物聯網環境下污水處理廠設備管理系統的開發

覃 麗，史勝波，湯 磊，古麗拜爾

TAN Li, SHI Sheng-bo, TANG Lei, GU Li-bai-er

（新疆克拉瑪依市排水管理處，克拉瑪依 834000）

0 引言

克拉瑪依市屬共三座污水處理廠。各污水處理廠的日常生產中，對各類設備的管理是保證工藝正常運行的重中之重，但目前三座污水處理廠的設備管理還屬于原始的手工登記管理，存在管理手段滯后、效率低下的問題。本文所述的設備移動實時管理系統，為污水處理廠的設備管理方式帶來新的理念與優化。

1 設備管理現狀及存在問題

1.1 管理方式還處于初級階段

克拉瑪依市屬的三座污水處理廠均存在設備管理方式方法落后的問題，以第二污水處理廠為例。第二污水處理廠于2011年建成并試運行，其自動化程度先進并配置了完善的工控系統。但在污水處理廠日常運行中，設備管理仍處于人員現場巡檢維護、手工登記設備運行狀態和建立紙質版設備臺賬的較為原始的管理方式。系統管理主要側重于設備實物的完整性、安全性，對如何管好、用好設備關注不夠。已進入工控系統的工藝設備運行狀態信息不能與設備管理工作有效銜接，因此管理系統只能局限于靜態管理的低水平上。由于設備管理的模式、辦法和手段的落后與過時，存在設備維護效率低下的問題。

1.2 設備臺賬承載的信息量太少

現行設備管理臺賬一般以月為周期，記錄了設備運行狀態、維護維修時間和進行了哪些維護維修，其他的信息例如設備設施發生何種故障、為何進行維護維修、怎樣進行維護維修、維護維修過程中發現的問題、使用的工具、更換的部件、備件的庫存情況等都沒有記錄或是記錄信息不完善等。設備并沒有真正建立起設備生命周期的動態檔案，縮短了設備的有效使用壽命、加大了維護維修費用。

1.3 設備管理模式與現場脫節

設備管理涉及到不同的管理部門和業務部門，運行中的設備涉及的主要業務流程是設備維護和生產管理。設備維護部門負責現場設備巡檢、設備維護維修；而生產管理關注的是設備的運行工況，如啟動、停止、工作參數和工藝參數。設備的操作、維護、管理在生產現場，設備管理部門的數據錄入在辦公室，設備現場及臺賬錄入的時間和空間上都存在距離，很多現場業務只能事后補錄，使得設備管理臺賬管理效率低下及信息準確性難以保證。具備自動控制功能的設備的運行工況已由工控系統監視，在工控系統中積累了大量設備運行的歷史和實時數據，這部分數據不能被設備管理部門分享，在設備故障預測、維修更換提示等方面沒有發揮出應有的作用。

2 設備移動實時管理方案

2.1 方案的提出

國際電信聯盟（ITU）在其報告《ITU互聯網報告：2005：物聯網》中正式提出了“物聯網”的概念。物聯網即指將所有物體通過信息傳感設備如射頻識別、全球定位系統、紅外感應器等與互聯網相結合，形成一個智能化識別和管理的網絡。其目的是讓所有的物品與網絡連接在一起，方便識別和管理。隨著移動互聯網技術、通信技術、傳感識別技術、嵌入式控制技術的迅速發展和智能手機的快速普及，在物聯網這個大的概念和技術趨勢下，信息系統與業務工作進一步融合，出現了許多新的信息系統解決方案和業務模式。

針對上述污水處理廠設備管理中存在的問題，從現階段克拉瑪依市排水管理處的實際情況出發，通過比較各類設備標識和管理的方式方法，結合技術的發展趨勢，我們提出了物聯網環境下設備管理系統開發的方案。

確定為管理對象的設備上貼上二維碼，通過智能手機識別二維碼來管理設備。在日常工作中，操作人員通過智能手機便可了解掌握設備的相關信息，設備維修、維護、操作后及時對信息進行錄入和更新。

我們將基于此解決方案所開發的信息系統稱為“設備移動實時管理系統”。

2.2 系統組成與功能

從硬件組成上說，設備移動實時管理系統由管控中心設備、通訊網絡和用于設備現場管理的手持終端組成。

管控中心設備包括設備管理服務器和設備管理工作站，設備管理服務器用于存儲設備數據和作為設備管理的應用服務器，支撐設備管理的業務流程，主要功能有設備采購、設備管理、設備維護、備件管理。設備管理工作站用于設備管理的前臺操作，根據部門的分工和物理位置，設備管理工作站也可以設置在相關的業務部門。

系統運行的網絡環境分為外網和內網兩大部分。外網為基于中國移動、中國聯通等運營商的移動互聯網。內網為有線介質（局域網）和無限介質（無線局域網）組成的廠內局域網。內外網之間設置放火墻、路由器和網絡服務器。管控中心設備、各業務部門的管理計算機通過內網進行信息交換。作為手持終端的智能手機與設備管理服務器的信息交換可以通過外網也可以通過WIFI內網。

手持終端設備選用基于Android平臺的智能手機。智能手機的功能一是對二維碼拍照以識別設備，另一方面作為現場人員進行設備信息查詢與錄入的人機界面。

2.3 二維碼的應用

二維碼是用某種特定幾何圖形以黑白相間圖案形式按一定規律在二維平面上來記錄數據信息的一種應用技術。從技術原理來看，二維碼在代碼編制上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的/00和/10比特流的概念，使用若干與二進制相對應的幾何形體來表示數值信息，并通過圖像輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息的自動處理。與現在廣泛使用的一維碼(即條型碼)相比，二維碼信息容量是一維碼信息容量的幾十倍，能夠把圖片、聲音、文字等可以數字化的信息進行編碼并表示出來；二維碼容錯能力強，具有糾錯功能，當二維碼因穿孔、污損等引起局部損壞時，甚至損壞面積達50%時，仍可以正確識讀，其譯碼錯誤率不超過千萬分之一，遠低于一維碼百萬分之二的錯誤率。

目前在商業領域，二維碼的應用正在迅速普及開來，考慮技術的發展趨勢和二維碼的優勢，我們選擇通用的智能手機做為終端設備、二維碼用于設備的標識，而沒有選擇工業領域常用的條碼和RFID技術。

3 應用軟件系統開發

3.1 軟件體系結構設計

設備移動實時管理系統技術方案決定了其應用軟件系統是在分布式環境中創建的應用程序，即是一個分布式應用程序，或說是一個網絡應用程序。

分布式應用程序利用多臺機器的資源及許多進程的空間，把應用程序分成更容易管理的任務組，這些任務組能在各種不同的結構下進行部署。把應用程序分解為任務組便于重復使用、擴充和管理。應用程序分解成怎樣的任務組，各任務組之間如何進行信息的交互，是軟件體系結構設計要解決的問題。

為了使系統具有更好的性能和可擴展性，以支持業務目標的不斷增長，應用軟件系統采用三層結構。如圖1所示。

在數據服務層，構建設備對象模型，并通過此對象模型的實例化在計算機系統的程序空間中建立起污水處理廠全部設備的數字化映像。對于某一個具體設備，其對應設備對象的各種屬性表示了該設備的實際狀態。設備對象的屬性數據分別存儲在設備數據庫和生產過程控制實時數據庫中。所以在數據服務層提供對設備數據庫和實時數據庫的存取功能。

圖1 設備移動實時管理系統軟件體系結構

業務邏輯層接收表現層的用戶輸入，將用戶輸入轉換為業務事件，根據業務規則推動業務流程的運行。業務流程的運行改變了設備對象的相應屬性，這是由業務邏輯層的業務邏輯調用設備對象模型來完成的。同時業務邏輯層根據用戶的請求將用戶需要的設備屬性展現給用戶。系統支持的業務流程有設備采購、設備管理、維修維護、生產管理和備件管理。系統管理用于系統功能配置和設備對象模型的配置與管理。

表現層用于系統與用戶的交互。用戶可能通過局域網上的工作站、互聯網上的工作站、無線局域網上的智能手機和移動互聯網上的智能手機使用表現層。表現層將用戶的輸入轉換成對業務邏輯層的請求，并將業務邏輯層的響應展現給用戶。表現層的運行平臺和具體界面風格可能不同，但不同終端與業務邏輯層的接口是一致的。

三層結構的軟件體系結構設計不僅使表現層的具體界面形式調整不影響業務邏輯，當需要增加新的業務功能或調整業務規則時，只需增加新的業務流程或調整現有業務規則即可，不需改變數據服務層的設計與軟件。進一步地，在此三層應用程序的基礎上可深化發展，增加應用程序的層次，使系統具有更好的運行性能、更好的可維護性、可擴展性和擴充性。

3.2 應用軟件的技術實現

表現層完成了系統與用戶的交互，從用戶的角度看，表現層即用戶界面。如何實現界面，有不同的技術方案，一種是用戶界面是系統可執行程序的一部分，即所謂的C/S結構；另一種是將瀏覽器作為一個主要的用戶界面使用，用戶界面是表現在網絡瀏覽器內的，即所謂的B/S結構。

設備移動實時管理系統的終端設備包括作為工作站的PC機和作為移動終端的智能手機，如果采用B/S結構就要考慮面對特定瀏覽器的問題。為了減小開發工作的難度，提高系統的運行可靠性和效率，我們采用了C/S結構的技術方案。在這樣的具體技術方案下，數據服務層和業務邏輯層的功能運行在設備管理服務器上，表現層的功能運行在設備管理工作站和智能手機上。圖2為智能手機通過二維碼識別了設備后的信息顯示界面。

圖2 信息顯示界面

服務器操作系統為Windows Server，工作站操作系統為WindowsXP或WIN7。服務器上和工作站上應用程序采用.NET平臺,C#語言開發。智能手機選用Android平臺，應用程序采用 Android SDK +Eclipse開發環境下Java語言開發。客戶端程序連接到Windows套接字庫，以便在本地網或Internet上與服務器連接。

我們采用組件技術進行應用軟件的開發。業務和數據訪問邏輯封裝在組件內，這樣在條件具備和需要時，可以將表現層重新開發，將微軟的IIS（作為網絡服務器）與ASP（作為應用服務器）組合，提供應用程序組件，使得系統的部分或全部功能支持B/S結構。

4 結束語

我們研究開發的設備移動實時管理系統通過二維碼作為線上和線下信息溝通的橋梁，智能手機作為現場終端設備，不僅提高了設備管理工作的效率，而且使得設備管理業務與生產運行管理在系統中達到了業務綜合集成，為污水處理廠的設備管理方式帶來新的理念與優化。

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