智慧水务管理系统的研究与实现

刘观生 徐文 吴响容

摘要：为了更有效的提高供水系统的安全性和运行效率，本文提出了一种智慧水务管理系统。该系统结合了物联网、云计算及人工智能算法，实现了对供水设备的远程监控，降低了维护成本，同时根据采集的数据，利用人工智能算法能对供水设备的故障进行预警，并对管网的风险做出评估。实践表明，该系统在改善供水系统中起到了积极作用。

关键词：供水管网;物联网;云平台;人工智能

中图分类号：TV213   文献标识码：A     文章编号：1007-9416（2020）10-0000-00

1 研究背景

国务院发布的“水十条”及住房城乡建设部、国家发展改革委、公安部、国家卫生计生委四部委联合下发通知，要求加速开展改善水环境质量为核心的水污染防治行动，重点是管网测漏及二次供水设施改造与建设工程。二次供水的管理面临着一系列的问题：（1）很多设备不能远程监控。有些泵房设备比较落后，设备缺乏联网功能，不能远程进行监测和控制，给管理带来了很大的负担;（2）供水设备故障不能提前预警。设备运行过程中会出现不可意料的故障，没有预警功能一是需要安排人定期维护，增加成本，二是故障一旦出现，会处理不及时，造成不必要的损失;（3）缺乏智能化的管网手段。二次供水会出现漏损的情况，如何有效的降低漏损是降低成本的有效手段。为更加有效的改进二次供水的效率，因此需要合理的设计一个更加科学的管理系统，以提高供水的安全性和可靠性，更加科学智能的降低管理成本，提高供水效率，给社会发展和人民生活提供更好的保障[1]。

2研究目标

本文旨在研究一个功能齐全的智慧水务管理系统，一方面能实现对各个泵房的远程实时监控，远程重现泵房场景，并利用隐马尔科夫过程对供水设备的运行状态进行实时预警，降低人工维护成本;另一方面通过建立相应的评估模型，使得该系统能对整个管网的供水状态进行智能分析，对管网风险进行评估，管理漏损，提高供水的效率;该平台还能对管网采集的各种数据进行分析，得到相应的成本优化策略，实现智能化成本核算和节能功效。

3研究内容

3.1系统整体概述

该系统主要面向供水公司和水务管理部门提供服务，系统架构如图1所示。结合大数据技术、人工智能技术和物联网技术的智慧水务管理系统主要采用的技术和提供的功能服务如下。

（1）系统采用了互联网和移动互联网架构的物感网络，可实时监测供水泵房内的设备的工作状态（电压、电机运行电流、湿漏、电机实时温度、功率等）、泵房环境参数（环境温度、水压、水位、水质和图像等）以及室外管网的工况（管道内水压、流量、跑漏等），并通过互联网或移动互联网上传至云端服务器，云端服务器端对采集到的数据进行智能化处理，可以获得泵房内水泵的工况，水质水位的状况、居民时段用水量、现场安全预警、水质安全预警、设备工作安全预警、管网运行工况、跑冒漏点定位等信息，然后显示到PC客户端或者移动客户端，同时在故障出现时采用声光等手段告警，使水务管理人员可实时查看和管理供水所有设备的实时工作情况，从而解决了传统供水系统需要专业人员定期到泵房进行设备的检测与维护，水质的监测存在的时效性低、工序繁琐、成本高、安全性低、故障处理效率低等缺陷[2]。

（2）PC客户端或移动客户端根据运营参数，在故障发生前就捕获到事件并自动报警，从而有效的解决了设备疲劳运行和带病运行的问题，提高了设备的使用效率和使用寿命。同时，对跑冒漏问题也能得到及时的解决，减少了损失，进一步降低了水管爆管的概率。

（3）控制终端利用人工智能算法模型以及反向控制手段，针对居民用水时段和管网压力情况，实现中央泵房的最佳节能自动运营模式;水质的智能化监测（浊度、溶解氧、氨氮含量、高锰酸钾、金属离子等指标）为饮水安全提供了保障;通过互联网或移动互联网，实现远程泵房设备控制，大大提高了城市供水的管理能力和安全用水的保障能力。

（4）根据设备运行参数曲线分析出所有设备的运行工况，为设备检修、管网维护、设备报废等提供数据支撑和服务，同时也为后续设备的选型及采购提供数据依据。

3.2系统的组成

系统组成由泵房内的检测和控制设备、室外管网数据感知设备、基于云计算的监控中心平台和用户使用终端四部分组成，通过互联网和移动互联网相互连接，一个监控中心可监测和控制某一区域或城市内所有符合标准的泵房、管网，从而组成一套完整的、基于人工智能的物联网智慧供水管理系统。

泵房内的检测和控制设备主要包括智能终端、PLC 控制器、环境参数检测装置（气体传感器、泵房温度传感器、水泵工况传感器、水箱水位传感器、水质参数检测仪、管道水压传感器、摄像机、拾音器）和设备运行参数检测装置（检测水泵工作电压、水泵工作电流、水泵工作功率、水泵工作转速、水泵工作轴承温度）、执行装置水泵和云台等组成，实现安全供水的核心节点泵房的环境参数和设备参数自动检测，并将相关数据通过网络上传至监控中心服务器，执行装置执行监控中心返回的控制指令，从而实现泵站数据的统一化管理和泵站无人值守，实现设备故障的及时预警、供水设备的智能化最佳模式运行和远程控制，提高对城市供水的管理和用水安全的保障能力，节省大量人力和时间，大大提高工作效率和管理能力。

基于云计算的监控中心平台包含：WEB 服务器、WAP 服务器、应用服务器、接口服务器、数据库服务器和网络设备、基于 B/S 架构和 SaaS 业务模式的云计算中心，从而实现了中心平台监控所有接入该系統的所有供水泵房，周期性接收/查看泵房测控系统上传的环境参数和设备参数，并交给平台分析和决策，通过节能智能模型实现对设备的自动控制。该平台是管理人员的操控平台，可以向泵房的各个设备发送监测和控制指令;同时也是一个故障和问题的管理平台，实现对设备标准化运维管理从而达到远程监视泵房设备以及管网的运行状态和控制设备工作状态的目的[3]。

基于人工智能的智慧水务管理系统分层模型如图2所示。该系统采用 B/S 架构，整体架构分成应用层、通讯层、数据处理层和基础设备层。用户终端软件既支持PC 终端通过互联网接入，也支持手机、PAD 等移动设备通过移动互联网接入，实现随时随地查看泵房的环境参数和设备参数，接收各类系统运行信息和远程监视泵房设备的运行状态，并根据运行状态通过移动客户端远程控制设备，且控制后的结果实时的显示在终端设备上。

3.3研究重点

（1）基于神经网络的管网风险评估模型设计。在神经网络模型的输入层输入管网的参数（管龄、管材、管径、接口等），管网的位置环境参数（气温、湿度、酸碱度等），管网的工作参数（水压、流量）等信息，通过隐层的组合运算，在输出端得到该管网存在的漏损、爆管的风险概率，从而为管网监管单位提供可靠的评估结果，进而能够提前、及时检修以避免爆管带来的风险和损失[4]。

（2）基于蚁群算法的成本优化模型的设计。该模型通过蚁群算法对居民用水数据、水资源产生的费用、管网供水数据、泵房工作服务数据等进行优化融合，从而得到成本优化策略，实现智能化成本核算和节能功效。

（3）基于隐马尔科夫过程的水泵工作状态预测模型的设计。该模型根据水泵电机的运行参数、声音和振动传感数据、水压的变化参数等，以及每个参数的病变概率来分析水泵的当前工作状态以及下一状态的可能性，从而得出是否停用、检修、更换等决策。

（4）实现泵房场景远程重现。泵房内安置云台摄像机和拾音器，通过互联网或者移动互联网将视频信息、音频信息实时传输到水务控制中心的PC客户端或者水务工作人员智能手机客户端，使水务管理部门能在任何时间和任何地点实时掌控辖区内任一泵房的实际场景。

（5）远程控制结果可视、可听化。在（1）的基础上，将客户端的控制按钮和视频信息、音频信息集中在同一界面下，从而实现客户端远程控制能做到和现场控制一样的效果。解决了工业远程控制的一个核心难点，即远程控制结果可视化、可听化、现场化。这一优势在二次供水安全管理显得尤其重要，如在远程发现水泵过热、振动异常等问题出现，需要停止工作;当在远端控制终端上按下停止按钮后，有可能控制按钮按下后，指令由于各种原因如网络或器件的原因导致没有执行，或执行失败;如果不能实时看到远程控制的结果，会误认为水泵已经关闭;而实际情况是水泵仍在运行，从而导致水泵烧毁或次生问题出现;将给泵房带来较大危险和经济损失。该系统能有效的看到（檢测到）远程控制的实际结果（视频结果、音频结果、传感器数据等），如上情况，控制命令发出后，能在同一界面上看到水泵的停止运转，听到水泵马达声消失，水压变化。

（6）提供可视化、图形化的呈现方式。通过数据分析与图形图像呈现技术，将分析后的数据通过数字、仪表盘、折线图等形式可视化，直观地反映水质、水位和设备工作状态，运行情况。为管理人员提供了智能化的工作协助，便于使用者和管理者掌控供水设备管网的状态。可视化、图形化呈现界面如图3所示。

4结语

本文设计的智慧水务管理系统融合了现成数据采集、自动化供水技术、水质检测技术及安防技术，结合物联网、云计算等技术实现精准预测管网漏损点及供水设备运行故障行为，再通过软件界面真实模拟现场场景以实时知道远程控制执行结果，能够起到降低管网漏损率，提高供水业的设备的管理、运行及维护能力，降低运营成本的效果。该系统已在一些水务供水应用，并取得了很好的效果。

参考文献

[1]严伟苗，邹翔，王亚晶.面向物联网的智能门锁一站式托管服务平台研究[J].数字技术与应用，2020（1）：148+150.

[2]闫佼.面向物联网设备的通用云平台接入服务研究及实现[J].数字技术与应用，2020（4）：131-132+134.

[3]张一凡，崔建国，张峰，等.物联网和云计算下的城市供水管网漏损控制系统设计[J].华侨大学出版社（自然科学版），2019（1）：34-40.

[4]费战波，彭永凯.基于物联网检测的供水管网分区建模技术研究[J].给水排水，2019（15）：124-127+132.

收稿日期：2020-08-22

作者简介：刘观生（1978—），男，江西宜春人，博士研究生，讲师，研究方向：物联网技术研究应用。

Research and Implementation of Intelligent Water Management System

LIU Guan-sheng， XU Wen， WU Xiang-rong

（Zhejiang Technical Institute of Economics， Hangzhou Zhejiang  310018）

Abstract：In order to effectively improve the safety and efficiency of water supply system， this paper proposes a kind of intelligent water management system. The system combines the Internet of things， cloud computing and artificial intelligence algorithm to realize the remote monitoring of water supply equipment and reduces the maintenance cost. At the same time， according to the collected data，the artificial intelligence algorithm can be used to early warn the failure of water supply equipment and evaluate the risk of water network. Practice shows that the system plays a positive role in improving the water supply system.

Key words： water supply network; internet of things; cloud platform;artificial intelligence