王愛杰教授團隊：我國智慧水務發展現狀及趨勢

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，對水資源的監測、調度、管理和利用進行智能化、自動化和系統優化的一種水務管理模式。智慧水務的發展不僅可以提高水資源的利用效率和水質安全，還可以為水務行業轉型升級、高質量發展提供有力支撐。在數字中國蓬勃發展及水務行業高質量發展的趨勢下，智慧水務建設和發展成為行業的共識，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。為促進智慧水務的健康發展，本文結合大量行業調研數據、智慧水務工程實踐以及思考，對我國智慧水務的發展現狀進行了總結闡述，并對未來發展提出展望。

在數字和數據經濟時代，智慧水務成為行業共同關注的發展方向。結合行業調研和實際案例，闡述了智慧水務的發展現狀，深入分析了智慧水務發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展的問題和挑戰，并展望了智慧水務的未來發展趨勢。

對于行業和企業而言，必須要回答的命題是我們為什么要發展智慧水務？我們的核心需求是什么？我國智慧水務發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。

內部驅動力源于行業和企業的自我要求，比如對高品質/優質飲用水的追求、對環保達標的硬性要求、對城市安全的韌性要求、對低碳綠色發展的要求、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/優質飲用水需求是智慧水務發展的重要內驅力。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測和管理，及時發現異常情況，實現快速響應和調整，保證供水的質量和可靠性。數字化水務系統易于實現對用戶用水的智能監測和計量，實現精確的計費和用水管控，減少浪費和濫用。

智慧水務是環保達標的重要手段。環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測和控制，可以極大地提高污水處理的效率和性能，達到環保標準，從而實現水資源的可持續利用和環境保護的目標。

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的安全性。智慧水務逐步發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，并推進城市節水和環保工作，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，實現節能減排，推動水環境保護和生態修復，提高城市的智慧化水平和可持續發展能力。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展。數字化意識覺醒是智慧水務發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測、數據分析、智能化調度、可持續發展等方面的創新，促使水務企業的運行從傳統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的融合發展。

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略，未來將共同推動水務行業數字化轉型和實現智慧水務的高質量發展。近幾年，國家陸續頒布了《數字中國建設整體布局規劃》、《關于構建數據基礎制度更好發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、國務院印發了《數字中國建設整體布局規劃》，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”，優化數字化發展國內國際“兩個環境”。2023年5月25號，中共中央、國務院印發《國家水網建設規劃綱要》，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。規劃綱要中提到“加快智慧發展”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）完善水網監測體系，推動新一代通信技術、高分遙感衛星、人工智能等新技術新手段應用，提高監測設備自動化、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展推入快車道。2022年，國家啟動大尺度空間統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，是實現資源跨區域調配重大戰略工程。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。正處在快速發展階段的水務行業也面臨著許多問題，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；高漏損率使企業對智慧管網需求的進一步擴大，需要通過大量的智能監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管理的智能化、高效、透明和可持續，提高用水效率、降低管理成本、保障水質安全。

圖1 水務行業發展需求

4）需求驅動。

需求驅動來源于城市水安全、水生態、水環境、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開展了智慧水務建設調研。其中，95%以上的水務企業正在密切關注智慧水務的行業動態，越來越多的數字化領先水務企業都在啟動頂層設計工作；80%以上的水務企業認同智慧水務在提升效率、管理增效、提升企業形象、保障安全等方面的價值；77.4%的水務企業發展智慧水務的動力來源于公司內部的發展戰略需求，46.8%的水務企業則來自于外部環境的推動；60%以上的企業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；在智慧水務發展的過程中，65%的水務企業關注基礎設施的建設，52%的水務企業關注信息系統覆蓋范圍的拓展，56%的水務企業關注集成整合，60%以上的水務企業關注數據資源的挖掘利用 。

圖2 代表性水務企業進行的關注度

隨著越來越多的水務企業重視智慧水務，企業的數字化管理部門發展也在發生巨大變化。據中國水協牽頭編制的《城鎮水務行業智慧水務調研分析報告(2020年)》數據顯示，50%的受調研水務企業已成立獨立的數字化管理部門，且部分企業成立了智慧水務領導小組。水務企業的發展離不開行業的進步，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，區域發展不平衡。現行團體標準涉及多家協會組織，側重方向與各協會業務范圍相關，與智慧水務業務應用相關的標準數較少。2020年9月，住建部發布《住房和城鄉建設部 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，住房和城鄉建設部印發《2023年工程建設規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范、工程建設標準（國家標準、行業標準、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的業務特點，構建水務信息系統的安全架構，同時給出架構中各元素的具體安全技術要求。適用于城鄉水務行業信息系統的安全建設、規劃、驗收等。在企業標準方面，重慶水務集團于2018年6月率先在行業內啟動智慧水務標準體系建設工作，是行業內首先全面和成體系推動智慧水務標準建設的水務企業。近些年積極推動智慧水務企業標準建設的水務企業還有：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、工程管理等專業發展而成立的新工科專業。智慧水務專業于2022年列入普通高等學校本科專業目錄的新專業名單，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。高校在智慧水務人才培養的重視和加強，對于推動智慧水務行業發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《城鎮智慧水務技術指南》重磅發布。該指南明確了城鎮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，系統化地說明了城鎮供水、城鎮水環境、排水(雨水)防澇等領域的智慧應用，填補了我國城鎮智慧水務建設與應用的空白。為各地行業主管部門及城鎮水務企事業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），注重水系統信息化，以自動化控制為核心，著眼于工藝優化及生產效率提升，自動化信息采集等技術得到快速發展；第2階段（2000—2009年），注重完善信息化數據建設，以企業信息化為核心，通信網絡得到迅速發展，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務系統。智慧水務建設從自動化、信息化向智慧化的發展過程離不開國家信息系統建設。其中，供水企業信息系統側重客戶服務管理，比如收費系統、微信公眾號和報裝管理系統建設等；排水企業信息系統側重運行控制管理，更關注水質在線監測預警系統和中控系統的建設等。

圖3 我國信息系統建設狀況

基于對水務行業企業及用戶的調研，我國水務企業智慧化建設排名前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。水務企業資金投入方面，未來5年總體上將呈現2個極端的趨勢。區域上，華東地區資金投入較為平均，華中區域和華北區域的資金投入呈現兩個極端的趨勢。規模上，50萬t以下企業資金投入呈兩個極端的趨勢; 50萬t以上企業資金投入較平均。在招標投標方面，東南和華中地區處于引領狀態，對未來五年水務企業的資金投入預測，整體上還是有不平衡性。

圖4 我國水務企業智慧化建設目標

目前，從水務企業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，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的共同特征，這在水務企業數字化管理部門是非常重要的一點。

圖5 水務企業數字化管理部門發展狀況

相較于歐美的數字水務注重理論和基礎方法創新，我國智慧水務科研注重技術應用和解決實際水務問題，例如水質監測和污染控制，主要以政府機構、科研院所、大學和企業等多方合作的方式。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仿真，打破了排水系統仿真受限于國外的瓶頸。而哈爾濱工業大學主導開發的基于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，整合了設備的靜態數據和運行動態數據，實時反映現場細節，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等。智能井蓋可以實現水質監測、水位監測、防溢漏控制、遠程控制等功能；智能水泵可以實現自動調節水壓、節能環保、防護功能、智能化運行等功能；智能閥門實現了自動調節流量、遠程控制與監測、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。

圖6 我國智慧水務科研水平

目前，我國發展智慧水務尚存在3個難點問題：1）數字化技術與業務難以融合。水務公司有很多業務專家對業務研究很深，但是對數字化技術缺乏了解，而IT專家則對業務和場景的理解不夠深刻，因此出現數字化技術和業務融合度不夠的情況，技術對業務的支撐不充分，智能設備設施、工業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化商業模式、提升業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對智慧水務的發展需求，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數字化認同感，部分企業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）亟需統籌建設，智慧水務建設發展也亟需行業認可的智慧水務標準。一些大型水務集團業務眾多、子公司眾多，大多情況是各自為戰，缺少統籌，也缺乏標準。3）亟需專門人才，這是一個突出的行業痛點。因為智慧水務是相對特別的跨專業融合領域，企業亟需足夠的信息科技專業人士賦能智慧水務的建設。而人才培養和企業的需求存在一定的脫節，高校缺乏智慧水務相關課程的設置，無法為行業輸出合適的人才。

AI大模型的技術發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、水質異常監測、水文過程模擬、水資源分配優化、水力發電和能源管理、水質參數的測量等方面。同樣，也包含行業的知識沉淀、行業知識圖譜，未來可能會出現的人工智能助理，輔助解答各種各樣專業領域問題。

總結下來，智慧水務發展呈現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，推動水務行業發展。

2）數業融合，關鍵數字技術與水務業務不斷深入融合。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生產方式、治理方式的變革，也是整個行業高質量發展的一個必由之路。

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

5）安全保障。水務系統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，實現水務行業安全與發展并重，構筑智慧水務安全屏障。

未來，智慧水務發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。

4）新機遇。縣域智慧水務建設逐漸成為重點發展目標，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，為傳統水務行業發展帶來新機遇。

5）新人才的培養，這里需要高校、企業、咨詢公司三方合作：開辦水務大學自主培養懂業務的科技人才和懂科技的業務人才；高校和企業合作打造產教融合人才培養體系；企業和咨詢公司組成既懂技術又懂業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展期，未來的趨勢是數字化、智能化、可持續化。智慧水務技術的不斷創新，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，智慧水務的發展還需要政府、企業、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展。

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