基于物聯網水表的遠程控制系統及控制方法

邵澤華，權亞強，唐永強

（成都秦川物聯網科技股份有限公司，四川 成都 610100）

0 引 言

目前市場上現有的水表包括人工抄寫統計用戶用水數據的傳統機械式水表，以及逐漸取代傳統機械式水表的電子式水表、物聯網水表。電子式水表雖然可以遠程抄表，但是無法對用戶水表進行監測及控制，無法判斷用戶的水表是否異常（為漏損產生的主要根源之一），無法達到《水污染防治計劃》[1]和《國家節水行動方案》[2]提出的“到2020年，全國公共供水管網漏損率控制在10%以內的目標”，也無法適應目前國家已經明確規定城鎮居民用水的價格采用階梯計價制度[3]。

基于物聯網水表的遠程控制系統通過在物聯網水表中設置可感知震動的震動傳感器和可控制供用水的閥門形成智能化物聯網對象，使其感知和控制信息更全面和更精細。通過在遠程水務管理平臺中設置感知和控制信息類別分析單元、分類數據存儲器、用水狀態綜合分析單元、控制策略單元對表端上傳的信息進行識別處理，并根據識別結果采用相應的控制策略實現用水遠程管理和控制，是三體系物聯網理論[2]在城鎮供用水的具體應用。精細化控制是供水現代化的重要標志[4]，本文根據城鎮供水管網分區計量工作指南—供水管網漏損管控體系構建開發了可對水表進行遠程監控的管理平臺系統[5]。

1 基于物聯網水表的遠程控制系統概述

基于物聯網水表的遠程控制系統是以三體系物聯網理論[6]的五平臺技術[7]為基礎，集用水狀態感知、分析、控制功能為一體，為用戶提供安全、可靠的供水服務信息、物理和功能系統[6]。如圖1所示，基于物聯網水表的遠程控制系統由對象平臺、傳感網絡平臺、水務管理平臺、服務平臺和用戶平臺組成。

圖1 基于物聯網水表的遠程控制系統結構

各平臺的功能由相應的信息物理系統實現，概述如下：

對象平臺包含系統內所有的物聯網水表，其信息物理系統由用水狀態感知模塊、用水狀態控制模塊和物聯網通信模塊組成。參考GB/T 33630-2018 信息技術面向燃氣表遠程管理的無線傳感器網絡系統技術要求，燃氣表的結構化單元結構設計[8]可感知用水狀態信息和控制用水狀態，并經物聯網通信模塊和遠程平臺雙向通信。

傳感網絡平臺的信息物理系統由傳感網絡管理服務器、公共網絡通信平臺、物聯網網關以及傳感網絡管理信息系統組成，可提供物聯網水表與遠程平臺的通信。

水務管理平臺的信息物理系統由水務管理服務器及其綜合管理系統組成，水務綜合管理系統包括各平臺管理子系統（對象平臺管理子系統、傳感網絡平臺管理子系統、服務平臺管理子系統、用戶平臺管理子系統）和用水管理子系統，可實現對表端感知信息的識別和用水狀態遠程控制，并為用戶提供服務。

服務平臺的信息物理系統由政府服務器、水務公司服務平臺服務器、社會運營商服務器以及各類服務器的服務信息系統組成，可實現感知信息的進一步分析統計，為各類用戶提供數據信息服務。

用戶平臺的信息物理系統由各種自助繳費終端、移動通信終端、互聯網通信終端及各類終端的應用程序系統等組成，能以網頁或應用程序APP的方式為人類用戶提供服務。

2 基于物聯網水表的遠程控制系統及閉環控制

2.1 物聯網水表的功能

基于物聯網水表的遠程控制系統的對象平臺由眾多物聯網水表組成，每一個水表都是一個智能對象，其用水狀態感知模塊由水流體積測量模塊、磁干擾監測模塊、震動測量模塊等組成，用水狀態控制模塊由主控模塊、閥控模塊、時鐘模塊等組成。物聯網水表的結構框架如圖2所示。

圖2 物聯網水表感知和控制功能示意圖

物聯網水表可以實現表端用水消費數據、磁干擾監測數據、震動數據等的采集及外部遠程控制指令信息的接收，表端的主控模塊可根據表端的磁干擾監測數據實現自主控閥，也可按遠程平臺的指令實現閥門控制，其表內的信息流向如圖3所示。

圖3 物聯網水表感知和控制信息流向示意圖

圖3中，磁干擾檢測和控制實現了內部閉環控制，如圖中虛線所示。

當表端下游存在用水行為時，水流體積測量模塊可自動采集用水數量信息，該模塊能將水流機械信號轉換為電信號并將該電信號發送給主控模塊，再經物聯網通信模塊上傳。當水表及其上下游附近存在水流震動或者所連管道存在非水流震動時，震動檢測模塊可自動采集震動數據（包括震動次數及頻率），并將該震動數據發送給主控制器，再經物聯網通信模塊上傳。當水表周圍附近存在磁干擾時，磁干擾監測模塊在探測到磁干擾時，立即向主控模塊發送磁干擾信息，主控模塊立即給閥控模塊下發關閥指令，等閥門關閉并回復主控模塊后，再經物聯網通信模塊上傳。在短時間內存在多次磁干擾（設定的上限值一般為5次）時，主控模塊會鎖定閥門，并經物聯網通信模塊上傳，這就是表端的自主控制閉環。

水表正常運行一定時間后（例如1 h、1天、1個月等固定周期），需要周期性地向遠程平臺發送信息，為了保證表端時鐘與遠程平臺的時鐘一致，一般約定每次照例上傳表端信息時進行遠程時鐘同步，保證表端時鐘正確。具體流程為：主控模塊接收遠程時鐘同步指令的時鐘后，從表端時鐘模塊調取當前表端時鐘時間，并將二者進行比對后向時鐘產生模塊發送校時指令，以實現時鐘校正。

主控模塊是表端核心控制單元，統籌協調著各模塊的運行，既可存儲和處理各模塊上傳的數據信息，并及時將這些數據信息通過表端物聯網通信模塊上傳，而且還可以按磁干擾監測模塊的磁干擾數據進行表端自主控閥處理，接受遠程平臺下發的控制指令并存儲處理，對表端各模塊進行控制，并將處理結果經物聯網通信模塊上傳給遠程平臺。

當主控模塊向閥控模塊發送閥門動作指令（包括開啟指令或關閉指令）時，閥控模塊自動關閉供水或者開啟閥門供水，且閥控模塊向主控模塊回傳指令執行結果，再經物聯網通信模塊上傳。

物聯網通信模塊負責表端主控制器與遠程管理平臺之間的雙向通信。表端既可以按預先設定的周期上傳信息，也可以在發生磁干擾事件等異常時及時上傳信息，上傳的信息包括表端水流體積測量數據、震動數據和磁干擾事件數據等；表端也可以接收管理平臺向水表下發時鐘同步、遠程關閥、遠程參數設置與修改等指令，表端通過主控模塊下發給功能模塊執行，并將執行結果反饋給遠程平臺。

物聯網水表還包括電源模塊，為表端各項功能提供能量支撐。總之，物聯網水表的功能包括感知功能、控制功能和物聯網通信功能。通過這些功能，可以實現表端自閉環控制、可以接受來自遠程平臺的遠程控制。

2.2 傳感網絡平臺功能

傳感網絡平臺能夠通過傳感網絡（既可為LoRa之類的私網，也可為NB-IoT之類的公網）和物聯網水表的通信模塊實現雙向通信，實現對物聯網水表的采集信息和表端事件處理信息（如表端磁干擾事件閉環處理信息）的匯集，以及確保向每個物聯網水表控制指令的精準下發（遠程平臺的控制指令）。

傳感網絡平臺能夠以平臺內部公共網絡通信平臺接口與水務管理平臺實現實時雙向通信，實現傳感網絡平臺所匯集的感知信息向水務管理平臺的上傳，以及接收并緩存水務管理平臺所下發的控制指令信息，其內部信息流向如圖4所示。

圖4 傳感網絡平臺內部信息流向示意圖

2.3 水務管理平臺功能

水務管理平臺的信息物理系統由水務管理服務器及其綜合管理系統組成，水務綜合管理系統包括用戶平臺管理子系統、傳感網絡平臺管理子系統、服務平臺管理子系統、對象平臺管理子系統和用水管理子系統。

（1）用戶平臺管理子系統管理消費者用戶身份信息、用戶消費信息、用水賬單信息、用戶物業位置及所有權信息及其變更信息、租住信息；企業用戶的工商注冊信息、消費信息、賬單信息、租用信息等，系統運維用戶的登錄賬號、密碼信息以及其他用戶的信息等。

（2）服務平臺管理子系統管理服務平臺各個服務系統的服務功能維護與升級，例如各種終端的應用軟件系統及其接口，可保證服務的順暢實現。

（3）傳感平臺管理子系統管理傳感網絡網關等通信設備的軟硬件信息，并對其進行維護，例如傳感網絡管理系統機器接口，保證水表數據的正常傳輸。

（4）對象平臺管理子系統管理對象的基本信息、安裝信息，包括場所的地理位置及樓棟門牌信息、用水管道基本信息等。

水務管理平臺具體結構如圖5所示。

圖5 水務管理平臺結構

用水管理子系統包括用水信息類別分析單元、分類用水信息存儲器、用水綜合分析處理單元、用水控制信息單元。可根據設置的條件對長期水流震動數據進行統計監控，結合消費行為可以識別出異常用水狀態。用水管理子系統結構如圖6所示。

圖6 用水管理子系統結構

用水的異常現象（不含水質異常）常見的有：用戶實際上在消費，但上傳的消費數據為零；或者用戶實際沒有用水，但消費數據不為零（可能用戶家里管道有暗漏[9]）；另外，還存在水表上游附近管道存在供水漏失現象[9]，也可被表內的傳感器感知，從而出現有長期水流而無消費的情況，這種異常情況對供水公司而言危害很大。因為這些用水異常現象的存在導致用戶和供水方的糾紛時有發生。為減少此類糾紛，本文通過在水務管理平臺設置時間條件自動判斷并控制用水狀態。具體設置為：無消費數據和（或）無水流震動數據允許持續的最長時間tmax一般選擇為30天（也可以設為其他值，如45天、60天、90天等）。

用水管理子系統可從表端上傳的信息中，將表端水流震動數據、表端消費數據、磁干擾處理事件信息、表端非水流震動數據進行區分和分類存儲，通過逐日分析將用水異常狀況識別出來，例如，當某日發現消費數據為零和（或）水流震動數據為零時，水務管理平臺次日開始統計該表端無水流和（或）無水流震動的天數，直到天數達到時限值輸出異常，再經控制單元處理形成控制關閥指令，可以有效保護用戶和水務公司的利益。

用水管理子系統可實現感知和控制信息的分類、存儲、綜合分析，并根據分析結果生成控制信息。用水管理子系統的業務處理流程如圖7所示。

圖7 用水管理子系統的業務處理流程

可見，表端逐日上報的數據信息在水務平臺首先被進行類別分析，由用水信息類別分析單元將用水感知信息分為四類，即水流震動檢測數據、水體積測量數據、磁干擾事件信息、非水流震動檢測數據。其中，前兩類數據分別存儲于分類用水數據存儲器的三個寄存器中，而后兩類信息則存入控制信息單元中備用。

用水綜合分析單元逐日分析水體積測量數據信息和震動監測數據，當出現超過所預設的時間條件時，則將分析結果輸出給控制單元，分析結果有4種，分別是：長期無水流震動無消費、長期有水流震動無消費、長期有水流震動有消費、長期無水流震動有消費。

這些結果作為用水控制信息單元的輸入，根據用水控制策略生成告警信息和（或）控制指令。這些告警信息和（或）控制指令產生的過程如圖8所示。

圖8 警告信息和（或）控制指令的產生過程

控制策略可以是預先設定的控制策略，也可以是實時告知用戶后用戶決策的結果。這些策略可能因時因地而不同，但都是以用戶的意志為依據，不論是預先設定的還是事中征求意見的，都離不開用戶平臺各類用戶的授權。

常見的輸入輸出和控制策略見表1所列。

從表1中的第5項可見，表端已經對磁干擾事件進行了處理，控制信息單元依據處理結果進行信息的生成和傳遞，根據控制策略處理結果采取告警和（或）指令控制。

表1 用水狀態控制信息單元常見輸入、輸出及其控制策略

2.4 服務平臺和用戶平臺功能

水務管理平臺所產生的水務服務信息經服務平臺各種系統上傳到用戶終端，用戶可通過終端接收水務服務信息，包括用水異常或非水流震動信息。

水務公司服務平臺服務器具有一定的信息處理能力，可為用戶提供歷史消費明細、系統運行狀態等各種服務信息，還可向政府服務器、社會運營商（數據統計分析機構、對外網絡社交媒體等）服務器提供脫敏后的水務信息，利于政府和社會公眾對水務運行狀況進行監督和了解。

用戶平臺的消費者通過各種終端可接收水務服務信息，接收平臺終端呈獻給用戶物聯網水表的運行信息，并可通過可操作的終端輸入用戶的指令信息，通過服務平臺下發給水務管理平臺。

2.5 用水異常控制流程

用水狀態識別和控制流程如圖9所示，物聯網水表將感知信息和控制信息傳遞給傳感平臺，在管理平臺中進行分析和決策信息，再分別通過用戶平臺和管理平臺實現對表端的閉環控制。

圖9 用水狀態識別和控制流程

3 對物聯網水表遠程控制的兩種實現方式[10]

3.1 用戶平臺對表端的閉環控制

對水務管理平臺分析出的結果進行控制判斷后，還有部分需要征詢用戶意見才能生成控制指令，比如磁干擾鎖定表端閥門需要用戶知曉并配合入戶調查，而非水流震動則需要用戶確認并可能產生關閥或配合入戶調查，用戶通過終端接收管理平臺信息后，通過用戶終端的操作，輸入指令信息（同意入戶約定時間、同意關閉閥門、同意維護人員入戶檢查等）。通過終端和服務平臺傳輸，水務管理平臺控制信息單元再根據指令性質加以處理，如果是對表端的控制，則再經傳感網絡平臺下發給表端，這就是所謂的用戶自主控制的方法。該方法是物聯網閉環控制理念[2]的體現，即當水務管理平臺發現存在用水異常時，水務管理平臺將分析控制信息通過服務平臺上傳給用戶，用戶決策后下發控制指令，經過服務平臺傳輸至管理平臺，由管理平臺協調傳感網絡平臺將控制命令下達至表端，實現對象平臺的表端閥門控制。

3.2 水務管理平臺對表端的閉環控制

對水務管理平臺分析出的結果進行控制判斷后，大部分屬于平臺可直接給出的控制指令實際上是在用戶授權下生成的自動控制指令，比如無消費有水流震動異常現象、有消費無水流震動異常現象、無消費無水流震動異常現象，均可以直接生成遠程關閥指令，再經傳感網絡平臺下發給表端，這就是所謂的水務平臺自動控制的方法，即當水務管理平臺發現存在用水異常時，根據用戶授權自主決策后下發控制指令，經過傳感網絡將控制命令下達至表端，實現對象平臺的表端閥門控制。

4 結 語

基于物聯網水表的遠程控制系統由對象平臺、傳感網絡平臺、水務管理平臺、服務平臺和用戶平臺組成，各平臺的功能由相應的信息物理系統實現。基于物聯網水表的遠程控制方法包括用戶平臺閉環控制、水務管理平臺閉環控制。這兩種方法都是通過水務管理平臺用水綜合分析系統分類分析、分類存儲、綜合識別、控制指令生成等過程提供的支撐而實現的，使得用水異常現象得到有效控制，并實時獲得表端正確計量，為降低漏損[1,4]管理打下基礎，保護用戶和供水公司的利益。

基于物聯網水表的遠程控制及閉環控制可遠程發現水表端的用水異常狀態并對水表進行遠程關閥控制，排除安全隱患，增強用戶體驗。