水利智能物聯感知平臺的設計與實現

張恒飛，李小龍，梅林輝

(1.長江信達軟件技術(武漢)有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

隨著水利信息化建設的快速推進，智能前端感知被不斷認知和重視。以信息登記、轉發、查詢為主的一般性軟件系統不能很好地解決用戶的實際需求，以“透徹的前端感知+先進的技術體系+智能的專業模型”為核心的智能服務體系能很好地為用戶管理決策提供數據和分析支持[1-2]。近年來，物聯網技術取得了日新月異的發展，并在水文水情監測[3-4]、水資源監測[5]、工程安全監測[6]、水質監測[7-8]、農村水利[9]、城鄉供水[10]、工程施工[11]等業務場景中取得廣泛應用。

為了實現物聯網感知設備在水利場景中的管理和控制，李琦等[12]提出了一種基于REST架構的湖泊環境監測物聯網平臺，針對湖泊環境監測傳感器節點進行集成管理。謝啟順[13]提出水資源監測物聯網平臺的設計，利用ZigBee無線傳感器網絡實現水資源數據采集。孫啟玉等[14]提出一種基于云技術的物聯網智能灌溉系統，結合了云計算、物聯網、大數據等技術，對灌溉設備和物聯網終端控制器進行管理。韓續[15]基于百度云進行了MQTT協議擴展，完成了金山泵站監測設備的接入和管理。王文斌等[16]基于阿里云物聯網平臺，同樣利用MQTT協議，實現大型農業園區混流泵房的監測控制。上述研究解決了單一項目、單一協議、同類設備的集成管理。但由于水利物聯網設備建設階段不同、所屬項目不同、監測目標不同、實施單位不同，同一個管理區域、同一個工程的前端采集多種多樣[16-18]，現有物聯網平臺難以統一接入、管理，造成運維成本高、采集保證率低等問題難以解決。針對以上問題，本文設計研發了基于分布式混合存儲架構的多協議水利智能物聯感知平臺(圖1)。與現有物聯網平臺相比，該平臺能夠靈活處理主流的網絡通信協議和常見的水利報文協議，實現對水利行業已建和新建物聯網設備的統一接入和管理，支持基于規則的在線預警及多種水利設備協同響應。

圖1 水利智能物聯感知平臺總體架構Fig.1 System architecture diagram of water conservancy intelligent IoT perception platform

1 多樣水利感知設備靈活接入

設備接入管理可提供前端感知設備信息接入的一系列基礎能力，包括隔離設備接入的相關底層實現、通過通用型接口直接訪問不同廠商、協議的各類設備。

目前市場上存在多種前端感知設備，均具有不同的通訊協議或報文體系。報文通訊協議主要可劃分為通用型傳輸協議及專有協議兩大類型。其中通用型傳輸協議主要包括HTTP，MQTT，OPC等主流通訊協議。水利行業前端感知的報文規約主要包括國家水文規約、國家水資源規約、環保規約等。協議解析在底層提供相關協議解析能力，通過指定相關協議類型，返回解析后的結構化信息內容，分別提供通用傳輸協議解析及專有協議能力解析兩類主要接口。

協議管理提供一系列配置內容，供用戶進行選配，便于完成協議解析及信息接入。協議管理需要實現的內容包括協議字典、通道配置、協議配置、解析項配置等功能及接口。協議字典對報文解析后的內容提供協議字典管理及選項，包括字典名稱、字典代碼等，以便于對解析后的報文進行結構化處理；針對RTU等設備接入，提供通道相關配置，包括通道變化、通道名稱、通道組設置等基礎信息設定，以及完成通道與通道組、設備與通道等相關關聯配置；協議配置提供配置協議名稱、幀代號、報文類型、方向、協議版本、功能碼、解析項、編譯項、協議體系等協議相關內容；解析項配置提供解析項能力設置，包括名稱、長度、處理方法等相關配置。

水利感知設備在進行設備接入時，需對接入的設備進行協議、通道、工作模式、指令及心跳等系列配置，設備接入流程如圖2所示。

圖2 物聯感知設備接入流程Fig.2 The accessing process of IoT perception platform equipment

在進行協議配置時，應根據接入的具體設備進行協議選擇，便于正確對設備信息進行協議解析及報文結構化轉換；通道關聯提供設備與通道的關聯設定；工作模式管理支持自報、查詢/應答等方式，可以對設備的工作模式進行設置和調節；設備指令設置對設備的控制指令進行定義及關聯，以便于完成后續的終端控制、心跳應答等。設備心跳配置包括鏈路心跳配置及狀態心跳指令關聯，鏈路心跳是為了維持長連接，狀態心跳為設備注冊成功后按固定周期上報設備的運行信息，例如連接方式、設備時間、上報周期、采集周期、存儲周期、信號強度、存儲數據、未報數據、設備能量等。同時，服務器根據用戶預設的指令，可以通過對狀態心跳的應答，來調整部分設備運行參數，并可以對設備進行清空存儲數據、重啟等基本操作。

終端遠程控制是對設備的下行控制，指定設備、通道以及控制命令，用戶通過系統對非工業控制場景下的設備進行控制。針對已對接聯網、可實現控制的設備終端，物聯網平臺會實時采集設備運行狀態，并將運行狀態數據按統一標準格式上傳存儲、處理、顯示，需要相關數據做分析判斷時可直接調用。當根據調用數據分析產生對終端設備的控制或反饋需求時，物聯網平臺會將控制信息按統一標準格式下發，完成解析處理后，對終端設備發出控制指令。

在加強遠程控制能力的安全管控中，控制安全極為重要，它主要能夠實現控制識別、指令認證規則設定及控制日志等內容。控制識別通過令牌及非對稱加密進行實現，保障控制人的完整鑒別。指令認證規則設定實現相關認證規則的設置與解析，通過預先規則設定，物聯網平臺僅能執行數據平臺下發的控制命令，不能單獨對設備進行控制，以防止誤操作和惡意侵入。控制日志提供遠程控制的日志記錄，用于事故追蹤和故障恢復。

2 海量監測數據高效管理

數據存儲管理提供基于分布式的NoSQL數據存儲、索引、緩存，對設備信息、監控信息等提供相關通用表及字段編碼規則，并對非通用場景提供數據字段配置能力。為適應不同部署環境，客戶根據數據庫選型的不同，通過分布式結構和多重數據保障機制，實現數據安全的存儲。系統提供通用可配置數據入庫模塊，可適應數據庫結構變更，以增加系統的可移植性。

設計并實現通用字段規則，對符合標準的數據，按照分類標準進行分類、存儲。對不符合標準的數據，按照統一存儲的格式進行轉換，再按照分類標準進行分類、存儲。設備狀態心跳成功后，RTU將存儲的未報數據上報至數據庫服務器，數據上報報文的數據段主要包括數據采集設備的地址、采集的時間以及采集的實際數據。封裝底層數據接收與入庫基礎邏輯，對接數據庫配置，接收數據庫的數據信息并進行重新組織，去掉接收數據庫里的冗余和不合理數據、提取接收數據庫里的特征數據并加以處理，完成數據的接收入庫自動化，對于有糾錯能力的報文協議，進行數據糾錯，并針對入庫異常、數據不合理等情況，統一處理并進行推送通知。

針對已存儲的監控數據，進行簡單計算模型配置，并利用數據變量表完成數據的組織、管理和處理；基于公式、邏輯配置機制，實現通用完善的數據處理。

(1) 計算公式配置。具備簡單公式編輯能力，可對簡單計算進行公式設定，并能夠依據計算公式提供計算接口，輸出正確計算結果。

(2) 數據變量關聯及提取。公式與數據存儲表及字段間的關聯式實現公式計算的基礎，能夠進行公式與字段的關聯，并針對關聯字段，完成字段值的提取，實現整個計算邏輯。

在物聯網平臺數據解析、組織及存儲的基礎上，進行相關數據分發接口，以便于其他子平臺或模塊的前端數據直接調用。

3 設備實時在線預警及聯合響應

報警管理主要針對預警規則設定的報警情況，物聯網子平臺用戶可以根據各類設備特點及監測對象情況以及海量歷史監測數據，設置高限報警、低限報警以及超時報警規則，主要包含高限、低限閾值、超歷史極值以及電壓、電流、功率、溫度、壓力、流量、水位、水質等參數。當監測數據超過設定參數后，平臺可自動觸發報警并通過警情推送模塊進行消息推送，并提供數據查詢分析等服務。

報警管理主要包含實時警情及歷史警情兩個主要內容。其中實時警情根據硬件協議、初始值設置運行高低警戒線，觸發直接報警，并可對設備上報的最新警情進行查看，需對電壓、電流、功率、溫度、壓力、流量、水位、水質等參數進行設置；歷史警情可針對用戶設置時間范圍，查詢相應時段的警情信息。

平臺支持在物理模型中加入對預警和告警的響應，且支持不同設備間的聯動響應。在供水自動化的場景中，當水泵的高位水池水位低于設定的閾值，水泵會啟動上水作業。在水泵啟動前，響應規則會首先檢查低位水池的水位，在滿足安全運行條件后才允許水泵啟動。

對接短信平臺接口、郵件接口及web socket長連接接口信息推送，并與報警管理相關接口對接，完成警情信息的實時推送。其中，短信平臺接口涉及不同平臺接口定義不一致的情況，僅提供通用性短信結構化信息構成接口，不直接對接具體短信平臺。

4 平臺應用

水利智能物聯網平臺研發成功后，先后在“互聯網+”城鄉供水、智慧灌區、水環境監測、智慧工地等多個領域投入應用，并取得較好的應用效果。其中，在寧夏彭陽“互聯網+”城鄉供水項目中，共接入泵站監控45座、蓄水池監控92座、管網監測監控407處、聯戶表井監控7 466座以及智能水表4.3萬塊。上述設備上報頻率在5～30 min/次，全部通過無線通信直聯至平臺。經過3 a的運行檢驗，平臺運行穩定，上行采集與下行控制準確通暢，為應用系統功能提供了順暢的感知數據和預警支撐，經受住了高并發、海量數據等考驗。

5 結 語

針對水利行業物聯網前端感知設備品類繁多、協議多樣、運維困難的實際問題，本文提出了面向多協議的水利智能物聯感知平臺的設計，并在多個智慧水利項目中成功應用。該平臺在物聯感知設備接入方面，考慮了常用的通信協議和水利報文規約規范，克服了現有水利物聯網平臺在統一接入方面的瓶頸，實現了多階段、多項目、多對象、多廠商的前端設備統一管理；應用關系型數據庫、時序數據庫、內存數據庫的特點，實現了海量監測數據的高效存儲和管理。同時，得益于多樣設備的統一接入，該平臺能夠實現在線實時預警，并根據規則實現關聯設備的協同響應。