智慧水務管理系統的研究與實現

劉觀生 徐文 吳響容

摘要：為了更有效的提高供水系統的安全性和運行效率，本文提出了一種智慧水務管理系統。該系統結合了物聯網、云計算及人工智能算法，實現了對供水設備的遠程監控，降低了維護成本，同時根據采集的數據，利用人工智能算法能對供水設備的故障進行預警，并對管網的風險做出評估。實踐表明，該系統在改善供水系統中起到了積極作用。

關鍵詞：供水管網;物聯網;云平臺;人工智能

中圖分類號：TV213? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2020）10-0000-00

1 研究背景

國務院發布的“水十條”及住房城鄉建設部、國家發展改革委、公安部、國家衛生計生委四部委聯合下發通知，要求加速開展改善水環境質量為核心的水污染防治行動，重點是管網測漏及二次供水設施改造與建設工程。二次供水的管理面臨著一系列的問題：（1）很多設備不能遠程監控。有些泵房設備比較落后，設備缺乏聯網功能，不能遠程進行監測和控制，給管理帶來了很大的負擔;（2）供水設備故障不能提前預警。設備運行過程中會出現不可意料的故障，沒有預警功能一是需要安排人定期維護，增加成本，二是故障一旦出現，會處理不及時，造成不必要的損失;（3）缺乏智能化的管網手段。二次供水會出現漏損的情況，如何有效的降低漏損是降低成本的有效手段。為更加有效的改進二次供水的效率，因此需要合理的設計一個更加科學的管理系統，以提高供水的安全性和可靠性，更加科學智能的降低管理成本，提高供水效率，給社會發展和人民生活提供更好的保障[1]。

2研究目標

本文旨在研究一個功能齊全的智慧水務管理系統，一方面能實現對各個泵房的遠程實時監控，遠程重現泵房場景，并利用隱馬爾科夫過程對供水設備的運行狀態進行實時預警，降低人工維護成本;另一方面通過建立相應的評估模型，使得該系統能對整個管網的供水狀態進行智能分析，對管網風險進行評估，管理漏損，提高供水的效率;該平臺還能對管網采集的各種數據進行分析，得到相應的成本優化策略，實現智能化成本核算和節能功效。

3研究內容

3.1系統整體概述

該系統主要面向供水公司和水務管理部門提供服務，系統架構如圖1所示。結合大數據技術、人工智能技術和物聯網技術的智慧水務管理系統主要采用的技術和提供的功能服務如下。

（1）系統采用了互聯網和移動互聯網架構的物感網絡，可實時監測供水泵房內的設備的工作狀態（電壓、電機運行電流、濕漏、電機實時溫度、功率等）、泵房環境參數（環境溫度、水壓、水位、水質和圖像等）以及室外管網的工況（管道內水壓、流量、跑漏等），并通過互聯網或移動互聯網上傳至云端服務器，云端服務器端對采集到的數據進行智能化處理，可以獲得泵房內水泵的工況，水質水位的狀況、居民時段用水量、現場安全預警、水質安全預警、設備工作安全預警、管網運行工況、跑冒漏點定位等信息，然后顯示到PC客戶端或者移動客戶端，同時在故障出現時采用聲光等手段告警，使水務管理人員可實時查看和管理供水所有設備的實時工作情況，從而解決了傳統供水系統需要專業人員定期到泵房進行設備的檢測與維護，水質的監測存在的時效性低、工序繁瑣、成本高、安全性低、故障處理效率低等缺陷[2]。

（2）PC客戶端或移動客戶端根據運營參數，在故障發生前就捕獲到事件并自動報警，從而有效的解決了設備疲勞運行和帶病運行的問題，提高了設備的使用效率和使用壽命。同時，對跑冒漏問題也能得到及時的解決，減少了損失，進一步降低了水管爆管的概率。

（3）控制終端利用人工智能算法模型以及反向控制手段，針對居民用水時段和管網壓力情況，實現中央泵房的最佳節能自動運營模式;水質的智能化監測（濁度、溶解氧、氨氮含量、高錳酸鉀、金屬離子等指標）為飲水安全提供了保障;通過互聯網或移動互聯網，實現遠程泵房設備控制，大大提高了城市供水的管理能力和安全用水的保障能力。

（4）根據設備運行參數曲線分析出所有設備的運行工況，為設備檢修、管網維護、設備報廢等提供數據支撐和服務，同時也為后續設備的選型及采購提供數據依據。

3.2系統的組成

系統組成由泵房內的檢測和控制設備、室外管網數據感知設備、基于云計算的監控中心平臺和用戶使用終端四部分組成，通過互聯網和移動互聯網相互連接，一個監控中心可監測和控制某一區域或城市內所有符合標準的泵房、管網，從而組成一套完整的、基于人工智能的物聯網智慧供水管理系統。

泵房內的檢測和控制設備主要包括智能終端、PLC 控制器、環境參數檢測裝置（氣體傳感器、泵房溫度傳感器、水泵工況傳感器、水箱水位傳感器、水質參數檢測儀、管道水壓傳感器、攝像機、拾音器）和設備運行參數檢測裝置（檢測水泵工作電壓、水泵工作電流、水泵工作功率、水泵工作轉速、水泵工作軸承溫度）、執行裝置水泵和云臺等組成，實現安全供水的核心節點泵房的環境參數和設備參數自動檢測，并將相關數據通過網絡上傳至監控中心服務器，執行裝置執行監控中心返回的控制指令，從而實現泵站數據的統一化管理和泵站無人值守，實現設備故障的及時預警、供水設備的智能化最佳模式運行和遠程控制，提高對城市供水的管理和用水安全的保障能力，節省大量人力和時間，大大提高工作效率和管理能力。

基于云計算的監控中心平臺包含：WEB 服務器、WAP 服務器、應用服務器、接口服務器、數據庫服務器和網絡設備、基于 B/S 架構和 SaaS 業務模式的云計算中心，從而實現了中心平臺監控所有接入該系統的所有供水泵房，周期性接收/查看泵房測控系統上傳的環境參數和設備參數，并交給平臺分析和決策，通過節能智能模型實現對設備的自動控制。該平臺是管理人員的操控平臺，可以向泵房的各個設備發送監測和控制指令;同時也是一個故障和問題的管理平臺，實現對設備標準化運維管理從而達到遠程監視泵房設備以及管網的運行狀態和控制設備工作狀態的目的[3]。

基于人工智能的智慧水務管理系統分層模型如圖2所示。該系統采用 B/S 架構，整體架構分成應用層、通訊層、數據處理層和基礎設備層。用戶終端軟件既支持PC 終端通過互聯網接入，也支持手機、PAD 等移動設備通過移動互聯網接入，實現隨時隨地查看泵房的環境參數和設備參數，接收各類系統運行信息和遠程監視泵房設備的運行狀態，并根據運行狀態通過移動客戶端遠程控制設備，且控制后的結果實時的顯示在終端設備上。

3.3研究重點

（1）基于神經網絡的管網風險評估模型設計。在神經網絡模型的輸入層輸入管網的參數（管齡、管材、管徑、接口等），管網的位置環境參數（氣溫、濕度、酸堿度等），管網的工作參數（水壓、流量）等信息，通過隱層的組合運算，在輸出端得到該管網存在的漏損、爆管的風險概率，從而為管網監管單位提供可靠的評估結果，進而能夠提前、及時檢修以避免爆管帶來的風險和損失[4]。

（2）基于蟻群算法的成本優化模型的設計。該模型通過蟻群算法對居民用水數據、水資源產生的費用、管網供水數據、泵房工作服務數據等進行優化融合，從而得到成本優化策略，實現智能化成本核算和節能功效。

（3）基于隱馬爾科夫過程的水泵工作狀態預測模型的設計。該模型根據水泵電機的運行參數、聲音和振動傳感數據、水壓的變化參數等，以及每個參數的病變概率來分析水泵的當前工作狀態以及下一狀態的可能性，從而得出是否停用、檢修、更換等決策。

（4）實現泵房場景遠程重現。泵房內安置云臺攝像機和拾音器，通過互聯網或者移動互聯網將視頻信息、音頻信息實時傳輸到水務控制中心的PC客戶端或者水務工作人員智能手機客戶端，使水務管理部門能在任何時間和任何地點實時掌控轄區內任一泵房的實際場景。

（5）遠程控制結果可視、可聽化。在（1）的基礎上，將客戶端的控制按鈕和視頻信息、音頻信息集中在同一界面下，從而實現客戶端遠程控制能做到和現場控制一樣的效果。解決了工業遠程控制的一個核心難點，即遠程控制結果可視化、可聽化、現場化。這一優勢在二次供水安全管理顯得尤其重要，如在遠程發現水泵過熱、振動異常等問題出現，需要停止工作;當在遠端控制終端上按下停止按鈕后，有可能控制按鈕按下后，指令由于各種原因如網絡或器件的原因導致沒有執行，或執行失敗;如果不能實時看到遠程控制的結果，會誤認為水泵已經關閉;而實際情況是水泵仍在運行，從而導致水泵燒毀或次生問題出現;將給泵房帶來較大危險和經濟損失。該系統能有效的看到（檢測到）遠程控制的實際結果（視頻結果、音頻結果、傳感器數據等），如上情況，控制命令發出后，能在同一界面上看到水泵的停止運轉，聽到水泵馬達聲消失，水壓變化。

（6）提供可視化、圖形化的呈現方式。通過數據分析與圖形圖像呈現技術，將分析后的數據通過數字、儀表盤、折線圖等形式可視化，直觀地反映水質、水位和設備工作狀態，運行情況。為管理人員提供了智能化的工作協助，便于使用者和管理者掌控供水設備管網的狀態。可視化、圖形化呈現界面如圖3所示。

4結語

本文設計的智慧水務管理系統融合了現成數據采集、自動化供水技術、水質檢測技術及安防技術，結合物聯網、云計算等技術實現精準預測管網漏損點及供水設備運行故障行為，再通過軟件界面真實模擬現場場景以實時知道遠程控制執行結果，能夠起到降低管網漏損率，提高供水業的設備的管理、運行及維護能力，降低運營成本的效果。該系統已在一些水務供水應用，并取得了很好的效果。

參考文獻

[1]嚴偉苗，鄒翔，王亞晶.面向物聯網的智能門鎖一站式托管服務平臺研究[J].數字技術與應用，2020（1）：148+150.

[2]閆佼.面向物聯網設備的通用云平臺接入服務研究及實現[J].數字技術與應用，2020（4）：131-132+134.

[3]張一凡，崔建國，張峰，等.物聯網和云計算下的城市供水管網漏損控制系統設計[J].華僑大學出版社（自然科學版），2019（1）：34-40.

[4]費戰波，彭永凱.基于物聯網檢測的供水管網分區建模技術研究[J].給水排水，2019（15）：124-127+132.

收稿日期：2020-08-22

作者簡介：劉觀生（1978—），男，江西宜春人，博士研究生，講師，研究方向：物聯網技術研究應用。

Research and Implementation of Intelligent Water Management System

LIU Guan-sheng， XU Wen， WU Xiang-rong

（Zhejiang Technical Institute of Economics， Hangzhou Zhejiang? 310018）

Abstract：In order to effectively improve the safety and efficiency of water supply system， this paper proposes a kind of intelligent water management system. The system combines the Internet of things， cloud computing and artificial intelligence algorithm to realize the remote monitoring of water supply equipment and reduces the maintenance cost. At the same time， according to the collected data，the artificial intelligence algorithm can be used to early warn the failure of water supply equipment and evaluate the risk of water network. Practice shows that the system plays a positive role in improving the water supply system.

Key words： water supply network; internet of things; cloud platform;artificial intelligence