蘭州市二次供水綜合管理系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用

來耀明

（蘭州城市供水（集團）有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

蘭州市供水系統(tǒng)的質(zhì)量決定了該市居民是否能獲得優(yōu)質(zhì)水。因此，蘭州市供水集團不僅要負責管理客戶關(guān)于供水的信息整個產(chǎn)業(yè)鏈、成本等，而且要對供水的整個環(huán)節(jié)、費用等進行管理。

蘭州城市供水范圍內(nèi)人口2020 年為324 萬人，年供水量2.5 億m3（東市區(qū)過濾水量1.67 億）。其中東市區(qū)高坪偏遠地區(qū)通過各自區(qū)域內(nèi)加壓泵站二次加壓保障供水，全市目前已建立加壓泵站23 座。涵蓋九州、伏龍坪、五星坪、鹽場堡以及蘭州碧桂園、和平、定遠、夏官營等地區(qū)。2020 年實際加壓供水量2500 萬m3，占東市區(qū)總供水量15%，服務(wù)供水人數(shù)超50 萬人。因為二次供水監(jiān)控系統(tǒng)工作時，主要采集泵組進出口壓力、工作頻率、啟停狀態(tài)、功率，以及泵房環(huán)境溫濕度、樓層高度、煙霧傳感器、UPS 狀態(tài)、視頻、紅外入侵等數(shù)據(jù)，然后檢測數(shù)據(jù)通過光纖VPN 通訊上傳，同時在前端將數(shù)據(jù)處理與監(jiān)視控制利用工業(yè)組態(tài)軟件處理，這樣便滿足了采集速度要求高、數(shù)據(jù)存儲量大的要求。

原有的監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測和數(shù)據(jù)控制方面功能齊全，但隨著管理要求的不斷提高，在數(shù)據(jù)存儲和運行、預(yù)警和決策方面有很大的局限性，需要對原有系統(tǒng)進行升級。

供水公司提出并實施了二次供水綜合管理系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的更新，該系統(tǒng)已全面完成，并在2021 年年底前部署。本文介紹了一個最新的綜合二次供水管理系統(tǒng)。

2 二次供水綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)

基于IOS/Android 的移動端應(yīng)用平臺、基于B/S 結(jié)構(gòu)的WEB 端管理平臺和基于C/S 結(jié)構(gòu)的客戶端監(jiān)控平臺組成了二次供水綜合管理系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）系統(tǒng)核心是基于C/S 結(jié)構(gòu)的客戶跟蹤平臺。由一個通信網(wǎng)絡(luò)、一臺下位機、一臺上位機、一個工程站和一臺前置機組成。上位機包含監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)存儲和視頻監(jiān)控服務(wù)器。下位機包含RTU、視頻攝像頭、傳感器和各種壓力、液位、溫度/濕度和噪聲傳感器。前置機器主要作為上層和下層計算機之間的通信和對話中介，為數(shù)據(jù)采集和傳輸前的數(shù)據(jù)打包、分析、存儲和分發(fā)以及其他處理提供OPC 類型的服務(wù)。通信網(wǎng)絡(luò)主要采用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）的形式，確保安全性和可靠性。

（2）B/S 架構(gòu)是C/S 架構(gòu)的增強版，在這種架構(gòu)下，對已部署系統(tǒng)的訪問主要是通過瀏覽器進行，是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的常見形式，其網(wǎng)絡(luò)管理平臺的結(jié)構(gòu)是一個用Python開發(fā)的完整的管理應(yīng)用平臺，采用MongoDB 數(shù)據(jù)存儲和通用的Redis 架構(gòu)。B/S 側(cè)的硬件信息數(shù)據(jù)源主要負責接口。運行信息數(shù)據(jù)主要由系統(tǒng)自動生成，屬于用戶輸入配置，通過二次數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)為用戶提供豐富的功能和準確的信息。

（3）移動終端是在IOS/Android 基礎(chǔ)上開發(fā)的移動應(yīng)用,數(shù)據(jù)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)和中心服務(wù)器傳輸。

3 二次供水綜合管理系統(tǒng)應(yīng)用和功能

3.1 C/S 端功能與應(yīng)用

C/S 終端是整個系統(tǒng)的核心，主要負責數(shù)據(jù)采集和存儲、狀態(tài)顯示、設(shè)備管理和視頻安全監(jiān)控。它可以直接與現(xiàn)場的設(shè)備進行通信。這個功能模塊主要開放給調(diào)度部門和運維技術(shù)人員授權(quán)。該監(jiān)測終端允許調(diào)度員監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，如壓力、流量、電壓、電流、頻率、泵的狀態(tài)、水位、溫度和濕度、噪音、pH 值、濁度和余氯。它還允許他們通過設(shè)置和調(diào)整壓力、啟動和停止泵、切換電氣控制閥門、重置變頻器故障、視頻監(jiān)控、移動監(jiān)控、布防和撤防等方式遠程控制設(shè)備。重點是實施遠程設(shè)備控制功能，因為它可以直接與現(xiàn)場的設(shè)備進行通信。C/S 監(jiān)控信息的更新、異常維護和數(shù)據(jù)修正任務(wù)主要由運行和維護工程師主要負責。

3.2 B/S 端功能與應(yīng)用

3.2.1 數(shù)據(jù)展示

系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，一方面，可以對二次供水的泵房環(huán)境工況進行展示，可以展示泵房的溫濕度，煙感變化、UPS 電源供電狀況，設(shè)備房噪聲等環(huán)境因素；另一方面，可以對二次供水的設(shè)備運行工況進行展示，可以展示泵機電流電壓的實時數(shù)據(jù)及變化，水位進出口的壓力值，水流量、運行狀態(tài)、變頻器頻率、變頻器溫度、參數(shù)設(shè)定值等數(shù)據(jù)。并且利用列表、GIS 圖、工藝圖等方式進行更加直觀地展示，監(jiān)控界面如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控界面

3.2.2 預(yù)報警提示

現(xiàn)場需設(shè)置實時的報警功能，反映二次供水系統(tǒng)泵房運行狀態(tài)和設(shè)備的工作狀態(tài)，如監(jiān)測，例如，監(jiān)測停電與否、壓力狀況、水箱溢出等異常狀態(tài)，若出現(xiàn)此類情況，系統(tǒng)將觸發(fā)報警系統(tǒng)，及時且自動進行報警。當系統(tǒng)聲音提示報警時，系統(tǒng)操作人員可根據(jù)報警信息分析判斷。

需要對一些不影響正常供水的，時效性不高的狀況進行預(yù)報警，比如換泵過于頻繁、長時間以較低頻率進行運行、水箱的換水周期過程長、長時間不更換水泵、能耗高、水壓波動過大等，采取預(yù)報警措施，可提前采取防范措施，進行隱患排查，降低故障發(fā)生的概率、使設(shè)備更加可靠穩(wěn)定運行。

3.2.3 數(shù)據(jù)分析

為提高工作效率，方便運行維護管理人員掌握設(shè)備的運行工況，工作人員需觀測并分析泵房中產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)。

（1）水壓分析。主要是對二次供水設(shè)備的進出口壓力、設(shè)定的壓力等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行顯示，以便對得到的數(shù)據(jù)進行分析，也可按照以年、月、日為周期，進行統(tǒng)計分析，最終以報表或者曲線形式展示水壓的一些參數(shù)及其主要參數(shù)出現(xiàn)的時間，包括其平均值、振幅、最高值、最低值、變化系統(tǒng)等參數(shù)。

（2）能耗分析。主要對監(jiān)測到的某一供水泵房或某一運行設(shè)備為監(jiān)測對象進行數(shù)據(jù)的分析，可以對采集的數(shù)據(jù)進行縱向?qū)Ρ确治鲆约皺M向?qū)Ρ确治觥Ｈ魧δ承^(qū)的供水泵房開展能耗的縱向?qū)Ρ确治觯鶕?jù)監(jiān)測到的年度數(shù)據(jù)的能耗分析，可以對四季更替是否影響用水量進行分析對比，并且能夠比較能耗的差異；根據(jù)監(jiān)測到的月度數(shù)據(jù)的能耗分析，可以對雙休日與工作日不同用水量進行分析對比，并進行能耗差異分析，也可對設(shè)備維護保養(yǎng)前后不同用水量進行分析對比，并分析能耗的差異；根據(jù)監(jiān)測的每日數(shù)據(jù)的能耗分析，可以對早、晚用水高峰與其他時間段的用水量進行分析對比，并分析能耗的差異。相比縱向分析而言，能耗的橫向?qū)Ρ确治觯梢詫Ρ梅俊⒂脩袅俊⑷胱÷实炔町惽闆r進行分析。

（3）水質(zhì)分析。主要是對水中各種成分的含量進行數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析，比如，水的濁度程度、余氯量、pH值等。二次供水系統(tǒng)的二次水污染由低位蓄水池或高位水箱造成，二者容易對用水的安全產(chǎn)生影響。加強對二次供水系統(tǒng)水質(zhì)的監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析是很重要的，加強貯水量等情況的監(jiān)測，確保二次供水系統(tǒng)的水質(zhì)。二次供水相比較直接供水，其管路環(huán)節(jié)較多，因此，對水質(zhì)保障的要求就更高。

（4）泵機運行狀態(tài)分析。一般用帶狀圖形式來展示泵機的運行狀態(tài)，并進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，可以監(jiān)測到二次供水系統(tǒng)其泵機的運行情況，其主要監(jiān)測數(shù)據(jù)包含泵機的啟動與停機時間，工頻與變頻的啟動、停機時間以及開關(guān)系數(shù)。

（5）自定義分析。系統(tǒng)可根據(jù)用戶其所需的屬性，對二次供水系統(tǒng)設(shè)備運行的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分類，歸納分析。

3.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

為推進落實運行管理工作，提供切實可信的數(shù)據(jù)依據(jù)，根據(jù)管理需要，系統(tǒng)可選取數(shù)據(jù)進行記錄，并形成統(tǒng)計報表，如圖3 所示。

圖3 泵房供水量統(tǒng)計

（1）設(shè)備在線率。對所有系統(tǒng)監(jiān)管下的設(shè)備進行在線統(tǒng)計，并在設(shè)備出現(xiàn)故障情況下進行預(yù)警提示，如通訊反復異常、信號弱、設(shè)備連接中斷等，同時系統(tǒng)會對當前情況做出判斷，排查故障原因并采取對應(yīng)措施，保證系統(tǒng)監(jiān)控下的設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。

（2）設(shè)備完好率。統(tǒng)計設(shè)備的完好率，用設(shè)備故障報警等級分類情況來評價設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

（3）供水率。根據(jù)平臺提供的泵房供水量信息，設(shè)備預(yù)警級別等，系統(tǒng)可自動記錄預(yù)警用戶數(shù)、且根據(jù)具體未送達水源的信息，給住戶實施及時地送、補水應(yīng)急方案。

（4）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計。為方便管理工作，應(yīng)統(tǒng)計日常的泵房巡檢次數(shù)、設(shè)備保養(yǎng)狀況、工單的解決狀況、隱患排查整改等業(yè)務(wù)，并根據(jù)日期、責任人、完成狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行匯總。

3.2.5 業(yè)務(wù)管理

（1）工單管理。主要用于跟蹤、記錄、反饋各種工作的完成情況、實現(xiàn)工作流程電子化可視化，使工作流程達到閉環(huán)控制，提高綜合管理能力。

（2）巡檢管理。不同于傳統(tǒng)的固定線路巡檢，使用者可根據(jù)自身需求自制巡檢計劃，下發(fā)給系統(tǒng)生成對應(yīng)工單，系統(tǒng)再下達指令給負責人。結(jié)束作業(yè)后，負責人可利用APP 將巡檢信息進行反饋和上報。

（3）維保管理。根據(jù)保養(yǎng)計劃，系統(tǒng)生成保養(yǎng)工單，工作人員開展保養(yǎng)工作，并進行工作后續(xù)的落實。根據(jù)故障報警、巡檢人員通過APP 的反饋以及臨時抽查抽檢等情況，系統(tǒng)可以制定整改計劃，若有故障無法及時排除，需要建立臺賬，進行隱患排查記錄、方便后續(xù)進行排查整改。

（4）數(shù)據(jù)管理。建立泵房信息數(shù)據(jù)庫，將用戶所在社區(qū)基本信息、泵房基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、所處環(huán)境信息、泵機參數(shù)、技術(shù)規(guī)范、運維數(shù)據(jù)、泵機工作歷史記錄、泵機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)計圖紙等匯總納入數(shù)據(jù)庫，建立線上數(shù)據(jù)檔案庫，監(jiān)控泵房設(shè)備從設(shè)備運轉(zhuǎn)、健康維護、整修換件到全面報廢的全生命周期過程。

（5）人員管理。實現(xiàn)工作人員的線上作業(yè)安排，責任劃分明確，任務(wù)具體詳盡，人員工作進度有章可循，利用系統(tǒng)平臺可根據(jù)需求實現(xiàn)人員的實時調(diào)配與工作任務(wù)再分配，合理高效地實現(xiàn)人員管理。

3.3 移動端功能與應(yīng)用

二次供水移動端APP 是可用于監(jiān)控二次供水系統(tǒng)的移動應(yīng)用軟件，具有數(shù)據(jù)瀏覽、即時通訊、信息查詢等功能。在物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立二次供水系統(tǒng)應(yīng)用管理平臺，縮短系統(tǒng)維護的響應(yīng)時間，降低設(shè)備故障率和運維成本，從而更好地保證供水質(zhì)量。

移動終端可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息化交融，與WEB 端平臺保持聯(lián)動、數(shù)據(jù)互通。幫助普通用戶全方面了解系統(tǒng)平臺的單位信息體系。加強管理質(zhì)量，提高決策效率。主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、工單處理、信息查詢、歷史查閱、泵機定位等功能。

（1）數(shù)據(jù)查詢。利用選項卡，將信息進行統(tǒng)一分類，方便用戶查看各項動態(tài)數(shù)據(jù)。點擊動態(tài)數(shù)據(jù)可呈現(xiàn)報表或信息曲線，便于后臺人員進行數(shù)據(jù)處理。

（2）工單處理。傳統(tǒng)工單需在WEB 端進行制定與查看，移動端的使用大大縮短維修、巡檢、保養(yǎng)等任務(wù)的下發(fā)過程，現(xiàn)場人員可直接通過手機等了解工作內(nèi)容，及時處理異常事故或維修任務(wù)，并在完成任務(wù)后將現(xiàn)場情況借助移動端反饋至后臺，使平臺間信息傳遞暢通無阻。

（3）信息查詢。工作人員可以借助移動端確定每個泵房中泵機的基本數(shù)據(jù)、歷史工單情況等，能為用戶帶來更多保障。

（4）歷史查閱。工作人員可明確查詢某個泵機的具體歷史運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，了解該站的歷史情況。

（5）泵機定位。相較傳統(tǒng)的地圖定位或記憶定位，工作人員可通過移動端導航前往某站泵機處，并能通過地圖了解整個區(qū)域內(nèi)泵站分布情況。

3.4 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)已在蘭州市投入使用，效果如下：

（1）提升蘭州市二次供水的安全保障。通過總結(jié)歷史運行數(shù)據(jù)與預(yù)警工單，結(jié)合小區(qū)用水實際數(shù)據(jù)，制定了適用于大部分社區(qū)的通用故障預(yù)警識別規(guī)則與條件，使工作人員能夠及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，并且能夠針對滿足條件的非故障設(shè)備進行保養(yǎng)提示，縮減維修成本與故障隱患。如某小區(qū)泵機顯示報警信息，出水壓力上下起伏較大，通過移動端設(shè)備可查看壓力記錄曲線不正常，線條顯示為鋸齒波，通過歷史信息查詢可發(fā)現(xiàn)該小區(qū)3 日內(nèi)耗電量均比上月均值上升了21%。經(jīng)工作人員核實，報警原因為出水穩(wěn)壓罐內(nèi)壓力較小，若住戶用水流量較小，會導致泵機反復啟動，增加耗電量。修復后各項數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，警報解除。該系統(tǒng)保證工作人員及時發(fā)現(xiàn)問題并解決，減少用戶費用損耗，確保實時監(jiān)控泵機等設(shè)備的運轉(zhuǎn)。

（2）規(guī)范管理制度，提高工作效率。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)三合一的聯(lián)合驅(qū)動，將工作中的實踐、理論知識在標準要求的約束下，與系統(tǒng)有機結(jié)合，為新一代管理手段提供技術(shù)支持，如“數(shù)字化巡查”。將員工的日常保養(yǎng)、巡查計劃數(shù)字化，通過移動端查詢相應(yīng)安排，向高效率作業(yè)發(fā)展。

（3）實時監(jiān)控設(shè)備各項數(shù)據(jù)，為優(yōu)化運行、減少能耗做參考。社區(qū)用水量的峰值與谷值時間可作為用水信息的收集與改善水泵參數(shù)的重要依據(jù)，通過系統(tǒng)對泵房信息的實時監(jiān)控，可得到出水壓力數(shù)據(jù)，進行曲線分析后便可得到峰值、谷值時間。觀察壓力曲線的起伏，調(diào)整變頻器系數(shù)，同時根據(jù)現(xiàn)場情況改變泵機系統(tǒng)PLC加減速時間，使小區(qū)出水壓力異常得到改善。對各項設(shè)備的能耗分析，可讓工作人員及時調(diào)整其運行狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能目的。

（4）整體業(yè)務(wù)開展更加制度化，實現(xiàn)閉環(huán)控制。通過該系統(tǒng)平臺達到業(yè)務(wù)一體化，實現(xiàn)實時監(jiān)控巡查、養(yǎng)護等工作，達到計劃開展、作業(yè)派發(fā)、現(xiàn)場工作、數(shù)據(jù)反饋、分析判斷等順利執(zhí)行，實現(xiàn)閉環(huán)控制，讓工作開展更加高效、可控。

4 結(jié)語

蘭州市二次供水綜合管理系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用和開展工作的管理、維護人員密切相關(guān)，缺一不可。系統(tǒng)相應(yīng)的應(yīng)用與功能也在不斷地開發(fā)完善，將更加人性化、與現(xiàn)場結(jié)合更緊密。同時，該系統(tǒng)也應(yīng)加強推廣力度，讓更多用戶能享受到此系統(tǒng)帶來的便利。