基于物聯網的供水監管系統設計與應用

陳斌　黃凱寧　林金玉　徐嬌嬌

摘? 要：供水安全一直是民生關注的焦點，用水安全關系到廣大人民群眾的身體健康，因此，智慧水務是智慧城市建設中重要的一環。供水監管系統引入物聯網架構建立起人-機-大數據的供水安全保護屏障。系統由可視化監管系統和便攜式巡檢APP組成，實現對原水、工藝、設備、工單、人員、資料等全流程監管，運用“物聯網+移動應用”的巡檢方式，做到對供水企業人、物、制度等要素的規范化管理，實現生產高度保障、供水安全高度保障。

關鍵詞：供水安全；物聯網技術；供水監測；巡檢管理

中圖分類號：TP315；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）19-0176-05

Design and Application of Water Supply Supervision System Based on Internet of Things

CHEN Bin， HUANG Kaining， LIN Jinyu， XU Jiaojiao

（School of Computer Science and Information Engineering， Bengbu University， Bengbu? 233030， China）

Abstract： The safety of water supply has always been the focus of people's livelihood， and water safety is related to the health of general public. Therefore， smart water is an important part of smart city construction. The water supply security system introduces the Internet of Things architecture to establish a water supply safety protection barrier for people-machine-big data. The system is composed of a visual supervision system and a portable inspection APP， which realizes the whole process supervision of raw water， process， equipment， work order， personnel， data， etc. The inspection method of “Internet of Things + mobile application” is used to achieve standardized management of human， material， system and other elements of water supply enterprises， and realize high guarantee of production and water supply safety.

Keywords： water supply security; Internet of Things technology; water supply monitoring; inspection management

0? 引? 言

隨著我國經濟發展和人民生活水平的不斷提高，城市居民對飲水質量有了更高的要求[1]。對于供水企業而言，安全管理是否到位直接影響出廠水水質的安全性[2，3]。供水生產環節的常規化巡檢是保障供水的重要手段，但傳統水務仍存在一系列問題：管理模式老化，不能及時掌握系統運行狀態及變化；管理水平較低，運行數據留存、查詢不便，對水質的各項參數也不能及時掌控等[4]。監測數據的可視化呈現較弱，不利于系統管理人員對數據進行分析。針對以上問題，本項目設計一款供水監管系統，該系統基于數據可視化技術、物聯網通信技術、軟件工程、數據庫技術等，對現有的水質設備監測數據、生產設備數據等進行采集、處理、分析及可視化，并通過建模進行水質安全預測、人員管理、設備生命周期管理、工單管理、信息管理等。基于物聯網的供水監管系統是新型信息技術賦能下的水務數字化轉型，也是支撐傳統水務行業突破短板、高質量發展的必然路徑與核心要務。

1? 供水監管系統背景及現狀

隨著居民對供水水質需求的提升，以及自動化技術和信息化管理的運用，我國供水監管系統大致經歷了如下四個階段：

第一階段：20世紀90年代初期，供水監管主要依靠人工勞動力為主。這一階段的監管主要表現在基礎信息的采集上，不同供水企業設計多種形式的報表，如水質信息、設備信息等，信息的采集需要水廠人員手動記錄。

第二階段：20世紀90年代末期，自動化技術初步發展，供水監管逐步實現閥門、泵站等設備的自動控制。水質、水壓、水量等涉水數據的監測水平大大提高[5，6]，但是要實現供水全流程的自動化依舊困難，仍需要大量人工勞動力進行補充。

第三階段：20世紀初，軟件開發技術和工具大力發展，數據傳感器應用于供水的全流程，以及各類數據傳感器、采集器之間漸漸實現了通信連接，讓部分設備數據能夠進行實時監控。這一時期基本實現了數據的初步處理，但數據仍以顯示為主，決策仍以人工為主，且日常的維護更新、工單管理等仍采用手工記錄。

第四階段：隨著水務企業對供水監管信息化需求的提高，我國的供水監管信息化工作開始步入了自動化、智能化階段[7，8]，供水企業開始逐步嘗試運用無線傳感器網絡、數據庫技術和現代移動通信等來建設企業自身的供水監管體系。建立取水、制水、供水等多個關鍵環節的監控，實現對水源環境、生產狀態的24小時監控，防止供水事故的發生，降低水質污染的風險，提高用水質量，提升供水企業的管理水平。

相比其他行業而言，供水行業在我國是一個比較傳統的行業，現代科技的運用尚未完全普及。仍存在不同機器設備與水質數據之間的信息孤島問題，水廠文字資料管理尚未實現信息化，人員管理以排班表和電話通知為主。這些問題都不利于供水企業生產管理效率的提升。如果供水監管系統能夠廣泛運用新一代科學技術，有力地刺激物聯網、智能儀表等的發展，助推水務行業與新興產業的融合發展，相關產業也將隨著智慧水務的建設迎來一輪新的發展機遇。

基于物聯網的供水監管系統將使用物聯網框架，對數據進行采集和傳輸，利用通信技術實現數據的實時監控，并運用軟件工程開發供水監管系統的服務端和終端，實現在傳統水務生產管理平臺的基礎上對整個業務流程進行升級和改造，并且在開發的過程中立足于當前水廠和企業共同面臨的新問題、新需求，以實際用戶體驗為導向進行創新和開發。基于物聯網的供水監管系統將全面解決信息孤島、數據同步等實際問題。隨著基于物聯網的供水監管系統的全面推廣，為智慧水務行業的可持續發展帶來新的力量。

2? 系統的總體設計

2.1? 系統結構

本項目從蚌埠區域供水水質及信息化綜合現狀著手，對區域供水水質數據進行采集、分析和統計，并對蚌埠區域的典型污染物和一般污染物進行文獻調研。利用數據處理和分析技術、數據建模、大數據及其可視化技術、軟件工程等實現數據的單一參數、多維參數的統計分析，并對水質指標的相關性進行分析。建立蚌埠區域供水分析指標體系的構建和風險等級的劃分，并對異常情況進行判斷和預測。針對現有的管理流程和巡檢模式的特性，分析日常水質監測、檢測和生產管理的需求，開發了模塊化的物聯網的供水監管系統。系統自下而上包括感知層、網絡層和應用層，系統總體架構如圖1所示。

2.1.1? 感知模塊

在物聯網體系結構模型中，感知層位于底層，是實現物聯網的基礎，是聯系物理世界與虛擬世界的紐帶。主要功能是信息感知、采集與控制，包含室內和室外的水質監測設備、生產控制設備等傳感器、通信終端模塊。

2.1.2? 通信模塊

主要功能是通過通信網絡，實現感知數據和控制信息的雙向傳遞。水質數據采用5分鐘周期采集，數據量小，因此系統用NB-IoT通信模塊實現數據互通，以及數據的高效傳輸，終端數據采集后直接上傳到云端數據庫，以便存儲和下一步的數據分析。

2.1.3? 應用層模塊

應用層采用三層分離式的架構設計，自下而上包括數據層、業務邏輯層、視圖層。這種架構可以使系統內部更加緊湊，外部層層通過接口進行交互，使得整體關聯性很高，每一層中功能相互獨立，使得每個部分在使用時不會出現接口相撞情況，但在每一層大的架構下，這些功能又是一個整體，層與層之間也是相互獨立，只有需要訪問時才通過接口進行交互，整個系統就形成了內部高聚合外部低耦合，有效提高系統的可擴展性和可靠性，降低系統的維護成本。

1）數據層。數據的儲存，包括文檔數據和實時數據，也包括錄入數據、業務數據、統計數據和其他數據。

2）業務邏輯層。大致包括水質監測、基本配置、人員管理，業務接口、巡檢模塊、統計分析與輔助決策業務處理邏輯。利用經過分析處理的水質感知數據，為用戶提供不同類型的特定服務，利用云計算、數據挖掘、中間件等實現感知數據的語義理解、推理、決策。同時服務器端與巡檢APP的信息交互實現巡檢管理的全面落實。用戶只需要通過瀏覽器（視圖層）向服務器發送請求，由服務器對數據進行相應的處理，將結果傳回客戶端。

3）視圖層。用于實現人機交互的客戶端，也就是訪問系統，包括服務器端、巡檢APP。

2.2? 系統開發環境

針對傳統技術采用C/S結構的不足，本系統服務器端設計B/S架構[9]。前端采用JavaScript單線程語言，Vue框架配合Element UI組件進行架構和功能實現，Vue-router實現單頁路由，使頁面非常整潔；后端采用Java面向對象程序設計語言，Spring boot框架，Redis數據緩存。Redis具有高效的特點，系統采用其作為緩存技術方案，可解決數據庫壓力造成的延遲現象，又能提高讀寫效率，進而提升系統的訪問速度。數據庫采用PostgreSQL，它是一種先進的關系型數據庫管理系統，具有更高的普適性，針對大數據優化，功能強大，穩定可靠[10]。巡檢APP模塊的設計語言和服務器端基本一致，前端應用框架采用UNI-APP，該框架具有跨平臺優勢，實現一次編譯多端運行，開發高效，成本更低[11]。巡檢模塊與服務器端共享同一數據庫，也具備對數據庫的操作權限。

3? 系統功能及實現

3.1? 水質監測模塊

對原水、供水生產環節、出水水質等監測指標進行實時監控和顯示，水質必測指標一般可分為四類：感官性狀、一般化學指標、毒理學指標和細菌學指標，主要包括對pH值、高錳酸鉀、渾濁度等指標的監測，針對水務相關信息再進行深度挖掘與統計分析。大數據的運用和可視化，有利于多維度展示供水水質的狀態，利于管理者進行決策。實時在線監測為管理人員提供應急處理能力，從而建立起人—機—大數據的供水安全保護屏障。如圖2所示。

3.2? 基本配置模塊

基本配置模塊主要包含水廠、構筑物、設備、設備巡檢內容的配置。管理員具有對水廠、構筑物、設備、設備巡檢內容的增、刪、改、查功能權限。系統模塊化設置，主要設有四個級別：廠級—構筑物—設備級—參數級，管理員需要對管理的水廠、構筑物模塊、巡檢設備以及設備內的巡檢內容進行配置。

3.3? 人員管理模塊

人員管理模塊分為用戶管理、角色管理。通過人員管理進行用戶賬號的管理，包括用戶名、密碼、個人信息的描述等。角色管理實現對人員角色配置，主要包含廠長、總經理、電工、水工、鉗工、制水工等工種的班長及其管理的工種巡檢員。由于水廠的生產管理過程涉及的責任重大，這里面的相關信息數據要做到保密，因而哪些用戶可以登錄系統是一個非常重要的問題，這涉及水廠數據的安全性。在用戶登錄問題上，采取的解決方式是由超級管理員統一添加合法用戶。管理員會為每個用戶賦予一個賬號和密碼，用戶都是通過管理員給定的固定賬號和密碼登錄系統，同時不同用戶配置的權限及工作內容也不盡相同，充分體現了系統的靈活性。

3.4? 信息管理模塊

信息管理模塊是生產管理流程的核心，貫穿整套系統，該模塊涉及巡檢記錄、工單記錄、交接班記錄。巡檢記錄為巡檢人員提供編寫的信息化記錄，可對比巡檢化驗數據和控制設備運行數據；工單記錄主要涉及日常維修、設備異常、應急管理等，為方便水廠人員使用，系統設置了可視化的配置流程；交接班記錄是對巡檢人工作交接班信息進行保存。

信息管理模塊除了具有增、刪、改、查數據信息之外，還支持巡檢數據的保存和備份，提供歷史的軌跡回放、工作情況等的重現和可追溯，能夠隨時調閱歷史工作資料，進行各項工作的過程重現、軌跡等分析統計工作等。支持構筑物的水質參數、巡檢數據自定義導出報表助力數據分析、巡檢復盤。

4? 巡檢APP功能設計

水廠智能巡檢APP設計目標為有效解決當前水廠巡檢設備的現狀，幫助工作人員減輕煩瑣的巡檢工作量，節省水廠傳統巡檢所需浪費的人力物力，最大程度預防設備故障及時反饋設備信息，可以切實有效地提高水廠設備的工作效率，從而大大提高水廠的安全和業績保障。此系統分為五個功能模塊和三個信息模塊。功能模塊有日常巡檢、基本情況、設備狀態、工單管理和巡檢記錄；信息模塊有交接班、消息管理和個人信息管理。圖3為巡檢APP主界面。

4.1? 巡檢功能模塊

巡檢人員通過賬號登錄，對管理員下發的巡檢任務執行巡檢工作，代替了紙質化的巡檢方式，操作更加便捷，在巡檢過程中，攜帶手持終端，通過NFC標簽識別對應的構筑物及設備，錄入設備情況，包含對該生產環境的各項指指標是否異常的記錄（如圖4所示），同時利用GPS和GPRS實現巡檢軌跡的回溯，也是對巡檢員工作的監督。

4.2? 工單管理模塊

工單管理模塊可以實現對工單的發起和查詢，如圖5所示。如果巡檢人員發現現場隱患，可以利用手持終端拍攝現場照片實時上傳到供水監管系統中，系統提示管理人員進行處理，能夠結合地圖圖文并茂地展現隱患現場，有助于掌握隱患分布情況，調整區域巡查力度，實時明確工作重點，并可以設置隱患高發區進行單獨管理，以防再次發生隱患。

4.3? 信息模塊

信息模塊由公告和消息提醒組成。管理員通過服務端發起公告，公告內容會在巡檢端主頁顯示，實現緊急情況的及時下達；消息提醒是工單的提示，使維修人員及時了解維修任務，減少不必要的損失。

4.4? 數據資料模塊

數據資料是對設備信息手冊、維修手冊、風險管理手冊、技能培訓手冊等的歸檔，包括對變頻設備的使用、常見故障處理、濾池管理、電氣常識、水量計量、水質檢測，為工作人員在工作過程中提供更加便捷的查詢資料的途徑，有利于工作者更科學的決策，應對異常狀況。

4.5? 交班、接班模塊

交接、接班模塊是對巡檢人員工作交接的記錄，可使工作透明化。對巡檢人員進行實時數據統計，記錄所有巡檢人員的工作情況、出勤情況和工作狀態，包括工作計劃完成情況。接班人員到達接班地點后進行接班，服務器記錄交接班人員的操作信息。

5? 基于物聯網的供水監管系統應用

不同水廠根據其不同供水量的要求，設置的工藝環節、工藝設備、工藝參數和監管體制也不盡相同，例如：一個水泵設備如出現異常情況，先要分析產生異常的原因是機械故障還是供電故障，因此需要電氣工程師、機械工程師、運行班組人員同時到場解決問題，耗費大量人力物力。基于物聯網的供水監管系統，集日常巡檢、工單管理、信息模塊、數據資料模塊和交接班模塊等于一體，可有效解決巡檢工作量大、巡檢工作繁雜的問題，節省人力物力，最大程度監控和預防設備故障，并及時反饋工藝、設備運行信息，切實有效地提高水廠工作效率，從而大大提高水廠的安全和運營保障。綜上，系統具有如下優勢。

5.1? 云物聯模塊保障數據實時準確可靠

水廠設備和工藝等數據信息對后面的工藝環節和整廠的全流程管理起到至關重要的作用，需要確保數據的實時性、準確性、可靠性，利用云物聯模塊搭建了智能終端和可視化應用的橋梁，云物聯模塊由云服務器、移動巡檢APP、網頁瀏覽器組成，實現了終端監測模塊數據的傳輸、存儲、分析、顯示，通過應用層可視化界面預警預報異常信息，不同角色人員可以看到與自己相關的業務信息。

5.2? 構建標準化全流程巡檢體系

云物聯模塊和巡檢APP的開發，可以根據不同角色和巡檢規劃設置巡檢路線和巡檢內容，巡檢記錄可通過圖片和語言記錄，后期進行識別后方便查詢和檢索，并提供了水廠構筑物和設備的可視化巡檢記錄。因此，基于物聯網的供水監管系統有效彌補了人工巡檢方式的不足，采用的技術都是開源性的，每個功能都具有可循環性，降低了軟件開發的周期。

同時，在巡檢設備時如發現設備故障，還可直接跳轉生成工單，并對處理工單人員發出同步提醒。這些功能直接設置到手機端APP中，操作簡便易懂。因此巡檢流程不僅實現了標準化業務操作，也幫助水廠運營管理人員形成了規范性操作習慣。

5.3? 全面感知及時預警

基于物聯網的供水監管系統，結合在線監測、日常巡檢全面感知整廠的工藝、設備、人員信息。巡檢人員通過二維碼、NFC標簽打開設備巡檢頁面，通過圖片、語言上傳記錄故障設備，自動調用工單管理中新增的功能，定位到設備點及設備參數，為不同角色人員定點、突出排查提供了便利，減少了巡檢工作量；異常信息同步到云物聯服務器中，應用層可視化界面同步預警異常。

6? 結? 論

基于物聯網的供水監管系統以供水生產實際需求為出發點，對監控需求和現有信息化情況進行了充分調研，實現了對蚌埠區域供水環境質量和生產的實時監控，為管理者提供參考指標，為蚌埠區域供水安全和快速預警監測提供有效的依據。系統運用Spring Boot、Redis技術，實現了水廠管理、構筑物管理、數據配置、文件管理等六個功能。通過系統可以集中查看所有的水質數據信息，查看具體設備的運行參數及維修信息，查看水廠的音頻、視頻資料信息，并可以方便地進行查詢、檢索和統計。為企業巡回檢查制度的落實及資源管理提供了技術上的保障及手段，實現對巡檢作業人員的實時監管，對設備進行保養、盤點、檢查等多項業務應用，助推各項制度的落實，助力管理責任的明確，從而降低設備故障率，提高供水可靠性，使得供水安全得到保障。

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作者簡介：陳斌（2001—），男，漢族，安徽合肥人，本科在讀，研究方向：物聯網工程與設計、軟件工程；通訊作者：黃凱寧（1982—），女，漢族，黑龍江鶴崗人，高級工程師，碩士，研究方向：數據挖掘、物聯網工程；林金玉（2003—），

女，漢族，安徽安慶人，本科在讀，研究方向：物聯網工程與設計、軟件工程；徐嬌嬌（2003—），女，漢族，安徽六安人，本科在讀，研究方向：物聯網工程與設計、軟件工程。

收稿日期：2023-04-16

基金項目：安徽省自然科學重點項目（KJ2020A0743）；2021安徽省質量工程項目（2021jyxm0908）；2021年安徽省大學生創新創業訓練計劃項目（202111305066）