城市智慧二次供水管理平臺方案設計

劉 陽

（天津市中環系統工程有限責任公司，天津 300040）

隨著城市二次供水監控系統的建成及逐步完善，配合管網GIS 系統、客戶服務熱線、維修管理工單、表務系統等功能，城市智慧二次供水管理平臺計劃依托管網GIS，通過綜合運用GIS、VR（現實虛擬）、自動化控制、數據服務融合計算、移動互聯、私有云、區塊鏈等技術手段，對二次供水工藝全過程產生的數據和信息進行綜合管理、分析，并提供標準服務接口，通過對各個系統提供的數據進行分析挖掘綜合利用， 對提供的信息流進行整合提煉，為二次供水的運行管理提供相應的功能及服務支持。形成二次供水全過程實時監控、二供設備的全生命周期管理、用戶用水服務全程跟蹤，達到安全優質加壓供水、有效降低加壓運行成本、節省人力和提高工作效率，提升二次供水管理水平的目標，同時為今后建設供水生產綜合管理平臺提供架構支持。

1 建設目的

本平臺致力于在企業管理領域融入先進的管理理念、管理方式、管理手段，建立物流、信息流一體化，進一步規范各項管理運作，做到管理精細化，更好地實現安全供水，節能增效，提升形象，推動員工個人素質提升，提高企業的供水運營效益。

1.1 構建面向網絡化運營的精細化管理模式

建立強大的泵房監控網絡，實現泵房信息化建設；借助監控網絡，實現場站、泵房無人值守或少人值守高效化管理； 實現自動化的異常診斷能力，實時掌握所有場站、泵房異常情況；建立企業內部工單機制，結合異常自動診斷，實現自動發現問題，自動派送工單，自動績效計算；結合設備生產廠商生產經驗，對設備資產、設備零部件進行精細化管理，實現資產信息電子化、零部件全生命周期管理；滿足公安部反恐202 號文件要求，實現泵房安全聯動防護，使門禁、視頻、錄像、紅外等安全部件與平臺管理完成有機融合；針對城市大規模水箱使用現狀，完成水箱清洗周期性管理，實現水箱液位管理，實現水箱錯峰調蓄。

1.2 支持企業多業務協同發展

符合企業管理信息化、自動化、智能化趨勢，平臺應具備其先進性；供水公司要發揮其行業優勢和規模效應，合理有效地統籌和配置資源，通過信息化加強企業的資源共享和業務協同；企業需要通過信息化手段管理各部門、科室，加強在資金、人才、及產業鏈上整體的協同，同時建立完備的考核體系；符合智慧水務大框架信息化、標準化要求，保證本平臺與智慧水務大框架的數據互通，管理流程匹配。

1.3 加強管控，防范經營/質量/安全風險

確保泵房物理安全可控；確保信息化系統、網絡系統、數據庫系統、應用系統等安全可控；設計合理的IT 架構和技術規范體系，確保IT 建設符合總體規劃和統一的技術標準；確保系統對未來新系統建設的兼容性，對第三方系統支持關鍵信息的互通。構建從進水管網、水質、水量、水壓的全過程監控及合理調度。

2 智慧供水管理平臺建設總體架構

2.1 方案設計理念

1）平臺按“無人值班，少人值守”標準進行總體設計，本著安全可靠、技術先進、經濟、實用的原則進行設備配置。

2）泵房設備與管理平臺通訊中斷時，可提供補發功能，確保網絡中斷期間的數據不丟失。

3）平臺實現遠程實時采集和控制，同時考慮到控制帶來的安全性問題， 若開通下發控制功能，雙方需簽訂安全保障協議以確定責任劃分。

4）系統配置和設備選型適應社會發展迅速的特點，充分利用計算機領域的先進技術，系統達到當前行業內先進水平。

5）采用全分布開放式系統，便于功能和硬件的擴充。 軟件模塊化、結構化設計，使系統更能適應功能的增加和規模的擴充。

6）平臺實現管控結合，能夠更好地對二次供水泵房進行監控管理，保障二次供水泵房更加安全、穩定的運行。

7）平臺可實現將數據監控、視頻監控、門禁及聲光報警、PDA 巡檢、 運行及維保管理等系統深度融合，可以彈出界面調用或進行數據共享。

8）針對性的技術方案設計及各模塊數據互通的可行性分析。

9）對平臺采集終端的可靠性、人機交互設計合理性、系統性能優化、移動端支持程度等多維度進行詳細說明。

2.2 應用架構設計

本平臺系統分為物聯網系統和平臺管理兩部分。 物聯網系統除負責現場數據采集傳輸外，還支持現場自動化控制、現場水箱調蓄、供水冗余控制、末端管網爆管預測、安防聯動控制、水質預警聯動、工業系統加密等工作。 平臺管理負責數據的分析處理、故障診斷維護、工單管理、生命周期管理、安防管理、能耗管理、水箱管理等工作。 其中，物聯網系統是現場互聯自控的基礎，平臺管理是企業發揮智慧化供水管理的核心工具和手段。

2.3 系統組成

智慧供水管理平臺由監控中心、網絡傳輸、泵房子站系統、現場傳感器及視頻、門禁系統組成。

數據采集層負責數據的采集和控制，傳感器負責采集現場的信息，如進出水壓力、流量、液位、泵狀態、耗電量、余氯、濁度等，現場控制系統負責泵房設備的就地控制，如泵的啟停、切換及傳感器數據的收集、故障報警等。

現場傳感器和控制器（PLC）通過DI/AI 和現場總線（Modbus）的方式接入網關或工業控制控機。

傳輸網絡負責數據的傳輸和控制指令的下發，可采用有線方式或無線方式及二者的結合，通過工業互聯網網關接入公網數據采集層負責所有泵站系統的數據采集，包括信息的匯聚，控制指令的下發，同時提供標準接口，對第三方提供數據。

數據分析層負責數據的清洗處理和存儲；業務層是針對供水業務的具體實現包括報表系統、綜合報警、故障診斷、協調控制、運行分析（能耗分析、用水趨勢分析等）的綜合管理。

視頻系統采用本地存儲的方式，將現場的視頻信號存儲到硬盤錄像機，通過平臺的視頻監控模塊可以遠程調用視頻信息，進行監控[1]。

配合門禁系統，實現照明設備、攝像裝置的聯動，對進出泵房的人員進行管理；可查看設備運行過程中的實時數據和歷史數據[2]。

各個子系統協同工作，保證智慧供水管理系統安全可靠高效的運行。

3 系統功能描述

目前，二次供水遠程監控指揮調度中心在二次供水維護管理工作中發揮著重要的作用，但隨著接入維護項目數量的增加， 項目建設水平的逐步提高，居民對維護服務的質量要求的提高，現在監控中心平臺的架構已經很難適應二次供水管理的發展要求，需要建立更加智慧、融合更多功能的二次供水管理平臺。

3.1 設計思路

基于“集中監控，分散控制”的模式，建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集中監控系統，完成對水泵及變頻器的遠程數據采集和控制，實時判斷水泵故障及故障原因，實現“24 h 實時監控”的目標，利于實現實時監控，及時發現故障，減少人工巡查工作量，提高工作效率，為客戶的設備運行保駕護航。

3.2 系統示意

智能網關是物聯網系統中的核心部件。 智能網關負責現場數據采集、現場自動化控制、現場水箱調蓄、供水冗余控制、末端管網爆管預測、安防聯動控制、水質預警聯動、工業系統加密等工作。

3.3 系統網絡

系統支持各種類型的網絡傳輸，包括但不限于ADSL 普通撥號寬帶，專網專線，虛擬VPN 專線，移動撥號VPDN，4G/5G 網絡，其他。

3.4 系統功能

3.4.1 數據采集與控制

二次供水泵房需要上傳的數據： 進水壓力、水箱液位信號、二次供水壓力、二次供水流量、電壓、電流、耗電量、變頻器頻率、水泵啟停狀態、電氣故障、極限水位報警、地面液位報警、泵房門啟閉報警。 所有開關量信號均為無源觸點信號，所有模擬量信號均為4～20 mA 信號[3]。

3.4.2 冗余控制

智聯網關具備可編程邏輯控制功能，當智聯網關監測到PLC 或變頻器發生異常導致無法正常控制供水邏輯，進而導致停水危機后，將自動切換至安全冗余供水邏輯， 接管異常PLC 和變頻器的供水，同時向平臺發出最高級別報警。 冗余供水控制功能屬于現場自動邏輯控制，極大保障了停水危機隱患（此功能需要子站PLC 的程序支持）。

3.4.3 安防聯動

當正常開門時，門鎖打開，狀態反饋信號與門鎖信號一致，平臺記錄開門信息，當非正常開門，如暴力破門時，門鎖未打開的情況下，其狀態信號與門的狀態反饋信號不一致，平臺自動報警，人員非法闖入，并進行視頻彈出。

3.4.4 錯峰調蓄自動控制

使用一定的技術手段，對設備運行頻率的歷史數據進行橫向和縱向分析展示，可以很明顯地找出該小區的用水周期性規律，從而找出小區供水高峰時段。 結合水箱液位數據和水箱進水基礎管徑，計算得出所需的蓄水時長。 錯峰調蓄的基本思路是在高峰時段來臨前，進行自動化的開關閥門操作。 所有這些都由智聯網關在泵房現場進行自控實現。

3.4.5 末端管網爆管預測

通過小區漏損監控，可以完成小區漏損的定量監控，但無法判定新增的漏失量不大的爆漏點。 爆漏分析系統通過對二次供水泵房前端壓力變送器和流量計的高頻數據的采集，實時分析每個泵房前端壓力、流量的變化斜率，查找壓力和流量突變的泵房。

3.4.6 環境異常聯動

環境監測包含但不限于溫度、濕度、煙霧報警、火災報警、水淹報警等。

當環境變得惡劣時，智聯網關將對傳感器數據進行實時邏輯處理，并輸出解決 控制測點。 例如，當泵房溫濕度超過限值時，智聯網關進行邏輯匹配，并輸出對泵房風機或除濕機甚至空調的控制。 又例如，當泵房發生爆管或水箱大規模溢流， 水淹報警器信號異常，智聯網關將進行邏輯匹配，并切斷設備電源、啟動排污泵進行排水，同時向平臺上報異常信息。

4 結語

城市智慧二次供水管理平臺以 “智慧水務”為規劃發展方向，建設一個集成的、統一的管理平臺。將傳統的數據采集與監視控制系統 （SCADA 系統）與視頻門禁系統、管理系統等集中構建，建立一體化運作機制，消除系統之間的信息孤島，實現統一的展現門戶。 對外具有統一的展示宣傳窗口、對內具有統一的信息系統管理入口，并能做到內外信息的同步。 通過該平臺實現二次供水泵房相關數據的采集分析，實現對二次供水泵房的全面監控，建立二次供水設施運行維護管理檔案，實現二次供水的科學調度，降低管理成本，提高供水突發事件的應變能力，提高供水企業的服務質量。