一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的智慧二次供水管理的實踐

王菊玲，胡佳佳，肖 燕

（浙江正泰中自控制工程有限公司，浙江 杭州 310018）

0 引 言

二次供水是指供水單位將來自城市公共供水（即水廠）和自建設(shè)施（即水井）的供水，經(jīng)貯存、加壓或者根據(jù)需要進(jìn)行深度處理和消毒后，通過管道向用戶供水的方式[1]。

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，高層建筑飛速增長。因市政供水管網(wǎng)壓力有限，一般只能滿足1～6層用戶的正常用水，而建筑高度超過市政供水服務(wù)水壓的高層建筑均要進(jìn)行二次供水設(shè)計[2]。由此可見，一般來說從7層開始就需要通過二次供水的方式進(jìn)行解決。二次供水在城市供水中的比重越來越大，有些城市的二次供水覆蓋率[1]超過60%。

二次供水方式與市政管網(wǎng)直接供水相比，需要經(jīng)過二次供水設(shè)施這一環(huán)節(jié)，由于二次供水設(shè)施的設(shè)計、施工不達(dá)標(biāo)，以及后期管理的不完善，極易導(dǎo)致安全事故，在我國很多城市都出現(xiàn)過二次供水被污染的事件。

二次供水成為高層用戶供水的“最后一公里”，由于建設(shè)和管理多元化、監(jiān)管職責(zé)不明晰、運(yùn)行維護(hù)責(zé)任不到位，存在較大的安全隱患[3-6]。《二次供水工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ140-2018）對二次供水水池（箱）的清洗消毒和水質(zhì)檢測要求為每半年舉行一次，這種管理方式無法實時掌握水質(zhì)情況，也無法實時掌握設(shè)備情況，很難提前發(fā)現(xiàn)問題事先作好預(yù)防。很多學(xué)者為解決上述問題做了大量研究：文獻(xiàn)[7]提出了二次供水管理系統(tǒng)需要解決的主要問題、建設(shè)目標(biāo)以及詳細(xì)的需求；文獻(xiàn)[8-9]針對多地的供水管理、衛(wèi)生監(jiān)督等部門在部分小區(qū)建設(shè)二次供水水質(zhì)在線監(jiān)測試點(diǎn)，開發(fā)了信息管理系統(tǒng)；文獻(xiàn)[10]介紹了基于云技術(shù)搭建服務(wù)與城市社區(qū)的二次供水實時監(jiān)控、預(yù)警系統(tǒng)及APP，分別從各個層面為提升我國的二次供水管理水平出謀劃策。本文基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術(shù)，構(gòu)建泵房管理可視化、告警管理網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)維管理智能化、智能分析數(shù)據(jù)化，從而滿足二次供水智慧管理全過程的信息化管理。

1 系統(tǒng)主要功能模塊

該系統(tǒng)主要包括：首頁、大屏、視頻監(jiān)控、實時監(jiān)控、運(yùn)行管理、運(yùn)維管理、告警管理、智能分析（BI）及系統(tǒng)管理。系統(tǒng)主要功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

（1）首頁

當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)時進(jìn)入首頁，在首頁中會顯示如下信息：

①系統(tǒng)總泵房數(shù)、總出水量、告警信息處理率。

②泵房水質(zhì)“優(yōu)秀”“良好”“及格”及“差”的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

③泵房場景統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如小區(qū)泵房數(shù)、寫字樓泵房數(shù)、建筑工廠泵房數(shù)、學(xué)校泵房數(shù)等。

④區(qū)域月供水排名及區(qū)域數(shù)量排名信息。

⑤系統(tǒng)的最新動態(tài)，比如用戶登錄信息、數(shù)據(jù)修改信息、告警處理信息、工單處理信息等。

⑥在首頁中顯示的GIS地圖可以展示各個泵房的位置，當(dāng)鼠標(biāo)移到某個泵房圖標(biāo)時，顯示當(dāng)前泵房的狀態(tài)、出水量、進(jìn)水壓力、出水壓力、pH值、渾濁度。

（2）大屏

以圖形化的方式展示泵房總數(shù)、設(shè)備總數(shù)、泵房月供水排名、泵房使用場景占比分析、泵房供水區(qū)域統(tǒng)計、設(shè)備類型占比、今日報警次數(shù)、今日工單效率、報警處理效率、累計月供水量、區(qū)域設(shè)備量占比、進(jìn)水壓力Top10、出水壓力Top10及每日供水量、GIS地圖，大屏顯示界面如圖2所示。

圖2 大屏顯示界面

（3）視頻監(jiān)控

允許視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入，以便查看某個泵房的視頻監(jiān)控文件，確保是否有無關(guān)人員、動物等闖入而影響泵房安全。

（4）實時監(jiān)控

實時監(jiān)控展示設(shè)備數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、工單記錄及告警記錄等。

①設(shè)備數(shù)據(jù)包括實時壓力曲線、瞬時流量、總流量、變頻器運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備故障、變頻器故障狀態(tài)、瞬時電流、瞬時電壓、變頻器頻率、有功功率、變頻器電流等。

②水質(zhì)數(shù)據(jù)包括實時余氯、實時渾濁度、實時pH值、實時溫度以及當(dāng)前水質(zhì)優(yōu)劣等級評估。

③工單記錄包括當(dāng)前所選泵房的工單生成情況、工單處理情況及工單完成情況。

④告警記錄包括當(dāng)前所選泵房的告警級別、異常描述、時間、泵房、狀態(tài)、責(zé)任人、聯(lián)系方式及操作。

（5）運(yùn)行管理

運(yùn)行管理包括泵房展示、設(shè)備配置及綁定配置。

①泵房展示的內(nèi)容包括泵房概覽、今日泵房狀態(tài)、水質(zhì)監(jiān)測。在此可以查看所有泵房的狀態(tài)信息、進(jìn)水壓力、出水壓力、變頻器頻率、變頻器電流，所有泵房的pH值、溫度、余氯、渾濁度及水質(zhì)優(yōu)劣評估?？梢孕略霰梅?，修改泵房基礎(chǔ)信息，刪除泵房基礎(chǔ)信息。

②設(shè)備配置指可以配置與管理泵房設(shè)備，配置其設(shè)備類型、泵數(shù)量、層高、揚(yáng)程、最低進(jìn)水壓力、最高進(jìn)水壓力、最低出水壓力及最高出水壓力。

③綁定配置可以將泵房與智能網(wǎng)關(guān)的3G/4G物聯(lián)網(wǎng)卡關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)泵房數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云平臺。運(yùn)行管理界面如圖3所示。

圖3 運(yùn)行管理界面

（6）運(yùn)維管理

運(yùn)維管理包括工作單概覽、工單管理及設(shè)備巡檢管理。

①工作單概覽以圖表方式展示工單總量、待辦工單量、工單效率、維修及時率、巡檢率、工單類型分布統(tǒng)計、工單狀態(tài)統(tǒng)計、工單全量圖、工單完成量統(tǒng)計、工單完成時間統(tǒng)計、工單評級統(tǒng)計、巡檢完成量統(tǒng)計、巡檢完成時間統(tǒng)計、巡檢評級統(tǒng)計信息。

②工單管理包括工單流程、工單歷史及經(jīng)驗庫。其中：工單流程實現(xiàn)從工單生成→工單下達(dá)→工單接收→工單處理→工單完成的整個過程管理；工單歷史以列表的形式展示每個工單、每個過程的詳細(xì)情況，可以通過責(zé)任人、開始時間-結(jié)束時間、工單編碼、工單名稱及泵房進(jìn)行查詢，也支持模糊查詢；經(jīng)驗庫可以將有借鑒意義的工單處理方法存入經(jīng)驗庫，成為知識財富庫，方便參考查閱。

（7）告警管理

告警管理包括今日告警、告警總覽及告警歷史。

①今日告警顯示一級故障數(shù)、二級預(yù)警數(shù)、已處理異常數(shù)、待處理異常、異常處理率、設(shè)備異常率、今日泵房異常率排名以及今日所有告警信息列表，也可以通過告警等級、狀態(tài)及泵房名稱進(jìn)行查詢篩選。

②告警總覽以報警中心為中心，以一級故障、二級預(yù)警及水質(zhì)預(yù)警為內(nèi)環(huán)，以水質(zhì)污染、元素超標(biāo)、設(shè)備停運(yùn)、變頻器故障、水壓過高及水壓過低為外環(huán)，顯示一個告警信息篩選圓環(huán)。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊該環(huán)中的任一位置，可以非常方便地進(jìn)行告警信息篩選。經(jīng)過篩選后的告警信息以列表的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，同時，統(tǒng)計不同城市的報警總數(shù)。

③告警歷史以列表形式展示所有告警詳細(xì)信息，可以按告警等級、狀態(tài)、開始日期-結(jié)束日期及泵房名稱進(jìn)行查詢，也可以將告警數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel進(jìn)行二次處理。每條告警信息與其點(diǎn)位關(guān)聯(lián)，通過點(diǎn)擊“查看點(diǎn)位”圖標(biāo)，可以打開點(diǎn)位所在泵房在GIS地圖上的具體位置、負(fù)責(zé)人及其聯(lián)系方式；通過點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)工單”按鈕，可以將告警信息轉(zhuǎn)換成工單，下達(dá)給運(yùn)維人員，通知運(yùn)維人員處理；通過點(diǎn)擊“忽略”按鈕，對該條告警信息做一個標(biāo)識。

（8）智能分析（BI）

智能分析（BI）可以對設(shè)備記錄、水質(zhì)記錄的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；可以對設(shè)備和水質(zhì)進(jìn)行分析；可以將流量報表、壓力報表、供水量報表及水質(zhì)報表生成日報表、月報表及年報表，同時，可以將這些報表下載下來，以Excel的方式保存。

（9）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理包括用戶管理、角色管理、組織架構(gòu)管理及營業(yè)單位管理，方便按照不同區(qū)域、不同層級、不同權(quán)限進(jìn)行管理，確保系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的安全。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)從應(yīng)用方面分為泵房、云端及客戶端三個維度，從技術(shù)實現(xiàn)方面分為感知層、傳輸層、存儲層、服務(wù)層及展現(xiàn)層五個層面，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

泵房除了安裝二供必需的水箱、加壓泵外，還需要在相應(yīng)的位置安裝壓力傳感器、流量傳感器、水質(zhì)傳感器、溫度傳感器、攝像頭、PLC及無線通信網(wǎng)關(guān)。壓力傳感器用于檢測進(jìn)水水壓和出水水壓；流量傳感器用于檢測進(jìn)水水量和出水水量；水質(zhì)傳感器用于檢測余氯濃度、pH值和渾濁度；溫度傳感器用于檢測水的溫度；攝像頭用于記錄整個泵房的情況；PLC采集各類傳感器檢測出的數(shù)據(jù)，實時傳輸給通信網(wǎng)關(guān)，通信網(wǎng)關(guān)通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時上傳至云平臺。

云端即云平臺，安裝MQTT（消息隊列遙測傳輸）協(xié)議、Redis、MySQL等軟件，將通信網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。對于實時性要求高的數(shù)據(jù)，通過Redis數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理；將實時性要求不高的數(shù)據(jù)通過MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，通過IIS組件進(jìn)行Web發(fā)布，實現(xiàn)公網(wǎng)訪問。

客戶可以通過瀏覽器在電腦上訪問本系統(tǒng)，也可以下載對應(yīng)的APP軟件在手機(jī)或者平板電腦上安裝使用，做到隨時隨地查看和操作。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)所用到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括傳感器、PLC、MQTT協(xié)議、Redis數(shù)據(jù)庫及GIS服務(wù)。

（1）傳感器技術(shù)

我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 7665-2005）對傳感器的定義是：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。

本系統(tǒng)用到的傳感器是智能傳感器，它可以將物理信號轉(zhuǎn)化成4～20 mA電流信號，供PLC識別和讀取。主要使用的傳感器類型包括壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、pH值傳感器及渾濁度傳感器等水質(zhì)傳感器。

（2）PLC技術(shù)

PLC控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)順序控制器的基礎(chǔ)上引入微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是取代繼電器、執(zhí)行邏輯、計時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。

（3）MQTT協(xié)議

MQTT是ISO標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC PRF 20922）下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。它工作在TCP/IP協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下而設(shè)計的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議。

（4）Redis數(shù)據(jù)庫

Redis是一個key-value存儲系統(tǒng)，也是一個高性能的key-value數(shù)據(jù)庫，它會周期性地把更新的數(shù)據(jù)寫入磁盤或者把修改操作寫入追加的記錄文件，可以實現(xiàn)master-slave（主/從）同步。

本系統(tǒng)將進(jìn)水壓力、出水壓力、進(jìn)水流量、出水流量、pH值、渾濁度、余氯、變頻器頻率、變頻器電流及設(shè)備狀態(tài)用Redis數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理。對于用戶信息、組織機(jī)構(gòu)信息、工單信息、告警信息采用MySQL等關(guān)系數(shù)據(jù)庫處理。視頻監(jiān)控文件采用文件服務(wù)器進(jìn)行處理。根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，選用合適的處理方式提高系統(tǒng)響應(yīng)能力。

（5）GIS服務(wù)

GIS服務(wù)是一門綜合性學(xué)科，融合地理學(xué)、地圖學(xué)以及遙感和計算機(jī)科學(xué)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。

本系統(tǒng)所用的GIS服務(wù)為百度地圖服務(wù)引擎，通過調(diào)用相應(yīng)的API，實現(xiàn)泵房圖標(biāo)及數(shù)據(jù)在相應(yīng)地理位置上的顯示。

4 結(jié) 語

本文提出的二次供水智慧管理方案通過視頻監(jiān)控實現(xiàn)泵房管理可視化；通過3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)告警管理網(wǎng)絡(luò)化；通過巡檢管理，結(jié)合告警信息轉(zhuǎn)工單功能實現(xiàn)運(yùn)維管理智能化；通過對進(jìn)水量和出水量排名、水質(zhì)優(yōu)劣排名、工單處理率的統(tǒng)計及各種日報、月報和年報數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)化智能分析。本文致力于打造一種能滿足物業(yè)公司及水務(wù)公司等二次供水管理單位實現(xiàn)全過程管理的軟件平臺，為他們提供技術(shù)支持，促使他們?yōu)榇蟊娞峁└鼮閮?yōu)質(zhì)的服務(wù)。