhì)數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)取水、輸水、配送各環(huán)節(jié)的 追蹤分析（見圖）；按時(shí)間序列，分析同一監(jiān)測點(diǎn)不 同時(shí)段的關(guān)聯(lián)性指標(biāo)變化情況、同一時(shí)間段不同監(jiān) 測點(diǎn)水質(zhì)數(shù)據(jù)指標(biāo)變化情況，

12、找出水質(zhì)數(shù)據(jù)的變化 規(guī)律和水質(zhì)異常信息；按國家、省、市不同管理層級 的監(jiān)管要求，將在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)、空 間數(shù)據(jù)、水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)逐級抽取、匯總。給水排水 圖城市供水水質(zhì)管理效能的綜合評價(jià)圖基于位置的時(shí)序疊加分析 基于 的水質(zhì)信息空間分析技術(shù)針對從實(shí)驗(yàn)室檢測點(diǎn)和在線監(jiān)測點(diǎn)采集的原始 水質(zhì)數(shù)據(jù)，是離散的數(shù)據(jù)記錄，不成系統(tǒng)，不相關(guān)聯(lián)， 難以分析，也難以在監(jiān)管和預(yù)警中發(fā)揮作用的問題， 進(jìn)行了基于 的水質(zhì)信息空間分析技術(shù)的研究。通過對實(shí)驗(yàn)室檢測點(diǎn)、在線監(jiān)測點(diǎn)、流域、行政區(qū)劃、水廠、管網(wǎng)等水質(zhì)相關(guān)要素的空間特性分析和合 理分層，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)中疊置、緩沖、拓?fù)涞榷喾N 空間分析工具，獲得水質(zhì)相關(guān)要

13、素的空間關(guān)聯(lián)，并構(gòu) 建水質(zhì)數(shù)據(jù)空間關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集；在空間關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集的基 礎(chǔ)上提供一系列水質(zhì)空間分析功能（如基于地理位 置的時(shí)序?qū)Ρ?、基于流域的疊置對比、基于生產(chǎn)流程 的拓?fù)鋵Ρ鹊?，見圖、圖），為水質(zhì)數(shù)據(jù)交互參照、 數(shù)據(jù)可靠性甄別、水質(zhì)異常發(fā)現(xiàn)提供有力支撐。圖生產(chǎn)流程水質(zhì)數(shù)據(jù)拓?fù)浞治黾夹g(shù)省級平臺(tái)信息的歸納匯總。水質(zhì)信息管理系統(tǒng)及可視化平臺(tái)通過與三級水 質(zhì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)課題、水質(zhì)安全評價(jià)及預(yù)警課題成果集 成，形成了城市供水水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)，功 能結(jié)構(gòu)如 圖 所 示，各 級平臺(tái)典型界面如圖 、 圖、圖 所示。三級水質(zhì)信息管理系統(tǒng)及可視化平臺(tái)國家、省、市三級水質(zhì)信息管理系統(tǒng)及可視化平 臺(tái)采用面向服務(wù)的架

14、構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，整合各類信息，提 供多種可視化表達(dá)方式，提供多維數(shù)據(jù)分析手段，展 示水 質(zhì) 信 息、分 析 水 質(zhì) 變 化 趨勢、提供應(yīng)急處置信息化支持。面向市 級 主 管 部 門 和 供 水 企業(yè)服務(wù) 的 市 級 平 臺(tái) 主 要 是 針 對城市的水質(zhì)監(jiān)測、日常管理等 業(yè)務(wù)，對各項(xiàng)具體業(yè)務(wù)提供技術(shù) 支撐。 面向 省 級 主 管 部 門 的 省 級平臺(tái)，側(cè)重于對各個(gè)市級平臺(tái) 信息的歸納匯總，為全省的城市 宏觀監(jiān)管、效能考核提供決策支 持。 面向國 家 級 主 管 部 門 的 國 家級平臺(tái)，功能框架和布局與省級平臺(tái)類似，但更側(cè)重于對各個(gè)圖城市供水水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)給水排水 莞市級平臺(tái)可對

15、 個(gè) 在 線 監(jiān) 測 點(diǎn) 的 實(shí) 時(shí) 數(shù) 據(jù)、多個(gè)水司 和 多 個(gè) 水 廠 的 日 報(bào) 和 月 報(bào) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 管理、分析 和 展 示；杭 州 市 級 平 臺(tái) 可 對 水 業(yè) 集 團(tuán)、 環(huán)保局、林水局等 各 部 門 和 單 位 的 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 管 理、 分析和展示。通過應(yīng)用示范，檢測員可以查看在線監(jiān)測數(shù)據(jù)， 了解異常情況；查看實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)深度 分析。 業(yè)務(wù)人員可對整合的信息進(jìn)行多維分 析，了 解水質(zhì)現(xiàn)狀，分析水質(zhì)變化規(guī)律。 管理人員開 展 全 國、全省、全市的供水水質(zhì)宏觀監(jiān)管、效 能 考 核。 結(jié) 合監(jiān)控預(yù)警中心的大屏幕系統(tǒng)，應(yīng)急指揮人員得到 應(yīng)急處理信息化支持。應(yīng)用示范為

16、各級供水主管部門、供 水 單 位 進(jìn) 行 飲用水水質(zhì)的日常管理、科學(xué)決策和預(yù)警應(yīng)急提供 了科技支撐，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。 同 時(shí) 也 驗(yàn)證了平臺(tái)具備可推廣性，適合于在其他省和不同 類型城市推廣使用。圖城市級平臺(tái)界面結(jié)論本課題針對各級城市供水主管部門難以及時(shí)完整獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)、多樣化海量水質(zhì)數(shù)據(jù)難以綜合處 理和分析等問題，研究了水質(zhì)信息管理系統(tǒng)與可視 化平臺(tái)的構(gòu)建模式；研究了水質(zhì)信息管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)范；研究了基于時(shí)空關(guān)系模型的水質(zhì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技 術(shù)、基于數(shù)據(jù)融合的輔助決策支持技術(shù)、基于加權(quán)計(jì) 算的水質(zhì)綜合分析評價(jià)技術(shù)、基于 的水質(zhì)信息 空間分析技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)；研發(fā)了國家、省、市水質(zhì) 信息管理系統(tǒng)及可視化平臺(tái)；建設(shè)了可擴(kuò)展 的 國 家 級 城市供水水質(zhì)數(shù)據(jù)庫；建設(shè)了國家、山東省、濟(jì)南 市、杭州市、東莞市應(yīng)用示范。課題研究成果能夠較好地解決當(dāng)前供水管理部 門水質(zhì)監(jiān)管急需解決的難題，豐富了各級主管部門 的日常監(jiān)管手段，提升了各級主管部門行業(yè)決策的 針對性和準(zhǔn)確性，為將來全國范圍的水質(zhì)監(jiān)管體系 建設(shè)作了積極探索。 課題研究成果對新時(shí)期政府實(shí) 施公共管理、履行信息公開職能、部門之間信息