多网融合下异构分层的智能化供水系统研究

林晶+于述春+彭小宁

摘 要：在多网融合的过程中，网络和服务覆盖的范围向更多的行业延伸。本文探讨了供水行业的智能化供水系统，特别是系统的网络架构、远程预付费、IC卡预付费、自动抄表功能的设计。针对目前用水计量与信息环境的复杂特点，提出在多网融合环境下按异构分层模式来构建系统。该系统采用多线程的集中轮询异步模式实现智能水表远程预付费功能，应用虚拟串口技术解决分布式远程设备控制以实现IC卡表预付费功能，具有可调时间的自动抄表及水费自动结算、水损分析等功能，应用表明了该系统的有效性与适用性。

关键词：供水系统，智能化，自动抄表，异构网络，多网融合

中图分类号：TP391            文献标识码：A

Intelligent Water Supply based on Heterogeneous Layered Networks under Multi-network Convergence

Lin Jing， Yu Shu-chun， Peng Xiao-ning

（Department of Computer Engineering， Huaihua College， Huaihua  418008， China）

Abstract： During the Multi-network convergence， networks and services range more industries. Intelligent water supply in water industry was discussed here. The design of system network architecture， long-range prepayment， IC card prepayment and Automatic meter reading was especially introduced. A smart water supply under multi-network convergence was proposed. It was developed according to heterogeneous layered networks for complex water metering and information environment today. Long-range prepayment for smart meter was realized by multi-thread， centralized polling， asynchronous scheme. IC card prepayment was done using virtual serial port for remote control of distributed meters. Furthermore， the time tunable automatic meter reading， fee automated clearing and analysis of water loss were given in the system. The effectiveness and applicability of this system was confirmed by application.

Keyword： Water supply; Intellectualization; Automatic meter reading; Heterogeneous networks; Multi-network convergence

1.引  言

水资源作为21世纪的战略性资源之一，其合理开发和利用受到了人们的普遍关注。人类利用水资源的各项数据不仅是一个局部、一个地区关注的问题，更是一个国家乃至整个社会关注的问题。因此，数据的共享性成为全社会对水资源实现集约化管理的基础[1]。但是，传统的供水计量信息采集通常是由各管理部门派人到装表地点抄表，由于用户面广、量大，极易造成差错，人工抄表不但效率低，而且不利于科学管理。

在多网融合[2～7]的背景下，相关企业积极投身其中，各方不断将网络和服务覆盖的范围向更多的行业延伸，为各种异构网络上智能化系统的运行提供了通讯基础平台。实施自动抄表的大环境逐渐成熟，管理体制现代化也要求供水系统更加智能化。

因此，众多研究人员在智能表计与自动抄表系统设计领域进行了大量研究。赵、郝等[8]采用全电池供电的智能水表抄表系统，实现水表出户集中式抄表，但仍需要人工现场作业。陈、丁等[9]利用GSM网络覆盖面广﹑抗干扰能力强等特点，设计了基于GSM模块的无线智能抄表系统，解决了人工抄表的低效率和实时性差的问题。曾、张等[10]采用E-TDMA协议，进行分布式协同调度及节点时隙分配的局部调整，为智能抄表系统提供一种高效的信道接入方式。然而，这些研究都局限于特定表计类型，不能将多种表计集成到一个系统中。

随着对水能表计的深入研究，水表的智能化程度不断提高。但是，想要在短时间内强制性地用智能水表替换原有的非智能或半智能水表很不现实。因此，在现有的供用水网络中，多种表计仍然会在较长时期内共存，这为企业供水管理系统的建设增添了难度，也影响了城市智能化建设。

针对目前用水计量、信息采集与环境的现状，为有效集成预付费智能式、IC卡式、只读光电式、机械式等水表，急需构建具有远程预付费功能、自动与手工抄表并存、水费自动结算和水损分析的智能供水系统（WPCS），以平稳过渡智能水表替代其它水表的过程，并推进智慧城市的建设进程。

2 WPCS关键设计

2.1  WPCS网络架构设计

WPCS在多网融合环境下按异构分层模式进行设计。由于水能表计类型的多样性及表计信息采集方式及传输介质的不同，WPCS涉及互联网、GPRS移动通信网、通过RS485通信的智能水表网、企业管理局域网等，融合了多种异构网络，构成分层管理与通讯的统一平台。它既能满足当前业务的需要，又能很好地适应半智能、非智能水表逐渐被淘汰的进化过程。

图1 多网融合下WPCS网络架构图

WPCS网络架构由三层网络构成，分为0层、1层和2层，如图1所示。其中，第0层为互联网层，采用TCP/IP协议，作为系统的通讯基础设施，与第1层的公司业务内网、数据中心移动网络互联。另外它还是远程工作站、外网用水客户连接公司业务内网的通道，完成指令与应答数据的传输。

第1层为核心业务层，由公司业务内网、数据中心移动网络构成。移动数据中心服务器通过GPRS网络与第2层的集中器DTU通讯，实现对远传智能水表的自动抄表、水费预付及远程控制等功能，移动数据中心服务器可以使用VPN专线或ADSL等接入互联网，与业务系统对接。数据中心所收集的业务数据通过第0层网络传输到企业业务内网存储。业务内网通过防火墙与互联网连接，任何外网用户必须经过防火墙才能访问Web服务器。其中，Web服务器、邮件服务器等构成DMZ区，隔离外网用户对内网的直接访问，以保证公司业务数据的安全。

第2层是表计网络层，由远传智能水表、预付费IC卡水表、光电只读水表、机械水表等构成。对于远传智能水表与光电只读水表，在区域内由RS485总线组成设备子网，在区域外由DTU通过GPRS经数据中心向供水企业传送数据;IC卡水表独立安装，利用IC卡传递数据与控制指令，以实现水费预付及信息采集等功能;机械表供、用水信息的采集可由人工完成。

2.2 远程预付费流程设计

多个智能水表通过RS485通信接口把水表数据上传到DTU，当DTU通过GPRS网络连接到移动数据中心服务器并建立透明数据通道后，智能水表端产生的加密数据只要送到串口，DTU接收并将其发送到移动数据中心服务器;同时，服务器下发的命令通过通道传输到DTU后，DTU通过串口送到智能水表端，从而实现数据双向透明传输。

但在实际运行环境中，购水用户总是以就近原则在指定工作站上办理预付费业务，购水信息一方面要存储在业务系统数据库当中，另一方面需要打包成购水指令通过移动数据中心发送到智能水表中。两者数据的同步，成为保证系统业务数据一致性与完整性的关键因素。

只有在购水指令执行成功时，才将购水信息保存到业务数据库，否则需重发指令，再重复该过程，才可完成数据同步的目的。但是，由于移动数据中心服务器宕机引起的指令重发、指令在三层异构网络中的传输时延、智能水表响应时长等因素，会导致用户办理业务的等待时间过长，甚至要多次往还办理一次购水业务，这将严重影响系统的可用性。为了解决此问题，远程预付费流程采用集中轮询的异步模式进行设计，如图2所示。

购水信息由各收费工作站采集，指令由应用服务器封装并发送到指令队列中，在发送成功的同时将购水信息保存到业务数据库中，让用户及时完成本次购水业务。然后，再由购水守护进程集中对应用服务器指令队列中的指令按异步轮询方式处理，将其送往移动数据中心服务器再下发到用户智能水表中。接收进程收集指令执行结果，如果写智能水表成功，则将返回信息存入数据库，预付费购水过程结束;否则，若重发次数R<=3，则重发指令，若R>3，则指令发送失败，进入失败指令队列，等待守护进程的下一轮调度发送。

图2 远程预付费流程图

2.3 IC卡预付费流程设计

在实际供水作业环境中，预付费IC卡水表作为半智能表计还普遍存在，它独立安装，利用IC卡传递数据与控制指令。与远传智能水表不同，它通过与小区工作站直连的IC卡读写器实现水费预付及用水信息采集等功能。因此，产生了在B/S模式应用下普遍存在的Web服务器端应用程序要驱动浏览器客户端设备的矛盾。有效解决该问题成为WPCS的另一关键技术。

由于IC卡读写器通过串口与工作站连接，服务器端应用程序无法直接驱动它，系统采用ActiveX控件与虚拟串口技术，通过串口映射机制解决这一问题。IC卡预付费流程描述如下：

（1） 初始化服务器端的虚拟串口VMCOMx;

（2） 组织IC卡预付费写入指令，并发指令送到VMCOMx;

（3） 通过串口映射机制，将VMCOMx网络帧转化为串口信息发送到请求工作站的物理设备执行;

（4） 若设备的ActiveX控件在工作站没有注册，则在web页面中通过<object>标签从指定URL（由codebase属性给出）下载并注册、运行控件;

（5） 若ActiveX控件已注册，则直接使用控件驱动IC卡读写器执行指令;

（6） 指令先进行卡类型及密码检测操作，如果卡类型合法且密码校验成功，则对IC卡执行写操作，否则，提示告警信息并退出;

（7） 解析指令执行结果，若操作成功，预付费信息保存到数据库，否则，提示操作失败并退出。（注：同时可读取上次用水信息，即完成滞后抄表功能。）

2.4 自动抄表流程设计

快速、准确、可靠地获得用水管理的各类数据，是进行费用自动结算、用量分析、表计运行状况监测、负荷处理等应用管理的基础。因此，自动抄表功能是WPCS的又一关键业务。该功能的设计主要针对远传智能水表与光电只读水表，由Web服务器端的应用程序根据系统预先设定的采集时间自动完成，其中，发送指令与接收结果分别由不同的独立线程承担，自动抄表算法（AutoGetMeterInfo）关键伪码如下。

Public Class AutoGetMeterInfo（）{//取预设抄表时间

int interval=getCollectTime（“SystemParam”）;

int rtn=Timer（interval）; //启动定时器

if（rtn==0）{ //0：表示设定采集时间到，则根据集中器表Hubinfo产生抄表指令集合

List ginst=createGetInstructions（“Hubinfo”）; ……

initReceiveBuff（recbuff）; //初始化接收缓冲区

for（Instruction inst：glist）{ //发送线程遍历抄表指令集合，并发送指令

sendData（inst）;

}……

//接收线程调用getDTUData（）返回DTU收集的结果添加到接收缓冲区

recbuff.add（getDTUData（））;

for （ReceiveData recdata：recbuff） //主线程遍历并分析指令结果集合

if（recdata.indexOf（“OK”）>-1）//执行成功则取出用水信息并插入到表UsedWater中，执行失败则取水表编号报警

insertRow（“UsedWater”，getData（recdata））;

else

alertInfo（getMeterNo （recdata）+“抄表失败！”）;

}

}

3 实  验

3.1 试验环境

WPCS系统使用现有互联网与GPRS网络作为通信基础设施，已在某自来水公司投入运行。数据库服务器操选用IBM xSeries 365，配置Xeon MP 2.7G cpu，8G DDR内存，SCSI 2T硬盘，安装Windows 2005操作系统，DBMS使用SQL SERVER 2005。Web服务器选用IBM xSeries 346，配置Xeon MP 3G cpu，4G DDR内存，SCSI 500G硬盘，安装Tomcat 6.5，Windows 2005操作系统。各工作站及客户端操作系统使用WINDOWS XP/2000系列，安装IE6.0+SP2 浏览器软件，硬件大部分利用客户现有的PC机，以减少重复投入。公司业务内网为自组局域网，运行TCP/IP协议。移动数据中心采用租用形式。智能水表子网在硬件上主要由远传智能水表、集中器（DTU）、自组网络底层设施等组成;软件主要包括表计嵌入式软件、DTU运行软件、业务系统管理软件等。此外，还有部分预付费IC卡表、机械表等，智能表计、DTU以及其嵌入式软件由制造商提供。

3.2 试验结果及分析

分析试点的11个单位/小区，1350多家用水客户共1493只四种类型水表18个月的运行数据。1493只水表数量分布如表1所示。

表1 四种类型水表数量分布

图3表明了按系统预设的抄表时间，每2个月自动抄表一次，18个月共自动抄表9次。结果显示光电表的抄表成功率超过90%，智能表的抄表成功率高于光电表，达97%，而且都呈逐渐上升的趋势。通过对失败表计的现场检查，发现智能表计的安装使用时间比光电表计晚，且电气特性、连接线路、电池耗尽程度都好于光电表计，故其抄表成功率优于光电表。随着对表计电池的更换及线路检修，能正常工作的表计增多，所以两者抄表成功率都呈上升趋势。可以预计，在线路与表计正常工作情况下，自动抄表成功率将会达100%。

水损率需要用本次抄表数据参考相邻的上次抄表数据进行计算，在试运行期间共计算了8次。图4显示了在现有供水管网条件下四种水能表计对水损率的贡献。智能表水损率最低，平均值为7.0%，IC卡表水损率最高，平均值为9.63%，光电表和机械表居中，平均水损率分别为8.27%和9.06%。由于智能表与光电表能自动抄表，供水与用水表计的水量信息可以短时间内同时完成，数据比较准确，又因为智能表可以在预付水费用完时及时控制表计关阀且抄表成功率高，所以智能表计算的水损率低于光电表，而且较真实、准确。

相反，机械表与IC卡表不能被系统自动控制，在表计电池耗尽后，且预购水量用完时，IC卡表也不能关阀断水，这是导致水损率高的主要有原因。另外，由于抄表费力、耗时，供、用水量不在合理的时段内实时采集，数据较不准确，因而也会导致计算水损率较高。水损率高表示水资源的浪费大，给企业带来的经济损失也大。此外，水损率异常也是管网监控的重要参考因子，可及时发现管网的漏损地域并采取措施修复。

应用分析表明1）自动抄表效果良好，系统功能及关键性能达到预期的设计目标;2）水损分析为管理层制定科学合理的用水决策提供支持，可节约水资源，提高企业经济效益;3）水损分析是供水管网监控的重要参考指标及有效途径;4）模块化设计适应系统功能多样化需求，系统适用性高，可实现跨区域的供水联合管理，满足更大规模业务管理需要。

图3 自动抄表成功率统计图

图4水损率统计图

4 结  语

推进多网络融合，构建信息化社会为当今时代主题。本文在多网融合环境下按异构分层模式构建的WPCS系统，解决了现有供水网络中多种表计并存与智能化供水系统建设的矛盾，能够很好地适应供水管网中设备智能化程度不断进化的演进过程。WPCS的关键设计可以推广应用到电、暖、气等能源行业的智能化管理领域，从而推进多种能源跨领域联合作业，必将推动智慧城市的建设进程，具有较高的研究及应用价值。

参考文献

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编号：G4