基于4G與工業(yè)私有云技術(shù)的水系統(tǒng)智能運(yùn)維

李 寧，曹如義

（1.國(guó)能（天津）港務(wù)有限責(zé)任公司，天津 300452；2.北京偉聯(lián)科技有限公司，北京 100089）

0 引言

公司現(xiàn)有水系統(tǒng)投入至今已有16 年，主要系統(tǒng)分為：市政給水系統(tǒng)、中壓水系統(tǒng)、高壓水系統(tǒng)、污水及壓艙水回收系統(tǒng)。隨著公司環(huán)保用水點(diǎn)的增加，現(xiàn)有水表計(jì)無(wú)法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)港區(qū)用水情況，需增加用水點(diǎn)表計(jì)并具備遠(yuǎn)傳超標(biāo)功能，滿足計(jì)量統(tǒng)計(jì)要求。

除污水處理系統(tǒng)部分水表點(diǎn)位位于地面以上之外，大部分水表點(diǎn)位位于地下閥門(mén)井內(nèi)。由于港區(qū)是由填海造陸形成，所以地下滲水嚴(yán)重，閥門(mén)井內(nèi)存水量多，人工抄表時(shí)需要使用污水泵將存水抽凈才能下井抄表。此現(xiàn)狀要求智能遠(yuǎn)傳水表和4G 模塊應(yīng)具備長(zhǎng)久浸泡于水中仍可以正常工作，必須電池供電，同時(shí)由于金屬井蓋對(duì)4G 信號(hào)屏蔽嚴(yán)重，因而還要求4G 模塊發(fā)射功率必須足夠大。

人員下井抄表還存在有害氣體侵害及窒息危險(xiǎn)，另有部分表計(jì)位于高處或者鐵軌之間，人工抄表存在墜落和車輛傷害風(fēng)險(xiǎn)?；谝陨显蛟斐擅看纬矶夹枰度氪罅咳肆Γ陻?shù)還需要人工形成報(bào)表，形成報(bào)表過(guò)程容易出錯(cuò)。

1 實(shí)施目標(biāo)及流程

基于以上實(shí)際情況，將原有機(jī)械水表升級(jí)為智能水表，并通過(guò)軟件和無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表，以及報(bào)表的自動(dòng)生成。本次項(xiàng)目改造主要包含如下內(nèi)容：

1）機(jī)械水表升級(jí)為智能遠(yuǎn)傳水表。由于閥門(mén)井滲水嚴(yán)重，智能遠(yuǎn)傳水表采用電池供電，并提供RS485 Modbus RTU 通訊接口。

2）增加大功率4G 模塊，將水表數(shù)據(jù)傳回工業(yè)私有云。由于公司管理要求，不允許服務(wù)器連接外網(wǎng)，因而使用一條專用寬帶用于建立內(nèi)部4G 專用網(wǎng)絡(luò)，大功率4G 模塊均采用電池供電。

3）建設(shè)水監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心，部署數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管網(wǎng)監(jiān)控服務(wù)器、報(bào)表服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)器。

4）設(shè)計(jì)管網(wǎng)流量監(jiān)控畫(huà)面，至少包含實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線以及各港區(qū)用水占比餅圖和棒圖。

項(xiàng)目實(shí)施流程見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施流程圖Fig.1 Project implementation flow chart

圖2 水表安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of water meter

2 整體方案

2.1 設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，全廠共有164 個(gè)用水點(diǎn)位需要更換或加裝智能水表及4G 遠(yuǎn)傳模塊以實(shí)現(xiàn)水表數(shù)據(jù)采集及自動(dòng)上傳的目的。

在每個(gè)遠(yuǎn)程儀表旁邊安裝一臺(tái)帶4G 遠(yuǎn)程終端設(shè)備，該設(shè)備具備與儀表通訊的接口，并且將儀表數(shù)據(jù)通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器。

在科技信息中心，設(shè)計(jì)使用北京偉聯(lián)科技有限公司的工業(yè)私有云作為數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的載體，即在機(jī)房安裝一套北京偉聯(lián)科技有限公司的WiCloud 系列高性能工業(yè)私有云。在虛擬化平臺(tái)里虛擬出用于采集現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的虛擬機(jī)，和用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，用于安裝WiSCADA 軟件作為處理并顯示數(shù)據(jù)的HMI 服務(wù)器，用于查看各種報(bào)表信息的報(bào)表服務(wù)器等。工作人員使用瘦客戶端連接遠(yuǎn)程桌面的方式連接到工業(yè)私有云中的虛擬機(jī)桌面，瘦客戶端上的所有操作都會(huì)在虛擬機(jī)里面執(zhí)行，瘦客戶端本地不會(huì)存儲(chǔ)任何數(shù)據(jù)。

工程師可以使用自己擁有的特殊權(quán)限，利用任意瘦客戶端訪問(wèn)工業(yè)私有云內(nèi)部，對(duì)虛擬化平臺(tái)、虛擬機(jī)、虛擬機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用程序進(jìn)行管理和維護(hù)，甚至可以使用自己的筆記本在管理員允許的情況下，遠(yuǎn)程維護(hù)工業(yè)私有云。

工業(yè)私有云平臺(tái)支持主機(jī)、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，可以通過(guò)云平臺(tái)的管理輕松創(chuàng)建應(yīng)用虛擬機(jī)，并提供結(jié)合工業(yè)應(yīng)用軟件的應(yīng)用模板[1]。

使用WiSCADA 軟件作為數(shù)據(jù)采集與顯示、存儲(chǔ)的軟件，WiSCADA 軟件具有直接連接DTU 設(shè)備的功能，無(wú)需其他轉(zhuǎn)換可直接連接遠(yuǎn)程所有的DTU 設(shè)備，從而采集到遠(yuǎn)程儀表的數(shù)據(jù)。

采用WiReport 軟件進(jìn)行報(bào)表開(kāi)發(fā)，至少包括日?qǐng)?bào)表、半月報(bào)表和年報(bào)表。

在現(xiàn)場(chǎng)操作員處部署瘦客戶機(jī)，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)私有云管理系統(tǒng)進(jìn)行連接，操作員通過(guò)瘦客戶機(jī)瀏覽器訪問(wèn)數(shù)據(jù)分析服務(wù)器進(jìn)行操作與監(jiān)控。

2.2 方案優(yōu)勢(shì)

1）數(shù)據(jù)采集先進(jìn)性

IP67 防護(hù)等級(jí)，解決水浸、潮濕、封閉空間數(shù)據(jù)傳輸及人工抄表等難題。

具備斷點(diǎn)續(xù)傳功能，即使某個(gè)水表網(wǎng)絡(luò)暫時(shí)中斷或者需要維護(hù)時(shí)，也會(huì)在下一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)將中斷時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)再次傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

傳輸網(wǎng)絡(luò)采用全網(wǎng)通模式，在地下水井內(nèi)會(huì)優(yōu)先選擇信號(hào)最強(qiáng)的運(yùn)營(yíng)商傳輸數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)中心先進(jìn)性

采用虛擬化平臺(tái)架構(gòu)，預(yù)裝WiCLoud 虛擬化平臺(tái)，并且統(tǒng)一管理兩臺(tái)物理主機(jī)。

支持虛擬機(jī)實(shí)時(shí)遷移，便于維護(hù)[2]。

RAID 1 磁盤(pán)的組件除了冗余保護(hù)之外，還采用應(yīng)用分布式部署方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以在不同的物理主機(jī)上部署相同角色的虛擬機(jī)。當(dāng)一臺(tái)物理機(jī)出現(xiàn)故障后，還會(huì)有另外一臺(tái)物理機(jī)以相同角色虛擬機(jī)的應(yīng)用來(lái)支撐業(yè)務(wù)[3]。

3）數(shù)據(jù)發(fā)布先進(jìn)性

從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)歸檔、展示，全都采用web 端管理和顯示，完全擺脫客戶端限制，html5 技術(shù)支持跨平臺(tái)web訪問(wèn)，無(wú)需安裝任何APP。

能夠支持多種數(shù)據(jù)歸檔方式，支持多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式為第三方提供數(shù)據(jù)，具有非常強(qiáng)大的擴(kuò)展功能。

4）報(bào)表管理先進(jìn)性

相對(duì)于傳統(tǒng)人工報(bào)表方式，實(shí)現(xiàn)報(bào)表數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)記錄、自動(dòng)按需生成報(bào)表文件，支持報(bào)表曲線分析、圖表對(duì)比分析，并且支持excel、csv 等多種格式導(dǎo)出。

3 硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.3 Network architecture diagram

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Database structure diagram

圖5 系統(tǒng)主畫(huà)面效果圖Fig.5 System main screen renderings

圖6 報(bào)表查詢示意圖Fig.6 Schematic diagram of report query

3.1 智能遠(yuǎn)傳水表與大功率4G模塊

3.1.1 大功率4G模塊

大功率4G 模塊是專門(mén)用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP 數(shù)據(jù)或?qū)P 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線終端設(shè)備。

大功率4G 遠(yuǎn)程終端系列LTE DTU 采用高度集成化、高可靠性的LTE 通信模塊以及低功耗工業(yè)級(jí)CPU。同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)RS485 接口供用戶選擇，一體式電池供電，電池容量不小于57Ah，電池使用壽命不低于兩年。

可支持4G 全網(wǎng)通通信方式，高效率純銅天線，井下信號(hào)可靠傳輸。

可支持HTTP 協(xié)議POST 方式。

防護(hù)等級(jí)：IP68，水下1m，72h 正常工作。

3.1.2 智能遠(yuǎn)傳水表

智能遠(yuǎn)傳水表材質(zhì)滿足國(guó)家相關(guān)飲用水標(biāo)準(zhǔn)，DN300以內(nèi)采用法蘭連接，DN300 以上采用超聲波插入式安裝；耐壓1.6MPa，分體式，輸出4mA ～20mA 信號(hào)，RS485 通訊，電池供電，配10m 信號(hào)線。

工作原理：智能遠(yuǎn)傳水表的測(cè)量原理基于傳播速度差法、超聲測(cè)量原理，測(cè)量頻率1Hz[4]。

特點(diǎn)：微功耗設(shè)計(jì)，3.6V 鋰電池，連續(xù)工作8 年，而且更換電池方便。平均功率≤0.3MW，顯示器采用8 位數(shù)字以及提示符，可顯示瞬時(shí)流量、累計(jì)流量，水溫，累計(jì)有效運(yùn)行時(shí)間，日期，時(shí)鐘，正反向累計(jì)總量以及報(bào)警提示符等多項(xiàng)流量參數(shù)。

3.1.3 連接方式

智能遠(yuǎn)傳水表與大功率4G 模塊通過(guò)RS485 方式進(jìn)行連接，使用Modbus RTU 協(xié)議將水表數(shù)據(jù)采集上來(lái)，通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)上傳至部署在科技信息中心機(jī)房的數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集頻率為1 分鐘采集一次，數(shù)據(jù)上傳頻率為30 分鐘上傳一次。

3.2 工業(yè)私有云

工業(yè)私有云是基于QEMU/KVM 開(kāi)源服務(wù)器虛擬化管理解決方案，可以通過(guò)集成和易于使用的Web 界面或通過(guò)CLI 管理虛擬機(jī)、容器、高可用群集、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)[5]。

大功率4G 模塊通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)連接到科技信息中心，科技信息中心具備固定公網(wǎng)IP 地址，并且在科技信息中心的防火墻上做網(wǎng)絡(luò)映射后，使DTU 的數(shù)據(jù)能夠順利傳輸至WiSCADA 所在的計(jì)算機(jī)。

4 軟件設(shè)計(jì)

使用WiSCADA 軟件作為數(shù)據(jù)采集與顯示、存儲(chǔ)的軟件。WiSCADA 軟件具有直接連接DTU 設(shè)備的功能，無(wú)需其他轉(zhuǎn)換可直接連接遠(yuǎn)程所有的DTU 設(shè)備，從而采集到遠(yuǎn)程儀表的數(shù)據(jù)。

WiSCADA 軟件運(yùn)行在科技信息中心的計(jì)算機(jī)上，科技信息中心具備固定公網(wǎng)IP 地址，并且在科技信息中心的防火墻上做網(wǎng)絡(luò)映射后，使DTU 的數(shù)據(jù)能夠順利傳輸至WiSCADA 所在的計(jì)算機(jī)。

在WiReport 中配置報(bào)表顯示界面，將需要匯集成報(bào)表的數(shù)據(jù)都集中整理在報(bào)表中，使其根據(jù)需要按日、周、月、季度、年時(shí)間節(jié)點(diǎn)備份成CSV 格式文件存儲(chǔ)在磁盤(pán)中，用戶可登陸報(bào)表服務(wù)器查看所有報(bào)表。

在WiSCADA 軟件中，啟用內(nèi)網(wǎng)穿透功能，將已經(jīng)做好的HMI 畫(huà)面通過(guò)安全的網(wǎng)絡(luò)路徑發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)，用戶使用安卓或蘋(píng)果手機(jī)、平板電腦等智能移動(dòng)終端設(shè)備通過(guò)4G/WiFi 就可以輕松訪問(wèn)到HMI 畫(huà)面，用戶可配置APP 單獨(dú)顯示不同于PC 的畫(huà)面。用戶使用手機(jī)或IPAD 等手持移動(dòng)終端在現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)可實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)運(yùn)行情況，經(jīng)過(guò)允許的用戶可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行啟停操作。

在WiSCADA 軟件中配置微信和Email 報(bào)警功能，將整個(gè)系統(tǒng)所有需要報(bào)警的變量按照嚴(yán)重等級(jí)區(qū)別配置報(bào)警級(jí)別，將嚴(yán)重的報(bào)警微信推送到指定負(fù)責(zé)人，將中等程度的報(bào)警推送給廠區(qū)維護(hù)人員即可，將低等程度的報(bào)警信息只做報(bào)警提示即可。

5 部署實(shí)施

在科技信息中心機(jī)房部署工業(yè)私有云部，利用兩顆8核心2.4GHz 16 線程的CPU、128 的內(nèi)存、4×2T 的硬盤(pán)服務(wù)器中安裝虛擬化軟件，集成虛擬化管理平臺(tái)。

在虛擬化管理平臺(tái)內(nèi)部署一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器，操作系統(tǒng)使用Windows Server 2012 R2 標(biāo)準(zhǔn)版，其上部署數(shù)據(jù)采集客戶端與Mysql Server 8.0，數(shù)據(jù)采集客戶端將數(shù)據(jù)采集上之后寫(xiě)入Mysql 數(shù)據(jù)庫(kù)。

部署一臺(tái)數(shù)據(jù)分析服務(wù)器，操作系統(tǒng)使用Windows 10專業(yè)版，其上部署WiSCADA 3.0 軟件和WiReport 報(bào)表開(kāi)發(fā)軟件。WiSCADA 3.0 使用Mysql 驅(qū)動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)采集的數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)實(shí)施數(shù)據(jù)曲線、歷史數(shù)據(jù)曲線，歷史數(shù)據(jù)查詢，分區(qū)域用水量棒圖、餅圖，水表點(diǎn)位地圖顯示功能；使用WiReport 開(kāi)發(fā)日?qǐng)?bào)表、半月報(bào)表和年報(bào)表。

項(xiàng)目實(shí)施前，全廠100 多個(gè)水表點(diǎn)位全部依靠人工抄表來(lái)獲取水表數(shù)據(jù)。公司要求每半個(gè)月進(jìn)行一次抄表作業(yè)，每次抄表需要持續(xù)一周左右才能完成一次抄表作業(yè)。以位于地下的水表點(diǎn)位抄表作業(yè)為例，每次抄表需要安排6 ～7人左右專門(mén)負(fù)責(zé)抄表作業(yè)，其中1 ～2 人負(fù)責(zé)使用污水泵抽出閥門(mén)井內(nèi)的滲水，1 人負(fù)責(zé)檢測(cè)有害氣體濃度及氧氣濃度，避免下井人員產(chǎn)生窒息危險(xiǎn)或者遭受有害氣體傷害，1 人負(fù)責(zé)下井查看水表讀數(shù)，1 人負(fù)責(zé)拉拽安全繩，保障下井人員安全，1 人負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)，1 人負(fù)責(zé)安全監(jiān)督，隨時(shí)叫停違規(guī)操作，保障作業(yè)人員安全。由此可見(jiàn)，每次下井作業(yè)都需要投入大量的人力、物力和財(cái)力。

項(xiàng)目實(shí)施后，每分鐘采集一次水表數(shù)據(jù)，每半小時(shí)通過(guò)大功率4G 設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在WiSCADA 畫(huà)面之上，同時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)公司要求，系統(tǒng)還自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表、半月報(bào)表和年報(bào)表，并定時(shí)自動(dòng)打印，省去了人工記錄報(bào)表與核算數(shù)據(jù)的麻煩，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性大大提高。

6 瘦客戶機(jī)

在操作員側(cè)部署瘦客戶機(jī)，使用國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)“優(yōu)麒麟”，其上部署遠(yuǎn)傳桌面軟件，通過(guò)RDP 協(xié)議訪問(wèn)部署于工業(yè)私有云上的數(shù)據(jù)分析服務(wù)器。一臺(tái)瘦客戶端可以連接多個(gè)虛擬機(jī)的遠(yuǎn)程桌面，這在一定程度上可以減少操作員站數(shù)量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效操作和管理。

瘦客戶端可以連接鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、音響等外部設(shè)備，這種連接效果和與物理機(jī)直接連接一樣。瘦客戶端的所有操作都在工業(yè)私有云的虛擬機(jī)中執(zhí)行，瘦客戶端本機(jī)不會(huì)存儲(chǔ)任何數(shù)據(jù)。所以，一旦瘦客戶端故障，只需更換即可，無(wú)需安裝操作系統(tǒng)和各種工業(yè)軟件，而且瘦客戶端比計(jì)算機(jī)更加便宜實(shí)用。

7 項(xiàng)目成果

項(xiàng)目實(shí)施后，水表數(shù)據(jù)可以自動(dòng)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器，自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表、半月報(bào)表和年報(bào)表；定期自動(dòng)打印報(bào)表節(jié)省了人工抄表的時(shí)間投入和人力投入，避免了人工抄表的墜落、窒息、有毒氣體傷害、機(jī)械傷害和車輛傷害等風(fēng)險(xiǎn)。

由于工業(yè)私有云采用超融合架構(gòu)，只需要部署兩臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)三層可網(wǎng)管交換機(jī)。所有服務(wù)器以虛擬化的形式運(yùn)行于工業(yè)私有云虛擬化平臺(tái)，大幅度節(jié)省了設(shè)備投入、維護(hù)費(fèi)用及能耗支出，從設(shè)備用電、常規(guī)設(shè)備升級(jí)和日常人工運(yùn)維等多方面降低了成本。

8 結(jié)論

對(duì)于國(guó)能（天津）港務(wù)有限責(zé)任公司來(lái)說(shuō)，人工抄表一直是一件非常頭疼的事情，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，因?yàn)閿?shù)量眾多，地理位置分散，給水系統(tǒng)維護(hù)人員造成極大的不便。本文結(jié)合國(guó)能（天津）港務(wù)有限責(zé)任公司水系統(tǒng)現(xiàn)狀，通過(guò)工業(yè)私有云技術(shù)和4G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全廠水系統(tǒng)的智能運(yùn)維，解決了傳統(tǒng)人工抄表方式需投入大量人力物力的弊端，避免了人工抄表產(chǎn)生的各種人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。如今國(guó)能（天津）港務(wù)有限責(zé)任公司可以利用4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)水表數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、自動(dòng)上傳、自動(dòng)生成報(bào)表和自動(dòng)打印報(bào)表，進(jìn)行各區(qū)域用水量的實(shí)時(shí)檢測(cè)和歷史數(shù)據(jù)查詢，一旦發(fā)生爆管等異常情況，可以通過(guò)短時(shí)用水量的變化快速定位到故障點(diǎn)位，方便運(yùn)維人員快速到場(chǎng)處理。

目前工業(yè)私有云屬于免維護(hù)機(jī)制，無(wú)論硬件故障還是軟件故障系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)修復(fù)，維護(hù)人員只需要對(duì)壞件進(jìn)行更換即可，大大降低維護(hù)成本。