无中心架构下的智慧城市供水管网监控系统研究

吴文苗　谢志刚

摘要：随着智慧城的快速发展，现有的集中式架构已经不能满足日益错综复杂的城市供水管網监控系统的要求。本文从无中心系统架构的角度对智慧城市供水管网监控系统进行分析，通过分布式计算理论和对等网思想对供水管网的实时数据进行处理，实现供水管网自组织分布式网络的运行监控与智能化处置。这种新型的控制过程不仅能实现精确的漏损和爆管定位，而且能实现节能节水降耗的目的和日益复杂多变的城市供水需求。

关键词：智慧城市；无中心架构；节水降耗

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）11-0276-02

1 概述

为实现城市可持续发展，建设智慧城市已成为当今城市发展不可逆转的趋势。城市供水行业作为传统产业，更是智慧城市公共服务的重要组成部分[1]。随着科技进步以及云计算、物联网、大数据和移动互联网的发展，人们对于城市供水服务不再满足于传统的服务模式，而是提出了更高的要求[2]。然而，我国城市供水管网却存在着极为普遍的漏损现象，造成了水资浪费、供水压力不足、水质降低等现象，使得城市水资源的供需矛盾日益凸显，带来了城市供水管网管理的困难[3]。因此，从物联网的概念出发，通过多学科交叉融合，将无中心系统架构应用于智慧城市供水管网监控系统中，实现对智慧城市供水管网监控设备、监控数据和检测数据的智能化管理与控制极为重要[4]。

2 当前智慧城市供水管网监控系统存在的问题

随着政策支持，智慧城市供水管网监控系统建设有望加速。《全国城市市政基础设施建设“十三五”规划》中就提出要开展供水管网分区计量管理，加强供水管网漏损检查和改造，降低供水管网漏损率，提高供水管网水质[5]。因此如何对城市供水管网的水压力、水流量、水流速、水质等进行合理分析和准确评价，经济有效的控制管网漏损和爆管现象是非常重要的[6]。智慧城市供水管网监控系统不仅要完成远程数据采集、传输，还要构建数据处理系统，需要将软件和硬件有机结合起来。图1反映了现有的集中式供水管网监控系统的三个主要构成部分，包括远程测控终端、数据通信网络、监控中心。

现有的集中式分层架构已成为严重制约智慧城市供水管网监控系统充分发挥应有作用的瓶颈，该系统不能匹配实际供水管网监控系统使用管理的分布式需求，各监控设备控制策略配置复杂耗时、缺乏对动态和变化需求的适应性，而且现有的开发工具无法直接满足供水管网监控系统运行管理的控制策略，面向供水管网分布的实时信息难以可靠获取和缺乏有效的分析方法。而且对于集中式系统，传感器采集到的参数统一传到中央上位机，中央上位机需要明确每一个数据对应的节点并对数据进行处理，加大了中央上位机的负荷。鉴于此，要求对智慧城市供水管网监控系统进行完善管理和控制[7]。

3无中心系统架构

3.1无中心的概念

随着智慧城市供水管线监控系统在大规模深度信息化的同时，不仅带来了海量的数据，还促使智慧城市供水管网监控系统运行管理的对象在发生改变。从过去强调的对少数关键的设备和节点进行远程监测和控制，转变为如何全面高效的整合利用城市供水管网监控系统中的各类信息。要彻底解决信息点配置和系统组态的工程瓶颈，就要系统的解决系统中心化的问题，而不是对某些技术细节修修补补[8]。

系统的基本单元体是什么，如何组织连接，怎样有效解决城市供水自动控制系统领域中的实际工程问题，围绕这些问题提出基于无中心控制网络的城市供水控制管理解决方案。在无中心系统中每个智能控制节点都是平等的，局部自组织完成全局任务，没有中央控制，计算和存储能力平均。

3.2无中心系统架构

无中心系统由大量的“智能控制节点”构成，智能控制节点之间通过数据线连接形成一套计算网络，每个智能控制节点与相连智能控制节点交互数据，采用相互协商相互博弈的模式，完成各个系统计算和控制决策，而且每个智能控制节点具有信息综合处理计算、数据存储以及与相邻智能控制节点数据交互的能力。每个智能控制节点中都预置一套标准信息集，涵盖每个空间的各类信息。这套标准信息集是整个无中心系统便捷、灵活、开放的基础。如图2所示是由平台内部数据接口互相连接的一组对等智能控制节点组成。每个智能节点对应一个供水分区或一台智能控制设备，是无中心供水管网任务处理的基本单元，具有位置邻接关系的供水分区或具有物理连接关系智能控制节点之间设置直接的内部数据接口，智能控制节点间通过接口协议相互协作，以分布式的方式处理任务。

3.3 无中心系统架构的先进性

无中心系统架构的先进性主要体现是在信息领域物联网、对等网等先进技术的启发下，提出一种面向空间、支持多系统功能和基于无中心计算实现的智慧城市供水管网监控系统管理和控制的新型架构。该架构一方面脱离了互联网的架构，充分利用智能监控设备安装位置和信息流相对固定的特点，采用面向空间的系统结构和数据交互方式，另一方面将“智能”从数据中心计算机移植到了每个智能节点上，使整个网络作为通信平台的同时也成为计算平台。在智慧城市供水管网监控系统领域，无中心系统将为城市供水建设提供一种新的信息系统平台，并推动新的城市供水监控系统的应用研究，使低成本的真正的智慧城市供水监控系统成为可能。

4无中心系统架构在智慧城市供水管网监控系统中的应用

本研究针对现有智慧城市供水管网监控系统面临的问题及发展趋势提出基于无中心系统架构的智慧城市供水管网监控系统。城市供水管网运行监控系统由若干个智能控制节点组成，每个节点之间进行网络互连，在整个区域系统中，当某个智能控制节点发起调整任务时，网络中每一个智能控制节点接收到任务指令后，都会调取本地数据存储模块中属于该任务的数据表，并将本地数据与相邻智能控制节点传递来的数据求和后再传递给下一个相邻智能控制节点，如此计算、传递，最终发起任务的智能控制节点将得到整个供水管网的相关信息，同时依据数据详情建立供水管网动力与漏损分析模型，动态分析供水管网系统中各构成部分的运行功能，实现管网漏损分析、水质安全分析、运行安全风险评估与预警，对管网常规与突发事故实现处理和控制。

智慧城市供水管网中各个智能控制节点连接形成的自组织分布式网络取代了传统集中式系统中的中央上位机，重点解决管网系统中相关设备相互连接、协调的问题，而系统中节点局部或本地管线控制问题仍由本地智能控制节点完成，与传统传感器-数据库-人机界面监测系统相比，基于无中心网络的市政供水管网运行监控与处置智能化系统采用的是并行网络计算的基本模式，这种模式支持管网系统运行中的各类监测、控制、分析、定位和管理问题，能稳定、高效的求解这些问题。实现了系统中节点信息共享，避免了传统的集中式架构下系统的组网困难，组织协调能力低下和缺少灵活等问题。

5 结束语

综上所述，无中心系统架构突破了传统集中式控制系统认识和分析问题的方法，重点从供水管网自身以及各类监控设备出发，分析这些对象的基本特征，提出用自组织网络来分析供水管网监控系统。基于无中心系统架构的供水管网监控系统能很好地实现对管网水流量、水压力、水质等管线参数的实时监测和智能化处置，以实现精确的管网漏损和爆管定位。

参考文献：

[1] 张振刚，张小娟.智慧城市系统构成及其应用研究[J].中国科技论坛，2014（7）：88-93.

[2] 孙傲冰，季统凯，伍小强.面向智慧城市的大数据开放共享平台的设计与实现[J].计算机应用，2017，37（S1）：340-343.

[3] 米子龙，张晓健，陈超，等.淡化海水进入市政供水管网的稳定性[J].清华大学学报：自然科学版，2014，54（10）：1333-1338.

[4] 孔令礼.面向智慧城市的大数据中心建设方案设计[J].测绘通报，2017（10）：143-147.

[5] 郑成志，高金良，何文杰.基于FastICA算法的物理漏损流量分析模型[J].浙江大学学报：工学版，2016，50（05）：977.

[8] 沈启.智能建筑无中心平台架构研究[D].清华大学，2015.