基于物聯(lián)網(wǎng)的“供水管家”模式研究

周 敏

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

目前，供水行業(yè)總體建設(shè)、運營管理水平和服務(wù)質(zhì)量還不盡如人意，有待進一步提質(zhì)增效[1～3]。物聯(lián)網(wǎng)是一個由能夠傳輸數(shù)據(jù)的連接設(shè)備組成的系統(tǒng)。低成本物聯(lián)網(wǎng)的水資源管理系統(tǒng)在過去的幾年里發(fā)展勢頭迅猛，且物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的設(shè)備可以在無需人工交互的情況下傳輸數(shù)據(jù)，因此非常適合實時水位及水質(zhì)監(jiān)測[4,5]。借鑒環(huán)保管家的理念[6～9]，提出“供水管家”。“供水管家”是針對供水行業(yè)包括自水源地取水、原水輸水、自來水廠、城市配水管網(wǎng)至用水戶、節(jié)水減排等的全生命過程所提供的一種經(jīng)濟、高效、智慧、一體化的社會中介服務(wù)。因此，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的“供水管家”系統(tǒng)可以實現(xiàn)集水質(zhì)、水量、水壓監(jiān)測于一體的多功能監(jiān)測，且是保障供水行業(yè)安全、經(jīng)濟、快捷、高效的迫切需要[10]。

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)架

2.1 框架組成

參考Singh等的研究[11,12]，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的水監(jiān)測系統(tǒng)，由控制器、傳感器和顯示數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序組成，如圖1所示。

2.2 水質(zhì)參數(shù)

飲用水水質(zhì)對人類生活的健康有重要影響，且對其的測量是一項復(fù)雜的工作，涉及多個參數(shù)。雖然有些質(zhì)量參數(shù)很容易測量，但另有一些參數(shù)需要應(yīng)用專門的儀器設(shè)備和專業(yè)知識。常用的水質(zhì)參數(shù)如下[13]。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的水監(jiān)測系統(tǒng)的各種組件

pH值：測量水基溶液的酸堿性。較高的pH值表示堿性溶液，而較低的pH值表示酸性溶液?！渡铒嬘盟l(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)的推薦值為6.5～8.5[14]。

溶解氧(DO)：測量水中溶解的氣態(tài)氧(O2)[15]?？梢酝ㄟ^水中溶解氧的含量來判斷水質(zhì)。動水，如河流和溪流中的DO含量較高，而靜水中DO含量較少。DO值越高，水的味道越好，但同時也會導(dǎo)致管道的腐蝕。

濁度：度量水的清澈度，通常用散射濁度單位(FTU)和(NTU)進行測量?！渡铒嬘盟l(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)建議飲用水的濁度值應(yīng)小于1 NTU[14]。

導(dǎo)電性：測量水的導(dǎo)電能力，從而表明溶解在水中的物質(zhì)。飲用水的電導(dǎo)率值不應(yīng)超過400 L/cm。

溶解性總固體(TDS)：測量水中溶解的有機物與無機物的含量。高TDS值表明存在大量礦物。根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)，大于1000 mg/L的水不宜飲用[14]。

溫度：此項指標(biāo)對水質(zhì)有重大影響。世界衛(wèi)生組織倡導(dǎo)的飲用水溫度上限值為30 ℃。

鹽度：測量溶解在水中的鹽的含量。較高的鹽度值對人體有不利影響。飲用水中的鹽度值應(yīng)小于200×10-6。

2.3 傳感器

市場上有各種傳感器可用于測量物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的范圍、溫度、濕度等參數(shù)[16]。其中，物聯(lián)網(wǎng)水管理系統(tǒng)中常用的傳感器包括超聲波傳感器、溫度傳感器和pH傳感器[17]。

超聲波傳感器：使用超聲波量程傳感器測量水箱/水庫中的水位。超聲波傳感器是一種距離測量傳感器，可以方便地與市場上的不同控制器連接。該傳感器廣泛用于水箱水位的實時監(jiān)測。

溫度傳感器：水溫是影響水質(zhì)和軍團菌防治策略的一個重要因素。水溫應(yīng)盡可能保持在25～50 ℃的范圍外以防止微生物的滋生。市場上有各種傳感器可用于測量更寬范圍的溫度(-50～125 ℃)。

pH傳感器：使用pH傳感器來測量水基溶液的酸堿性。

2.4 通信技術(shù)

為了解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低功耗、內(nèi)存密集、資源受限等問題，研究者們提出了多種低功耗通信技術(shù)來打破物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的各種限制[18]。這些技術(shù)包括BLE、Zigbee、低功耗Wi-Fi、NB-IoT、LoRA等[19,20]。這些通信技術(shù)的比較分析如表1所示。在BLE中，所有的外圍設(shè)備都處于睡眠模式，而當(dāng)從中心節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包時就處于喚醒模式，這有助于降低網(wǎng)絡(luò)的總體能耗。此外，低功耗Wi-Fi基于ieee802.11ah標(biāo)準(zhǔn)，與普通的基于Wi-Fi的通信技術(shù)相比功耗更低，同時可以實現(xiàn)更高的傳輸范圍。Zigbee基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)運行，用于低數(shù)據(jù)率短程通信應(yīng)用，如自動化、工業(yè)等。LoRA和NB IoT均是基于低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)的通信技術(shù)。LoRA是第一個被商業(yè)化采用的低成本通信技術(shù)，它以高達50kbit/s的低數(shù)據(jù)速率提供遠(yuǎn)程通信[21]。而NB-IoT具有更高的數(shù)據(jù)速率，但與LoRA相比，它的消耗更低，同時每臺設(shè)備的成本也相對較高。

表1 現(xiàn)用于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗通信技術(shù)的比較

2.5 控制器

基于物聯(lián)網(wǎng)的水管理系統(tǒng)控制器可大致可分為微控制器板型和微型計算機型。Arduino是一種微控制器板型控制器，它反復(fù)運行一個程序，且與微型計算機型控制器相比相對便宜，但需要外部硬件連接到網(wǎng)絡(luò)。Raspberry Pi是一種單板袖珍微型計算機型控制器，包含板載Wi-fi和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，可直接連接到網(wǎng)絡(luò)。此外，他們都屬于成熟的計算設(shè)備，能夠運行多個程序。

2.6 應(yīng)用程序平臺

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用量的迅速增加，出現(xiàn)了大量物聯(lián)網(wǎng)平臺(也被稱為儀表板)。一些平臺還提供了一些應(yīng)用程序，用于使用Blynk等移動設(shè)備控制和監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[22]。如FreeBoard、Ubidots、ThingSpeak等也是一些常用的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺。

Radhakrishnan等討論了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在水管理系統(tǒng)中的體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和使用。這項研究分析了6種商用傳感器，即Spectro:lyser、SmartCoast、kapta3000ac4、smartwater(Libelium)、Lab-on-chip和I:scan。這項研究還分析了可用來為傳感器產(chǎn)生能量的能量收集技術(shù)。研究表明，6lowpan、LoRa和Zigbee是水管理系統(tǒng)通信的最佳選擇。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的供水管家系統(tǒng)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)在供水全流程的應(yīng)用分析

依據(jù)前面討論的各種技術(shù)的關(guān)鍵分析，本節(jié)構(gòu)建了一個供水全流程的智能水管理系統(tǒng)(圖2)。包含了從水源地取水、原水輸水、自來水廠、配水管網(wǎng)至用水戶的全過程。該系統(tǒng)是一個基于物聯(lián)網(wǎng)的實時智能水管理系統(tǒng)，能夠記錄水位和水質(zhì)參數(shù)，如圖2所示。這個由流行編程語言(如python)編寫的程序組成的擬議系統(tǒng)將在控制器(例如Raspberry Pi)中運行。控制器將連接到用于水質(zhì)和水位測量的傳感器，如用于測量水位的HC-SR04超聲波測距傳感器，用于檢測pH的pH傳感器等。為了進行實時監(jiān)控，在控制器內(nèi)集成物聯(lián)網(wǎng)平臺(如Blynk)非常重要，可以通過這些平臺在互聯(lián)網(wǎng)上控制Raspberry Pi等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。使用這種集成，就可以在移動應(yīng)用程序上顯示實時水位。

將分析水位和其他質(zhì)量參數(shù)存儲在互聯(lián)網(wǎng)上的安全位置很重要[23]。GoogleSheets API是一個輕量級的應(yīng)用程序編程接口，用于從低計算設(shè)備(如raspberry Pi)向Google sheets讀寫數(shù)據(jù)。理想的系統(tǒng)應(yīng)該能夠使用googlesheets API將當(dāng)前值實時更新到google sheets中。所有讀寫請求都需要API密鑰，這是更新數(shù)據(jù)值和防止重播攻擊的安全方法。記錄值可以分解為訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，用于開發(fā)機器學(xué)習(xí)模型。且由此產(chǎn)生的警報和預(yù)測可以發(fā)送給相關(guān)工作者以便采取必要的行動。

在仔細(xì)分析基于物聯(lián)網(wǎng)的“供水管家”系統(tǒng)領(lǐng)域的相關(guān)工作后，研究發(fā)現(xiàn)高效智能的水管理系統(tǒng)需要包含以下基本屬性。

低成本：系統(tǒng)的總成本不應(yīng)該很高。因為高成本會阻礙大規(guī)模部署，尤其是應(yīng)用于智慧城市。

低能耗：考慮到能源需求不斷增加以及高能源需求對環(huán)境的影響，系統(tǒng)的低能耗很重要。可使用像太陽能這樣的可再生能源來降低能源成本。

系統(tǒng)應(yīng)易于部署和維護：應(yīng)支持遠(yuǎn)程軟件維護和重置功能。

水位和水質(zhì)參數(shù)：對于一個完整的供水管理系統(tǒng)，除了水位之外，還必須分析和存儲其他水質(zhì)參數(shù)。但與此同時額外的傳感器也會導(dǎo)致額外的能量消耗及成本。

實時監(jiān)測：智能水管理系統(tǒng)應(yīng)支持實時水監(jiān)測。實時監(jiān)控需要活躍的網(wǎng)絡(luò)連接和高能耗。此外，云計算可用于實時決策過程。

安全：確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和消息的安全是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，尤其是當(dāng)這些設(shè)備部署在不同的物理位置時，以防黑客利用操作系統(tǒng)的漏洞來竊取敏感信息。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)在供水全流程的應(yīng)用

3.2 服務(wù)平臺的搭建

參考郭劍橋等的研究[24]，以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，在大數(shù)據(jù)及云計算等技術(shù)手段為支撐，構(gòu)建智慧供水平臺。通過傳感器感知并進行數(shù)據(jù)的采集，在供水的全流程上實現(xiàn)了水量、水質(zhì)、管網(wǎng)壓力等監(jiān)測，基于物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)管理的精細(xì)化與全面化，以達到進一步提質(zhì)增效的目的[25]。

供水信息共享并協(xié)同第三方系統(tǒng)信息資源(如交通視頻系統(tǒng)、天氣管理系統(tǒng)等)，建立水質(zhì)數(shù)據(jù)庫、雨情數(shù)據(jù)庫、水量數(shù)據(jù)庫，總結(jié)實際供水經(jīng)驗并結(jié)合供水模型對供水進行綜合性實時的智能調(diào)度。并建立供水預(yù)警機制，尤其是水源地監(jiān)管，實現(xiàn)迅速處理各類突發(fā)事件。推進供水系統(tǒng)由經(jīng)驗管理、人工管理向智慧化管理轉(zhuǎn)變，提升管理效能。構(gòu)建“三網(wǎng)”服務(wù)平臺(物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、智聯(lián)網(wǎng))，包括運行維護、廠網(wǎng)調(diào)度、風(fēng)險防控、監(jiān)測預(yù)警、資產(chǎn)管理等內(nèi)容，總體框架如圖3所示。

圖3 服務(wù)平臺總體框架

4 城市供水管家模式的體系建立

城市供水管家框架結(jié)構(gòu)包含服務(wù)主體、服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)平臺、質(zhì)控、商業(yè)模式，其中以服務(wù)內(nèi)容為核心，由第三方服務(wù)企業(yè)作用于城市供水服務(wù)系統(tǒng)，并借助服務(wù)平臺，實施城市供水管家服務(wù)，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、智慧全系統(tǒng)全過程高質(zhì)量服務(wù)。其具體框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.1 服務(wù)對象

城市給水管家服務(wù)對象為政府或行業(yè)行政主管部門(如水務(wù)、住建、環(huán)保等)和企事業(yè)單位。

4.2 服務(wù)目標(biāo)

在區(qū)域內(nèi)提高供水水質(zhì)質(zhì)量，減少管網(wǎng)漏損率，保障城市供水安全。

4.3 服務(wù)內(nèi)容

提供全方位、全過程、全生命周期服務(wù)，包括規(guī)劃、勘測設(shè)計、投融資、建設(shè)、運維、管理等階段，涵蓋水源地(包括常規(guī)水源、應(yīng)急水源、備用水源)、取水、凈水、輸配水、用戶端等內(nèi)容。同時包括借助信息化、智慧化系統(tǒng)，所建立的預(yù)警預(yù)報、風(fēng)險防控、供水調(diào)度等管理。

4.4 服務(wù)平臺

物聯(lián)感知層是信息采集，包括降雨量監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、流量監(jiān)測、視頻監(jiān)控、內(nèi)澇積水監(jiān)控、第三方接入等；互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的通訊層是按照實際需求選擇光纖、4G/5G、WIFI等通訊方式。智聯(lián)網(wǎng)包括數(shù)據(jù)層、分析層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層包含物聯(lián)網(wǎng)接入管理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)交換與共享等。數(shù)據(jù)的存儲和管理由各數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。分析層主要是數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)上進行數(shù)值分析，進行預(yù)判和診斷；構(gòu)建模型進行預(yù)測分析，提出預(yù)警、預(yù)報。數(shù)據(jù)層和分析層為決策支持提供數(shù)據(jù)支撐。應(yīng)用層可根據(jù)需求進行設(shè)置監(jiān)測預(yù)報、排水管理、工程管理等在內(nèi)的多個業(yè)務(wù)模塊。工程管理業(yè)務(wù)模塊可將工程建設(shè)期基于BIM+GIS形成的主要成果，形成數(shù)字資產(chǎn)，實現(xiàn)設(shè)計、建設(shè)、運維的信息化融合和銜接，可實現(xiàn)全過程數(shù)據(jù)的流通和共享，覆蓋全生命周期的智慧管理。

4.5 商業(yè)模式

商業(yè)模式有政企合作、托管服務(wù)(O&M)、資本+、企業(yè)共建模式。政企合作模式主要有ABO、PPP、EOD、EPCO等模式。其中企業(yè)間共建模式是構(gòu)建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟平臺，共抓、共商、共建、共治、共享，產(chǎn)業(yè)協(xié)同，進行市場資源的配置和整合，發(fā)揮各企業(yè)的優(yōu)勢，促進產(chǎn)業(yè)鏈融合，推動行業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)共贏合作。

5 結(jié)論與建議

本文構(gòu)建了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的實時智能水管理系統(tǒng)，能夠記錄水位和水質(zhì)參數(shù)，包含了從水源地取水、原水輸水、自來水廠、配水管網(wǎng)至用水戶的全過程。研究結(jié)果表明高效智能的水管理系統(tǒng)需要包含低成本、低能耗、易于部署和維護、能夠?qū)崟r監(jiān)測、安全等基本屬性。并以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)及云計算等技術(shù)手段為支撐，進一步構(gòu)建了智慧供水平臺。最后，提出了城市供水管家的框架結(jié)構(gòu)，其包含服務(wù)主體、服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)平臺、質(zhì)控、商業(yè)模式，其中以服務(wù)內(nèi)容為核心，由第三方服務(wù)企業(yè)作用于城市供水服務(wù)系統(tǒng)，并借助服務(wù)平臺，實施城市供水管家服務(wù)，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、智慧全系統(tǒng)全過程高質(zhì)量服務(wù)。

圖4 城市供水管家模式總體框架體系

然而，實時測量的低能耗挑戰(zhàn)仍然存在。此外，在供水管家的服務(wù)模式的應(yīng)用上還需要進一步探索。對于未來的研究方向提出以下3點建議。

(1)構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)和機器學(xué)習(xí)的智能水管理系統(tǒng)，該架構(gòu)將具備所有基本屬性，并使用基于機器學(xué)習(xí)的預(yù)測來增加智能管理系統(tǒng)的效率。

(2)將本文的供水管家模式應(yīng)用于一到兩個試點城市，進行案例的分析與研究。

(3)不斷總結(jié)經(jīng)驗，銳意創(chuàng)新，通過實踐反饋理論，進一步豐富和深化城市供水管家的模式。