张金松:粤港澳大湾区数字水务的实践与展望

发表时间:2020-06-11 11:36作者:张金松

0   引言

放眼全球,知名湾区经济体有3个,分别是纽约湾区、旧金山湾区以及东京湾区,而中国正在规划建设粤港澳大湾区,目标是建设成为全球第四个大湾区经济体。开放性、创新性、宜居性和国际化是这些知名湾区最重要的特征,它们具有开放的经济结构、高效的资源配置能力、强大的集聚功能和发达的国际网络,发挥着引领创新的核心功能。

粤港澳大湾区指的是广州、深圳、珠海等珠三角9市加上香港和澳门2个特别行政区。与世界三大知名湾区相比,粤港澳大湾区面积最大,为5.59万平方公里,超过其他三个湾区的总面积;人口最多,与其他三大湾区的总人口相当;当前整体经济水平位于全国前列,但与其他三大湾区存在一定的差距,2019年粤港澳大湾区的GDP总量为1.66万亿美元,超过同期韩国的GDP总量,远超GDP总量为0.91万亿的旧金山湾区,但落后于GDP总量为1.98万亿美元的东京湾区和GDP总量为1.84万亿美元的纽约湾区湾区,尤其是人均GDP和第三产业比重方面远低于其他三大湾区。因此,粤港澳大湾区要赶超世界其他三大知名湾区还有很长的路要走,发展好粤港澳大湾区在国家战略中的地位举足轻重。

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图1   2019年四大湾区地理面积与人口对比

为将粤港澳大湾区建设成富有活力和国际竞争力的一流湾区,打造高质量发展的典范。2019年11月6日中共中央政治局常委、国务院副总理、粤港澳大湾区建设领导小组组长韩正在粤港澳大湾区建设领导小组会议上强调,推进粤港澳大湾区建设,要切实抓好科技创新这个首要任务,努力在关键核心技术创新上取得重大突破。

表1   2019年四大湾区GDP与第三产业数据对比

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因此,全面贯彻“一国两制”的发展方针,坚持新的发展理念,充分发挥粤港澳大湾区在地理、经济以及政策上的综合优势,才能有力推动粤港澳大湾区建设成世界一流湾区。

1 粤港澳大湾区水务发展的新机遇

粤港澳大湾区在地理、经济以及发展政策等优势叠加下,将为大湾区水务企业带来前所未有的新机遇:

(1)规划引领,构建结构科学、集约高效的“9+2”大湾区发展格局。在信息化快速发展的时代,智慧城市建设将成为粤港澳大湾区规划的重要任务。湾区经济体是多个城市相互关联耦合的复杂系统,局部最优不等于全局最优。要实现湾区城市群的整体发展,需要湾区各城市协同合作、资源共享,共同研究制定智慧城市指标体系并建立定期联络机制。粤港澳大湾区未来的发展需要强化规划引领,推动大湾区内各城市合理分工、功能互补,提高区域发展协调性,促进城乡融合发展,最终构建出结构科学、集约高效的大湾区发展格局。

(2)创新驱动,高科技产业支撑水务企业大发展。粤港澳大湾区不仅是中国经济增长的引擎,还是中国创新发展的重要示范区,“深圳-香港”集群在世界科技创新集群中位列第二,仅次于东京-横滨。最新数据显示,大湾区在研发方面投入的经费支出占总GDP的3.1 %,国家高新技术企业超过1.93万家,从事研发的科学家及工程师达42万。专利发明作为衡量创新能力的关键性指标,粤港澳大湾区在专利方面的突出表现有目共睹,《粤港澳大湾区协同创新发展报告(2019)》的数据显示,从2014年至2019年间,大湾区的发明专利由103610件增为341744件,增长比率达229.31%。

创新驱动大湾区高速发展,打造大湾区高质量发展的首要任务就是建设国际科技创新中心。在大湾区内汇集的大量信息化技术企业,通过大数据、物联网、人工智能、区块链等信息化技术手段,为智慧湾区构建和水务企业提升智慧化水平创造了良好条件。

(3)生态文明建设,催生大湾区智慧水务企业高质量发展新业态。为实现粤港澳大湾区的生态文明,打破原有的地区边界,突破地域障碍,整个大湾区城市群联合治理环境问题、统筹管理跨区域流域问题将成为大湾区创新宜居生态环境的有力举措。广东省生态环境厅正式印发的《广东省生态环境厅2019年水污染防治攻坚战工作方案》指出要坚持系统治水的工作思路,全面攻坚劣Ⅴ类断面,将其达标攻坚纳入各级“河长制”工作,统筹推进全流域上下游、左右岸、干支流综合治理,抓好源头控制,着力减少各类污染源排放;各地级以上城市建成区黑臭水体消除比例达到90%以上,全省地表水水质优良(达到或优于Ⅲ类)比例达到83.1%以上,劣Ⅴ类比例控制在4.2%以内。这意味着大湾区水务企业的跨区域河道综合治理势在必行,这也是实现整个湾区全局智慧水务攻坚目标的必要条件。

2 粤港澳大湾区数字水务的建设与应用实践

在大湾区建设迅猛的重要窗口时期,智慧城市的理念必然成为湾区城市群协调发展的加速器和催化剂,智慧水务作为智慧城市的重要组成部分,通过城市水务物联网建设,实时感知城市供排水系统的运行状态,并将海量信息及时分析与处理,以更加精细和动态的方式管理水务系统,推动城市智慧化治理。智慧水务的发展进程表现出水务企业数字化的突出特征,数字化将传统的信息化和自动化系统有效地集成在一起,实现了水务数据的流动与共享,从而提高了决策的科学性、准确性和高效性。从水务企业的信息化“记录你做什么”到水务企业的数字化“告诉你该做什么”的转变是业务与技术融合的过程。如果说,智慧水务重在理念和目标,指向城市和社会发展;那么,数字水务则着眼于现实环境和实施路径,以两化融合、工业4.0为蓝图,通过打造数字产业和数字经济,为经济发展注入新动能。国际水协去年发布的《数字水务:行业领袖勾勒转型之路》,从全球的视角,指出数字化转型是各国水务企业当前面临的巨大挑战,也是解决水资源、水质和管理效率的必由之路。

2.1 国外数字水务建设概况

国外水务企业的运营管理从经验模式到智能自控模式的转变经历了较长时间的探索。其特点是致力于对企业自身数据的采集、分析和应用,包括对硬件设施的布局优化、对实际运营问题的解决以及对数据应用的分析研究等,而不是在市场上寻找现成的管理模块或者现成的软件平台。成功实现数字化转型的水务企业,一般都经历了从实际生产到具体研究,从具体研究到实际应用的过程。

丹麦VandCenter Syd自来水公司年供水量为930万m³,服务人口为17万人,管网长度为3 400 km。通过集成SCADA、水厂运行管理和AQUIS实时在线水力模型三大系统,实现高度自动化,管网、水厂远程管理,智能运营;自动预测用水需求,通过模型控制SCADA和水泵,实现全球最领先的压力控制模式;大幅度减少水务公司人员成本,实现水厂无人值守,全水务公司200人。

Anglian水务是英国境内最大的水务公司,供水量为120万m³/d,服务人口为430万人,管网长度为3.75万km。该公司通过构建漏损管理平台,建立主动漏损控制管理机制,多达6 500个工作站,超过12 000个遥测室外站,超过650 000个测量点。最终实现减少漏损5%,减少漏水检测成本15%,达到英国最低漏损率水平4.97 m³/(km·d)的效果[目前国内平均水平约58 m³/(km·d),英国平均水平为8.98 m³/(km·d)],且大幅度提高了运营效率,每年解决2.7万个漏点,事故发生率低至1.6次事故/万h。

新家坡公用事业局供水部开发了一套智慧水网系统,帮助提高新加坡供水管网的运营效率。智慧水网系统通过在管网上安装传感器以获取在线实时水力数据,并提供一系列的水网管理工具辅助管网运行管理,包括爆管与水质事件报警、漏点定位、在线水力建模、阀门操作模拟与仿真、自动分区模型、用水需求预测和负荷分配,以及基于GIS的数据可视化展示等。在漏损管理和水质监测方面,系统能够实时监测漏点,并定位漏点位置,使用户能及时响应并采取修补措施,发现水质异常,及时向供水部发送报警通知。智慧水网系统对新加坡较低漏损率(NRW维持在5%)的保持做出了重要贡献。

澳洲水司在智能水表上应用较早,2013年智能水表数目达2.8万个,10年内部署至100万个。智能水表应用后,为客户提供了漏水告警服务,用水区域建立了基于PI System的漏水检测系统,更好地了解用户每周及每月的用水行为,从而优化了阶段性供水方案。

巴黎市郊利用大数据分析手段,建立了一体化监控和可视化管理平台,其覆盖范围为巴黎市郊的149个镇,服务人口为400万人,大约占巴黎大区40%的人口,每天供水量为80万m³,每年供水量为2.55亿m³,共3个水厂,49个泵站,65个贮水池,38个加氯站,8 400 km长的管道。在实施区域一体化监控后,2012~2013年1年时间找到了7%的漏水(巴黎2017年漏损率为8%)。每一个控制中心监控3个区域,能够实时保证供水安全,及时发现爆管,且平台集成了多来源数据,改善了可视化体验。

从以上各个国家的数字水务建设现状可以看出,大部分的国外数字水务系统包括两部分的技术组成,即IT和OT,IT指的是计算机辅助技术,而OT指的是业务技术支持,将两种技术加强融合是目前国外水务企业数字化的主要工作。IT提供给数字水务的技术支持,不仅包括数据采集,还包括可视化分析;OT则提供业务运营应用需求,并进一步将业务需求通过信息化的方式落实到应用。国外水务企业信息化发展的应用,不仅在水系统本身,更多的还延伸到对客户用水量分析预测、基于用水量数据获取分析水的消费趋势等方面。

2.2 粤港澳大湾区供排水现状

粤港澳大湾区的行政面积为5.6万km²,根据2018年《城市供水统计年鉴》及相关资料,大湾区总服务人口约7 000万人,水厂总供水能力约3 000万m³/d,水厂数量近200座,污水处理厂处理能力约2 300万m³/d,污水处理厂数量近300座,排水管网长度约5.5万km。粤港澳大湾区各城市的具体供排水现状见表2。

表2   大湾区供排水企业现状

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2.3 粤港澳大湾区数字水务的建设与应用

2.3.1 广州:在线监测平台

广州水司构建了供水全过程监控体系,建立了300个压力监测点,48个水质监测点,81个一级分区计量点,230多个二级分区计量点,1 400多个大用户监测点,覆盖了水源取水、水厂生产、管网输配水以及用户用水的整个过程,从而保障了供水安全。平台实现了管网状态的实时监测,为调度提供了决策支持,并通过分区计量降低了管网漏损,还可对大用户进行动态管理。从2013年起,公司逐步开展

“智慧供水”建设,在管网上安装了大量的智能仪表,采集了水质、压力、流量等数据。公司依托信息技术设立供水管理分区,推广供水网格化管理,把各项管理工作分解到网格。结合互联网技术和移动应用技术,逐步延伸手机(平板)工作范围,员工可通过手机实时完成公司交办的各种任务,结合网格化管理手段,公司向扁平化管理方向发展。同时,公司通过建立微信公众号、网上营业厅、网站、自助服务终端等众多线上互动服务渠道来服务用户,提升服务质量,从而提高用户满意度。

2.3.2   江门:二次供水综合管理平台

江门市二次供水实施一体化、专业化和规范化的管理模式,二次供水综合管理平台计划纳入全市约200个二次供水泵房,从根本上解决了市区二次供水在管理、水质、服务上的矛盾。多年来江门持续对二次加压泵房进行标准化建设,并为进一步加强管理水平建立了综合信息平台。

2.3.3 佛山:流量大数据系统、科学调度系统

佛山市水业集团有限公司在强化物联网技术应用的基础上,通过统一流量数据采集标准,集成全集团流量数据,实现流量数据的共享,从而助力精准漏控。

佛山水业从2002年开始规划建设供水科学调度系统,结合技术发展新趋势及企业发展新需求,以“提高供水安全、增效节能降耗”为目标,通过加强供水管网状态监控与分析、加强调度管理精细化,打造智能化水平较高、快速反应能力较强的供水系统运行管理决策指挥系统,该系统包含SCADA、水力模型以及调度决策3个子系统(见图2)。

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图2   佛山水业流量大数据系统应用

2.3.4   澳门:智能供水系统

澳门水司建立了AQUADVANCED智能供水系统,利用在线水力模型,实时监测管网运行状态,并整合了水质、资产及能耗管理,将系统建成一个综合的智慧水务管理平台,为日常调度和应急处置提供了有力的数据支撑,为供水安全提供了技术保障。通过AQUADVANCED与工具的集成,为水司供水产销差目标的可持续管理提供了解决方案,多年来供水产销差整体呈下降趋势(见图3)。

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图3   澳门水司供水产销差的历史变化(1985~2019年)

2.3.5   深圳:水务数字化转型进程

深圳市水务集团(以下简称深水集团)数字化转型建设的总体目标可用“三优”来概括,分别是优饮、优排、优服。优饮指的是为优质饮用水提供支撑,对水质全过程监测,保障饮用水品质;优排指的是为决胜治水提质提供信息保障,实现污水全收集全处理全回用,实现雨水快速收集排放;优服指的是提升用户服务体验,提升满意度,为用户提供足不出户的便捷服务。

(1)综合调度平台。综合调度平台是深水集团数字化转型的核心内容之一。随着需求的不断提出,平台的目标功能定位从以生产为核心的局部调度逐步转变为具有指挥中心功能的生产、管网以及客服的综合调度,从而满足日常生产调度、突发事件、灾害天气、重点保障等多种业务场景的需要,满足多工种、多专业、综合、协同工作模式的需要。

(2)深圳河流域厂、网、河全要素管理系统。为实现深圳河河口断面水质长期稳定达标的任务,深水集团建立了深圳河流域厂、网、河全要素管理系统,实现对深圳河流域全要素进行统筹管理。该系统与集团内部和外部系统进行数据对接,集成GIS系统,实现实时监测和预警、调度指令发布、工单流转审核、信息录入、数据分析、综合报表管理、管网和河道水力水质模拟预测等功能,并可在调度大屏、电脑、手机等多平台显示(见图4)。

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图4   深水集团深圳河厂、网、河全要素管理系统

(3)外业综合管理平台。为了规范和整合外勤作业的规程,重构深水集团公司的外勤作业管理体系,使业务处理可追踪、过程可监控、工作可量化、流程更高效、派单更智能,实现“人在线”的智慧管理,深水集团建立了外业综合管理平台。外业综合管理平台的建设,使得信息快速流转、人力高效利用、工效科学评估,流程更加智能化,不仅缩短了事件处理时间,还规范了外业处理程序(见图5)。

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图5   业综合管理平台提升效率

(4)线上用户服务平台。线上用户服务平台以用户为中心,关注用户体验,以高效便捷的服务使用户足不出户动动手指即可办理相关业务,实现线上服务多渠道、全业务、高效率、智能化、体验佳的目标。服务交互智能化是集团提供高品质服务的尝试,渠道服务一体化为集团提供高品质服务奠定了基础,服务管理中台化是整个服务管理的未来趋势,能最大化降低服务成本,关注客户体验,提供符合客户需求的个性化专业化服务(见图6)。

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图6   深水集团线上用户服务平台

(5)大数据中心(在建)。随着信息化的快速发展,数据大幅度增加,传统数据仓库类产品无法承载大数据量的增长,在面对大量的业务数据时,对于水务核心数据没有评估标准,无法形成水务集团的核心数据资产。且各业务系统数据种类复杂多样,数据存储方式不一,数据质量参差不齐,没有标准化,很难为其他业务系统使用。因此,深水集团目前正在建设大数据中心,拟建设目标(成效)如下:

①实现海量数据的采集与存储。数据整合后信息流简化;共享数据利用率提高;数据集中管理,来源唯一;形成业务单一视图,数据标准化;进一步建设数据管控体系,数据质量得以保证。

②实现数据资产的统一管控。将水务数据资产梳理入库,包括元数据库、基础信息数据库、业务专用数据库、实时数据库、模型库、空间库、历史数据库、多媒体数据库等,实现对数据资产的统一管控。

③建立规范化管理指标体系,形成水务标准。通过平台的建设,对深水集团各项运行指标进行一次全面梳理,建立一套规范化、可量化的管理指标体系。结合水务发展需求,建立并不断完善涵盖基础、数据、技术、平台/工具、管理、安全和应用的智慧水务标准体系,并不断推动地方标准、行业和国家标准的制定,引领智慧水务行业发展。

④建立数据挖掘分析平台,实现企业由“目标驱动向数据驱动转型”。建立基于机器学习库的数据挖掘分析平台,对集团公司的业务运营、营销策略、生产管理等各方面建立不同的业务规则和算法模型,为企业提供基于数据的决策支持。

2.3.6 数字水务发展面临的难点

综合上述大湾区数字水务建设现状的介绍分析,当前数字水务的发展难点主要体现在以下3个问题,只有突破这三大难点,数字水务才能迈上一个新台阶。

(1)数据不完善问题。数据质量是决定分析决策准确性的第一要素,只有高质量的数据才有可能做出正确的决策。国内已开展信息化水务建设的企业其技术水平大多处于发展阶段和集成阶段,具备了GIS地理信息系统和水力水质模型等工具,且仍存在很多企业信息化建设还处于基础阶段。处于基础阶段的企业要实现智慧水务,首先要建立一个较为精准的GIS地理信息系统,完善管网资产数据,建立SCADA监测系统,只有这样才能建立出精准的水力水质模型,水务的信息化水平才能跨越到发展阶段和集成阶段。

(2)数据孤岛问题。大部分的水务企业都普遍存在数据孤岛问题,这些水务企业具备了多个模块的数据源,但数据源之间是孤立的,没有实现共享,比如SCADA监测系统、GIS地理信息系统、管网资产信息系统等多个数据源未能实现有效的整合,因而无法实现实时的调度与预警功能。而要解决这个问题,实现真正的智慧水务,就需要建立一个大数据中心,运用高效专业的数据管理软件将数据统一分类管理,并研究精准有效的算法,为实现实时综合调度提供有力依据。

(3)数字化转型认知问题。信息化发展处于基础阶段以及还未开展信息化建设的水务企业对数字化转型的认知还存在一定的偏差。实现水务企业管理理念的改变与管理架构的调整是数字化转型的终极目标之一,数字化转型不仅要投入大量的监测设备、建立庞大的软件平台,更重要的是在建立统一数据中心的前提下,通过对海量数据进行及时有效的分析处理获得了有效的解决业务问题的应用算法,并将这些算法集成到软件平台上,发挥出智慧“大脑”的效果,从而对水务企业的整个生产、管理与运维实现更加精细化的管理。

3 粤港澳大湾区数字水务的展望

3.1 粤港澳大湾区数字水务发展愿景

对国外水务企业数字化转型、大湾区水务企业发展现状以及国内数字水务发展面临难点进行分析,大湾区水务企业数字化转型将聚焦在以下几点:

(1)创造企业价值:持续提升管理效率、服务水平和企业盈利能力。企业价值是生产效率高、盈利能力强、成长空间大等能力的综合体现。对于水务企业,扩大企业价值就意味着持续提高水处理能力,通过产销差控制提高企业盈利能力,通过信息化手段为未来的水务相关领域开辟疆土,打好基础。

(2)促进跨越发展:促进城市间的协作,实现数据共享,拓展数字经济,为大湾区水务企业战略目标提供决策支持。通过大数据分析和人工智能等技术的引进,实现与政府、行业数据的交互;通过大数据分析、超融合微服务等技术手段,实现数据增值,拓展数字经济,为大湾区水务业务的发展、战略规划提供决策支持。

(3)营造行业生态:与高科技企业深度合作,实现从源头到龙头的全监管、全感知,打造完整的水务行业生态圈。

(4)引领行业标准:创新数字水务标准,推动大湾区一体化信息系统的建设与应用,成为国内水务行业的标杆。

3.2 资源共享,协同合作——共谋湾区水务企业大发展

新形势下“9+2”大湾区建设需要做到技术、设备设施、应急物资、数据信息、管理理念等资源共享。以合作为原则,实现湾区资源优化配置,促进湾区水务行业可持续发展,优化合作环境,落实合作举措,强化沟通与合作,构建互动、互补、互助、互惠的发展格局,提升综合竞争力,共谋湾区水务行业一体化向纵深发展。

湾区水务企业实现资源共享、协同合作的具体内容可以从以下4方面考虑:一是资源共享,包括既有的实体资源,如水文水质资料、实验室等,以及依托数字水务下的资讯、信息、数据的共享;二是共同设立产业基金,助力整个湾区供水基础设施的建设和技术的研发;三是建立协调机制,建立统一的应急响应体系和联动机制,提高应对突发事件的处置能力,如组建大湾区水务企业应急抢险平台,共享人力、大型机械设备,实现跨区域统一调配、部署和管理,精准统计分析各地抢险受灾情况,为防灾救灾提供决策依据;四是建立多渠道的沟通交流机制,如建设大湾区水务企业招标采购一体化信息平台,不仅可以提高采购透明度,提高议价能力以节约成本、控制产品质量,还能够建立供应商及采购价格数据库,进一步建立采购信息交流与共享机制。

3.3 技术创新,标准支撑——共建数字水务标准一体化

现阶段技术与标准的结合越来越紧密,技术进步与水务产业发展需要创新驱动,而创新离不开标准支撑。制定和实施技术标准,本质上就是推进科技成果转化,是水务产业调整升级和创新发展的有力推手。实施技术标准统一战略,提升自主技术创新能力,是创建大湾区水务行业一体化不可或缺的,也是积极参与市场竞争,提升综合实力的必然选择。

共建数字水务技术标准,要求基于先进的软硬件技术,在结合生产、经营、管理和服务等方面业务特性的基础上,建立统一的技术标准,为大湾区数字水务提供技术保障,有利于大湾区水务企业核心业务协同发展。

构建水务行业的标准体系,除了要制定和实施技术标准,数据标准和平台标准也是不容忽视的。共建数据标准体系,不仅可以治理数据资源、规范数据录入方式,还可以提升数据质量,同时也有利于信息资源的跨水司共享和数据跨业务的交换。管网、生产、客服等业务的管理方式,通过统一的管理平台标准体系,能将流程进行规范化、数字化及透明化,实现平台的无缝对接,进一步提升管理水平,在应急联动的过程中,统一的标准体系还能够确保联动各方快速响应,统一指挥,迅速到位。

3.4 智慧引领,精细管理——共创湾区水务协同高效

利用信息化和智能化管理手段,建立湾区水务联盟信息大平台,强化重大应急管理协同服务能力,以智慧引领模式变革为主线,以用户为本为原则,在信息平台化创新、行业主体化管理、精细化服务、相互交融大发展等方面,敢于先行、先试,共同提升湾区水务行业整体管理和服务质量。

初步提出建设粤港澳大湾区数字水务整体生态群设想,将原水综合调配、协同流域水环境综合治理、应急联动机制一体化构想,通过共建的数字水务标准体系,进行多维度的立体整合。在日新月异的物联网、云计算、大数据、移动互联技术的全方位支撑下,这样数字水务生态群能够实现从源头到用户,再到最终排放的完整闭环生态循坏,具体内容如下:

(1)实现大湾区原水综合调配。对于东江引水工程与待建的西江引水工程,从取水口到各用水点,实现全流程水质在线监测,建立水质监控系统,一旦水质出现异常,快速联动响应;制定联合优化调度方案,合理配置东江、西江水资源,建立江库联调体系,实现水资源的有效利用。

(2)协同流域水环境综合治理。打破城市区界,利用数字水务资源,统筹规划布局污水处理厂,对污泥集中处置,雨水就近排放;根据大湾区主要河道水质现状、水功能区划、工业和人口分布及主要取排水口布局,划定主要排水通道,实行严格的污染物总量控制,确保满足水功能区划水质目标,从而系统解决目前面临的难点问题。

(3)建立跨区域应急联动机制。建立大湾区水务应急指挥平台,完善防灾减灾体系,保障区域防洪安全;在人力资源及大型机械设备上也可实现跨区域统一调配,以应对大型爆管、塌陷等突发事故。


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