農村供水信息化管理平臺的開發與應用

姜成堃　李璐珊　高雪

摘 要：利用物聯網、自動控制、云計算等技術，建立農村供水信息化管理平臺，實現對泵站、水廠、管網、村莊供水等信息采集、傳輸、監控及供水運行分析。依托智慧監測、工藝控制、管網管理、智能服務系統，提高供水運營管控能力，為農村供水運行管理提供智慧支撐，確保全區農村供水安全。

關鍵詞：農村供水;信息化;平臺;架構;成效分析

中圖法分類號：S273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

隨著國家信息化建設的推進，信息化技術已經應用到各個領域，水利行業同樣也得到廣泛應用。以整體信息化為出發點，充分利用物聯網、自動控制等技術，實現對水利信息資源的全面準確實時監測，形成強大的水利物聯網，實現智慧感知，充分利用大數據、云計算等技術，對傳統水利的全領域進行智慧化管理，切實提高水利建設管理水平。

1? 項目背景

智慧水利是水利信息化發展的高級階段，是實現水利現代化的關鍵。根據青島市即墨區水安全保障總體規劃部署，到2020年建成與小康社會相適應的水安全保障體系，到2035年建成與基本實現社會主義現代化相匹配的現代水治理體系，到21世紀中葉全面實現水利現代化的總體目標。

近年來，即墨區水利局圍繞防洪排澇、水資源管理、政務辦公等水利業務工作需求，全區水利信息化建設工作取得了一定成效，但仍然存在數據資源分散、數據采集處理依托傳統人工巡線及手動操作、更新機制缺失、開發利用率低、工作效率低等不足。為此即墨區水利局將智慧水利建設提上重要議事日程，提出建設智慧水利實施意見，作為青島地區試點，率先實施農村供水信息化建設，通過設計更為人性化、智能化的操作方式，提高系統的實用性和工作效率，降低工作流程的復雜程度和手工操作步驟，最終形成高效、準確、清晰的現代信息化工作流程。實施該項目對于推動即墨區由傳統水利向智慧水利邁進具有重要意義。

2? 管理平臺架構分析及其方案對比

目前農村供水信息化相對滯后，主要表現在以下方面：一是信息資源共享程度差，信息孤島拖累了水利信息化的發展步伐;二是未建立統一的水利信息化管理控制中心和水利信息化平臺;三是項目后期管理問題突出，水利信息化建設前期投入資金大，但后期設施運行缺少管護經費，缺乏專業的技術人員實施維修維護，導致設施不能正常運行，影響投資效益發揮。基于上述問題，農村供水領域亟需提升信息化水平，建設數字化、現代化、智慧化的農村供水信息平臺，需要建設農村供水生產運行數據采集與監視控制系統（簡稱“SCADA”）、供水管網監測系統、管網數據GIS維護系統、遠程抄表系統、農村飲水水費收繳系統和水利綜合信息化管理平臺等應用系統，并在此基礎上整合各系統監測數據、建立統一管理平臺，改變主要以人工經驗進行管理的模式，在供水、調水自動化、集中調度、管網運行維護和生產運行可視化等方面提高信息化水平。

在建立智慧水利大框架平臺的基礎上，針對農村供水和水利信息化的實際需求，以統一標準、統一平臺、統一管理的方式，重點構建農村供水生產運行SCADA系統、供水管網智能監測調度系統、農村飲用水繳費系統等應用系統，采用總體規劃、分步實施的辦法實現系統的簡單明了、實用管用。農村供水信息化管理平臺架構方案對比如下。

2.1? 微服務架構與單體架構

單體架構是按單個應用程序單元來構建的。一般來說，企業內的應用程序由三部分組成：數據庫（通常由關系數據庫管理系統中的表組成）、客戶端用戶界面（由HTML頁面或在瀏覽器中運行的 JavaScript組成）以及服務器端應用程序。服務器端應用程序可以處理HTTP請求，執行某些特定域的邏輯，從數據庫中檢索和更新數據，以及填充要發送到瀏覽器的HTML視圖。它是一個實現單個邏輯的可執行文件。如果想要對系統進行任何更改，開發人員必須構建和部署服務器端應用程序的更新版本。

相比之下，微服務通過面向業務的API接口來表達其功能。這些編程接口封裝了核心的業務功能。服務的實現細節（可能涉及與數據系統的集成）被完全隱藏。作為業務的寶貴資產，服務可以較好地適應于多個不同的業務場景中。在業務需要的時候，同一個服務可以在多個業務流程中重用，也可以在不同的業務渠道中使用。采用松耦合的設計原則，可以最大限度地減少服務與其消費者之間的依賴關系。通過標準化的業務API表達的契約，消費者不會受到服務內部實現變化的影響。這也就允許服務的所有者可以自由實現并更改可能位于API后面的數據處理或者組合服務系統，并在不對下游的API消費者產生任何影響的情況下替換它們。

2.2? 微服務架構與單體架構的對比

微服務架構是一種將一個單一應用程序開發為一組小型服務的方法，每個服務運行在自己的進程中，服務間通信采用的輕量級通信機制（通常用HTTP資源API），這些服務圍繞業務能力構建并且可通過全自動部署機制獨立部署。這些服務公用一個最小型的集中式的管理，服務可用不同的語言進行開發，使用不同的數據儲存技術。其優點是易于開發和維護，單個服務啟動快，局部修改易部署，技術棧不受限，可根據需求，實現細粒度的擴展。微服務架構與傳統的單體架構相比帶來的商業利益是顯著的。如果部署得當，基于微服務的架構可以幫助業務避免欠下技術債務，以及大幅提高效率。例如，傳統DevOps中，來自單體代碼庫的技術債務是真實存在的。使用單體代碼庫，即使是隔離的組件也共享相同的內存，并且共享對程序本身的訪問。雖然這可能使代碼接口和實現應用程序變得更容易，但它最終會削弱開發過程的靈活性。更重要的是，單體代碼庫會導致效率呈指數級下降，從而增加技術債務。例如錯誤解析、界面修改、添加功能和對應用程序的其他更改等雜務會影響整個應用程序，從而造成停機，以及創建低效率的環境。簡而言之，單體代碼庫使用起來更耗時，適應性較差，維護成本更高，從而增加了技術債務。

2.3? 方案對比結果

微服務架構減少了傳統的單體架構帶來的技術債務，為市場節約可觀的時間和速度成本，這是其一項重要優勢。另外，微服務架構還給企業帶來了其他好處，例如服務可以動態按需擴容，當某個服務的訪問量較大時，我們只需要將這個服務擴容即可。同時，代碼可復用，每個服務都提供REST API，所有的基礎服務都必須抽出，很多的底層實現都可以以接口方式提供，從而可以降低成本并提高利潤。通過微服務架構體系與單體架構的對比，考慮后續系統的升級、擴展，為此，本項目采用微服務架構的方式進行平臺的搭建。

3? 平臺模塊設計

農村供水信息化建設總體架構是水利信息的調度控制中心，主要包括展現平臺、智慧水利應用、業務中臺、數據中臺、云資源、智慧感知等。按三級管理平臺建設，一級管理平臺即中心管理平臺，搭建于水利局信息控制調度中心;二級管理平臺把感知層設備采集到的數據進行整合、分析，也在一級管理平臺進行展示和處理;三級管理平臺布置于水廠泵站生產現場（調度控制室），主要利用生產運行管理系統的組態軟件來實現。

3.1? 水廠泵站生產運行SCADA系統建設

為保證供水系統的穩定和提升信息化水平，實時監測水廠泵站機組的運行狀態，水質情況，需要建設水廠泵站SCADA系統。生產運行SCADA系統主要包括水廠泵站的PLC自控系統、水質監測系統和中心組態軟件等。

3.2? 管網監測及調度系統建設

為了解管道的實時運行情況，需要對管道運行狀態進行實時監測，以保障日常供水的正常進行。項目試點建設范圍為調水一期、二期全部管線。根據平臺規劃對管道運行壓力及供水流量進行監測，對整個管網的日常運行情況進行科學的管控，對監測的數據在水利綜合一張圖及水利綜合管理平臺進行展示。規劃壓力監測點位63個，流量監測點位16個，壓力流量一體化監測點位34個，數據采集終端電池供電127個。

3.3? 管網GIS維護系統建設

為確保管網數據的完整性、正確性，新建管網GIS 維護系統，面向供水企業的專業管理人員，提供專業、強大的數據錄入、數據管理、數據分析、數據更新、系統維護等功能，為供水業務實現信息化管理奠定數據基礎。項目設計范圍為調水一期、二期、三期管線，挪城水廠、華山水廠、水廠至村莊的供水主管線、兩座水廠輻射的村莊納入管網GIS維護系統，在GIS平臺上定制開發。

3.4? 視頻監控整合系統建設

目前多個泵站和水廠都建成了高清視頻監控系統，但各個泵站和水廠都獨立運行，沒有一個總的監控中心，因此需要進行視頻監控整合系統建設。根據調研分析和工作需求，在挪城泵站的調度中心建設視頻監控整合系統，監控產品均選用海康威視的高清監控系統，滿足當前高清監控清晰度的要求。

系統建成后，調度中心可以遠程監視任何一個泵站/水廠任何一個監控點的圖像。根據目前申請的帶寬，暫時每個水廠/泵站可以同時上傳的線路數為2～4路，具體數量可以在中心通過監控綜合管理平臺進行設置。系統在GIS平臺的基礎上，可以基于同一界面同時展示所有安防監測探頭的空間具體位置、設備屬性、故障設備個數等，可以點擊具體監測設備查看實時監測視頻，也可以根據需要選擇多個視頻設備或將同一類監測設備同時切換到主界面進行實時展示。

3.5? 遠程抄表系統

根據項目整體規劃，選擇9個村莊作為試點，安裝遠傳水表，農村供水納入智慧水利平臺進行統一管理。可自動定時對遠傳水表進行數據采集，采集到的數據通過NB-IoT網絡上傳到系統主站，由系統主站完成對水表數據的存儲、統計等。自動抄表實現足不出戶就能掌握用戶的用水數據，大大提高了整個供水行業的工作效率。管理軟件功能模塊主要包括實時監測、設備維護、統計分析、歷史查詢、檔案管理等板塊。由于遠傳水表帶控，可以根據收費情況遠程控制，方便管理。

3.6? 供水綜合信息管理平臺

以GIS軟件為基礎平臺，將管網數據、水廠及泵站生產數據、視頻監控信息統一管理，打破系統之間數據交互的壁壘，實現供水調水一張圖。

3.7? 農村飲用水繳費系統

目前農村飲用水戶已安裝普通水表，自來水公司員工采用現場抄表、現場收費的形式進行計費和繳費，存在系統無數據留痕、收費效率低、賬目不清晰、統計分析難等問題。針對這些問題，開發了農村飲用水繳費系統，其主要功能包括用戶基礎信息管理、水表數據管理、水費管理、用戶繳費、用水戶巡檢報修管理、數據查詢管理、用水統計報表、用水分析曲線等。

4? 成效分析

（1）增設生產運行SCADA系統，實現自動化管理。改變水廠泵站等設備啟停和監測由人工完成的現狀，并將數據信息輸送至當前綜合管理平臺進行管理展示。

（2）增設管網監測及調度系統，實現智慧感知。在調水一期、二期全部管線供水和調水管路上設置壓力和流量傳感器，通過運營商NB-IoT、4G或5G網絡傳輸到調度中心，改變以往人工巡線人力投入大且效率低的現狀，實現對整個調水管網和供水管網的智能感知，對整個管網的日常運行情況進行科學的管控，對監測的數據在水利綜合一張圖及水利綜合管理平臺進行展示，實現供水管道的實時運行監測，保障了日常供水的正常進行。

（3）增設管網GIS維護系統，強化供水標準化管理。為確保管網數據的完整性、正確性，新增為供水企業的專業管理人員提供專業、強大的數據錄入、數據管理、數據分析、數據更新、系統維護等功能，為供水業務實現信息化管理奠定數據基礎。

（4）視頻監控系統整合，實現綜合數據共享。根據調研分析和實際需求，在挪城泵站的調度中心建設視頻監控整合系統，實現了數據交互共享。

（5）科學調度水庫，聚力高效管理。平臺的信息化管理、移動巡查管理等手段為水庫管理人員提供了科學高效管理手段。1個中心攜4座水庫聚力管理發揮出更高的水庫管理智慧，達到了“1+4>5”的功效。4座水庫通過平臺聯合調度、協同管理充分發揮了水管單位人力、物力的合力作用，實現了精準高效管理。

（6）增設遠程抄表、水費收繳系統，提高行業工作效率。增設遠程抄表、水費收繳系統為農村供水實現“最后一公里”的遠程監控和保障提供了針對性解決方案。自動抄表實現足不出戶便能掌握用戶的用水數據，大大提高了整個供水行業的工作效率。

5? 項目實施建議

（1）繼續完善提升。為避免農村供水重復設計信息化系統造成浪費，供水單位應立足全局，通過整體進行規劃，按部就班地設計、執行、修改信息化系統。結合企業生產經營特點、人員崗位設置及附加功能模塊設置等情況，設計符合自身需要的供水信息化系統。同時，在充分聽取各生產經營部門對信息化系統軟件在使用中存在不足的反饋基礎上，及時與軟件公司取得溝通，升級軟件，提升供水企業信息化管理水平。

（2）加強人才培養。提高信息化運行效率必須建立一支信息化專業人才隊伍，引進計算機等相關專業人才，摒棄以往“任人唯親”的思想，以營造公開、公平的用人環境，提高供水企業信息化系統建設人才素質。定期對信息化系統管理人員進行培養，聘請計算機軟件公司專家對信息系統中存在的問題、程序升級等內容進行培訓，提高信息化管理工作人員業務素質，減少因管理人員計算機知識缺乏導致的工作失誤及效率低下問題。

（3）加快推廣應用。農村供水信息化管理平臺開發實施后，平臺整體運行良好，人機界面友好，輸入、輸出方便，圖表生成靈活美觀，檢索、查詢簡單快捷，水利局在監控中心即可實時獲知農村供水情況，實現了供水工程在自動化、信息化、智能化和運行調度效率等方面的提升，達到了降低運行管理成本和提升供水保障率的目的，具有較高的推廣應用價值。

6? 結語

建立統一指揮、分級負責、互相協調的農村供水信息化平臺，是農村供水信息化建設順利推進的重要保障。農村供水信息化建設實現了對供水、管水各環節的監控與管理，對提高水管單位專業化、標準化管理水平，保障供水工程長效運行，持續發揮社會效益具有重要意義。

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Development and Application of Rural Water Supply Information Management Platform

Jiang Chengkun，Li Lushan，Gao Xue

（River and Reservoir Management and Maintenance Center of Jimo District，Qingdao 266200，China）

Abstract：An information management platform for rural water supply is established by integrating the Internet of things，automatic control，cloud computing and other technologies to collect，transmit，and monitor the information of pump stations，water plants，pipe networks and village water supply and to analyze water supply operation. Relying on intelligent monitoring，process control，pipe network management and intelligent service systems，the platform is expected to improve the water supply operation and control capacity，provide intelligent support for rural water supply operation and management，and ensure the safety of rural water supply of Jimo District.

Key words：rural water supply;information technology;platform;software architecture;effectiveness analysis

收稿日期：2021-11-28

作者簡介：姜成堃，男，高級工程師，碩士，主要從事水利工程建設管理工作。E-mail：slj88512604@163.com