城乡供水一体化智慧水务总体架构

吴健，何强，汪钦堤，谢远勇

（1.福建省水利水电勘测设计研究院 ，福建 福州 350001；2.智恒科技（集团）股份有限公司，福建 福州 350109）

0 前言

城乡供水一体化的建设，将有效提高农村供水质量和用水保障，提升水务管理信息化水平，实现全域供水、运营管理、生态环境一体化。目前，城乡水务信息化建设已逐步开展，也取得一定成效，但相对于水务精细化管理、智能化应用的需求，还存在以下不足：①水厂的水量、管网的水质、水压、用户的抄表系统分散、数据无法共享。②信息化监控要素类型和范围不足，特别是乡镇供水设备老化、数据几乎空白。③城乡管网设施老旧，监管力度差，用水漏耗严重，水资源严重浪费，运行负担重，安全生产管理难。④缺少供水生产全过程统一的管理平台，业务系统缺少统一规划，智能化应用深度不够，智能辅助决策系统尚未建立。随着国家对城乡供水一体化水务管理的精细化要求不断提高，开展智慧水务管理平台的建设，已刻不容缓。

1 总体思路

根据城乡供水信息化现状和未来发展需求，以实现水务精细化管理为目标，以云计算、大数据、物联网、微服务等核心技术为基础，建立起“数据资源知识化、应用系统智能化、运行环境集约化、标准体系规范化、安全体系可靠化”的城乡供水一体化智慧管理体系，全面提升管理能力和服务能力，促进水务信息化加速、健康、有序发展。城乡供水一体化智慧水务管理平台应能够提供以下3类服务支撑：

（1）全面感知供水生产全过程核心业务，提供综合监控和调度管理服务。

（2）建立统一数据中心，将分散的水源地、水厂，二供泵站等单位的生产、运行数据，整合、分类成专题或综合数据库，为精细化管理和智能辅助决策提供统一的数据服务。

（3）建立统一的信息共享体系，逐步实现水利局、环保、防疫中心等相关部门监测信息、工作成果信息、工作动态信息等的共享和交换，为实时掌握水务信息状况提供有效的信息服务。

2 总体功能架构

平台功能主要以业务和技术双驱动，软件解耦、复用和标准化为原则，规划为“三域六层两体系”的功能体系架构，包括能力开放域、运维管理域、平台服务域（感知层、网络层、平台层、应用层、访问层、接入层）和运维保障体系、标准规范体系，具体规划如图1所示。

（1）能力开放域

能力开放域作为能力对外开放的枢纽，平台和其他外部系统统一通过服务总线来进行能力交换，方便集成各种数据服务，并支撑各种数据交换协议。

（2）运维管理域

运维管理域支撑整个云平台的统一安全管控和可视化运维管理，包括云化资源调度、任务调度、元数据管理、数据质量管理和安全管理等功能，提升平台的运维管理能力。

（3）平台服务域

平台服务域是整个系统的核心，是系统具体业务、数据和能力的承载，平台服务域分为6层，包括感知层、网络层、平台层、应用层、访问层和接入层，具体说明如下：

1）感知层：感知层是平台实现其“智慧”的基本条件。感知层具有超强的环境感知能力和智能性，通过传感器、传感网等物联网技术实现对供水设施、水量、水压、水质的监测和控制。感知层主要由流量、压力、水质等传感器，以及设备网关、摄像头等感知设备组成。

2）网络层：网络层是云平台的信息高速公路，主要实现信息的可靠传输和路由。网络层可依托公众互联网和运营商专网，以及无线传感器物联网等专用网络实现。

3）平台层：平台层是云平台“智慧”输出的加工厂，在未来的智慧应用中，设备和数据是非常重要的战略性资源，因此，构建云平台的智能设备云控平台和数据中心是云平台建设中非常重要的一环。智能设备云控平台使得设备的全生命周期可管控、可追踪、可回溯。数据中心主要的目的是通过数据关联、数据分析、数据挖掘、数据汇总、数据模拟仿真等技术解决数据割裂、无法共享等问题，并实现智慧的输出。

4）应用层：应用层实现一体化综合监控平台、水源监测、水厂监控、指挥调度、管网管理、分区计量管理应用，支撑企业对内精细管理和对外主服务两大领域，实现将企业的生产过程、调度监控、事务处理、决策等业务过程进行数字化，通过各种信息系统网络加工生成新的信息资源，提供给各层次的人们洞悉、观察各类动态业务中的一切信息，以做出有利于生产要素组合优化的决策，使企业资源合理配置，促进企业向智慧化发展。

5）访问层：访问层为平台提供统一的一体化门户，作为应用访问的统一登录口，增强各系统访问便捷性。平台可对各个子系统的访问账号进行统一管理，加强各系统的账号、权限管理工作，提高信息安全防范等级。

6）接入层：接入层提供各种终端的接入访问，系统支持PC电脑、手机、平板电脑和大屏等接入终端。

（4）运维保障体系与标准规范体系

运维保障体系提供系统的运维保障管理办法和流程，保障系统安全可靠运行；标准规范体系提供系统建设遵循的国家标准和行业标准，保障系统建设的标准化和规范化。

3 系统技术架构

系统技术架构主要以云计算、大数据、物联网、微服务技术为基础，规划为“三层六中心”的技术体系架构，包括“IaaS、PaaS、Saas”3层的云计算架构，通过政务云资源池和分布式技术，实现弹性计算和线性扩容，保障系统的稳定性、高可用和可扩展能力。平台同时借鉴SOA开放、标准、解耦的面向服务体系思想，采用业务与数据解耦、存储与计算分离的设计理念，设计了6大中心，包括感知中心、存储中心、计算中心、服务中心、运维中心和应用中心，提升平台的开放能力、复用能力和运维管理能力。具体规划的技术架构如图2所示。

3.1 IaaS层

资源池基于资源池能力，提供存储、计算和网络等资源的统一管控，实现按需分配和弹性计算，水务平台上层各个中心模块所需的资源主要由资源池统一提供。资源池具备良好的扩展性，应用系统的存储资源、计算资源和网络资源可以快速动态扩展。

3.2 PaaS层

（1）感知中心

感知中心负责接收传感器、水务远传设备、智能建筑设备、网络监控设备等硬件感知设备通过网络传输到平台的数据，同时提供设备的远程指令控制能力，并对各种硬件感知设备进行全生命周期的监控和管理。

（2）存储中心

存储中心支撑系统的所有数据存储，包括接口数据、明细数据、汇总数据和应用信息数据等。存储中心的接口数据和明细数据采用分布式大数据存储技术实现，具有海量数据存储能力和线性扩展能力。支持关系型数据、内存数据库、NoSQL数据库等存储架构。

（3）计算中心

计算中心承载整个系统的主要运算能力，将计算能力进行组件化封装，并将数据计算与数据存储分离，可有效提升计算组件的复用能力、开放能力和管理效率。计算能力主要包括ETL计算、批处理、实时处理、交互式查询和模型计算等。

（4）服务中心

服务中心作为数据对外开放的枢纽，平台和其他外部系统统一通过服务中心来获取数据。服务中心采用服务总线和微服务技术，方便集成各种数据服务，支持SDK、WS、Restful，MQTT、Http等各种数据交换方式，同时微服务支持灵活扩展，支持通过多种接口协议向上层应用开放数据访问和设备远程控制等接口。

（5）运维中心

运维中心支撑系统的安全管控和可视化的运维管理，包括云化资源调度、任务调度、元数据管理、数据质量管理和安全管理等功能，提升平台的IT治理能力。

3.3 SaaS层

应用中心主要以存储中心和计算中心为基础，基于服务中心获取平台数据实现各种应用系统，包括分析套件和业务应用两个层面的内容。分析套件是经过业务抽象可复用与各个业务应用的基础技术组件。业务应用可基于分析套件来构建，提升应用开发效率。

4 系统总体架构特点

4.1 业务与数据解耦、存储与计算分离

传统应用软件程序中业务总是与数据紧耦合在一起，并且数据计算依赖于存储架构，导致烟囱式开发，应用的业务和数据的计算能力无法抽象总结，能力无法沉淀，软件复用度低下，在物联网大数据时代，随着数据量、并发量、技术复杂度的提升，这种传统架构已经难于适用。因此，本文提出业务与数据解耦、存储与计算分离的理念，通过纵向和横向的充分解耦，划分出6大中心的分布式云化架构，应用的业务逻辑和数据的计算逻辑都可以实现组件化开发和云化部署，屏蔽底层技术架构，降低开发复杂度，提升软件复用度，提升软件开发效率和质量，提升平台的并发能力和数据存储能力。

4.2 云化资源池技术

服务器云化技术提供存储、计算和网络等资源的统一管控，实现按需分配和弹性计算，数据中心上层各个模块所需的资源主要由云化资源池统一提供。平台的服务器云化技术形成可统一资源调度管理的分布式云数据中心对各政务部门单位统一服务。通过分布式管理，将分布在生产中心机房和灾备中心机房的计算、网络、存储等资源统一进行管理和池化，通过灵活的资源调度策略，包括错峰复用、动态伸缩、跨DC共享、迁移等技术手段，实现应用的跨资源池、数据中心的部署，资源的弹性伸缩，自动调度，按需使用，快速满足业务发展需求。同时，提供统一的资源管理平台，管理虚拟资源、物理资源、存储资源；提供统一监控、统一告警、统一门户，实现数据中心集中运维，让用户从繁琐的底层运维解放出来，更加聚焦于自己的业务。采用云化资源池技术使得平台具备可靠性、可扩展性和可维护性。

4.3 微服务体系架构

微服务继承了SOA面向服务架构的整体思路，是指开发一个单个小型的但有业务功能的服务，每个服务都有自己的处理和轻量通信机制，可以部署在单个或多个服务器上。微服务也是一种松耦合的、有一定的有界且有上下文的面向服务架构。在业务逻辑层面上，把集中整体的逻辑拆解为更细化的逻辑单元。在数据存储层面上，也可以按照情况将集中的存储拆解为更小的存储单元。微服务体系架构具有解决复杂性、单独开发、独立部署、扩展容易等优点。

4.4 Docker容器技术

Docker 是一个开源的应用容器引擎，让开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的容器中，然后发布到任何流行的 Linux 机器上，也可以实现虚拟化。容器是完全使用沙箱机制，相互之间不会有任何接口。Docker容器技术使得软件的交付变得高效简洁、交付一个软件，就是一系列标准化组件集合的交付，如同乐高积木，用户只需要选择合适的积木组合，提升软件交付部署效率。

本平台在部署架构上采用Docker容器技术进行部署，并基于开源的Kubernetes进行容器集群的管理。Kubernetes是一套较为简单的工具，用以管理Docker集群，使得Docker集群暴露给用户时相当于一个虚拟的整体。Docker+Kubernetes容器技术，能够支持多样化部署，支持物理机、虚拟机和云主机等部署方式，能够部署在政务云上，也能够随时向如水务私有云，或者混合云和公有云的架构上迁移，提升了平台部署的效率，以及灵活性和便捷性。

5 结束语

城乡供水一体化智慧水务总体架构方案，能够满足信息调用、整合、集成、智慧应用的需求，充分实现分布式数据应用；在多用户和大数据量的情况下，能够保持系统的稳定性、开放性、安全性和数据的完整性。对提高水务行业整体效益，促进水务行业智慧管理水平的提高，促进城乡供水一体化建设与发展，都具有十分重要的意义。