物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下污水處理廠設(shè)備管理系統(tǒng)的開發(fā)

覃 麗，史勝波，湯 磊，古麗拜爾

TAN Li, SHI Sheng-bo, TANG Lei, GU Li-bai-er

（新疆克拉瑪依市排水管理處，克拉瑪依 834000）

0 引言

克拉瑪依市屬共三座污水處理廠。各污水處理廠的日常生產(chǎn)中，對(duì)各類設(shè)備的管理是保證工藝正常運(yùn)行的重中之重，但目前三座污水處理廠的設(shè)備管理還屬于原始的手工登記管理，存在管理手段滯后、效率低下的問題。本文所述的設(shè)備移動(dòng)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)，為污水處理廠的設(shè)備管理方式帶來新的理念與優(yōu)化。

1 設(shè)備管理現(xiàn)狀及存在問題

1.1 管理方式還處于初級(jí)階段

克拉瑪依市屬的三座污水處理廠均存在設(shè)備管理方式方法落后的問題，以第二污水處理廠為例。第二污水處理廠于2011年建成并試運(yùn)行，其自動(dòng)化程度先進(jìn)并配置了完善的工控系統(tǒng)。但在污水處理廠日常運(yùn)行中，設(shè)備管理仍處于人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢維護(hù)、手工登記設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和建立紙質(zhì)版設(shè)備臺(tái)賬的較為原始的管理方式。系統(tǒng)管理主要側(cè)重于設(shè)備實(shí)物的完整性、安全性，對(duì)如何管好、用好設(shè)備關(guān)注不夠。已進(jìn)入工控系統(tǒng)的工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息不能與設(shè)備管理工作有效銜接，因此管理系統(tǒng)只能局限于靜態(tài)管理的低水平上。由于設(shè)備管理的模式、辦法和手段的落后與過時(shí)，存在設(shè)備維護(hù)效率低下的問題。

1.2 設(shè)備臺(tái)賬承載的信息量太少

現(xiàn)行設(shè)備管理臺(tái)賬一般以月為周期，記錄了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、維護(hù)維修時(shí)間和進(jìn)行了哪些維護(hù)維修，其他的信息例如設(shè)備設(shè)施發(fā)生何種故障、為何進(jìn)行維護(hù)維修、怎樣進(jìn)行維護(hù)維修、維護(hù)維修過程中發(fā)現(xiàn)的問題、使用的工具、更換的部件、備件的庫存情況等都沒有記錄或是記錄信息不完善等。設(shè)備并沒有真正建立起設(shè)備生命周期的動(dòng)態(tài)檔案，縮短了設(shè)備的有效使用壽命、加大了維護(hù)維修費(fèi)用。

1.3 設(shè)備管理模式與現(xiàn)場(chǎng)脫節(jié)

設(shè)備管理涉及到不同的管理部門和業(yè)務(wù)部門，運(yùn)行中的設(shè)備涉及的主要業(yè)務(wù)流程是設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)管理。設(shè)備維護(hù)部門負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備巡檢、設(shè)備維護(hù)維修；而生產(chǎn)管理關(guān)注的是設(shè)備的運(yùn)行工況，如啟動(dòng)、停止、工作參數(shù)和工藝參數(shù)。設(shè)備的操作、維護(hù)、管理在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)備管理部門的數(shù)據(jù)錄入在辦公室，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)及臺(tái)賬錄入的時(shí)間和空間上都存在距離，很多現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)只能事后補(bǔ)錄，使得設(shè)備管理臺(tái)賬管理效率低下及信息準(zhǔn)確性難以保證。具備自動(dòng)控制功能的設(shè)備的運(yùn)行工況已由工控系統(tǒng)監(jiān)視，在工控系統(tǒng)中積累了大量設(shè)備運(yùn)行的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)不能被設(shè)備管理部門分享，在設(shè)備故障預(yù)測(cè)、維修更換提示等方面沒有發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

2 設(shè)備移動(dòng)實(shí)時(shí)管理方案

2.1 方案的提出

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在其報(bào)告《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告：2005：物聯(lián)網(wǎng)》中正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。物聯(lián)網(wǎng)即指將所有物體通過信息傳感設(shè)備如射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器等與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，形成一個(gè)智能化識(shí)別和管理的網(wǎng)絡(luò)。其目的是讓所有的物品與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，方便識(shí)別和管理。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感識(shí)別技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)的迅速發(fā)展和智能手機(jī)的快速普及，在物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)大的概念和技術(shù)趨勢(shì)下，信息系統(tǒng)與業(yè)務(wù)工作進(jìn)一步融合，出現(xiàn)了許多新的信息系統(tǒng)解決方案和業(yè)務(wù)模式。

針對(duì)上述污水處理廠設(shè)備管理中存在的問題，從現(xiàn)階段克拉瑪依市排水管理處的實(shí)際情況出發(fā)，通過比較各類設(shè)備標(biāo)識(shí)和管理的方式方法，結(jié)合技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，我們提出了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下設(shè)備管理系統(tǒng)開發(fā)的方案。

確定為管理對(duì)象的設(shè)備上貼上二維碼，通過智能手機(jī)識(shí)別二維碼來管理設(shè)備。在日常工作中，操作人員通過智能手機(jī)便可了解掌握設(shè)備的相關(guān)信息，設(shè)備維修、維護(hù)、操作后及時(shí)對(duì)信息進(jìn)行錄入和更新。

我們將基于此解決方案所開發(fā)的信息系統(tǒng)稱為“設(shè)備移動(dòng)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)”。

2.2 系統(tǒng)組成與功能

從硬件組成上說，設(shè)備移動(dòng)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)由管控中心設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)和用于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)管理的手持終端組成。

管控中心設(shè)備包括設(shè)備管理服務(wù)器和設(shè)備管理工作站，設(shè)備管理服務(wù)器用于存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)和作為設(shè)備管理的應(yīng)用服務(wù)器，支撐設(shè)備管理的業(yè)務(wù)流程，主要功能有設(shè)備采購、設(shè)備管理、設(shè)備維護(hù)、備件管理。設(shè)備管理工作站用于設(shè)備管理的前臺(tái)操作，根據(jù)部門的分工和物理位置，設(shè)備管理工作站也可以設(shè)置在相關(guān)的業(yè)務(wù)部門。

系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分為外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)兩大部分。外網(wǎng)為基于中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通等運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。內(nèi)網(wǎng)為有線介質(zhì)（局域網(wǎng)）和無限介質(zhì)（無線局域網(wǎng)）組成的廠內(nèi)局域網(wǎng)。內(nèi)外網(wǎng)之間設(shè)置放火墻、路由器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。管控中心設(shè)備、各業(yè)務(wù)部門的管理計(jì)算機(jī)通過內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行信息交換。作為手持終端的智能手機(jī)與設(shè)備管理服務(wù)器的信息交換可以通過外網(wǎng)也可以通過WIFI內(nèi)網(wǎng)。

手持終端設(shè)備選用基于Android平臺(tái)的智能手機(jī)。智能手機(jī)的功能一是對(duì)二維碼拍照以識(shí)別設(shè)備，另一方面作為現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行設(shè)備信息查詢與錄入的人機(jī)界面。

2.3 二維碼的應(yīng)用

二維碼是用某種特定幾何圖形以黑白相間圖案形式按一定規(guī)律在二維平面上來記錄數(shù)據(jù)信息的一種應(yīng)用技術(shù)。從技術(shù)原理來看，二維碼在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的/00和/10比特流的概念，使用若干與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來表示數(shù)值信息，并通過圖像輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)處理。與現(xiàn)在廣泛使用的一維碼(即條型碼)相比，二維碼信息容量是一維碼信息容量的幾十倍，能夠把圖片、聲音、文字等可以數(shù)字化的信息進(jìn)行編碼并表示出來；二維碼容錯(cuò)能力強(qiáng)，具有糾錯(cuò)功能，當(dāng)二維碼因穿孔、污損等引起局部損壞時(shí)，甚至損壞面積達(dá)50%時(shí)，仍可以正確識(shí)讀，其譯碼錯(cuò)誤率不超過千萬分之一，遠(yuǎn)低于一維碼百萬分之二的錯(cuò)誤率。

目前在商業(yè)領(lǐng)域，二維碼的應(yīng)用正在迅速普及開來，考慮技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和二維碼的優(yōu)勢(shì)，我們選擇通用的智能手機(jī)做為終端設(shè)備、二維碼用于設(shè)備的標(biāo)識(shí)，而沒有選擇工業(yè)領(lǐng)域常用的條碼和RFID技術(shù)。

3 應(yīng)用軟件系統(tǒng)開發(fā)

3.1 軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備移動(dòng)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)技術(shù)方案決定了其應(yīng)用軟件系統(tǒng)是在分布式環(huán)境中創(chuàng)建的應(yīng)用程序，即是一個(gè)分布式應(yīng)用程序，或說是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。

分布式應(yīng)用程序利用多臺(tái)機(jī)器的資源及許多進(jìn)程的空間，把應(yīng)用程序分成更容易管理的任務(wù)組，這些任務(wù)組能在各種不同的結(jié)構(gòu)下進(jìn)行部署。把應(yīng)用程序分解為任務(wù)組便于重復(fù)使用、擴(kuò)充和管理。應(yīng)用程序分解成怎樣的任務(wù)組，各任務(wù)組之間如何進(jìn)行信息的交互，是軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決的問題。

為了使系統(tǒng)具有更好的性能和可擴(kuò)展性，以支持業(yè)務(wù)目標(biāo)的不斷增長(zhǎng)，應(yīng)用軟件系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

在數(shù)據(jù)服務(wù)層，構(gòu)建設(shè)備對(duì)象模型，并通過此對(duì)象模型的實(shí)例化在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序空間中建立起污水處理廠全部設(shè)備的數(shù)字化映像。對(duì)于某一個(gè)具體設(shè)備，其對(duì)應(yīng)設(shè)備對(duì)象的各種屬性表示了該設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)。設(shè)備對(duì)象的屬性數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在設(shè)備數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)過程控制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。所以在數(shù)據(jù)服務(wù)層提供對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的存取功能。

圖1 設(shè)備移動(dòng)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

業(yè)務(wù)邏輯層接收表現(xiàn)層的用戶輸入，將用戶輸入轉(zhuǎn)換為業(yè)務(wù)事件，根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則推動(dòng)業(yè)務(wù)流程的運(yùn)行。業(yè)務(wù)流程的運(yùn)行改變了設(shè)備對(duì)象的相應(yīng)屬性，這是由業(yè)務(wù)邏輯層的業(yè)務(wù)邏輯調(diào)用設(shè)備對(duì)象模型來完成的。同時(shí)業(yè)務(wù)邏輯層根據(jù)用戶的請(qǐng)求將用戶需要的設(shè)備屬性展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)支持的業(yè)務(wù)流程有設(shè)備采購、設(shè)備管理、維修維護(hù)、生產(chǎn)管理和備件管理。系統(tǒng)管理用于系統(tǒng)功能配置和設(shè)備對(duì)象模型的配置與管理。

表現(xiàn)層用于系統(tǒng)與用戶的交互。用戶可能通過局域網(wǎng)上的工作站、互聯(lián)網(wǎng)上的工作站、無線局域網(wǎng)上的智能手機(jī)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上的智能手機(jī)使用表現(xiàn)層。表現(xiàn)層將用戶的輸入轉(zhuǎn)換成對(duì)業(yè)務(wù)邏輯層的請(qǐng)求，并將業(yè)務(wù)邏輯層的響應(yīng)展現(xiàn)給用戶。表現(xiàn)層的運(yùn)行平臺(tái)和具體界面風(fēng)格可能不同，但不同終端與業(yè)務(wù)邏輯層的接口是一致的。

三層結(jié)構(gòu)的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅使表現(xiàn)層的具體界面形式調(diào)整不影響業(yè)務(wù)邏輯，當(dāng)需要增加新的業(yè)務(wù)功能或調(diào)整業(yè)務(wù)規(guī)則時(shí)，只需增加新的業(yè)務(wù)流程或調(diào)整現(xiàn)有業(yè)務(wù)規(guī)則即可，不需改變數(shù)據(jù)服務(wù)層的設(shè)計(jì)與軟件。進(jìn)一步地，在此三層應(yīng)用程序的基礎(chǔ)上可深化發(fā)展，增加應(yīng)用程序的層次，使系統(tǒng)具有更好的運(yùn)行性能、更好的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和擴(kuò)充性。

3.2 應(yīng)用軟件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

表現(xiàn)層完成了系統(tǒng)與用戶的交互，從用戶的角度看，表現(xiàn)層即用戶界面。如何實(shí)現(xiàn)界面，有不同的技術(shù)方案，一種是用戶界面是系統(tǒng)可執(zhí)行程序的一部分，即所謂的C/S結(jié)構(gòu)；另一種是將瀏覽器作為一個(gè)主要的用戶界面使用，用戶界面是表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器內(nèi)的，即所謂的B/S結(jié)構(gòu)。

設(shè)備移動(dòng)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)的終端設(shè)備包括作為工作站的PC機(jī)和作為移動(dòng)終端的智能手機(jī)，如果采用B/S結(jié)構(gòu)就要考慮面對(duì)特定瀏覽器的問題。為了減小開發(fā)工作的難度，提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和效率，我們采用了C/S結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案。在這樣的具體技術(shù)方案下，數(shù)據(jù)服務(wù)層和業(yè)務(wù)邏輯層的功能運(yùn)行在設(shè)備管理服務(wù)器上，表現(xiàn)層的功能運(yùn)行在設(shè)備管理工作站和智能手機(jī)上。圖2為智能手機(jī)通過二維碼識(shí)別了設(shè)備后的信息顯示界面。

圖2 信息顯示界面

服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows Server，工作站操作系統(tǒng)為WindowsXP或WIN7。服務(wù)器上和工作站上應(yīng)用程序采用.NET平臺(tái),C#語言開發(fā)。智能手機(jī)選用Android平臺(tái)，應(yīng)用程序采用 Android SDK +Eclipse開發(fā)環(huán)境下Java語言開發(fā)。客戶端程序連接到Windows套接字庫，以便在本地網(wǎng)或Internet上與服務(wù)器連接。

我們采用組件技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)訪問邏輯封裝在組件內(nèi)，這樣在條件具備和需要時(shí)，可以將表現(xiàn)層重新開發(fā)，將微軟的IIS（作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器）與ASP（作為應(yīng)用服務(wù)器）組合，提供應(yīng)用程序組件，使得系統(tǒng)的部分或全部功能支持B/S結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

我們研究開發(fā)的設(shè)備移動(dòng)實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)通過二維碼作為線上和線下信息溝通的橋梁，智能手機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備，不僅提高了設(shè)備管理工作的效率，而且使得設(shè)備管理業(yè)務(wù)與生產(chǎn)運(yùn)行管理在系統(tǒng)中達(dá)到了業(yè)務(wù)綜合集成，為污水處理廠的設(shè)備管理方式帶來新的理念與優(yōu)化。

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