智慧水务管理平台系统设计与应用

李红仓，杜 岗

（1.天地通科技有限责任公司研发部，山西晋中030600；2.连云港职业技术学院机电工程学院，江苏连云港222006）

2015 年国务院正式发布《水污染防治行动计划》，提出到2020 年，公共供水管网漏损率控制在10%以内。目前，绝大多数城市供水企业产销差率不仅居高不下，而且有升高的趋势[1]，这是我国供水行业目前急需解决的问题。近年来，虽然我国供水行业在不断努力，试图通过对管网漏水进行探测和控制，以达到降低产销差的目的，但是收效并不显著。其主要原因在于管网规模庞大，严重缺乏智能化和信息化设备的介入，相关企业缺乏掌控全网的信息化系统，供水管网单元几乎成为信息孤岛，运行状态无法及时反馈。

在晋中市智慧水务平台建设过程中，为了实现通过水务综合运营平台打通信息孤岛，实现数据共享，增强对供水业务的运营和监管的能力，实现城市供水智慧运作，提高供水企业管理与服务的水平，笔者开发了一套基于物联网、GIS、移动互联网、云计算技术，集远程监控、故障报警、巡查报修、故障抢修、数据展现、基础管理于一体的可视化的、设备运行指标量化的、能对整个供水系统运行进行成本控制的智慧供水平台系统。这一系统一方面通过供水管网分区计量手段，实现对水量计量、水压调控、水质监控、运行管理等重要环节的精细化、科学化管理；另一方面，基于大数据和云计算的技术优势，通过统筹顶层规划，实现对全网的信息化管理，构建了管网漏损管控体系，大大提高了对管网漏损的检测精度，提升了供水安全精准化保障能力。

1 功能架构设计

通过对山西省晋中市城市供水管网现状分析，结合晋中供水公司管理运行需求，以粗粒度、松耦合的面向服务架构（SOA）进行系统功能总体设计[2]，对各主要功能进行组件化拆分，分布式部署、组合和使用。拆分后的组件功能包括基础硬件感知层、通信服务层、数据处理层、业务逻辑（应用）层和平台应用层[3]，如图1 所示。

图1 智慧水务总体架构

总架构中各体系功能说明如下。

感知层：通过各种仪表、压力传感器、流量传感器、液位仪、水质监测设备等实时感知城市供水管网的运行状态，为智慧分析与处理、辅助决策系统提供数据依据。

通信层：通过物联网、RTU、DTU 等网络设备，实现数据的传递和处理数据采集获取的信息。

数据处理层：采集多种类型的传感器数据，具备唯一的标识码，接受统一管理，入网自动识别，按照统一的协议实现进行数据处理，实现故障判断、管网数据监测、监督以及数据入库。

业务逻辑：实现供水企业的具体应用业务，比如报表统计、设备管理、GIS 管理、权限管理、在线查岗、监管信息、管网监控、故障监控以及视频监控。

平台应用：服务水厂、泵站、管网运维、自来水公司、消防公司、业主等，智慧水务平台以更加“智慧”的方式辅助水务企业进行管理和运维，从而保证可靠供水，降低产销差，提升运营管控能力，实现经济效益和社会效益的不断增长，提供有力支撑[3-4]。

2 系统结构设计

系统结构中包括对天湖水厂、东郊水厂、北郊水厂3 个水厂以及原有监测点和加压站的数据接入功能。通过通信架构设计，实现信息的共享，解决数据孤岛的问题，实现供水企业的信息共享和协同办公，实现供水业务监控、管理、服务等业务的数字化、可视化与联动化，最终建成供水企业网络化办公，使企业的人力、物力、信息等资源实现共建共享与互惠互赢，从而提升企业供水管理水平，改善城市供水质量。系统结构设计如图2 所示。

图2 系统结构设计图

如上图所示，该系统中以数据中心为核心，对接水厂、监测点等各节点数据，并对数据整合处理并发布。各数据对接单元需要提供的数据包括压力、流量、余氯和浊度，其中天湖水厂数据通过光纤传到现有的监控中心监控端，并通过数据转发将现有数据和新增压力、流量数据上传至数据中心。东郊水厂、北郊水厂以及其他各测点数据通过4G 无线数传模块上传至数据中心，各对接单元和测点数据采集过程如图3 所示，数据接入过程总计所需增加流量计12 个，压力表8 个，余氯检测仪8 个，浊度检测仪8 个。通过接入上述数据采集节点，为实现全市水务智慧化运行提供了实时、可靠的数据保证。

图3 数据接入示意图

供水基础空间数据、管网数据以及各个业务数据作为晋中市供水企业的支撑系统，通过RTU 系统将生产系统和信息化系统的接口对接，实现不同专题数据统一到供水综合运营中心，最终实现地理信息数据库、管网工程数据库、GIS 数据库、实时数据库、化验数据库的实时更新，实现多源数据的统一集成，为企业提供完整、准确的数据，以便企业进行能耗、运行等分析。

3 软件平台设计

3.1 软件架构

系统软件平台按照先进、可靠、长远发展的要求进行设计，充分体现模块化系统集成的设计思想。既满足数据统计分析，又满足数据实时分析的功能要求，同时考虑系统增值服务平台的发展空间，以建设一个高度信息化、自动化的监督管理服务网络系统为最终目标。整个系统由Web 端、服务器、数据库系统等组成，包括网站前端系统、网站后台管理系统、Oracle 数据库系统[5]。系统组件架构如图4 所示。

图4 系统组件架构图

3.2 软件功能

平台软件主要划分为供水管网GIS 系统、SCADA 系统和分区计量系统三个系统功能，其中供水管网GIS 系统利用了GIS 技术，以晋中市城市基础地形图为基础，以供水管网数据为核心，紧密结合供水管网管理需要，为供水企业自动化采集、管理、更新、分析与应用供水管网数据，确保供水管网的正常运行提供了一套科学、有效的信息化管理工具。SCADA 系统，即数据采集与监视控制系统，利用先进的计算机网络技术、GIS 技术，在建立管网基础信息和管网监测信息库的基础上，紧密结合供水调度的业务流程，实现调度管理的科学化和自动化。分区计量系统，将整个晋中天湖水厂、东郊水厂、北郊水厂以及加压站的供水管网进行一级划分成若干供水区域，进行流量、压力、水质和漏点监测，实现供水管网漏损分区量化及有效控制的精细化管理。

总体来看，软件功能划分科学，人机界面清晰，操作简单，使用方便，软件主要界面如图5 所示。

图5 软件平台主界面

3.3 技术创新点

（1）供水管网数据与GIS 系统以及物联网采集系统结合，为供水企业自动化采集、管理、更新、分析与应用供水管网数据，确保供水管网的正常运行提供了一套科学、有效的信息化手段。

（2）采用逐级细化的分区计量系统方法，将整个城市的供水管网进行多级划分供水区域，进行流量、压力、水质和漏点监测，实现供水管网漏损分区量化及有效控制的精细化管理。

（3）采用大数据架构技术开展城市管网大数据智能分析研究。面向管网的多维异构实时监测数据，结合深度学习与专家知识库技术研究智能、高效的漏损区域检测技术、多特征数据融合的管网状态评估技术，实现高效的人力巡逻资源优化配置。

4 结论

在协助晋中市供水有限责任公司开发智慧水务平台系统过程中，充分利用云计算和大数据技术构建一体化、可扩展的水务综合平台，通过打通各供水分区数据，实现了数据共享，增强了对供水业务的运营和监管的能力，能够实时掌握供水状况、科学调度，及时发现漏损，实现了城市供水的智慧运作，提高了供水企业管理与服务的水平，产生了良好的经济效益和社会效益。