智慧水務管理平臺系統設計與應用

李紅倉，杜 崗

（1.天地通科技有限責任公司研發(fā)部，山西晉中030600；2.連云港職業(yè)技術學院機電工程學院，江蘇連云港222006）

2015 年國務院正式發(fā)布《水污染防治行動計劃》，提出到2020 年，公共供水管網漏損率控制在10%以內。目前，絕大多數城市供水企業(yè)產銷差率不僅居高不下，而且有升高的趨勢[1]，這是我國供水行業(yè)目前急需解決的問題。近年來，雖然我國供水行業(yè)在不斷努力，試圖通過對管網漏水進行探測和控制，以達到降低產銷差的目的，但是收效并不顯著。其主要原因在于管網規(guī)模龐大，嚴重缺乏智能化和信息化設備的介入，相關企業(yè)缺乏掌控全網的信息化系統，供水管網單元幾乎成為信息孤島，運行狀態(tài)無法及時反饋。

在晉中市智慧水務平臺建設過程中，為了實現通過水務綜合運營平臺打通信息孤島，實現數據共享，增強對供水業(yè)務的運營和監(jiān)管的能力，實現城市供水智慧運作，提高供水企業(yè)管理與服務的水平，筆者開發(fā)了一套基于物聯網、GIS、移動互聯網、云計算技術，集遠程監(jiān)控、故障報警、巡查報修、故障搶修、數據展現、基礎管理于一體的可視化的、設備運行指標量化的、能對整個供水系統運行進行成本控制的智慧供水平臺系統。這一系統一方面通過供水管網分區(qū)計量手段，實現對水量計量、水壓調控、水質監(jiān)控、運行管理等重要環(huán)節(jié)的精細化、科學化管理；另一方面，基于大數據和云計算的技術優(yōu)勢，通過統籌頂層規(guī)劃，實現對全網的信息化管理，構建了管網漏損管控體系，大大提高了對管網漏損的檢測精度，提升了供水安全精準化保障能力。

1 功能架構設計

通過對山西省晉中市城市供水管網現狀分析，結合晉中供水公司管理運行需求，以粗粒度、松耦合的面向服務架構（SOA）進行系統功能總體設計[2]，對各主要功能進行組件化拆分，分布式部署、組合和使用。拆分后的組件功能包括基礎硬件感知層、通信服務層、數據處理層、業(yè)務邏輯（應用）層和平臺應用層[3]，如圖1 所示。

圖1 智慧水務總體架構

總架構中各體系功能說明如下。

感知層：通過各種儀表、壓力傳感器、流量傳感器、液位儀、水質監(jiān)測設備等實時感知城市供水管網的運行狀態(tài)，為智慧分析與處理、輔助決策系統提供數據依據。

通信層：通過物聯網、RTU、DTU 等網絡設備，實現數據的傳遞和處理數據采集獲取的信息。

數據處理層：采集多種類型的傳感器數據，具備唯一的標識碼，接受統一管理，入網自動識別，按照統一的協議實現進行數據處理，實現故障判斷、管網數據監(jiān)測、監(jiān)督以及數據入庫。

業(yè)務邏輯：實現供水企業(yè)的具體應用業(yè)務，比如報表統計、設備管理、GIS 管理、權限管理、在線查崗、監(jiān)管信息、管網監(jiān)控、故障監(jiān)控以及視頻監(jiān)控。

平臺應用：服務水廠、泵站、管網運維、自來水公司、消防公司、業(yè)主等，智慧水務平臺以更加“智慧”的方式輔助水務企業(yè)進行管理和運維，從而保證可靠供水，降低產銷差，提升運營管控能力，實現經濟效益和社會效益的不斷增長，提供有力支撐[3-4]。

2 系統結構設計

系統結構中包括對天湖水廠、東郊水廠、北郊水廠3 個水廠以及原有監(jiān)測點和加壓站的數據接入功能。通過通信架構設計，實現信息的共享，解決數據孤島的問題，實現供水企業(yè)的信息共享和協同辦公，實現供水業(yè)務監(jiān)控、管理、服務等業(yè)務的數字化、可視化與聯動化，最終建成供水企業(yè)網絡化辦公，使企業(yè)的人力、物力、信息等資源實現共建共享與互惠互贏，從而提升企業(yè)供水管理水平，改善城市供水質量。系統結構設計如圖2 所示。

圖2 系統結構設計圖

如上圖所示，該系統中以數據中心為核心，對接水廠、監(jiān)測點等各節(jié)點數據，并對數據整合處理并發(fā)布。各數據對接單元需要提供的數據包括壓力、流量、余氯和濁度，其中天湖水廠數據通過光纖傳到現有的監(jiān)控中心監(jiān)控端，并通過數據轉發(fā)將現有數據和新增壓力、流量數據上傳至數據中心。東郊水廠、北郊水廠以及其他各測點數據通過4G 無線數傳模塊上傳至數據中心，各對接單元和測點數據采集過程如圖3 所示，數據接入過程總計所需增加流量計12 個，壓力表8 個，余氯檢測儀8 個，濁度檢測儀8 個。通過接入上述數據采集節(jié)點，為實現全市水務智慧化運行提供了實時、可靠的數據保證。

圖3 數據接入示意圖

供水基礎空間數據、管網數據以及各個業(yè)務數據作為晉中市供水企業(yè)的支撐系統，通過RTU 系統將生產系統和信息化系統的接口對接，實現不同專題數據統一到供水綜合運營中心，最終實現地理信息數據庫、管網工程數據庫、GIS 數據庫、實時數據庫、化驗數據庫的實時更新，實現多源數據的統一集成，為企業(yè)提供完整、準確的數據，以便企業(yè)進行能耗、運行等分析。

3 軟件平臺設計

3.1 軟件架構

系統軟件平臺按照先進、可靠、長遠發(fā)展的要求進行設計，充分體現模塊化系統集成的設計思想。既滿足數據統計分析，又滿足數據實時分析的功能要求，同時考慮系統增值服務平臺的發(fā)展空間，以建設一個高度信息化、自動化的監(jiān)督管理服務網絡系統為最終目標。整個系統由Web 端、服務器、數據庫系統等組成，包括網站前端系統、網站后臺管理系統、Oracle 數據庫系統[5]。系統組件架構如圖4 所示。

圖4 系統組件架構圖

3.2 軟件功能

平臺軟件主要劃分為供水管網GIS 系統、SCADA 系統和分區(qū)計量系統三個系統功能，其中供水管網GIS 系統利用了GIS 技術，以晉中市城市基礎地形圖為基礎，以供水管網數據為核心，緊密結合供水管網管理需要，為供水企業(yè)自動化采集、管理、更新、分析與應用供水管網數據，確保供水管網的正常運行提供了一套科學、有效的信息化管理工具。SCADA 系統，即數據采集與監(jiān)視控制系統，利用先進的計算機網絡技術、GIS 技術，在建立管網基礎信息和管網監(jiān)測信息庫的基礎上，緊密結合供水調度的業(yè)務流程，實現調度管理的科學化和自動化。分區(qū)計量系統，將整個晉中天湖水廠、東郊水廠、北郊水廠以及加壓站的供水管網進行一級劃分成若干供水區(qū)域，進行流量、壓力、水質和漏點監(jiān)測，實現供水管網漏損分區(qū)量化及有效控制的精細化管理。

總體來看，軟件功能劃分科學，人機界面清晰，操作簡單，使用方便，軟件主要界面如圖5 所示。

圖5 軟件平臺主界面

3.3 技術創(chuàng)新點

（1）供水管網數據與GIS 系統以及物聯網采集系統結合，為供水企業(yè)自動化采集、管理、更新、分析與應用供水管網數據，確保供水管網的正常運行提供了一套科學、有效的信息化手段。

（2）采用逐級細化的分區(qū)計量系統方法，將整個城市的供水管網進行多級劃分供水區(qū)域，進行流量、壓力、水質和漏點監(jiān)測，實現供水管網漏損分區(qū)量化及有效控制的精細化管理。

（3）采用大數據架構技術開展城市管網大數據智能分析研究。面向管網的多維異構實時監(jiān)測數據，結合深度學習與專家知識庫技術研究智能、高效的漏損區(qū)域檢測技術、多特征數據融合的管網狀態(tài)評估技術，實現高效的人力巡邏資源優(yōu)化配置。

4 結論

在協助晉中市供水有限責任公司開發(fā)智慧水務平臺系統過程中，充分利用云計算和大數據技術構建一體化、可擴展的水務綜合平臺，通過打通各供水分區(qū)數據，實現了數據共享，增強了對供水業(yè)務的運營和監(jiān)管的能力，能夠實時掌握供水狀況、科學調度，及時發(fā)現漏損，實現了城市供水的智慧運作，提高了供水企業(yè)管理與服務的水平，產生了良好的經濟效益和社會效益。