城市智慧二次供水管理平臺方案設計

劉 陽

（天津市中環(huán)系統(tǒng)工程有限責任公司，天津 300040）

隨著城市二次供水監(jiān)控系統(tǒng)的建成及逐步完善，配合管網(wǎng)GIS 系統(tǒng)、客戶服務熱線、維修管理工單、表務系統(tǒng)等功能，城市智慧二次供水管理平臺計劃依托管網(wǎng)GIS，通過綜合運用GIS、VR（現(xiàn)實虛擬）、自動化控制、數(shù)據(jù)服務融合計算、移動互聯(lián)、私有云、區(qū)塊鏈等技術手段，對二次供水工藝全過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息進行綜合管理、分析，并提供標準服務接口，通過對各個系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進行分析挖掘綜合利用， 對提供的信息流進行整合提煉，為二次供水的運行管理提供相應的功能及服務支持。形成二次供水全過程實時監(jiān)控、二供設備的全生命周期管理、用戶用水服務全程跟蹤，達到安全優(yōu)質加壓供水、有效降低加壓運行成本、節(jié)省人力和提高工作效率，提升二次供水管理水平的目標，同時為今后建設供水生產(chǎn)綜合管理平臺提供架構支持。

1 建設目的

本平臺致力于在企業(yè)管理領域融入先進的管理理念、管理方式、管理手段，建立物流、信息流一體化，進一步規(guī)范各項管理運作，做到管理精細化，更好地實現(xiàn)安全供水，節(jié)能增效，提升形象，推動員工個人素質提升，提高企業(yè)的供水運營效益。

1.1 構建面向網(wǎng)絡化運營的精細化管理模式

建立強大的泵房監(jiān)控網(wǎng)絡，實現(xiàn)泵房信息化建設；借助監(jiān)控網(wǎng)絡，實現(xiàn)場站、泵房無人值守或少人值守高效化管理； 實現(xiàn)自動化的異常診斷能力，實時掌握所有場站、泵房異常情況；建立企業(yè)內部工單機制，結合異常自動診斷，實現(xiàn)自動發(fā)現(xiàn)問題，自動派送工單，自動績效計算；結合設備生產(chǎn)廠商生產(chǎn)經(jīng)驗，對設備資產(chǎn)、設備零部件進行精細化管理，實現(xiàn)資產(chǎn)信息電子化、零部件全生命周期管理；滿足公安部反恐202 號文件要求，實現(xiàn)泵房安全聯(lián)動防護，使門禁、視頻、錄像、紅外等安全部件與平臺管理完成有機融合；針對城市大規(guī)模水箱使用現(xiàn)狀，完成水箱清洗周期性管理，實現(xiàn)水箱液位管理，實現(xiàn)水箱錯峰調蓄。

1.2 支持企業(yè)多業(yè)務協(xié)同發(fā)展

符合企業(yè)管理信息化、自動化、智能化趨勢，平臺應具備其先進性；供水公司要發(fā)揮其行業(yè)優(yōu)勢和規(guī)模效應，合理有效地統(tǒng)籌和配置資源，通過信息化加強企業(yè)的資源共享和業(yè)務協(xié)同；企業(yè)需要通過信息化手段管理各部門、科室，加強在資金、人才、及產(chǎn)業(yè)鏈上整體的協(xié)同，同時建立完備的考核體系；符合智慧水務大框架信息化、標準化要求，保證本平臺與智慧水務大框架的數(shù)據(jù)互通，管理流程匹配。

1.3 加強管控，防范經(jīng)營/質量/安全風險

確保泵房物理安全可控；確保信息化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應用系統(tǒng)等安全可控；設計合理的IT 架構和技術規(guī)范體系，確保IT 建設符合總體規(guī)劃和統(tǒng)一的技術標準；確保系統(tǒng)對未來新系統(tǒng)建設的兼容性，對第三方系統(tǒng)支持關鍵信息的互通。構建從進水管網(wǎng)、水質、水量、水壓的全過程監(jiān)控及合理調度。

2 智慧供水管理平臺建設總體架構

2.1 方案設計理念

1）平臺按“無人值班，少人值守”標準進行總體設計，本著安全可靠、技術先進、經(jīng)濟、實用的原則進行設備配置。

2）泵房設備與管理平臺通訊中斷時，可提供補發(fā)功能，確保網(wǎng)絡中斷期間的數(shù)據(jù)不丟失。

3）平臺實現(xiàn)遠程實時采集和控制，同時考慮到控制帶來的安全性問題， 若開通下發(fā)控制功能，雙方需簽訂安全保障協(xié)議以確定責任劃分。

4）系統(tǒng)配置和設備選型適應社會發(fā)展迅速的特點，充分利用計算機領域的先進技術，系統(tǒng)達到當前行業(yè)內先進水平。

5）采用全分布開放式系統(tǒng)，便于功能和硬件的擴充。 軟件模塊化、結構化設計，使系統(tǒng)更能適應功能的增加和規(guī)模的擴充。

6）平臺實現(xiàn)管控結合，能夠更好地對二次供水泵房進行監(jiān)控管理，保障二次供水泵房更加安全、穩(wěn)定的運行。

7）平臺可實現(xiàn)將數(shù)據(jù)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、門禁及聲光報警、PDA 巡檢、 運行及維保管理等系統(tǒng)深度融合，可以彈出界面調用或進行數(shù)據(jù)共享。

8）針對性的技術方案設計及各模塊數(shù)據(jù)互通的可行性分析。

9）對平臺采集終端的可靠性、人機交互設計合理性、系統(tǒng)性能優(yōu)化、移動端支持程度等多維度進行詳細說明。

2.2 應用架構設計

本平臺系統(tǒng)分為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和平臺管理兩部分。 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)除負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸外，還支持現(xiàn)場自動化控制、現(xiàn)場水箱調蓄、供水冗余控制、末端管網(wǎng)爆管預測、安防聯(lián)動控制、水質預警聯(lián)動、工業(yè)系統(tǒng)加密等工作。 平臺管理負責數(shù)據(jù)的分析處理、故障診斷維護、工單管理、生命周期管理、安防管理、能耗管理、水箱管理等工作。 其中，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是現(xiàn)場互聯(lián)自控的基礎，平臺管理是企業(yè)發(fā)揮智慧化供水管理的核心工具和手段。

2.3 系統(tǒng)組成

智慧供水管理平臺由監(jiān)控中心、網(wǎng)絡傳輸、泵房子站系統(tǒng)、現(xiàn)場傳感器及視頻、門禁系統(tǒng)組成。

數(shù)據(jù)采集層負責數(shù)據(jù)的采集和控制，傳感器負責采集現(xiàn)場的信息，如進出水壓力、流量、液位、泵狀態(tài)、耗電量、余氯、濁度等，現(xiàn)場控制系統(tǒng)負責泵房設備的就地控制，如泵的啟停、切換及傳感器數(shù)據(jù)的收集、故障報警等。

現(xiàn)場傳感器和控制器（PLC）通過DI/AI 和現(xiàn)場總線（Modbus）的方式接入網(wǎng)關或工業(yè)控制控機。

傳輸網(wǎng)絡負責數(shù)據(jù)的傳輸和控制指令的下發(fā)，可采用有線方式或無線方式及二者的結合，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關接入公網(wǎng)數(shù)據(jù)采集層負責所有泵站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，包括信息的匯聚，控制指令的下發(fā)，同時提供標準接口，對第三方提供數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析層負責數(shù)據(jù)的清洗處理和存儲；業(yè)務層是針對供水業(yè)務的具體實現(xiàn)包括報表系統(tǒng)、綜合報警、故障診斷、協(xié)調控制、運行分析（能耗分析、用水趨勢分析等）的綜合管理。

視頻系統(tǒng)采用本地存儲的方式，將現(xiàn)場的視頻信號存儲到硬盤錄像機，通過平臺的視頻監(jiān)控模塊可以遠程調用視頻信息，進行監(jiān)控[1]。

配合門禁系統(tǒng)，實現(xiàn)照明設備、攝像裝置的聯(lián)動，對進出泵房的人員進行管理；可查看設備運行過程中的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)[2]。

各個子系統(tǒng)協(xié)同工作，保證智慧供水管理系統(tǒng)安全可靠高效的運行。

3 系統(tǒng)功能描述

目前，二次供水遠程監(jiān)控指揮調度中心在二次供水維護管理工作中發(fā)揮著重要的作用，但隨著接入維護項目數(shù)量的增加， 項目建設水平的逐步提高，居民對維護服務的質量要求的提高，現(xiàn)在監(jiān)控中心平臺的架構已經(jīng)很難適應二次供水管理的發(fā)展要求，需要建立更加智慧、融合更多功能的二次供水管理平臺。

3.1 設計思路

基于“集中監(jiān)控，分散控制”的模式，建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集中監(jiān)控系統(tǒng)，完成對水泵及變頻器的遠程數(shù)據(jù)采集和控制，實時判斷水泵故障及故障原因，實現(xiàn)“24 h 實時監(jiān)控”的目標，利于實現(xiàn)實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)故障，減少人工巡查工作量，提高工作效率，為客戶的設備運行保駕護航。

3.2 系統(tǒng)示意

智能網(wǎng)關是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的核心部件。 智能網(wǎng)關負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場自動化控制、現(xiàn)場水箱調蓄、供水冗余控制、末端管網(wǎng)爆管預測、安防聯(lián)動控制、水質預警聯(lián)動、工業(yè)系統(tǒng)加密等工作。

3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡

系統(tǒng)支持各種類型的網(wǎng)絡傳輸，包括但不限于ADSL 普通撥號寬帶，專網(wǎng)專線，虛擬VPN 專線，移動撥號VPDN，4G/5G 網(wǎng)絡，其他。

3.4 系統(tǒng)功能

3.4.1 數(shù)據(jù)采集與控制

二次供水泵房需要上傳的數(shù)據(jù)： 進水壓力、水箱液位信號、二次供水壓力、二次供水流量、電壓、電流、耗電量、變頻器頻率、水泵啟停狀態(tài)、電氣故障、極限水位報警、地面液位報警、泵房門啟閉報警。 所有開關量信號均為無源觸點信號，所有模擬量信號均為4～20 mA 信號[3]。

3.4.2 冗余控制

智聯(lián)網(wǎng)關具備可編程邏輯控制功能，當智聯(lián)網(wǎng)關監(jiān)測到PLC 或變頻器發(fā)生異常導致無法正?？刂乒┧壿?，進而導致停水危機后，將自動切換至安全冗余供水邏輯， 接管異常PLC 和變頻器的供水，同時向平臺發(fā)出最高級別報警。 冗余供水控制功能屬于現(xiàn)場自動邏輯控制，極大保障了停水危機隱患（此功能需要子站PLC 的程序支持）。

3.4.3 安防聯(lián)動

當正常開門時，門鎖打開，狀態(tài)反饋信號與門鎖信號一致，平臺記錄開門信息，當非正常開門，如暴力破門時，門鎖未打開的情況下，其狀態(tài)信號與門的狀態(tài)反饋信號不一致，平臺自動報警，人員非法闖入，并進行視頻彈出。

3.4.4 錯峰調蓄自動控制

使用一定的技術手段，對設備運行頻率的歷史數(shù)據(jù)進行橫向和縱向分析展示，可以很明顯地找出該小區(qū)的用水周期性規(guī)律，從而找出小區(qū)供水高峰時段。 結合水箱液位數(shù)據(jù)和水箱進水基礎管徑，計算得出所需的蓄水時長。 錯峰調蓄的基本思路是在高峰時段來臨前，進行自動化的開關閥門操作。 所有這些都由智聯(lián)網(wǎng)關在泵房現(xiàn)場進行自控實現(xiàn)。

3.4.5 末端管網(wǎng)爆管預測

通過小區(qū)漏損監(jiān)控，可以完成小區(qū)漏損的定量監(jiān)控，但無法判定新增的漏失量不大的爆漏點。 爆漏分析系統(tǒng)通過對二次供水泵房前端壓力變送器和流量計的高頻數(shù)據(jù)的采集，實時分析每個泵房前端壓力、流量的變化斜率，查找壓力和流量突變的泵房。

3.4.6 環(huán)境異常聯(lián)動

環(huán)境監(jiān)測包含但不限于溫度、濕度、煙霧報警、火災報警、水淹報警等。

當環(huán)境變得惡劣時，智聯(lián)網(wǎng)關將對傳感器數(shù)據(jù)進行實時邏輯處理，并輸出解決 控制測點。 例如，當泵房溫濕度超過限值時，智聯(lián)網(wǎng)關進行邏輯匹配，并輸出對泵房風機或除濕機甚至空調的控制。 又例如，當泵房發(fā)生爆管或水箱大規(guī)模溢流， 水淹報警器信號異常，智聯(lián)網(wǎng)關將進行邏輯匹配，并切斷設備電源、啟動排污泵進行排水，同時向平臺上報異常信息。

4 結語

城市智慧二次供水管理平臺以 “智慧水務”為規(guī)劃發(fā)展方向，建設一個集成的、統(tǒng)一的管理平臺。將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng) （SCADA 系統(tǒng)）與視頻門禁系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等集中構建，建立一體化運作機制，消除系統(tǒng)之間的信息孤島，實現(xiàn)統(tǒng)一的展現(xiàn)門戶。 對外具有統(tǒng)一的展示宣傳窗口、對內具有統(tǒng)一的信息系統(tǒng)管理入口，并能做到內外信息的同步。 通過該平臺實現(xiàn)二次供水泵房相關數(shù)據(jù)的采集分析，實現(xiàn)對二次供水泵房的全面監(jiān)控，建立二次供水設施運行維護管理檔案，實現(xiàn)二次供水的科學調度，降低管理成本，提高供水突發(fā)事件的應變能力，提高供水企業(yè)的服務質量。