一種新的智慧水務系統架構設計與探討

李吉壯

（連云港市自來水有限責任公司 江蘇 連云港 222006）

0 引言

隨著物聯網和云計算的迅速發展，水處理行業從最初純粹的上位機控制，發展到網絡處理，繼而發展到今天的智慧處理。“智慧水務”概念的提出是水務行業智能化發展的必然趨勢。通過超級計算機和云計算將其整合，實現社會與物理世界融合。在此基礎上，人類可以更加精細和動態的方式管理生產和生活，達到“智慧”狀態，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。“智慧水務”來自“智慧城市”，而“智慧城市”來自“智慧地球”。本文將從連云港市自來水公司已有的項目建設出發，提出一種實用的智慧水務架構體系，為本水司智慧水務建設提供一套有效的技術方案[1]。

1 總體架構

傳統的智慧水務架構僅能打通信息孤島，實現數據的共享與分析，但對于智能化反饋沒有明確的表述，只能從理論上做一個說明，針對這個問題本文提出一種新的架構，見圖1。

如圖1所示，這個架構分為4層，從下到上依次為設備層、PLC控制層、通信服務層、智慧水務層。

其中，設備層為第1層，主要包括各種傳感器、數字儀表以及現場各種設備。設備層通過不同廠商提供的通信協議與第2層PLC進行通信，PLC層接收現場數據，根據自身程序進行控制設備運行，同時對上提供通信接口。

第3層為通信服務層，其主要任務是建立公用的通信服務器，也就是IOServer服務器，該服務器是核心服務器，因此使用“一用一冗”或者“多用多冗”。通信服務器主要為最上層智慧水務層提供數據通信服務。

第4層智慧水務層主要包括：（1）SCADA調度系統，用于實時查看各水廠、加壓泵站、二次加壓泵房、大表等設備實時數據，報警信息，給調度人員提供實時數據。系統為分布式模式設計，分布式模式是指將SCADA服務端安裝在服務器上，客戶端通過SCADA客戶端軟件實現通信。客戶端實現顯示和控制功能，服務端實現數據處理功能，客戶端出現故障不影響服務端正常運行。另外SCADA服務端配置成雙冗余模式，一個服務崩潰自動切換成另冗余服務，保證系統穩定性。

（2）WebSCADA服務器，主要是提供Web網站的實時數據顯示，該服務器能大大降低Web端程序開發的難度，提高程序開發效率。同時該服務器還提供WebService接口，用于Web程序的智慧決策和反饋調度。

（3）Web服務器，主要提供PC端智慧水務系統各種業務和各種數據顯示服務。

（4）移動服務器，主要提供移動端數據服務。

（5）GIS服務器，用于提供GIS地圖相關服務，存儲相關地圖數據。

（6）大數據服務器，主要用于提供海量數據，以提供給專家系統進行智能計算和智慧決策。

該架構最大的不同是強化了通信服務層，通信服務層可以設置具有API功能的服務，通過該服務可以為第三方平臺提供有效接口，然后通過Web服務器結合大數據服務器實現智慧化控制，這種方案實現簡單[2]。第2種方案是通過WebSCADA服務器提供WebService服務，該服務可以直接反饋到底層的PLC端控制，從而實現智慧化控制，這種方法安全性高，可操作性強。

2 通信中心設計

通信中心是智慧水務建設的核心功能層，一個穩定、可靠、安全的通信中心是智慧水務建設的關鍵。

2.1 硬件設備的可靠性

通信設備種類繁多，總體上分為有線和無線兩大類。有線類包括雙絞線網絡和光纖網絡，無線類則通過2G、4G技術進行通信。通信設備的質量會在很大程度上決定通信質量的好壞，因此在工程施工中應盡量使用穩定可靠的通信設備，通信線路應盡量以光纖為主、超五類網線為輔的設計思路[3]。

2.2 軟件的可靠性

軟件系統的穩定性直接決定數據能否穩定讀取，軟件主要包括：操作系統軟件、數據庫軟件、通信軟件。往往最新的操作系統穩定性無法保證，因此在操作系統的選擇上一般會選擇成熟穩定的版本。另外，操作系統還要與服務器硬件相互匹配，這樣才能發揮最優的性能。

通信類軟件的可靠性直接決定數據能否準確、及時、穩定地傳輸到通信中心，通信類軟件種類繁多。一般而言，同一廠家提供的通信軟件與自己的產品兼容性最好，不同廠家通信軟件往往不相互兼容，容易出現數據中斷現象。另外，通信類軟件要支持冗余，對于斷網情況要有一定的處理機制，要支持斷點續傳，這能夠保證數據的完整性。

多級通信是架構的基本要求，對于水廠要有獨立的通信服務器，調度中心要有調度中心通信服務器，如果網絡出現中斷，要能保證水廠等核心單元正常運轉[4]。

3.3 冗余設置分析

通信中心的冗余配置是非常關鍵的部分，由于IOServer服務器是核心服務器，其性能的穩定性和安全性直接決定上位機軟件能否正常運行，因此該服務器往往采用冗余模式。

冗余模式包括網絡冗余和通信軟件冗余。網絡冗余是指在某一網絡出現物理線路中斷或者邏輯通信中斷后，能夠自動切換到另一路網絡，從而保證物理通信鏈路穩定性的網絡通信方式。

網絡冗余可以采用硬件和軟件兩種方法實現，硬件方法可以采用三層交換機實現，該實現過程稱為鏈路聚合，它是指將多條以太網物理鏈路捆綁在一起使其成為一條邏輯鏈路。由于PLC自身的IP地址一般設置為一個，在工程施工中可以將多條物理鏈路設置為同一個IP地址，從而實現冗余通信。很多大型PLC廠商也有專門的工業通信網卡，多個網卡之間能夠通過專用軟件實現鏈路聚合，這種方法簡單快捷，但缺點是工業網卡價格昂貴。

軟件方法可以通過操作系統實現多網卡鏈路聚合，Windows服務器系統就可以通過NIC組合將同一臺服務器上的多個物理網卡通過軟件綁定成一個虛擬的網卡，從而實現網絡冗余，該方法價格低廉，實現方便，是小型項目工程的首選方法。

通信軟件冗余是指在通信軟件出現通信中斷或者軟件故障時，能夠自動切換到另一臺服務器上的通信軟件。通信軟件冗余一般設置成互為冗余，即兩臺通信服務器完全一致。上位機軟件設定一臺為主服務器，一臺為冗余服務器，實現無縫切換。通信軟件往往具備數據存儲功能，因此對于丟失的數據也能夠實現斷點續傳。

工業通信冗余是工程設計中非常重要的過程，對工程的安全性和穩定性有著重要的意義。

3 數據中心設計

數據中心是智慧水務的另一個核心區域。數據中心要根據實際需求進行劃分，總體上分為兩類，一類用于存儲業務的關系數據庫，一類用于存儲生產數據的工業數據庫。

3.1 關系數據庫

目前常用的關系數據庫為MySQL、MSSQLServer、Oracle。MySQL一般用于小型數據處理，是很多PHP網站首選的數據庫；MSSQLServer是微軟公司開發的數據庫，一般用于基于C#開發的網站，同時該數據庫被廣泛用于工業控制領域；Oracle是大型數據庫，是JSP網站的首選數據庫，功能強大，但是很少用于工業控制領域。

關系數據庫的建立基于業務需求，是業務需求的數學邏輯模型。在智慧水務開發設計上，關系數據庫一般有兩個方面的應用：其一是從工業數據庫獲取實時數據的映像作為邏輯數據庫的最基本數據，其二是從業務中獲取手工錄入的數據作為業務處理數據[5]。

從工業數據庫或者從SCADA系統獲取的實時數據稱為自動數據，手工錄入的數據稱為手工數據，自動數據往往要經過專家系統的計算才能用于邏輯處理中，為了保證數據的真實性自動獲取的數據一般不允許改動，邏輯處理過的數據可以修改并與手工輸入的數據形成復雜的業務邏輯。

實時數據庫往往數據量大導致處理困難，為了解決這類問題，我們往往采用加大采集時間的方式處理，以1h為最短采集時間，并分成多個表，每個表只存儲50個左右的數據點，并且只針對有邏輯計算意義的數據點進行計算存儲，極端情況下要每日生成一張表，保證記錄數不超過百萬條。

連云港市自來水有限責任公司已經存在多個功能復雜的系統，針對這種情況，我們建議已有的系統提供第三方接口，這樣可以避免重建復雜的關系庫。如果要修改其他系統的數據，只需要直接調用第三方接口就可以，修改和保存必須在本地數據庫保留映像數據，這樣能保證雙方數據同步。

3.2 工業數據庫

工業數據庫一般用于存儲大批量數據，其特點是高速數據采集、數據壓縮、海量驅動。工業庫可以存儲高密集數據，其數據內容是智能分析的依據，一般情況下工業數據庫可以用于趨勢圖分析，實時數據采集以及智能分析，是智慧水務的數據來源。

4 系統設計

智慧水務系統主要包括的功能單元有如下幾點。

（1）生產運行管理系統，集成SCADA系統，實現取、供、用、排整個水生命周期的實時數據監控和管理，對生產、運行情況進行全方位總體監控，結合視頻，更科學地進行統一調度，實現生產全面監控管理，提高公司對整體信息的掌控，提高管理水平。主要包括模塊有水源地監控、自來水廠監控、供水泵站監控、供水管網監控、DMA分區監測、二次供水監控、用戶用水監測。

（2）生產調度管理系統，支持監測數據的實時顯示，具備故障報警功能，顯示故障點和故障狀態，并提示故障處理方法，支持動態顯示生產的工藝過程、參數、設備工況等。

（3）管網GIS系統，包括管網排查、維護、養護、巡檢以及統計分析等。

該系統是智慧水務的一個重要系統，其中數據是管網GIS系統的核心，數據的準確性和及時性是各業務部門對信息化系統信任的基礎，因此在建設系統前必須打好數字基礎。該系統建設分為兩個階段，第一階段主要實現管網基本功能包括：

Ⅰ）管網信息系統：主要實現管網數據錄入，數據編輯功能，對供水管網中管段和管點數據的屬性和空間位置進行編輯。

Ⅱ）管網數字采集系統：該系統主要完成管網空間數據的采集與入庫功能，采集人員可以結合相關軟硬件現場采集數據，保障數據的準確性，為后續信息建設打下夯實的數據基礎。

Ⅲ）管網工程管理：主要實現對工程設計、工程審批、工程建設、工程施工及工程竣工驗收等流程、資金往來、材料物資等全方位的管理。

第二階段主要實現管網巡檢管理功能、管網應急處理功能，巡檢系統主要針對巡檢業務設計開發，采用手持移動設備實現管網數據在移動端上的應用，同時將巡檢數據實時上報到服務管理端。應急處理主要用于處理應急報警、搶修、維修功能。

（4）供水管網模型，實現水壓、水量、流速、流量、水質等全要素的動態模擬顯示，具有10分鐘級別SCADA在線校驗功能。

（5）DMA分區計量管理，具有漏損評估，漏損預警，產銷差分析，水平衡分析。

漏損問題是智慧水務管理的核心問題，如何減少漏損對自來水公司有著重大的經濟效益，因此漏損管理系統就顯得非常重要。漏損系統主要通過各分區內監測信息的采集，生成用水信息，通過專家系統對數據進行計算，生成用水量分析、夜間最小流量分析、異常分析，統計漏失率、漏損率、水平衡分析、產銷差分析以及管網健康狀況分析，提供異常報警。

（6）設備管理系統，包括設備采購、設備檔案、設備運行、設備巡檢、設備保養、設備維修、設備改造、設備報廢等全周期設備管理。

（7）水質管理，包括化驗室管理和水質分析管理。水質安全是自來水公司最重要的安全，水質管理系統是核心管理系統，該系統包括兩部分數據，一部分通過儀表自動采集上傳到系統，一部分通過實驗室人工操作獲取數據。儀表采集的數據要實現定時上報，預警管理以及報警管理，自動采集的數據還可以作為實驗室檢測數據的參考數據。人工檢測數據將存入實驗室綜合管理系統，數據來源主要為手工錄入和設備上傳導入。

該系統主要包括：

Ⅰ）項目分組：主要是針對樣品要檢測的內容進行分組，檢測標準依據國標進行。

Ⅱ）樣品任務分配：樣品任務分配是系統核心功能之一，主要是根據檢測任務分配相應的檢測項目，并分配給對應的檢測人員。

Ⅲ）檢測數據上報：對于檢測完成的數據，系統能夠提供多種方式上報數據，可以通過手工填報，也可以通過設備直接導入。對于生成的數據系統具備自動審核和人工審核功能。

Ⅳ）自動生成報告：對于已經檢測完畢并且數據已經審核的樣品，系統能夠提供多種報告模板生成方式，以方便打印。

（8）生產統計分析，包括實時生產的展示，提供日、周、月生產曲線，生產數據，同比環比等，還包括能耗分析和水量異常提醒。能耗分析對于公司節能減排有很重要意義，其分析生成的數據還能夠對底層設備有一定的反饋作用，這也是智慧水務系統的一個重要應用。

（9）熱線管理，根據系統提供的數據提供熱線管理功能。熱線系統不但要具備完善的業務流程，還要能夠與底層設備數據對接，實現完整的派單下發功能。

（10）移動平臺，要有可定制化的移動平臺實現具體業務的在線處理，數據的實時顯示，報警數據的提醒，巡檢數據的上報，工單處理的接收和數據上報等功能[6]。

5 結語

通過構建智慧水務可以有效解決水務管理者面臨的各種問題，并把生產和水循環過程的各個領域都變得直觀透明，智慧水務的解決方案幫助企業更有效地從事水務管理。未來幾年將是智慧水務高速發展的時間，各水司應抓住機遇深耕公司生產業務，建立適合自己的智慧水務系統。