一種新的智慧水務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與探討

李吉壯

（連云港市自來水有限責(zé)任公司 江蘇 連云港 222006）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的迅速發(fā)展，水處理行業(yè)從最初純粹的上位機(jī)控制，發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)處理，繼而發(fā)展到今天的智慧處理。“智慧水務(wù)”概念的提出是水務(wù)行業(yè)智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)。通過超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算將其整合，實(shí)現(xiàn)社會(huì)與物理世界融合。在此基礎(chǔ)上，人類可以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系?！爸腔鬯畡?wù)”來自“智慧城市”，而“智慧城市”來自“智慧地球”。本文將從連云港市自來水公司已有的項(xiàng)目建設(shè)出發(fā)，提出一種實(shí)用的智慧水務(wù)架構(gòu)體系，為本水司智慧水務(wù)建設(shè)提供一套有效的技術(shù)方案[1]。

1 總體架構(gòu)

傳統(tǒng)的智慧水務(wù)架構(gòu)僅能打通信息孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與分析，但對(duì)于智能化反饋沒有明確的表述，只能從理論上做一個(gè)說明，針對(duì)這個(gè)問題本文提出一種新的架構(gòu)，見圖1。

如圖1所示，這個(gè)架構(gòu)分為4層，從下到上依次為設(shè)備層、PLC控制層、通信服務(wù)層、智慧水務(wù)層。

其中，設(shè)備層為第1層，主要包括各種傳感器、數(shù)字儀表以及現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備。設(shè)備層通過不同廠商提供的通信協(xié)議與第2層PLC進(jìn)行通信，PLC層接收現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)自身程序進(jìn)行控制設(shè)備運(yùn)行，同時(shí)對(duì)上提供通信接口。

第3層為通信服務(wù)層，其主要任務(wù)是建立公用的通信服務(wù)器，也就是IOServer服務(wù)器，該服務(wù)器是核心服務(wù)器，因此使用“一用一冗”或者“多用多冗”。通信服務(wù)器主要為最上層智慧水務(wù)層提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

第4層智慧水務(wù)層主要包括：（1）SCADA調(diào)度系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)查看各水廠、加壓泵站、二次加壓泵房、大表等設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，報(bào)警信息，給調(diào)度人員提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)為分布式模式設(shè)計(jì)，分布式模式是指將SCADA服務(wù)端安裝在服務(wù)器上，客戶端通過SCADA客戶端軟件實(shí)現(xiàn)通信?？蛻舳藢?shí)現(xiàn)顯示和控制功能，服務(wù)端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能，客戶端出現(xiàn)故障不影響服務(wù)端正常運(yùn)行。另外SCADA服務(wù)端配置成雙冗余模式，一個(gè)服務(wù)崩潰自動(dòng)切換成另冗余服務(wù)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（2）WebSCADA服務(wù)器，主要是提供Web網(wǎng)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，該服務(wù)器能大大降低Web端程序開發(fā)的難度，提高程序開發(fā)效率。同時(shí)該服務(wù)器還提供WebService接口，用于Web程序的智慧決策和反饋調(diào)度。

（3）Web服務(wù)器，主要提供PC端智慧水務(wù)系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)和各種數(shù)據(jù)顯示服務(wù)。

（4）移動(dòng)服務(wù)器，主要提供移動(dòng)端數(shù)據(jù)服務(wù)。

（5）GIS服務(wù)器，用于提供GIS地圖相關(guān)服務(wù)，存儲(chǔ)相關(guān)地圖數(shù)據(jù)。

（6）大數(shù)據(jù)服務(wù)器，主要用于提供海量數(shù)據(jù)，以提供給專家系統(tǒng)進(jìn)行智能計(jì)算和智慧決策。

該架構(gòu)最大的不同是強(qiáng)化了通信服務(wù)層，通信服務(wù)層可以設(shè)置具有API功能的服務(wù)，通過該服務(wù)可以為第三方平臺(tái)提供有效接口，然后通過Web服務(wù)器結(jié)合大數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)智慧化控制，這種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單[2]。第2種方案是通過WebSCADA服務(wù)器提供WebService服務(wù)，該服務(wù)可以直接反饋到底層的PLC端控制，從而實(shí)現(xiàn)智慧化控制，這種方法安全性高，可操作性強(qiáng)。

2 通信中心設(shè)計(jì)

通信中心是智慧水務(wù)建設(shè)的核心功能層，一個(gè)穩(wěn)定、可靠、安全的通信中心是智慧水務(wù)建設(shè)的關(guān)鍵。

2.1 硬件設(shè)備的可靠性

通信設(shè)備種類繁多，總體上分為有線和無線兩大類。有線類包括雙絞線網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)，無線類則通過2G、4G技術(shù)進(jìn)行通信。通信設(shè)備的質(zhì)量會(huì)在很大程度上決定通信質(zhì)量的好壞，因此在工程施工中應(yīng)盡量使用穩(wěn)定可靠的通信設(shè)備，通信線路應(yīng)盡量以光纖為主、超五類網(wǎng)線為輔的設(shè)計(jì)思路[3]。

2.2 軟件的可靠性

軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接決定數(shù)據(jù)能否穩(wěn)定讀取，軟件主要包括：操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、通信軟件。往往最新的操作系統(tǒng)穩(wěn)定性無法保證，因此在操作系統(tǒng)的選擇上一般會(huì)選擇成熟穩(wěn)定的版本。另外，操作系統(tǒng)還要與服務(wù)器硬件相互匹配，這樣才能發(fā)揮最優(yōu)的性能。

通信類軟件的可靠性直接決定數(shù)據(jù)能否準(zhǔn)確、及時(shí)、穩(wěn)定地傳輸?shù)酵ㄐ胖行模ㄐ蓬愜浖N類繁多。一般而言，同一廠家提供的通信軟件與自己的產(chǎn)品兼容性最好，不同廠家通信軟件往往不相互兼容，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象。另外，通信類軟件要支持冗余，對(duì)于斷網(wǎng)情況要有一定的處理機(jī)制，要支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，這能夠保證數(shù)據(jù)的完整性。

多級(jí)通信是架構(gòu)的基本要求，對(duì)于水廠要有獨(dú)立的通信服務(wù)器，調(diào)度中心要有調(diào)度中心通信服務(wù)器，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)中斷，要能保證水廠等核心單元正常運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

3.3 冗余設(shè)置分析

通信中心的冗余配置是非常關(guān)鍵的部分，由于IOServer服務(wù)器是核心服務(wù)器，其性能的穩(wěn)定性和安全性直接決定上位機(jī)軟件能否正常運(yùn)行，因此該服務(wù)器往往采用冗余模式。

冗余模式包括網(wǎng)絡(luò)冗余和通信軟件冗余。網(wǎng)絡(luò)冗余是指在某一網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)物理線路中斷或者邏輯通信中斷后，能夠自動(dòng)切換到另一路網(wǎng)絡(luò)，從而保證物理通信鏈路穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)通信方式。

網(wǎng)絡(luò)冗余可以采用硬件和軟件兩種方法實(shí)現(xiàn)，硬件方法可以采用三層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，該實(shí)現(xiàn)過程稱為鏈路聚合，它是指將多條以太網(wǎng)物理鏈路捆綁在一起使其成為一條邏輯鏈路。由于PLC自身的IP地址一般設(shè)置為一個(gè)，在工程施工中可以將多條物理鏈路設(shè)置為同一個(gè)IP地址，從而實(shí)現(xiàn)冗余通信。很多大型PLC廠商也有專門的工業(yè)通信網(wǎng)卡，多個(gè)網(wǎng)卡之間能夠通過專用軟件實(shí)現(xiàn)鏈路聚合，這種方法簡(jiǎn)單快捷，但缺點(diǎn)是工業(yè)網(wǎng)卡價(jià)格昂貴。

軟件方法可以通過操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)卡鏈路聚合，Windows服務(wù)器系統(tǒng)就可以通過NIC組合將同一臺(tái)服務(wù)器上的多個(gè)物理網(wǎng)卡通過軟件綁定成一個(gè)虛擬的網(wǎng)卡，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，該方法價(jià)格低廉，實(shí)現(xiàn)方便，是小型項(xiàng)目工程的首選方法。

通信軟件冗余是指在通信軟件出現(xiàn)通信中斷或者軟件故障時(shí)，能夠自動(dòng)切換到另一臺(tái)服務(wù)器上的通信軟件。通信軟件冗余一般設(shè)置成互為冗余，即兩臺(tái)通信服務(wù)器完全一致。上位機(jī)軟件設(shè)定一臺(tái)為主服務(wù)器，一臺(tái)為冗余服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)無縫切換。通信軟件往往具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，因此對(duì)于丟失的數(shù)據(jù)也能夠?qū)崿F(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳。

工業(yè)通信冗余是工程設(shè)計(jì)中非常重要的過程，對(duì)工程的安全性和穩(wěn)定性有著重要的意義。

3 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心是智慧水務(wù)的另一個(gè)核心區(qū)域。數(shù)據(jù)中心要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行劃分，總體上分為兩類，一類用于存儲(chǔ)業(yè)務(wù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，一類用于存儲(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的工業(yè)數(shù)據(jù)庫。

3.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫

目前常用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫為MySQL、MSSQLServer、Oracle。MySQL一般用于小型數(shù)據(jù)處理，是很多PHP網(wǎng)站首選的數(shù)據(jù)庫；MSSQLServer是微軟公司開發(fā)的數(shù)據(jù)庫，一般用于基于C#開發(fā)的網(wǎng)站，同時(shí)該數(shù)據(jù)庫被廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域；Oracle是大型數(shù)據(jù)庫，是JSP網(wǎng)站的首選數(shù)據(jù)庫，功能強(qiáng)大，但是很少用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫的建立基于業(yè)務(wù)需求，是業(yè)務(wù)需求的數(shù)學(xué)邏輯模型。在智慧水務(wù)開發(fā)設(shè)計(jì)上，關(guān)系數(shù)據(jù)庫一般有兩個(gè)方面的應(yīng)用：其一是從工業(yè)數(shù)據(jù)庫獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的映像作為邏輯數(shù)據(jù)庫的最基本數(shù)據(jù)，其二是從業(yè)務(wù)中獲取手工錄入的數(shù)據(jù)作為業(yè)務(wù)處理數(shù)據(jù)[5]。

從工業(yè)數(shù)據(jù)庫或者從SCADA系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)稱為自動(dòng)數(shù)據(jù)，手工錄入的數(shù)據(jù)稱為手工數(shù)據(jù)，自動(dòng)數(shù)據(jù)往往要經(jīng)過專家系統(tǒng)的計(jì)算才能用于邏輯處理中，為了保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性自動(dòng)獲取的數(shù)據(jù)一般不允許改動(dòng)，邏輯處理過的數(shù)據(jù)可以修改并與手工輸入的數(shù)據(jù)形成復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫往往數(shù)據(jù)量大導(dǎo)致處理困難，為了解決這類問題，我們往往采用加大采集時(shí)間的方式處理，以1h為最短采集時(shí)間，并分成多個(gè)表，每個(gè)表只存儲(chǔ)50個(gè)左右的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且只針對(duì)有邏輯計(jì)算意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算存儲(chǔ)，極端情況下要每日生成一張表，保證記錄數(shù)不超過百萬條。

連云港市自來水有限責(zé)任公司已經(jīng)存在多個(gè)功能復(fù)雜的系統(tǒng)，針對(duì)這種情況，我們建議已有的系統(tǒng)提供第三方接口，這樣可以避免重建復(fù)雜的關(guān)系庫。如果要修改其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，只需要直接調(diào)用第三方接口就可以，修改和保存必須在本地?cái)?shù)據(jù)庫保留映像數(shù)據(jù)，這樣能保證雙方數(shù)據(jù)同步。

3.2 工業(yè)數(shù)據(jù)庫

工業(yè)數(shù)據(jù)庫一般用于存儲(chǔ)大批量數(shù)據(jù)，其特點(diǎn)是高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)壓縮、海量驅(qū)動(dòng)。工業(yè)庫可以存儲(chǔ)高密集數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)內(nèi)容是智能分析的依據(jù)，一般情況下工業(yè)數(shù)據(jù)庫可以用于趨勢(shì)圖分析，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集以及智能分析，是智慧水務(wù)的數(shù)據(jù)來源。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智慧水務(wù)系統(tǒng)主要包括的功能單元有如下幾點(diǎn)。

（1）生產(chǎn)運(yùn)行管理系統(tǒng)，集成SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)取、供、用、排整個(gè)水生命周期的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理，對(duì)生產(chǎn)、運(yùn)行情況進(jìn)行全方位總體監(jiān)控，結(jié)合視頻，更科學(xué)地進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全面監(jiān)控管理，提高公司對(duì)整體信息的掌控，提高管理水平。主要包括模塊有水源地監(jiān)控、自來水廠監(jiān)控、供水泵站監(jiān)控、供水管網(wǎng)監(jiān)控、DMA分區(qū)監(jiān)測(cè)、二次供水監(jiān)控、用戶用水監(jiān)測(cè)。

（2）生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)，支持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，具備故障報(bào)警功能，顯示故障點(diǎn)和故障狀態(tài)，并提示故障處理方法，支持動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)的工藝過程、參數(shù)、設(shè)備工況等。

（3）管網(wǎng)GIS系統(tǒng)，包括管網(wǎng)排查、維護(hù)、養(yǎng)護(hù)、巡檢以及統(tǒng)計(jì)分析等。

該系統(tǒng)是智慧水務(wù)的一個(gè)重要系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)是管網(wǎng)GIS系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性是各業(yè)務(wù)部門對(duì)信息化系統(tǒng)信任的基礎(chǔ)，因此在建設(shè)系統(tǒng)前必須打好數(shù)字基礎(chǔ)。該系統(tǒng)建設(shè)分為兩個(gè)階段，第一階段主要實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)基本功能包括：

Ⅰ）管網(wǎng)信息系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)錄入，數(shù)據(jù)編輯功能，對(duì)供水管網(wǎng)中管段和管點(diǎn)數(shù)據(jù)的屬性和空間位置進(jìn)行編輯。

Ⅱ）管網(wǎng)數(shù)字采集系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要完成管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)的采集與入庫功能，采集人員可以結(jié)合相關(guān)軟硬件現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為后續(xù)信息建設(shè)打下夯實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

Ⅲ）管網(wǎng)工程管理：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)工程設(shè)計(jì)、工程審批、工程建設(shè)、工程施工及工程竣工驗(yàn)收等流程、資金往來、材料物資等全方位的管理。

第二階段主要實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)巡檢管理功能、管網(wǎng)應(yīng)急處理功能，巡檢系統(tǒng)主要針對(duì)巡檢業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)開發(fā)，采用手持移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)在移動(dòng)端上的應(yīng)用，同時(shí)將巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)到服務(wù)管理端。應(yīng)急處理主要用于處理應(yīng)急報(bào)警、搶修、維修功能。

（4）供水管網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)水壓、水量、流速、流量、水質(zhì)等全要素的動(dòng)態(tài)模擬顯示，具有10分鐘級(jí)別SCADA在線校驗(yàn)功能。

（5）DMA分區(qū)計(jì)量管理，具有漏損評(píng)估，漏損預(yù)警，產(chǎn)銷差分析，水平衡分析。

漏損問題是智慧水務(wù)管理的核心問題，如何減少漏損對(duì)自來水公司有著重大的經(jīng)濟(jì)效益，因此漏損管理系統(tǒng)就顯得非常重要。漏損系統(tǒng)主要通過各分區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)信息的采集，生成用水信息，通過專家系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，生成用水量分析、夜間最小流量分析、異常分析，統(tǒng)計(jì)漏失率、漏損率、水平衡分析、產(chǎn)銷差分析以及管網(wǎng)健康狀況分析，提供異常報(bào)警。

（6）設(shè)備管理系統(tǒng)，包括設(shè)備采購、設(shè)備檔案、設(shè)備運(yùn)行、設(shè)備巡檢、設(shè)備保養(yǎng)、設(shè)備維修、設(shè)備改造、設(shè)備報(bào)廢等全周期設(shè)備管理。

（7）水質(zhì)管理，包括化驗(yàn)室管理和水質(zhì)分析管理。水質(zhì)安全是自來水公司最重要的安全，水質(zhì)管理系統(tǒng)是核心管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，一部分通過儀表自動(dòng)采集上傳到系統(tǒng)，一部分通過實(shí)驗(yàn)室人工操作獲取數(shù)據(jù)。儀表采集的數(shù)據(jù)要實(shí)現(xiàn)定時(shí)上報(bào)，預(yù)警管理以及報(bào)警管理，自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)還可以作為實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)的參考數(shù)據(jù)。人工檢測(cè)數(shù)據(jù)將存入實(shí)驗(yàn)室綜合管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)來源主要為手工錄入和設(shè)備上傳導(dǎo)入。

該系統(tǒng)主要包括：

Ⅰ）項(xiàng)目分組：主要是針對(duì)樣品要檢測(cè)的內(nèi)容進(jìn)行分組，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)國標(biāo)進(jìn)行。

Ⅱ）樣品任務(wù)分配：樣品任務(wù)分配是系統(tǒng)核心功能之一，主要是根據(jù)檢測(cè)任務(wù)分配相應(yīng)的檢測(cè)項(xiàng)目，并分配給對(duì)應(yīng)的檢測(cè)人員。

Ⅲ）檢測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)：對(duì)于檢測(cè)完成的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠提供多種方式上報(bào)數(shù)據(jù)，可以通過手工填報(bào)，也可以通過設(shè)備直接導(dǎo)入。對(duì)于生成的數(shù)據(jù)系統(tǒng)具備自動(dòng)審核和人工審核功能。

Ⅳ）自動(dòng)生成報(bào)告：對(duì)于已經(jīng)檢測(cè)完畢并且數(shù)據(jù)已經(jīng)審核的樣品，系統(tǒng)能夠提供多種報(bào)告模板生成方式，以方便打印。

（8）生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)分析，包括實(shí)時(shí)生產(chǎn)的展示，提供日、周、月生產(chǎn)曲線，生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同比環(huán)比等，還包括能耗分析和水量異常提醒。能耗分析對(duì)于公司節(jié)能減排有很重要意義，其分析生成的數(shù)據(jù)還能夠?qū)Φ讓釉O(shè)備有一定的反饋?zhàn)饔?，這也是智慧水務(wù)系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用。

（9）熱線管理，根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)提供熱線管理功能。熱線系統(tǒng)不但要具備完善的業(yè)務(wù)流程，還要能夠與底層設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)完整的派單下發(fā)功能。

（10）移動(dòng)平臺(tái)，要有可定制化的移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)具體業(yè)務(wù)的在線處理，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，報(bào)警數(shù)據(jù)的提醒，巡檢數(shù)據(jù)的上報(bào)，工單處理的接收和數(shù)據(jù)上報(bào)等功能[6]。

5 結(jié)語

通過構(gòu)建智慧水務(wù)可以有效解決水務(wù)管理者面臨的各種問題，并把生產(chǎn)和水循環(huán)過程的各個(gè)領(lǐng)域都變得直觀透明，智慧水務(wù)的解決方案幫助企業(yè)更有效地從事水務(wù)管理。未來幾年將是智慧水務(wù)高速發(fā)展的時(shí)間，各水司應(yīng)抓住機(jī)遇深耕公司生產(chǎn)業(yè)務(wù)，建立適合自己的智慧水務(wù)系統(tǒng)。