基于“互聯網+”的城鄉供水自動化監測與管理系統設計與實現

田昊 王源楠 楊琳

摘要：城鄉供水管理對社會穩定、經濟發展和生活水平的提高有積極作用。開發供水自動化監測與管理系統能夠提高水資源利用效率、提升供水保障率、強化水質安全保障。設計并實現了城鄉供水自動化監測與管理系統，滿足了城鄉供水管理的現代化應用需求，對于“互聯網+”城鄉供水工程建設有實際指導價值。

關鍵詞： 城鄉供水; “互聯網+”; 自動化監控; 工程運維; 管理現代化

中圖法分類號：TU991 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.020

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0111 - 06

0 引 言

城鄉供水工程是保障社會經濟可持續發展的重要水利工程。21世紀以來，隨著城鄉一體化進程的加快，城鄉供水工程逐步解決了廣大農村群眾的生活用水困難及用水安全問題，改善了人民的生產生活條件，使人們能安居樂業，促進了社會的穩定和農村經濟的繁榮發展[1]。

在供水工程自動化監測和管理方面，一些發達國家從20世紀60年代起就開展了對城市供水管理系統的研究，且運用了計算機技術作為供水管理輔助手段。目前，美、日、英、法等國家的一些城市已經基本實現了供水系統的計算機優化調度和管理，并形成了一些調度管理軟件，如英國的GINAS及美國的OPWAD等[2]。

隨著改革開放和經濟發展，中國的供水自動化監測和管理系統得以開發和推廣[3-5]。賈國華[6]認為建立農村飲用水安全工程管理信息化系統是發展趨勢。侯景偉等[7]提出將水利工程技術、計算機信息處理技術、自動控制技術、通信技術等充分融合，建立強大的數據庫，為領導決策和技術人員開展工程建設管理工作提供信息支持，是保障農村飲用水安全的有效手段。李云峰[8]論述了“智慧供水”的概念，提出智慧供水信息化建設的構想。金麗等[9]構建了農村供水信息化和自動化監控系統，解決了供水站點的數據采集監控、管道爆裂漏水不易及時發現和管道靜水壓力過大等問題。朱波等[10]基于智慧供水的基本概念和前沿技術，介紹了合肥智慧供水建設規劃、建設內容、信息安全、支撐體系等內容。王躍國等[11]分析了農村供水工程信息化建設現狀及問題，研究了人工智能技術在縣級農村供水工程信息化建設中的應用。朱敏等[12]針對自動化供水信息的遠程監控需求，研究了基于OPC技術的供水信息化系統的設計與應用。

但無論國外還是國內，關于城鄉供水自動化全面覆蓋的研究和報道相對較少。由于城區、鄉鎮、農村供水系統建設嚴重不均衡。部分地區水資源匱乏、水質較差，飲用水供需矛盾突出，人飲安全保障亟需提升。為提高水資源利用效率、提升供水保障率、強化水質安全保障，有必要建設高水平的供水自動化監測與管理系統，以緩解飲用水供需矛盾并提升廣大人民群眾飲水安全[13]。同時，開展高水平的信息化建設，是提升政府水務管理效能、提高社會公眾服務能力的需要，也是響應國家地方各級政策，樹立城鄉“互聯網+供水”工程典型示范的需要[14]。

因此，本文著重研究一個功能完善、維護容易、操作簡單、易于復用、生命周期長的城鄉供水自動化監測與管理系統，為滿足信息化管理的迫切需要和為科學合理配水提供后臺支撐，建設典型的“互聯網+”供水工程標桿，“互聯網+”城鄉供水自動化監測與管理系統將云計算、大數據、物聯網、GIS等技術手段應用在城鄉供水工程中，實現供水全程自動化監控和運行，提升了城鄉供水工程自動化技術水平，對于保障供水安全、提高管理水平具有較大意義。

1 系統總體架構

本系統總體架構分為感知層、網絡層、基礎層、數據層、支撐層及應用層。感知層建設水廠、泵站、蓄水池、管網、入戶的流量、壓力、水質、水位、視頻監控等物聯網設施，實現供水全過程自動化數據的采集與監測;網絡層利用物聯網、有線網絡和4G無線網絡等通訊方式，實現采集數據的傳輸與設備的遠程控制;基礎層充分利用云資源，提供彈性計算、數據存儲、操作系統、安全防護等服務;數據層整合已有數據、新建數據，建設城鄉供水數據庫，包括基礎數據庫、業務數據庫、管理數據庫和文件系統，實現數據資源的整合、互聯互通和資源共享;支撐層根據建設需要，分別部署統一身份認證、地理信息服務等內容;應用層開發供水自動化監控、工程運維管理、水費計收管理、一張圖、門戶、移動APP、微信公眾號等系統，覆蓋城鄉供水管理業務，提供綜合展示與移動服務窗口。系統總體架構如圖1所示。

2 系統設計

2.1 數據庫設計

針對水利行業不同類型的數據采用不同的存儲方法。按照水利對象的設計思路，對目前涉及的水利對象采用遵循數據范式的設計思路，利用MySQL關系數據庫進行存儲[15]。

對于其他的非結構化數據如文檔、圖片、多媒體、視頻等，采用CEPH集群進行存儲，并與關系數據庫中的對象屬性進行掛載。對空間信息，如DLG/DEM/DOM等，采用ArcSDE/MySQL等數據庫進行存儲。

城鄉供水自動化監測與管理系統數據庫邏輯上可分為基礎數據庫、業務數據庫、管理數據庫和文件系統。

2.1.1 基礎數據庫

基礎數據庫是結構化數據庫，存儲與城鄉供水自動化監測以及管理系統相關的基礎性數據，包括行政區劃、水庫、河流等水利基礎信息，水廠、水池、管網等城鄉供水工程的基本信息等，可為業務數據庫提供映射數據源。

2.1.2 業務數據庫

業務數據庫是指各完整支持業務系統的結構化數據的數據庫，存儲支持城鄉供水自動化監測與管理系統的業務數據，由從基礎數據庫中映射的數據視圖和自身業務需要建設的數據庫表構成。業務數據庫包括監測數據庫和業務管理數據庫兩部分。

（1） 監測數據庫。包括水廠自動化、蓄水池、供水管網、入戶監測等，具體涵蓋水廠制水及輸水設備監測、蓄水池水位流量監測、管道流量壓力監測、入戶流量監測等。

（2） 業務管理數據庫。包括城鄉供水工程運行維護和水費收繳等業務相關數據，具體涵蓋城鄉供水工程巡檢數據、維修養護數據、用戶數據、水費收繳數據等。

2.1.3 管理數據庫

管理數據庫用于存放支撐系統正常運行的元數據、菜單信息、接口信息、用戶信息、權限信息、日志信息等。

2.1.4 文件系統

文件系統存儲歷史監測數據、視頻數據以及文件數據。

（1） 歷史監測數據。專題數據庫中的歷史監測數據通過數據倉庫技術工具進行數據抽取、轉換并加載存儲在文件系統中。歷史監測數據通過大數據分析服務為業務系統提供大數據分析處理功能。

（2） 視頻數據。文件系統存儲視頻數據，視頻數據通過視頻服務為業務系統提供視頻的查詢和回放功能。

（3） 文件數據。文件系統存儲業務系統中的文件數據，文件數據通過文件服務為業務系統提供文件的上傳、下載和瀏覽功能。

2.2 支撐平臺設計

支撐平臺包括各類中間件支撐服務，中間件支撐服務建設即利用第三方平臺或軟件的服務功能，為業務系統提供各類服務，具體包括通用流程、統一身份認證、智能報表、短信平臺、消息中間件、數據交換、視頻集成和地理信息服務等內容。

（1） 通用流程。提供工作流相應的通用流程管理功能。主要包括流程發起、待審待辦查詢、流程審核、流程日志圖形化顯示、流程流轉。

（2） 統一身份認證。搭建統一身份認證平臺，為各應用系統提供統一的賬號權限管理、身份認證服務。主要包含用戶管理、用戶認證、單點登錄、分級管理、權限管理、會話管理等。

（3） 智能報表。提供各類圖、表的展示功能，支持多個終端，如展示大屏、PC電腦、移動手機等。提供各類報表的展示、下載、打印等功能。主要內容包括：設計器和報表頁面的訪問，與平臺的權限認證體系進行結合控制，保證報表訪問安全，以及實現定制化界面，使其與前端框架統一融合。

（4） 短信平臺。基于成熟的軟件產品構建短信平臺，主要功能包含短信模板管理、短信發送、短信日志。

（5） 消息中間件。消息中間件提供的消息服務用來在系統的模塊間和前后端間快速數據傳輸。通過消息引擎來進行消息的發布通知，實現實時數據更新。主要包含消息發送服務、消息接收服務、消息隊列、消息持久化服務。

（6） 數據交換。平臺需要與已建系統等進行數據的交換，基于數據倉庫技術（ETL）實現數據交換服務，即自動化數據抽取、交換及加載。

（7） 視頻集成。視頻集成主要采用對接主流廠商軟件開發工具包為主要技術路線。在設備對接方面，主要在其SDK接口功能上進行二次開發，對接相應功能接口，完成視頻接入、設備管理等相應功能。在完成設備對接后，沿用平臺總體技術路線，完成相應后端服務及前端呈現相應功能。

（8） 地理信息服務。地理信息服務基于開源GIS框架，進行基礎空間數據服務與展示相關基礎能力建設，包括后端服務與前端呈現兩個部分內容。后端服務主要為地理信息服務的后端邏輯實現，主要包括數據管理與空間數據服務兩個部分;前端呈現為地理信息服務的前端實現，負責地圖渲染、可視化、邏輯交互等方面任務，內容包括地圖交互、圖層管理、可視化展現等內容。

2.3 系統功能設計

城鄉供水自動化監測與管理系統包含7個子模塊，分別為供水自動化監控、工程運維管理、水費計收管理、一張圖、門戶、移動APP、微信公眾號。城鄉供水自動化監測與管理系統功能框架如圖2所示。

（1） 供水自動化監控。供水自動化監控模塊采集并監測水廠、清水池、管網、入戶水表和視頻監控的有關信息，實現水廠、清水池、測控井、水表等設備的自動化監控，整合監測數據并集中展示，滿足快速了解運行狀態和處理預警預報事件、降低水量損失、設備損失、維修成本的需求，實現整個供水系統的靈活高效和智能運行。供水自動化監控具備工程組態管理、報警預警管理、監測數據管理、遠程控制、視頻監控等功能。供水自動化監控工程組態管理界面如圖3所示。

（2） 工程運維管理。工程運維管理模塊能直觀地獲取設備的運行狀態、養護信息和維修信息，快速發現設備存在的隱患或者故障，發送預警信息至運維人員和管理人員，推動其進行相應的應急維護或定期養護操作。同時，能夠記錄運維管理人員對工程及自動化設備的巡檢情況和檢查結果，實現城鄉供水工程運行維護的電子化和信息化管理。工程運維管理將各類對象巡檢、維修、養護流程模板化，并將預警報警與運維流程耦合，實現運維人員對故障的快速響應。工程運維管理子系統具備工程信息管理、工程巡檢、維修管理、養護管理等功能。工程運維管理模塊維修管理功能界面如圖4所示。

（3） 水費計收管理。水費計收管理模塊實現系統遠程抄表，提供信息公布的網絡平臺和短信推送服務，并能支持IC卡水費預交、微信公眾號等多種繳費方式，能夠統計分析用水量、用水異常情況、水費收繳情況等信息，方便領導和業務人員把握水費計收具體形勢，提高信息化管理水平。水費計收系統具備用戶管理、水費管理、水價管理、智能水表管理和統計分析等功能。水費計收管理模塊水費管理界面如圖5所示。

（4） 一張圖。一張圖綜合展示模塊在二維或三維電子地圖基礎上，運用地理信息技術實現人飲信息的整合發布，支持水源地、水廠、清水池、輸配水管網、測控井、分水井等供水工程建筑和設備監測數據、工程管理、預警報警、巡檢維修等動態信息的展示和查詢，并對供水形勢、工程運行形勢、水費收繳形勢和用水反饋等業務信息進行綜合性解析展示。一張圖綜合展示界面如圖6所示。

（5） 門戶。系統門戶聚合各類信息，建設專題門戶，將供水工程運行、設備運行狀態等實時監測數據、各項重要指標統計、各項重點工作進展、重要新聞事件、便民政務等方面信息按照各級權限向不同層級的管理人員集中展示，形成管理門戶;對社會公眾聚合重要新聞事件、政務公開、水費繳納、通知公告等相關信息，形成公眾門戶;并對各個業務系統聚合相關專題信息，形成業務門戶。管理門戶界面如圖7所示。

（6） 移動APP。移動APP實現信息化管理系統的全覆蓋，集成各個業務科室的工作，提高工作效率，滿足用戶實時掌握供水工程運行、供水用水、巡檢維修等情況。移動APP提供移動一張圖、實時數據查詢、預警預報、移動控制、巡檢維修等移動管理能力。移動APP界面如圖8所示。

（7） 微信公眾號。面向社會公眾用戶，開發微信公眾號，實現網上營業廳、公告信息、客戶服務等功能。以微信公眾號為載體，打通計量、控制、運維、服務數據鏈條，為群眾提供移動報裝、報修、繳費途徑，提升服務質量和群眾滿意度。微信公眾號界面如圖9所示。

3 結 語

本文以城鄉供水為研究背景，設計并實現“互聯網+”城鄉供水自動化監測與管理系統，滿足城鄉供水管理的現代化應用需求。系統將云計算、大數據、物聯網、GIS等技術手段應用于城鄉供水工程中，建設智慧管理與服務應用，實現供水全過程監控計量、需水供水、運行管理、檢修養護，以及繳費服務的信息化、移動化、智能化。通過系統建設，充分保障了城鄉供用水安全，能夠提高和改善供水管理效益、效率及可靠性，從而實現供水管理的自動化、數字化、現代化、智能化和高效化。系統基于 Java 技術開發，有利于后期的拓展與維護，具有很強的實用價值。

本文設計的系統在彭陽縣“互聯網+城鄉供水”項目全面應用，實現45座泵站、92座蓄水池、407處管網節點、4.3萬用水戶的智能監控，針對農村供水運維保障差、水費收繳難、服務質量低等問題，探索形成農村管網運行維護快速響應技術，建成農村供水移動服務應用，打通計量、控制、運維、服務數據鏈條，破解了水費收繳難問題，達到節水、降本、增效的突出效果，實現了“同源、同質、同網、同價”城鄉供水均等化服務模式，緩解了水資源缺乏與人民群眾生活需求之間的矛盾，群眾滿意度達98%，為可持續脫貧提供了基礎保障。

該項成果實現了全縣域智慧農村供水，為農村供水行業建設和發展起到了引領和示范作用，被中央和地方媒體廣泛報道，全國各地水管單位參觀調研百余次，水利部部長率全國農村飲水安全工作現場會與會人員實地觀摩;已成功向寧夏西吉、原州、海原等區縣以及新疆于田縣等地區推廣應用。

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（編輯：李 晗）