智慧水務(wù)管理平臺系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

李紅倉，杜 崗

（1.天地通科技有限責(zé)任公司研發(fā)部，山西晉中030600；2.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇連云港222006）

2015 年國務(wù)院正式發(fā)布《水污染防治行動計劃》，提出到2020 年，公共供水管網(wǎng)漏損率控制在10%以內(nèi)。目前，絕大多數(shù)城市供水企業(yè)產(chǎn)銷差率不僅居高不下，而且有升高的趨勢[1]，這是我國供水行業(yè)目前急需解決的問題。近年來，雖然我國供水行業(yè)在不斷努力，試圖通過對管網(wǎng)漏水進(jìn)行探測和控制，以達(dá)到降低產(chǎn)銷差的目的，但是收效并不顯著。其主要原因在于管網(wǎng)規(guī)模龐大，嚴(yán)重缺乏智能化和信息化設(shè)備的介入，相關(guān)企業(yè)缺乏掌控全網(wǎng)的信息化系統(tǒng)，供水管網(wǎng)單元幾乎成為信息孤島，運行狀態(tài)無法及時反饋。

在晉中市智慧水務(wù)平臺建設(shè)過程中，為了實現(xiàn)通過水務(wù)綜合運營平臺打通信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，增強(qiáng)對供水業(yè)務(wù)的運營和監(jiān)管的能力，實現(xiàn)城市供水智慧運作，提高供水企業(yè)管理與服務(wù)的水平，筆者開發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)、GIS、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)，集遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障報警、巡查報修、故障搶修、數(shù)據(jù)展現(xiàn)、基礎(chǔ)管理于一體的可視化的、設(shè)備運行指標(biāo)量化的、能對整個供水系統(tǒng)運行進(jìn)行成本控制的智慧供水平臺系統(tǒng)。這一系統(tǒng)一方面通過供水管網(wǎng)分區(qū)計量手段，實現(xiàn)對水量計量、水壓調(diào)控、水質(zhì)監(jiān)控、運行管理等重要環(huán)節(jié)的精細(xì)化、科學(xué)化管理；另一方面，基于大數(shù)據(jù)和云計算的技術(shù)優(yōu)勢，通過統(tǒng)籌頂層規(guī)劃，實現(xiàn)對全網(wǎng)的信息化管理，構(gòu)建了管網(wǎng)漏損管控體系，大大提高了對管網(wǎng)漏損的檢測精度，提升了供水安全精準(zhǔn)化保障能力。

1 功能架構(gòu)設(shè)計

通過對山西省晉中市城市供水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析，結(jié)合晉中供水公司管理運行需求，以粗粒度、松耦合的面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）進(jìn)行系統(tǒng)功能總體設(shè)計[2]，對各主要功能進(jìn)行組件化拆分，分布式部署、組合和使用。拆分后的組件功能包括基礎(chǔ)硬件感知層、通信服務(wù)層、數(shù)據(jù)處理層、業(yè)務(wù)邏輯（應(yīng)用）層和平臺應(yīng)用層[3]，如圖1 所示。

圖1 智慧水務(wù)總體架構(gòu)

總架構(gòu)中各體系功能說明如下。

感知層：通過各種儀表、壓力傳感器、流量傳感器、液位儀、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備等實時感知城市供水管網(wǎng)的運行狀態(tài)，為智慧分析與處理、輔助決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

通信層：通過物聯(lián)網(wǎng)、RTU、DTU 等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和處理數(shù)據(jù)采集獲取的信息。

數(shù)據(jù)處理層：采集多種類型的傳感器數(shù)據(jù)，具備唯一的標(biāo)識碼，接受統(tǒng)一管理，入網(wǎng)自動識別，按照統(tǒng)一的協(xié)議實現(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)故障判斷、管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測、監(jiān)督以及數(shù)據(jù)入庫。

業(yè)務(wù)邏輯：實現(xiàn)供水企業(yè)的具體應(yīng)用業(yè)務(wù)，比如報表統(tǒng)計、設(shè)備管理、GIS 管理、權(quán)限管理、在線查崗、監(jiān)管信息、管網(wǎng)監(jiān)控、故障監(jiān)控以及視頻監(jiān)控。

平臺應(yīng)用：服務(wù)水廠、泵站、管網(wǎng)運維、自來水公司、消防公司、業(yè)主等，智慧水務(wù)平臺以更加“智慧”的方式輔助水務(wù)企業(yè)進(jìn)行管理和運維，從而保證可靠供水，降低產(chǎn)銷差，提升運營管控能力，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的不斷增長，提供有力支撐[3-4]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中包括對天湖水廠、東郊水廠、北郊水廠3 個水廠以及原有監(jiān)測點和加壓站的數(shù)據(jù)接入功能。通過通信架構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)信息的共享，解決數(shù)據(jù)孤島的問題，實現(xiàn)供水企業(yè)的信息共享和協(xié)同辦公，實現(xiàn)供水業(yè)務(wù)監(jiān)控、管理、服務(wù)等業(yè)務(wù)的數(shù)字化、可視化與聯(lián)動化，最終建成供水企業(yè)網(wǎng)絡(luò)化辦公，使企業(yè)的人力、物力、信息等資源實現(xiàn)共建共享與互惠互贏，從而提升企業(yè)供水管理水平，改善城市供水質(zhì)量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

如上圖所示，該系統(tǒng)中以數(shù)據(jù)中心為核心，對接水廠、監(jiān)測點等各節(jié)點數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)整合處理并發(fā)布。各數(shù)據(jù)對接單元需要提供的數(shù)據(jù)包括壓力、流量、余氯和濁度，其中天湖水廠數(shù)據(jù)通過光纖傳到現(xiàn)有的監(jiān)控中心監(jiān)控端，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)將現(xiàn)有數(shù)據(jù)和新增壓力、流量數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心。東郊水廠、北郊水廠以及其他各測點數(shù)據(jù)通過4G 無線數(shù)傳模塊上傳至數(shù)據(jù)中心，各對接單元和測點數(shù)據(jù)采集過程如圖3 所示，數(shù)據(jù)接入過程總計所需增加流量計12 個，壓力表8 個，余氯檢測儀8 個，濁度檢測儀8 個。通過接入上述數(shù)據(jù)采集節(jié)點，為實現(xiàn)全市水務(wù)智慧化運行提供了實時、可靠的數(shù)據(jù)保證。

圖3 數(shù)據(jù)接入示意圖

供水基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)以及各個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)作為晉中市供水企業(yè)的支撐系統(tǒng)，通過RTU 系統(tǒng)將生產(chǎn)系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)的接口對接，實現(xiàn)不同專題數(shù)據(jù)統(tǒng)一到供水綜合運營中心，最終實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)庫、管網(wǎng)工程數(shù)據(jù)庫、GIS 數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、化驗數(shù)據(jù)庫的實時更新，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集成，為企業(yè)提供完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以便企業(yè)進(jìn)行能耗、運行等分析。

3 軟件平臺設(shè)計

3.1 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件平臺按照先進(jìn)、可靠、長遠(yuǎn)發(fā)展的要求進(jìn)行設(shè)計，充分體現(xiàn)模塊化系統(tǒng)集成的設(shè)計思想。既滿足數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，又滿足數(shù)據(jù)實時分析的功能要求，同時考慮系統(tǒng)增值服務(wù)平臺的發(fā)展空間，以建設(shè)一個高度信息化、自動化的監(jiān)督管理服務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為最終目標(biāo)。整個系統(tǒng)由Web 端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等組成，包括網(wǎng)站前端系統(tǒng)、網(wǎng)站后臺管理系統(tǒng)、Oracle 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[5]。系統(tǒng)組件架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)組件架構(gòu)圖

3.2 軟件功能

平臺軟件主要劃分為供水管網(wǎng)GIS 系統(tǒng)、SCADA 系統(tǒng)和分區(qū)計量系統(tǒng)三個系統(tǒng)功能，其中供水管網(wǎng)GIS 系統(tǒng)利用了GIS 技術(shù)，以晉中市城市基礎(chǔ)地形圖為基礎(chǔ)，以供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)為核心，緊密結(jié)合供水管網(wǎng)管理需要，為供水企業(yè)自動化采集、管理、更新、分析與應(yīng)用供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，確保供水管網(wǎng)的正常運行提供了一套科學(xué)、有效的信息化管理工具。SCADA 系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，利用先進(jìn)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GIS 技術(shù)，在建立管網(wǎng)基礎(chǔ)信息和管網(wǎng)監(jiān)測信息庫的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合供水調(diào)度的業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)調(diào)度管理的科學(xué)化和自動化。分區(qū)計量系統(tǒng)，將整個晉中天湖水廠、東郊水廠、北郊水廠以及加壓站的供水管網(wǎng)進(jìn)行一級劃分成若干供水區(qū)域，進(jìn)行流量、壓力、水質(zhì)和漏點監(jiān)測，實現(xiàn)供水管網(wǎng)漏損分區(qū)量化及有效控制的精細(xì)化管理。

總體來看，軟件功能劃分科學(xué)，人機(jī)界面清晰，操作簡單，使用方便，軟件主要界面如圖5 所示。

圖5 軟件平臺主界面

3.3 技術(shù)創(chuàng)新點

（1）供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)與GIS 系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)結(jié)合，為供水企業(yè)自動化采集、管理、更新、分析與應(yīng)用供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，確保供水管網(wǎng)的正常運行提供了一套科學(xué)、有效的信息化手段。

（2）采用逐級細(xì)化的分區(qū)計量系統(tǒng)方法，將整個城市的供水管網(wǎng)進(jìn)行多級劃分供水區(qū)域，進(jìn)行流量、壓力、水質(zhì)和漏點監(jiān)測，實現(xiàn)供水管網(wǎng)漏損分區(qū)量化及有效控制的精細(xì)化管理。

（3）采用大數(shù)據(jù)架構(gòu)技術(shù)開展城市管網(wǎng)大數(shù)據(jù)智能分析研究。面向管網(wǎng)的多維異構(gòu)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)與專家知識庫技術(shù)研究智能、高效的漏損區(qū)域檢測技術(shù)、多特征數(shù)據(jù)融合的管網(wǎng)狀態(tài)評估技術(shù)，實現(xiàn)高效的人力巡邏資源優(yōu)化配置。

4 結(jié)論

在協(xié)助晉中市供水有限責(zé)任公司開發(fā)智慧水務(wù)平臺系統(tǒng)過程中，充分利用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建一體化、可擴(kuò)展的水務(wù)綜合平臺，通過打通各供水分區(qū)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，增強(qiáng)了對供水業(yè)務(wù)的運營和監(jiān)管的能力，能夠?qū)崟r掌握供水狀況、科學(xué)調(diào)度，及時發(fā)現(xiàn)漏損，實現(xiàn)了城市供水的智慧運作，提高了供水企業(yè)管理與服務(wù)的水平，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。