基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧供水系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

姜 川 李宗揚 于明旭

（正元地理信息集團股份有限公司山東分公司，山東濟南 250014）

城市供水是保障城市正常運行和經(jīng)濟社會發(fā)展的生命線，與人們的生活息息相關(guān)，是重大的民生問題[1]，其服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到供水企業(yè)自身的利益，還會影響經(jīng)濟社會穩(wěn)定。國家住建部2012年12月發(fā)布了《國家智慧城市（區(qū)、鎮(zhèn)）試點指標(biāo)體系（試行）》，該文件明確了二級指標(biāo)“城市功能提升”中對應(yīng)的三級指標(biāo)“供水系統(tǒng)”的指標(biāo)說明，即利用信息技術(shù)手段對從水源地監(jiān)測到龍頭水管理的供水過程實現(xiàn)實時監(jiān)測管理，制定合理的信息公示制度，保障居民用水安全[2-4]。

隨著基于大數(shù)據(jù)、物理網(wǎng)的信息化建設(shè)在各領(lǐng)域的不斷發(fā)展，供水行業(yè)也相繼開展?jié)M足自身發(fā)展要求的軟硬件系統(tǒng)建設(shè)，部分供水企業(yè)已建設(shè)完成營業(yè)收費、SCADA、視頻監(jiān)控以及水質(zhì)監(jiān)測等信息化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)已成為供水企業(yè)日常運營管理工作中的重要工具。系統(tǒng)建設(shè)較為分散，一般是多個軟件公司在不同時期開發(fā)完成，沒有統(tǒng)一的頂層架構(gòu)設(shè)計，技術(shù)路線、標(biāo)準(zhǔn)、目標(biāo)、接口存在差異，只在部分業(yè)務(wù)上滿足對數(shù)據(jù)信息的管理和應(yīng)用，雖然積累了大量的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，但無法支撐深入的數(shù)據(jù)挖掘和共享，形成了信息孤島[5-6]。在新型智慧城市建設(shè)的總體架構(gòu)下，結(jié)合供水行業(yè)信息化的基礎(chǔ)條件，應(yīng)充分利用云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建軟硬件一體化的智慧供水平臺，在進(jìn)一步加強新型智慧城市頂層設(shè)計的同時，形成供水專題管理和規(guī)劃體系。通過智慧供水平臺摸清管網(wǎng)家底，打通信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，增強對供水業(yè)務(wù)的運營和監(jiān)管的能力，實現(xiàn)城市供水的智慧運作，提高供水企業(yè)的管理與服務(wù)水平。

1 系統(tǒng)建設(shè)原則

根據(jù)國家對新型智慧城市的建設(shè)要求和大量智慧供水系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，本文設(shè)計了智慧供水系統(tǒng)遵循的體系框架，指導(dǎo)和約束本系統(tǒng)建設(shè)。

（1）全局性。

從實際需要規(guī)劃，實現(xiàn)共享服務(wù)避免信息孤島，將各個系統(tǒng)連接構(gòu)建成有機整體，成為管理和決策法核心工具。

（2）標(biāo)準(zhǔn)性。

嚴(yán)格遵守國家、地方和供水行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和法律法規(guī)，制定標(biāo)準(zhǔn)化的管理措施，確保系統(tǒng)的運行效率和操作的標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）實用性。

系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)盡可能人性化，以便于在操作和數(shù)據(jù)調(diào)用時快速、便捷，界面設(shè)計友好美觀、易于使用，具備靈活完善的查詢和統(tǒng)計功能，易于數(shù)據(jù)更新和維護等，減少后期運維人員的工作量，提高工作效率。

（4）安全性。

系統(tǒng)必須具有完整的數(shù)據(jù)保護和備份機制，具有較強的容錯能力和故障恢復(fù)能力。

（5）穩(wěn)定性。

系統(tǒng)必須保證運行的穩(wěn)定性以及運行和計算效率，支持7×24 h不間斷運行。

（6）靈活性。

系統(tǒng)必須具有強大的參數(shù)配置功能，可以根據(jù)業(yè)務(wù)變化快速修改配置文件參數(shù)，變化相應(yīng)業(yè)務(wù)以滿足業(yè)務(wù)需求。

（7）開放性。

系統(tǒng)的開放性涉及網(wǎng)絡(luò)、中間件、數(shù)據(jù)庫等支撐軟件，系統(tǒng)應(yīng)按照開放性和標(biāo)準(zhǔn)化的原則進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計，使系統(tǒng)在不同使用環(huán)境具備一定的適應(yīng)能力和可移植能力。

2 總體架構(gòu)設(shè)計

利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)，連接泵站、管網(wǎng)、水廠各供水關(guān)鍵節(jié)點，覆蓋從管理到?jīng)Q策的各個層面，收集傳感器的IoT實時數(shù)據(jù)、企業(yè)的用戶數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，再將收集的數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)化為可視化的分析結(jié)果。充分考慮系統(tǒng)的健壯性、可拓展性、可移植性、穩(wěn)定性和安全性等因素，結(jié)合智慧供水系統(tǒng)的具體建設(shè)內(nèi)容及要求，系統(tǒng)總體架構(gòu)。

總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

（1）設(shè)備感知層。

為水廠、泵站、水源井、管網(wǎng)監(jiān)測點的監(jiān)測傳感器（如液位計、流量計、壓力傳感器、水質(zhì)分析儀、視頻監(jiān)控設(shè)備等），設(shè)備感知層是智慧供水系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎(chǔ)，是系統(tǒng)功能的前端感知觸角，至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)由NodeJS服務(wù)程序推送至Redis消息隊列，由Windows Service程序讀取、接收Redis消息隊列中的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，采用Web Socket發(fā)布數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中展示。

（2）數(shù)據(jù)服務(wù)層。

為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)提供網(wǎng)絡(luò)傳輸、協(xié)議解析、設(shè)備管理、安全保障等，為系統(tǒng)應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)引擎、消息推送等服務(wù)，為系統(tǒng)應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)服務(wù)層主要完成對數(shù)據(jù)的存儲和處理，支持表的視圖、存儲、備份和恢復(fù)等，支持主流的數(shù)據(jù)庫，如Access、Oracle、MongoDB、Redis等。Access為ArcGIS個人地理數(shù)據(jù)庫，用于存儲地理空間數(shù)據(jù)；Oracle用于存儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；MongoDB用于存儲實時監(jiān)控數(shù)據(jù)；Redis臨時性接收、存儲監(jiān)控數(shù)據(jù)。

（3）系統(tǒng)應(yīng)用層。

為最終用戶提供系統(tǒng)的管線查詢、管線定位、在線監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報、巡查管理等功能，包括B/S端和Windows系統(tǒng)服務(wù)，是智慧供水系統(tǒng)與最終用戶操作交互和信息交換的媒介。Web前端采用html、javascript、jquery、css3開發(fā)，兼容主流瀏覽器，采用統(tǒng)一前端樣式及動畫效果，快速搭建系統(tǒng)框架及系統(tǒng)功能。系統(tǒng)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)服務(wù)層完全分離，通過Ajax實現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)通信，Nginx配置跨域請求。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)

供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)對水廠、加壓站、供水管網(wǎng)附屬設(shè)施（消防栓、閥門等）及管線的統(tǒng)一存儲和綜合管理，方便供水公司工作人員掌握城市供水管網(wǎng)、附屬設(shè)施的布設(shè)情況。系統(tǒng)主要功能包括管網(wǎng)附屬設(shè)施入庫、編輯、查詢、統(tǒng)計、地圖基本操作以及查詢、管網(wǎng)數(shù)據(jù)編輯及拓?fù)錂z查、系統(tǒng)設(shè)置等。

供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)如圖2所示。

3.2 供水管網(wǎng)運行監(jiān)控系統(tǒng)

供水管網(wǎng)運行監(jiān)控系統(tǒng)對供水管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控，實時掌握城市供水管網(wǎng)的主要節(jié)點處的壓力、流量、水質(zhì)情況。根據(jù)壓力指標(biāo)及時調(diào)節(jié)水廠供水量，保障城市居民尤其高層住戶的生活用水需求。根據(jù)分區(qū)節(jié)點處獲取的流量數(shù)據(jù)，對區(qū)域內(nèi)的供水流量進(jìn)行計量，以此作為供水調(diào)度、管網(wǎng)規(guī)劃、漏損核算的重要依據(jù)。

供水管網(wǎng)運行監(jiān)控系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 供水管網(wǎng)運行監(jiān)控系統(tǒng)

3.3 供水管網(wǎng)模型模擬系統(tǒng)

供水管網(wǎng)模型系統(tǒng)利用供水管網(wǎng)模型對管道內(nèi)的狀況進(jìn)行模擬，全面掌握供水管網(wǎng)的運行狀況，實現(xiàn)供水管網(wǎng)的管道負(fù)荷分析、靜態(tài)動態(tài)水力計算分析等情景模擬分析與結(jié)果展示。結(jié)果的表達(dá)方式包括管網(wǎng)地圖顏色表示、數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)圖表、時間序列圖和等值線圖等。

3.4 供水管網(wǎng)巡檢養(yǎng)護系統(tǒng)

供水管網(wǎng)巡檢養(yǎng)護系統(tǒng)由供水管網(wǎng)巡檢養(yǎng)護移動端和業(yè)務(wù)管理服務(wù)端組成，移動端系統(tǒng)主要實現(xiàn)接收任務(wù)、人員考勤、實時軌跡、隱患上報等功能，供水管網(wǎng)巡檢養(yǎng)護業(yè)務(wù)管理服務(wù)端主要提供任務(wù)下發(fā)、任務(wù)統(tǒng)計、每日巡檢、巡檢點已檢和未檢判斷等功能。供水管網(wǎng)巡檢養(yǎng)護系統(tǒng)能夠滿足供水管網(wǎng)及其附屬設(shè)施的巡查、拍照、維護、維修等工作，使供水管網(wǎng)的巡檢養(yǎng)護進(jìn)一步流程化、規(guī)范化和智能化，保證了供水管網(wǎng)及附屬設(shè)施巡視缺陷、安全問題的及時處理。

4 結(jié)語

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的控制已經(jīng)難以滿足信息化時代下對供水系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌安排與協(xié)調(diào)調(diào)度的實際需求，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、智能設(shè)備等新技術(shù)為供水業(yè)務(wù)運行與管理提供了新思路。智慧供水可有效保證供水安全，全面提升供水質(zhì)量，智慧供水系統(tǒng)集中管理供水設(shè)施基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。通過智慧供水系統(tǒng)的接口服務(wù)將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)庫、故障巡檢數(shù)據(jù)庫、管網(wǎng)工程數(shù)據(jù)庫、運行監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行流轉(zhuǎn)、匯集、共享與動態(tài)更新，為供水業(yè)務(wù)的綜合集成與管理提供數(shù)據(jù)分析。