一種基于物聯網和云平臺的智慧二次供水管理的實踐

王菊玲，胡佳佳，肖 燕

（浙江正泰中自控制工程有限公司，浙江 杭州 310018）

0 引 言

二次供水是指供水單位將來自城市公共供水（即水廠）和自建設施（即水井）的供水，經貯存、加壓或者根據需要進行深度處理和消毒后，通過管道向用戶供水的方式[1]。

隨著城鎮化建設的推進，高層建筑飛速增長。因市政供水管網壓力有限，一般只能滿足1～6層用戶的正常用水，而建筑高度超過市政供水服務水壓的高層建筑均要進行二次供水設計[2]。由此可見，一般來說從7層開始就需要通過二次供水的方式進行解決。二次供水在城市供水中的比重越來越大，有些城市的二次供水覆蓋率[1]超過60%。

二次供水方式與市政管網直接供水相比，需要經過二次供水設施這一環節，由于二次供水設施的設計、施工不達標，以及后期管理的不完善，極易導致安全事故，在我國很多城市都出現過二次供水被污染的事件。

二次供水成為高層用戶供水的“最后一公里”，由于建設和管理多元化、監管職責不明晰、運行維護責任不到位，存在較大的安全隱患[3-6]?！抖喂┧こ碳夹g規程》（CJJ140-2018）對二次供水水池（箱）的清洗消毒和水質檢測要求為每半年舉行一次，這種管理方式無法實時掌握水質情況，也無法實時掌握設備情況，很難提前發現問題事先作好預防。很多學者為解決上述問題做了大量研究：文獻[7]提出了二次供水管理系統需要解決的主要問題、建設目標以及詳細的需求；文獻[8-9]針對多地的供水管理、衛生監督等部門在部分小區建設二次供水水質在線監測試點，開發了信息管理系統；文獻[10]介紹了基于云技術搭建服務與城市社區的二次供水實時監控、預警系統及APP，分別從各個層面為提升我國的二次供水管理水平出謀劃策。本文基于物聯網和云平臺技術，構建泵房管理可視化、告警管理網絡化、運維管理智能化、智能分析數據化，從而滿足二次供水智慧管理全過程的信息化管理。

1 系統主要功能模塊

該系統主要包括：首頁、大屏、視頻監控、實時監控、運行管理、運維管理、告警管理、智能分析（BI）及系統管理。系統主要功能模塊如圖1所示。

圖1 系統功能模塊

（1）首頁

當用戶登錄系統時進入首頁，在首頁中會顯示如下信息：

①系統總泵房數、總出水量、告警信息處理率。

②泵房水質“優秀”“良好”“及格”及“差”的統計數據。

③泵房場景統計數據，如小區泵房數、寫字樓泵房數、建筑工廠泵房數、學校泵房數等。

④區域月供水排名及區域數量排名信息。

⑤系統的最新動態，比如用戶登錄信息、數據修改信息、告警處理信息、工單處理信息等。

⑥在首頁中顯示的GIS地圖可以展示各個泵房的位置，當鼠標移到某個泵房圖標時，顯示當前泵房的狀態、出水量、進水壓力、出水壓力、pH值、渾濁度。

（2）大屏

以圖形化的方式展示泵房總數、設備總數、泵房月供水排名、泵房使用場景占比分析、泵房供水區域統計、設備類型占比、今日報警次數、今日工單效率、報警處理效率、累計月供水量、區域設備量占比、進水壓力Top10、出水壓力Top10及每日供水量、GIS地圖，大屏顯示界面如圖2所示。

圖2 大屏顯示界面

（3）視頻監控

允許視頻監控系統接入，以便查看某個泵房的視頻監控文件，確保是否有無關人員、動物等闖入而影響泵房安全。

（4）實時監控

實時監控展示設備數據、水質數據、工單記錄及告警記錄等。

①設備數據包括實時壓力曲線、瞬時流量、總流量、變頻器運行狀態、設備狀態、設備故障、變頻器故障狀態、瞬時電流、瞬時電壓、變頻器頻率、有功功率、變頻器電流等。

②水質數據包括實時余氯、實時渾濁度、實時pH值、實時溫度以及當前水質優劣等級評估。

③工單記錄包括當前所選泵房的工單生成情況、工單處理情況及工單完成情況。

④告警記錄包括當前所選泵房的告警級別、異常描述、時間、泵房、狀態、責任人、聯系方式及操作。

（5）運行管理

運行管理包括泵房展示、設備配置及綁定配置。

①泵房展示的內容包括泵房概覽、今日泵房狀態、水質監測。在此可以查看所有泵房的狀態信息、進水壓力、出水壓力、變頻器頻率、變頻器電流，所有泵房的pH值、溫度、余氯、渾濁度及水質優劣評估。可以新增泵房，修改泵房基礎信息，刪除泵房基礎信息。

②設備配置指可以配置與管理泵房設備，配置其設備類型、泵數量、層高、揚程、最低進水壓力、最高進水壓力、最低出水壓力及最高出水壓力。

③綁定配置可以將泵房與智能網關的3G/4G物聯網卡關聯，實現泵房數據通過無線網絡傳輸至云平臺。運行管理界面如圖3所示。

圖3 運行管理界面

（6）運維管理

運維管理包括工作單概覽、工單管理及設備巡檢管理。

①工作單概覽以圖表方式展示工單總量、待辦工單量、工單效率、維修及時率、巡檢率、工單類型分布統計、工單狀態統計、工單全量圖、工單完成量統計、工單完成時間統計、工單評級統計、巡檢完成量統計、巡檢完成時間統計、巡檢評級統計信息。

②工單管理包括工單流程、工單歷史及經驗庫。其中：工單流程實現從工單生成→工單下達→工單接收→工單處理→工單完成的整個過程管理；工單歷史以列表的形式展示每個工單、每個過程的詳細情況，可以通過責任人、開始時間-結束時間、工單編碼、工單名稱及泵房進行查詢，也支持模糊查詢；經驗庫可以將有借鑒意義的工單處理方法存入經驗庫，成為知識財富庫，方便參考查閱。

（7）告警管理

告警管理包括今日告警、告警總覽及告警歷史。

①今日告警顯示一級故障數、二級預警數、已處理異常數、待處理異常、異常處理率、設備異常率、今日泵房異常率排名以及今日所有告警信息列表，也可以通過告警等級、狀態及泵房名稱進行查詢篩選。

②告警總覽以報警中心為中心，以一級故障、二級預警及水質預警為內環，以水質污染、元素超標、設備停運、變頻器故障、水壓過高及水壓過低為外環，顯示一個告警信息篩選圓環。當鼠標點擊該環中的任一位置，可以非常方便地進行告警信息篩選。經過篩選后的告警信息以列表的方式進行呈現，同時，統計不同城市的報警總數。

③告警歷史以列表形式展示所有告警詳細信息，可以按告警等級、狀態、開始日期-結束日期及泵房名稱進行查詢，也可以將告警數據導出至Excel進行二次處理。每條告警信息與其點位關聯，通過點擊“查看點位”圖標，可以打開點位所在泵房在GIS地圖上的具體位置、負責人及其聯系方式；通過點擊“轉工單”按鈕，可以將告警信息轉換成工單，下達給運維人員，通知運維人員處理；通過點擊“忽略”按鈕，對該條告警信息做一個標識。

（8）智能分析（BI）

智能分析（BI）可以對設備記錄、水質記錄的歷史數據進行查詢；可以對設備和水質進行分析；可以將流量報表、壓力報表、供水量報表及水質報表生成日報表、月報表及年報表，同時，可以將這些報表下載下來，以Excel的方式保存。

（9）系統管理

系統管理包括用戶管理、角色管理、組織架構管理及營業單位管理，方便按照不同區域、不同層級、不同權限進行管理，確保系統、數據的安全。

2 系統架構

該系統從應用方面分為泵房、云端及客戶端三個維度，從技術實現方面分為感知層、傳輸層、存儲層、服務層及展現層五個層面，如圖4所示。

圖4 系統架構

泵房除了安裝二供必需的水箱、加壓泵外，還需要在相應的位置安裝壓力傳感器、流量傳感器、水質傳感器、溫度傳感器、攝像頭、PLC及無線通信網關。壓力傳感器用于檢測進水水壓和出水水壓；流量傳感器用于檢測進水水量和出水水量；水質傳感器用于檢測余氯濃度、pH值和渾濁度；溫度傳感器用于檢測水的溫度；攝像頭用于記錄整個泵房的情況；PLC采集各類傳感器檢測出的數據，實時傳輸給通信網關，通信網關通過無線網絡將數據實時上傳至云平臺。

云端即云平臺，安裝MQTT（消息隊列遙測傳輸）協議、Redis、MySQL等軟件，將通信網關上傳的數據進行處理并存儲到相應的數據庫。對于實時性要求高的數據，通過Redis數據庫進行處理；將實時性要求不高的數據通過MySQL數據庫進行處理，通過IIS組件進行Web發布，實現公網訪問。

客戶可以通過瀏覽器在電腦上訪問本系統，也可以下載對應的APP軟件在手機或者平板電腦上安裝使用，做到隨時隨地查看和操作。

3 關鍵技術

本系統所用到的關鍵技術主要包括傳感器、PLC、MQTT協議、Redis數據庫及GIS服務。

（1）傳感器技術

我國國家標準（GB/T 7665-2005）對傳感器的定義是：能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。

本系統用到的傳感器是智能傳感器，它可以將物理信號轉化成4～20 mA電流信號，供PLC識別和讀取。主要使用的傳感器類型包括壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、pH值傳感器及渾濁度傳感器等水質傳感器。

（2）PLC技術

PLC控制系統是在傳統順序控制器的基礎上引入微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通信技術而形成的一代新型工業控制裝置，目的是取代繼電器、執行邏輯、計時、計數等順序控制功能，建立柔性的遠程控制系統，具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。

（3）MQTT協議

MQTT是ISO標準（ISO/IEC PRF 20922）下基于發布/訂閱范式的消息協議。它工作在TCP/IP協議族上，是為硬件性能低下的遠程設備以及網絡狀況糟糕的情況下而設計的發布/訂閱型消息協議。

（4）Redis數據庫

Redis是一個key-value存儲系統，也是一個高性能的key-value數據庫，它會周期性地把更新的數據寫入磁盤或者把修改操作寫入追加的記錄文件，可以實現master-slave（主/從）同步。

本系統將進水壓力、出水壓力、進水流量、出水流量、pH值、渾濁度、余氯、變頻器頻率、變頻器電流及設備狀態用Redis數據庫進行處理。對于用戶信息、組織機構信息、工單信息、告警信息采用MySQL等關系數據庫處理。視頻監控文件采用文件服務器進行處理。根據數據的特點，選用合適的處理方式提高系統響應能力。

（5）GIS服務

GIS服務是一門綜合性學科，融合地理學、地圖學以及遙感和計算機科學，已經廣泛地應用在不同的領域。

本系統所用的GIS服務為百度地圖服務引擎，通過調用相應的API，實現泵房圖標及數據在相應地理位置上的顯示。

4 結 語

本文提出的二次供水智慧管理方案通過視頻監控實現泵房管理可視化；通過3G/4G無線網絡及互聯網實現告警管理網絡化；通過巡檢管理，結合告警信息轉工單功能實現運維管理智能化；通過對進水量和出水量排名、水質優劣排名、工單處理率的統計及各種日報、月報和年報數據實現數據化智能分析。本文致力于打造一種能滿足物業公司及水務公司等二次供水管理單位實現全過程管理的軟件平臺，為他們提供技術支持，促使他們為大眾提供更為優質的服務。