基于物聯網的智慧供水系統設計與實現

姜 川 李宗揚 于明旭

（正元地理信息集團股份有限公司山東分公司，山東濟南 250014）

城市供水是保障城市正常運行和經濟社會發展的生命線，與人們的生活息息相關，是重大的民生問題[1]，其服務質量的優劣關系到供水企業自身的利益，還會影響經濟社會穩定。國家住建部2012年12月發布了《國家智慧城市（區、鎮）試點指標體系（試行）》，該文件明確了二級指標“城市功能提升”中對應的三級指標“供水系統”的指標說明，即利用信息技術手段對從水源地監測到龍頭水管理的供水過程實現實時監測管理，制定合理的信息公示制度，保障居民用水安全[2-4]。

隨著基于大數據、物理網的信息化建設在各領域的不斷發展，供水行業也相繼開展滿足自身發展要求的軟硬件系統建設，部分供水企業已建設完成營業收費、SCADA、視頻監控以及水質監測等信息化系統，這些系統已成為供水企業日常運營管理工作中的重要工具。系統建設較為分散，一般是多個軟件公司在不同時期開發完成，沒有統一的頂層架構設計，技術路線、標準、目標、接口存在差異，只在部分業務上滿足對數據信息的管理和應用，雖然積累了大量的多源異構數據，但無法支撐深入的數據挖掘和共享，形成了信息孤島[5-6]。在新型智慧城市建設的總體架構下，結合供水行業信息化的基礎條件，應充分利用云計算、大數據和物聯網技術構建軟硬件一體化的智慧供水平臺，在進一步加強新型智慧城市頂層設計的同時，形成供水專題管理和規劃體系。通過智慧供水平臺摸清管網家底，打通信息孤島，實現數據共享，增強對供水業務的運營和監管的能力，實現城市供水的智慧運作，提高供水企業的管理與服務水平。

1 系統建設原則

根據國家對新型智慧城市的建設要求和大量智慧供水系統的建設經驗，本文設計了智慧供水系統遵循的體系框架，指導和約束本系統建設。

（1）全局性。

從實際需要規劃，實現共享服務避免信息孤島，將各個系統連接構建成有機整體，成為管理和決策法核心工具。

（2）標準性。

嚴格遵守國家、地方和供水行業的相關標準規范和法律法規，制定標準化的管理措施，確保系統的運行效率和操作的標準化。

（3）實用性。

系統設計應盡可能人性化，以便于在操作和數據調用時快速、便捷，界面設計友好美觀、易于使用，具備靈活完善的查詢和統計功能，易于數據更新和維護等，減少后期運維人員的工作量，提高工作效率。

（4）安全性。

系統必須具有完整的數據保護和備份機制，具有較強的容錯能力和故障恢復能力。

（5）穩定性。

系統必須保證運行的穩定性以及運行和計算效率，支持7×24 h不間斷運行。

（6）靈活性。

系統必須具有強大的參數配置功能，可以根據業務變化快速修改配置文件參數，變化相應業務以滿足業務需求。

（7）開放性。

系統的開放性涉及網絡、中間件、數據庫等支撐軟件，系統應按照開放性和標準化的原則進行規劃和設計，使系統在不同使用環境具備一定的適應能力和可移植能力。

2 總體架構設計

利用物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術，連接泵站、管網、水廠各供水關鍵節點，覆蓋從管理到決策的各個層面，收集傳感器的IoT實時數據、企業的用戶數據與業務數據，再將收集的數據清洗、轉化為可視化的分析結果。充分考慮系統的健壯性、可拓展性、可移植性、穩定性和安全性等因素，結合智慧供水系統的具體建設內容及要求，系統總體架構。

總體架構如圖1所示。

圖1 總體架構

（1）設備感知層。

為水廠、泵站、水源井、管網監測點的監測傳感器（如液位計、流量計、壓力傳感器、水質分析儀、視頻監控設備等），設備感知層是智慧供水系統的物聯網硬件基礎，是系統功能的前端感知觸角，至關重要。物聯網實時監控數據由NodeJS服務程序推送至Redis消息隊列，由Windows Service程序讀取、接收Redis消息隊列中的數據并將數據存儲至數據庫，采用Web Socket發布數據在系統中展示。

（2）數據服務層。

為物聯網設備監測數據提供網絡傳輸、協議解析、設備管理、安全保障等，為系統應用層提供數據引擎、消息推送等服務，為系統應用提供可靠的數據支持。數據服務層主要完成對數據的存儲和處理，支持表的視圖、存儲、備份和恢復等，支持主流的數據庫，如Access、Oracle、MongoDB、Redis等。Access為ArcGIS個人地理數據庫，用于存儲地理空間數據；Oracle用于存儲業務數據；MongoDB用于存儲實時監控數據；Redis臨時性接收、存儲監控數據。

（3）系統應用層。

為最終用戶提供系統的管線查詢、管線定位、在線監測、預警預報、巡查管理等功能，包括B/S端和Windows系統服務，是智慧供水系統與最終用戶操作交互和信息交換的媒介。Web前端采用html、javascript、jquery、css3開發，兼容主流瀏覽器，采用統一前端樣式及動畫效果，快速搭建系統框架及系統功能。系統應用層和數據服務層完全分離，通過Ajax實現前后端數據通信，Nginx配置跨域請求。

3 系統功能設計

3.1 供水管網地理信息系統

供水管網地理信息系統實現對水廠、加壓站、供水管網附屬設施（消防栓、閥門等）及管線的統一存儲和綜合管理，方便供水公司工作人員掌握城市供水管網、附屬設施的布設情況。系統主要功能包括管網附屬設施入庫、編輯、查詢、統計、地圖基本操作以及查詢、管網數據編輯及拓撲檢查、系統設置等。

供水管網地理信息系統如圖2所示。

3.2 供水管網運行監控系統

供水管網運行監控系統對供水管網進行監控，實時掌握城市供水管網的主要節點處的壓力、流量、水質情況。根據壓力指標及時調節水廠供水量，保障城市居民尤其高層住戶的生活用水需求。根據分區節點處獲取的流量數據，對區域內的供水流量進行計量，以此作為供水調度、管網規劃、漏損核算的重要依據。

供水管網運行監控系統如圖3所示。

圖3 供水管網運行監控系統

3.3 供水管網模型模擬系統

供水管網模型系統利用供水管網模型對管道內的狀況進行模擬，全面掌握供水管網的運行狀況，實現供水管網的管道負荷分析、靜態動態水力計算分析等情景模擬分析與結果展示。結果的表達方式包括管網地圖顏色表示、數據表格、數據圖表、時間序列圖和等值線圖等。

3.4 供水管網巡檢養護系統

供水管網巡檢養護系統由供水管網巡檢養護移動端和業務管理服務端組成，移動端系統主要實現接收任務、人員考勤、實時軌跡、隱患上報等功能，供水管網巡檢養護業務管理服務端主要提供任務下發、任務統計、每日巡檢、巡檢點已檢和未檢判斷等功能。供水管網巡檢養護系統能夠滿足供水管網及其附屬設施的巡查、拍照、維護、維修等工作，使供水管網的巡檢養護進一步流程化、規范化和智能化，保證了供水管網及附屬設施巡視缺陷、安全問題的及時處理。

4 結語

隨著信息技術的迅速發展與應用，傳統供水系統的控制已經難以滿足信息化時代下對供水系統進行統籌安排與協調調度的實際需求，物聯網、云計算、智能設備等新技術為供水業務運行與管理提供了新思路。智慧供水可有效保證供水安全，全面提升供水質量，智慧供水系統集中管理供水設施基礎空間數據、供水管網數據、實時監測數據與業務數據。通過智慧供水系統的接口服務將基礎地理信息數據庫、管網GIS數據庫、故障巡檢數據庫、管網工程數據庫、運行監測數據庫等業務數據進行流轉、匯集、共享與動態更新，為供水業務的綜合集成與管理提供數據分析。