基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

田昊 王源楠 楊琳

摘要：城鄉(xiāng)供水管理對社會穩(wěn)定、經(jīng)濟發(fā)展和生活水平的提高有積極作用。開發(fā)供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)能夠提高水資源利用效率、提升供水保障率、強化水質(zhì)安全保障。設(shè)計并實現(xiàn)了城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)，滿足了城鄉(xiāng)供水管理的現(xiàn)代化應(yīng)用需求，對于“互聯(lián)網(wǎng)+”城鄉(xiāng)供水工程建設(shè)有實際指導價值。

關(guān)鍵詞： 城鄉(xiāng)供水; “互聯(lián)網(wǎng)+”; 自動化監(jiān)控; 工程運維; 管理現(xiàn)代化

中圖法分類號：TU991 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.020

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0111 - 06

0 引 言

城鄉(xiāng)供水工程是保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要水利工程。21世紀以來，隨著城鄉(xiāng)一體化進程的加快，城鄉(xiāng)供水工程逐步解決了廣大農(nóng)村群眾的生活用水困難及用水安全問題，改善了人民的生產(chǎn)生活條件，使人們能安居樂業(yè)，促進了社會的穩(wěn)定和農(nóng)村經(jīng)濟的繁榮發(fā)展[1]。

在供水工程自動化監(jiān)測和管理方面，一些發(fā)達國家從20世紀60年代起就開展了對城市供水管理系統(tǒng)的研究，且運用了計算機技術(shù)作為供水管理輔助手段。目前，美、日、英、法等國家的一些城市已經(jīng)基本實現(xiàn)了供水系統(tǒng)的計算機優(yōu)化調(diào)度和管理，并形成了一些調(diào)度管理軟件，如英國的GINAS及美國的OPWAD等[2]。

隨著改革開放和經(jīng)濟發(fā)展，中國的供水自動化監(jiān)測和管理系統(tǒng)得以開發(fā)和推廣[3-5]。賈國華[6]認為建立農(nóng)村飲用水安全工程管理信息化系統(tǒng)是發(fā)展趨勢。侯景偉等[7]提出將水利工程技術(shù)、計算機信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)等充分融合，建立強大的數(shù)據(jù)庫，為領(lǐng)導決策和技術(shù)人員開展工程建設(shè)管理工作提供信息支持，是保障農(nóng)村飲用水安全的有效手段。李云峰[8]論述了“智慧供水”的概念，提出智慧供水信息化建設(shè)的構(gòu)想。金麗等[9]構(gòu)建了農(nóng)村供水信息化和自動化監(jiān)控系統(tǒng)，解決了供水站點的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、管道爆裂漏水不易及時發(fā)現(xiàn)和管道靜水壓力過大等問題。朱波等[10]基于智慧供水的基本概念和前沿技術(shù)，介紹了合肥智慧供水建設(shè)規(guī)劃、建設(shè)內(nèi)容、信息安全、支撐體系等內(nèi)容。王躍國等[11]分析了農(nóng)村供水工程信息化建設(shè)現(xiàn)狀及問題，研究了人工智能技術(shù)在縣級農(nóng)村供水工程信息化建設(shè)中的應(yīng)用。朱敏等[12]針對自動化供水信息的遠程監(jiān)控需求，研究了基于OPC技術(shù)的供水信息化系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。

但無論國外還是國內(nèi)，關(guān)于城鄉(xiāng)供水自動化全面覆蓋的研究和報道相對較少。由于城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村供水系統(tǒng)建設(shè)嚴重不均衡。部分地區(qū)水資源匱乏、水質(zhì)較差，飲用水供需矛盾突出，人飲安全保障亟需提升。為提高水資源利用效率、提升供水保障率、強化水質(zhì)安全保障，有必要建設(shè)高水平的供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)，以緩解飲用水供需矛盾并提升廣大人民群眾飲水安全[13]。同時，開展高水平的信息化建設(shè)，是提升政府水務(wù)管理效能、提高社會公眾服務(wù)能力的需要，也是響應(yīng)國家地方各級政策，樹立城鄉(xiāng)“互聯(lián)網(wǎng)+供水”工程典型示范的需要[14]。

因此，本文著重研究一個功能完善、維護容易、操作簡單、易于復用、生命周期長的城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)，為滿足信息化管理的迫切需要和為科學合理配水提供后臺支撐，建設(shè)典型的“互聯(lián)網(wǎng)+”供水工程標桿，“互聯(lián)網(wǎng)+”城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)將云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術(shù)手段應(yīng)用在城鄉(xiāng)供水工程中，實現(xiàn)供水全程自動化監(jiān)控和運行，提升了城鄉(xiāng)供水工程自動化技術(shù)水平，對于保障供水安全、提高管理水平具有較大意義。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)總體架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、支撐層及應(yīng)用層。感知層建設(shè)水廠、泵站、蓄水池、管網(wǎng)、入戶的流量、壓力、水質(zhì)、水位、視頻監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，實現(xiàn)供水全過程自動化數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測;網(wǎng)絡(luò)層利用物聯(lián)網(wǎng)、有線網(wǎng)絡(luò)和4G無線網(wǎng)絡(luò)等通訊方式，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸與設(shè)備的遠程控制;基礎(chǔ)層充分利用云資源，提供彈性計算、數(shù)據(jù)存儲、操作系統(tǒng)、安全防護等服務(wù);數(shù)據(jù)層整合已有數(shù)據(jù)、新建數(shù)據(jù)，建設(shè)城鄉(xiāng)供水數(shù)據(jù)庫，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、管理數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合、互聯(lián)互通和資源共享;支撐層根據(jù)建設(shè)需要，分別部署統(tǒng)一身份認證、地理信息服務(wù)等內(nèi)容;應(yīng)用層開發(fā)供水自動化監(jiān)控、工程運維管理、水費計收管理、一張圖、門戶、移動APP、微信公眾號等系統(tǒng)，覆蓋城鄉(xiāng)供水管理業(yè)務(wù)，提供綜合展示與移動服務(wù)窗口。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

針對水利行業(yè)不同類型的數(shù)據(jù)采用不同的存儲方法。按照水利對象的設(shè)計思路，對目前涉及的水利對象采用遵循數(shù)據(jù)范式的設(shè)計思路，利用MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行存儲[15]。

對于其他的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如文檔、圖片、多媒體、視頻等，采用CEPH集群進行存儲，并與關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的對象屬性進行掛載。對空間信息，如DLG/DEM/DOM等，采用ArcSDE/MySQL等數(shù)據(jù)庫進行存儲。

城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯上可分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、管理數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)。

2.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，存儲與城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)測以及管理系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，包括行政區(qū)劃、水庫、河流等水利基礎(chǔ)信息，水廠、水池、管網(wǎng)等城鄉(xiāng)供水工程的基本信息等，可為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫提供映射數(shù)據(jù)源。

2.1.2 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫是指各完整支持業(yè)務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，存儲支持城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，由從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中映射的數(shù)據(jù)視圖和自身業(yè)務(wù)需要建設(shè)的數(shù)據(jù)庫表構(gòu)成。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫包括監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫兩部分。

（1） 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。包括水廠自動化、蓄水池、供水管網(wǎng)、入戶監(jiān)測等，具體涵蓋水廠制水及輸水設(shè)備監(jiān)測、蓄水池水位流量監(jiān)測、管道流量壓力監(jiān)測、入戶流量監(jiān)測等。

（2） 業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫。包括城鄉(xiāng)供水工程運行維護和水費收繳等業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)，具體涵蓋城鄉(xiāng)供水工程巡檢數(shù)據(jù)、維修養(yǎng)護數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、水費收繳數(shù)據(jù)等。

2.1.3 管理數(shù)據(jù)庫

管理數(shù)據(jù)庫用于存放支撐系統(tǒng)正常運行的元數(shù)據(jù)、菜單信息、接口信息、用戶信息、權(quán)限信息、日志信息等。

2.1.4 文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)存儲歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)以及文件數(shù)據(jù)。

（1） 歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。專題數(shù)據(jù)庫中的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)工具進行數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換并加載存儲在文件系統(tǒng)中。歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)分析服務(wù)為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供大數(shù)據(jù)分析處理功能。

（2） 視頻數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)存儲視頻數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)通過視頻服務(wù)為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供視頻的查詢和回放功能。

（3） 文件數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)存儲業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的文件數(shù)據(jù)，文件數(shù)據(jù)通過文件服務(wù)為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供文件的上傳、下載和瀏覽功能。

2.2 支撐平臺設(shè)計

支撐平臺包括各類中間件支撐服務(wù)，中間件支撐服務(wù)建設(shè)即利用第三方平臺或軟件的服務(wù)功能，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供各類服務(wù)，具體包括通用流程、統(tǒng)一身份認證、智能報表、短信平臺、消息中間件、數(shù)據(jù)交換、視頻集成和地理信息服務(wù)等內(nèi)容。

（1） 通用流程。提供工作流相應(yīng)的通用流程管理功能。主要包括流程發(fā)起、待審待辦查詢、流程審核、流程日志圖形化顯示、流程流轉(zhuǎn)。

（2） 統(tǒng)一身份認證。搭建統(tǒng)一身份認證平臺，為各應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的賬號權(quán)限管理、身份認證服務(wù)。主要包含用戶管理、用戶認證、單點登錄、分級管理、權(quán)限管理、會話管理等。

（3） 智能報表。提供各類圖、表的展示功能，支持多個終端，如展示大屏、PC電腦、移動手機等。提供各類報表的展示、下載、打印等功能。主要內(nèi)容包括：設(shè)計器和報表頁面的訪問，與平臺的權(quán)限認證體系進行結(jié)合控制，保證報表訪問安全，以及實現(xiàn)定制化界面，使其與前端框架統(tǒng)一融合。

（4） 短信平臺?；诔墒斓能浖a(chǎn)品構(gòu)建短信平臺，主要功能包含短信模板管理、短信發(fā)送、短信日志。

（5） 消息中間件。消息中間件提供的消息服務(wù)用來在系統(tǒng)的模塊間和前后端間快速數(shù)據(jù)傳輸。通過消息引擎來進行消息的發(fā)布通知，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)更新。主要包含消息發(fā)送服務(wù)、消息接收服務(wù)、消息隊列、消息持久化服務(wù)。

（6） 數(shù)據(jù)交換。平臺需要與已建系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)的交換，基于數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)（ETL）實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換服務(wù)，即自動化數(shù)據(jù)抽取、交換及加載。

（7） 視頻集成。視頻集成主要采用對接主流廠商軟件開發(fā)工具包為主要技術(shù)路線。在設(shè)備對接方面，主要在其SDK接口功能上進行二次開發(fā)，對接相應(yīng)功能接口，完成視頻接入、設(shè)備管理等相應(yīng)功能。在完成設(shè)備對接后，沿用平臺總體技術(shù)路線，完成相應(yīng)后端服務(wù)及前端呈現(xiàn)相應(yīng)功能。

（8） 地理信息服務(wù)。地理信息服務(wù)基于開源GIS框架，進行基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)服務(wù)與展示相關(guān)基礎(chǔ)能力建設(shè)，包括后端服務(wù)與前端呈現(xiàn)兩個部分內(nèi)容。后端服務(wù)主要為地理信息服務(wù)的后端邏輯實現(xiàn)，主要包括數(shù)據(jù)管理與空間數(shù)據(jù)服務(wù)兩個部分;前端呈現(xiàn)為地理信息服務(wù)的前端實現(xiàn)，負責地圖渲染、可視化、邏輯交互等方面任務(wù)，內(nèi)容包括地圖交互、圖層管理、可視化展現(xiàn)等內(nèi)容。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)包含7個子模塊，分別為供水自動化監(jiān)控、工程運維管理、水費計收管理、一張圖、門戶、移動APP、微信公眾號。城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)功能框架如圖2所示。

（1） 供水自動化監(jiān)控。供水自動化監(jiān)控模塊采集并監(jiān)測水廠、清水池、管網(wǎng)、入戶水表和視頻監(jiān)控的有關(guān)信息，實現(xiàn)水廠、清水池、測控井、水表等設(shè)備的自動化監(jiān)控，整合監(jiān)測數(shù)據(jù)并集中展示，滿足快速了解運行狀態(tài)和處理預(yù)警預(yù)報事件、降低水量損失、設(shè)備損失、維修成本的需求，實現(xiàn)整個供水系統(tǒng)的靈活高效和智能運行。供水自動化監(jiān)控具備工程組態(tài)管理、報警預(yù)警管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、遠程控制、視頻監(jiān)控等功能。供水自動化監(jiān)控工程組態(tài)管理界面如圖3所示。

（2） 工程運維管理。工程運維管理模塊能直觀地獲取設(shè)備的運行狀態(tài)、養(yǎng)護信息和維修信息，快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的隱患或者故障，發(fā)送預(yù)警信息至運維人員和管理人員，推動其進行相應(yīng)的應(yīng)急維護或定期養(yǎng)護操作。同時，能夠記錄運維管理人員對工程及自動化設(shè)備的巡檢情況和檢查結(jié)果，實現(xiàn)城鄉(xiāng)供水工程運行維護的電子化和信息化管理。工程運維管理將各類對象巡檢、維修、養(yǎng)護流程模板化，并將預(yù)警報警與運維流程耦合，實現(xiàn)運維人員對故障的快速響應(yīng)。工程運維管理子系統(tǒng)具備工程信息管理、工程巡檢、維修管理、養(yǎng)護管理等功能。工程運維管理模塊維修管理功能界面如圖4所示。

（3） 水費計收管理。水費計收管理模塊實現(xiàn)系統(tǒng)遠程抄表，提供信息公布的網(wǎng)絡(luò)平臺和短信推送服務(wù)，并能支持IC卡水費預(yù)交、微信公眾號等多種繳費方式，能夠統(tǒng)計分析用水量、用水異常情況、水費收繳情況等信息，方便領(lǐng)導和業(yè)務(wù)人員把握水費計收具體形勢，提高信息化管理水平。水費計收系統(tǒng)具備用戶管理、水費管理、水價管理、智能水表管理和統(tǒng)計分析等功能。水費計收管理模塊水費管理界面如圖5所示。

（4） 一張圖。一張圖綜合展示模塊在二維或三維電子地圖基礎(chǔ)上，運用地理信息技術(shù)實現(xiàn)人飲信息的整合發(fā)布，支持水源地、水廠、清水池、輸配水管網(wǎng)、測控井、分水井等供水工程建筑和設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)、工程管理、預(yù)警報警、巡檢維修等動態(tài)信息的展示和查詢，并對供水形勢、工程運行形勢、水費收繳形勢和用水反饋等業(yè)務(wù)信息進行綜合性解析展示。一張圖綜合展示界面如圖6所示。

（5） 門戶。系統(tǒng)門戶聚合各類信息，建設(shè)專題門戶，將供水工程運行、設(shè)備運行狀態(tài)等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、各項重要指標統(tǒng)計、各項重點工作進展、重要新聞事件、便民政務(wù)等方面信息按照各級權(quán)限向不同層級的管理人員集中展示，形成管理門戶;對社會公眾聚合重要新聞事件、政務(wù)公開、水費繳納、通知公告等相關(guān)信息，形成公眾門戶;并對各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)聚合相關(guān)專題信息，形成業(yè)務(wù)門戶。管理門戶界面如圖7所示。

（6） 移動APP。移動APP實現(xiàn)信息化管理系統(tǒng)的全覆蓋，集成各個業(yè)務(wù)科室的工作，提高工作效率，滿足用戶實時掌握供水工程運行、供水用水、巡檢維修等情況。移動APP提供移動一張圖、實時數(shù)據(jù)查詢、預(yù)警預(yù)報、移動控制、巡檢維修等移動管理能力。移動APP界面如圖8所示。

（7） 微信公眾號。面向社會公眾用戶，開發(fā)微信公眾號，實現(xiàn)網(wǎng)上營業(yè)廳、公告信息、客戶服務(wù)等功能。以微信公眾號為載體，打通計量、控制、運維、服務(wù)數(shù)據(jù)鏈條，為群眾提供移動報裝、報修、繳費途徑，提升服務(wù)質(zhì)量和群眾滿意度。微信公眾號界面如圖9所示。

3 結(jié) 語

本文以城鄉(xiāng)供水為研究背景，設(shè)計并實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)測與管理系統(tǒng)，滿足城鄉(xiāng)供水管理的現(xiàn)代化應(yīng)用需求。系統(tǒng)將云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術(shù)手段應(yīng)用于城鄉(xiāng)供水工程中，建設(shè)智慧管理與服務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)供水全過程監(jiān)控計量、需水供水、運行管理、檢修養(yǎng)護，以及繳費服務(wù)的信息化、移動化、智能化。通過系統(tǒng)建設(shè)，充分保障了城鄉(xiāng)供用水安全，能夠提高和改善供水管理效益、效率及可靠性，從而實現(xiàn)供水管理的自動化、數(shù)字化、現(xiàn)代化、智能化和高效化。系統(tǒng)基于 Java 技術(shù)開發(fā)，有利于后期的拓展與維護，具有很強的實用價值。

本文設(shè)計的系統(tǒng)在彭陽縣“互聯(lián)網(wǎng)+城鄉(xiāng)供水”項目全面應(yīng)用，實現(xiàn)45座泵站、92座蓄水池、407處管網(wǎng)節(jié)點、4.3萬用水戶的智能監(jiān)控，針對農(nóng)村供水運維保障差、水費收繳難、服務(wù)質(zhì)量低等問題，探索形成農(nóng)村管網(wǎng)運行維護快速響應(yīng)技術(shù)，建成農(nóng)村供水移動服務(wù)應(yīng)用，打通計量、控制、運維、服務(wù)數(shù)據(jù)鏈條，破解了水費收繳難問題，達到節(jié)水、降本、增效的突出效果，實現(xiàn)了“同源、同質(zhì)、同網(wǎng)、同價”城鄉(xiāng)供水均等化服務(wù)模式，緩解了水資源缺乏與人民群眾生活需求之間的矛盾，群眾滿意度達98%，為可持續(xù)脫貧提供了基礎(chǔ)保障。

該項成果實現(xiàn)了全縣域智慧農(nóng)村供水，為農(nóng)村供水行業(yè)建設(shè)和發(fā)展起到了引領(lǐng)和示范作用，被中央和地方媒體廣泛報道，全國各地水管單位參觀調(diào)研百余次，水利部部長率全國農(nóng)村飲水安全工作現(xiàn)場會與會人員實地觀摩;已成功向?qū)幭奈骷⒃?、海原等區(qū)縣以及新疆于田縣等地區(qū)推廣應(yīng)用。

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（編輯：李 晗）