基于物联网的“供水管家”模式研究

周 敏

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

目前，供水行业总体建设、运营管理水平和服务质量还不尽如人意，有待进一步提质增效[1～3]。物联网是一个由能够传输数据的连接设备组成的系统。低成本物联网的水资源管理系统在过去的几年里发展势头迅猛，且物联网生态系统中的设备可以在无需人工交互的情况下传输数据，因此非常适合实时水位及水质监测[4,5]。借鉴环保管家的理念[6～9]，提出“供水管家”。“供水管家”是针对供水行业包括自水源地取水、原水输水、自来水厂、城市配水管网至用水户、节水减排等的全生命过程所提供的一种经济、高效、智慧、一体化的社会中介服务。因此，构建基于物联网的“供水管家”系统可以实现集水质、水量、水压监测于一体的多功能监测，且是保障供水行业安全、经济、快捷、高效的迫切需要[10]。

2 物联网系统的构架

2.1 框架组成

参考Singh等的研究[11,12]，提出基于物联网的水监测系统，由控制器、传感器和显示数据的应用程序组成，如图1所示。

2.2 水质参数

饮用水水质对人类生活的健康有重要影响，且对其的测量是一项复杂的工作，涉及多个参数。虽然有些质量参数很容易测量，但另有一些参数需要应用专门的仪器设备和专业知识。常用的水质参数如下[13]。

图1 基于物联网的水监测系统的各种组件

pH值：测量水基溶液的酸碱性。较高的pH值表示碱性溶液，而较低的pH值表示酸性溶液。《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)的推荐值为6.5～8.5[14]。

溶解氧(DO)：测量水中溶解的气态氧(O2)[15]。可以通过水中溶解氧的含量来判断水质。动水，如河流和溪流中的DO含量较高，而静水中DO含量较少。DO值越高，水的味道越好，但同时也会导致管道的腐蚀。

浊度：度量水的清澈度，通常用散射浊度单位(FTU)和(NTU)进行测量。《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)建议饮用水的浊度值应小于1 NTU[14]。

导电性：测量水的导电能力，从而表明溶解在水中的物质。饮用水的电导率值不应超过400 L/cm。

溶解性总固体(TDS)：测量水中溶解的有机物与无机物的含量。高TDS值表明存在大量矿物。根据《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，大于1000 mg/L的水不宜饮用[14]。

温度：此项指标对水质有重大影响。世界卫生组织倡导的饮用水温度上限值为30 ℃。

盐度：测量溶解在水中的盐的含量。较高的盐度值对人体有不利影响。饮用水中的盐度值应小于200×10-6。

2.3 传感器

市场上有各种传感器可用于测量物联网生态系统中的范围、温度、湿度等参数[16]。其中，物联网水管理系统中常用的传感器包括超声波传感器、温度传感器和pH传感器[17]。

超声波传感器：使用超声波量程传感器测量水箱/水库中的水位。超声波传感器是一种距离测量传感器，可以方便地与市场上的不同控制器连接。该传感器广泛用于水箱水位的实时监测。

温度传感器：水温是影响水质和军团菌防治策略的一个重要因素。水温应尽可能保持在25～50 ℃的范围外以防止微生物的滋生。市场上有各种传感器可用于测量更宽范围的温度(-50～125 ℃)。

pH传感器：使用pH传感器来测量水基溶液的酸碱性。

2.4 通信技术

为了解决物联网设备低功耗、内存密集、资源受限等问题，研究者们提出了多种低功耗通信技术来打破物联网设备和网络的各种限制[18]。这些技术包括BLE、Zigbee、低功耗Wi-Fi、NB-IoT、LoRA等[19,20]。这些通信技术的比较分析如表1所示。在BLE中，所有的外围设备都处于睡眠模式，而当从中心节点传输数据包时就处于唤醒模式，这有助于降低网络的总体能耗。此外，低功耗Wi-Fi基于ieee802.11ah标准，与普通的基于Wi-Fi的通信技术相比功耗更低，同时可以实现更高的传输范围。Zigbee基于IEEE 802.15.4标准运行，用于低数据率短程通信应用，如自动化、工业等。LoRA和NB IoT均是基于低功耗广域网(LPWAN)的通信技术。LoRA是第一个被商业化采用的低成本通信技术，它以高达50kbit/s的低数据速率提供远程通信[21]。而NB-IoT具有更高的数据速率，但与LoRA相比，它的消耗更低，同时每台设备的成本也相对较高。

表1 现用于物联网的低功耗通信技术的比较

2.5 控制器

基于物联网的水管理系统控制器可大致可分为微控制器板型和微型计算机型。Arduino是一种微控制器板型控制器，它反复运行一个程序，且与微型计算机型控制器相比相对便宜，但需要外部硬件连接到网络。Raspberry Pi是一种单板袖珍微型计算机型控制器，包含板载Wi-fi和以太网网络接口，可直接连接到网络。此外，他们都属于成熟的计算设备，能够运行多个程序。

2.6 应用程序平台

随着物联网设备使用量的迅速增加，出现了大量物联网平台(也被称为仪表板)。一些平台还提供了一些应用程序，用于使用Blynk等移动设备控制和监控物联网设备[22]。如FreeBoard、Ubidots、ThingSpeak等也是一些常用的物联网应用平台。

Radhakrishnan等讨论了物联网设备在水管理系统中的体系结构、应用和使用。这项研究分析了6种商用传感器，即Spectro:lyser、SmartCoast、kapta3000ac4、smartwater(Libelium)、Lab-on-chip和I:scan。这项研究还分析了可用来为传感器产生能量的能量收集技术。研究表明，6lowpan、LoRa和Zigbee是水管理系统通信的最佳选择。

3 基于物联网的供水管家系统

3.1 物联网在供水全流程的应用分析

依据前面讨论的各种技术的关键分析，本节构建了一个供水全流程的智能水管理系统(图2)。包含了从水源地取水、原水输水、自来水厂、配水管网至用水户的全过程。该系统是一个基于物联网的实时智能水管理系统，能够记录水位和水质参数，如图2所示。这个由流行编程语言(如python)编写的程序组成的拟议系统将在控制器(例如Raspberry Pi)中运行。控制器将连接到用于水质和水位测量的传感器，如用于测量水位的HC-SR04超声波测距传感器，用于检测pH的pH传感器等。为了进行实时监控，在控制器内集成物联网平台(如Blynk)非常重要，可以通过这些平台在互联网上控制Raspberry Pi等物联网设备。使用这种集成，就可以在移动应用程序上显示实时水位。

将分析水位和其他质量参数存储在互联网上的安全位置很重要[23]。GoogleSheets API是一个轻量级的应用程序编程接口，用于从低计算设备(如raspberry Pi)向Google sheets读写数据。理想的系统应该能够使用googlesheets API将当前值实时更新到google sheets中。所有读写请求都需要API密钥，这是更新数据值和防止重播攻击的安全方法。记录值可以分解为训练数据和测试数据，用于开发机器学习模型。且由此产生的警报和预测可以发送给相关工作者以便采取必要的行动。

在仔细分析基于物联网的“供水管家”系统领域的相关工作后，研究发现高效智能的水管理系统需要包含以下基本属性。

低成本：系统的总成本不应该很高。因为高成本会阻碍大规模部署，尤其是应用于智慧城市。

低能耗：考虑到能源需求不断增加以及高能源需求对环境的影响，系统的低能耗很重要。可使用像太阳能这样的可再生能源来降低能源成本。

系统应易于部署和维护：应支持远程软件维护和重置功能。

水位和水质参数：对于一个完整的供水管理系统，除了水位之外，还必须分析和存储其他水质参数。但与此同时额外的传感器也会导致额外的能量消耗及成本。

实时监测：智能水管理系统应支持实时水监测。实时监控需要活跃的网络连接和高能耗。此外，云计算可用于实时决策过程。

安全：确保物联网设备和消息的安全是一项具有挑战性的任务，尤其是当这些设备部署在不同的物理位置时，以防黑客利用操作系统的漏洞来窃取敏感信息。

图2 物联网在供水全流程的应用

3.2 服务平台的搭建

参考郭剑桥等的研究[24]，以互联网、物联网为基础，在大数据及云计算等技术手段为支撑，构建智慧供水平台。通过传感器感知并进行数据的采集，在供水的全流程上实现了水量、水质、管网压力等监测，基于物联网来实现管理的精细化与全面化，以达到进一步提质增效的目的[25]。

供水信息共享并协同第三方系统信息资源(如交通视频系统、天气管理系统等)，建立水质数据库、雨情数据库、水量数据库，总结实际供水经验并结合供水模型对供水进行综合性实时的智能调度。并建立供水预警机制，尤其是水源地监管，实现迅速处理各类突发事件。推进供水系统由经验管理、人工管理向智慧化管理转变，提升管理效能。构建“三网”服务平台(物联网、互联网、智联网)，包括运行维护、厂网调度、风险防控、监测预警、资产管理等内容，总体框架如图3所示。

图3 服务平台总体框架

4 城市供水管家模式的体系建立

城市供水管家框架结构包含服务主体、服务内容、服务平台、质控、商业模式，其中以服务内容为核心，由第三方服务企业作用于城市供水服务系统，并借助服务平台，实施城市供水管家服务，实现安全、经济、智慧全系统全过程高质量服务。其具体框架结构如图4所示。

4.1 服务对象

城市给水管家服务对象为政府或行业行政主管部门(如水务、住建、环保等)和企事业单位。

4.2 服务目标

在区域内提高供水水质质量，减少管网漏损率，保障城市供水安全。

4.3 服务内容

提供全方位、全过程、全生命周期服务，包括规划、勘测设计、投融资、建设、运维、管理等阶段，涵盖水源地(包括常规水源、应急水源、备用水源)、取水、净水、输配水、用户端等内容。同时包括借助信息化、智慧化系统，所建立的预警预报、风险防控、供水调度等管理。

4.4 服务平台

物联感知层是信息采集，包括降雨量监测、水质监测、流量监测、视频监控、内涝积水监控、第三方接入等；互联网为基础的通讯层是按照实际需求选择光纤、4G/5G、WIFI等通讯方式。智联网包括数据层、分析层和应用层。数据层包含物联网接入管理、数据存储、数据管理、数据交换与共享等。数据的存储和管理由各数据库实现。分析层主要是数据层的基础上进行数值分析，进行预判和诊断；构建模型进行预测分析，提出预警、预报。数据层和分析层为决策支持提供数据支撑。应用层可根据需求进行设置监测预报、排水管理、工程管理等在内的多个业务模块。工程管理业务模块可将工程建设期基于BIM+GIS形成的主要成果，形成数字资产，实现设计、建设、运维的信息化融合和衔接，可实现全过程数据的流通和共享，覆盖全生命周期的智慧管理。

4.5 商业模式

商业模式有政企合作、托管服务(O&M)、资本+、企业共建模式。政企合作模式主要有ABO、PPP、EOD、EPCO等模式。其中企业间共建模式是构建产业联盟平台，共抓、共商、共建、共治、共享，产业协同，进行市场资源的配置和整合，发挥各企业的优势，促进产业链融合，推动行业发展，实现共赢合作。

5 结论与建议

本文构建了一个基于物联网的实时智能水管理系统，能够记录水位和水质参数，包含了从水源地取水、原水输水、自来水厂、配水管网至用水户的全过程。研究结果表明高效智能的水管理系统需要包含低成本、低能耗、易于部署和维护、能够实时监测、安全等基本属性。并以互联网、物联网为基础，以大数据及云计算等技术手段为支撑，进一步构建了智慧供水平台。最后，提出了城市供水管家的框架结构，其包含服务主体、服务内容、服务平台、质控、商业模式，其中以服务内容为核心，由第三方服务企业作用于城市供水服务系统，并借助服务平台，实施城市供水管家服务，实现安全、经济、智慧全系统全过程高质量服务。

图4 城市供水管家模式总体框架体系

然而，实时测量的低能耗挑战仍然存在。此外，在供水管家的服务模式的应用上还需要进一步探索。对于未来的研究方向提出以下3点建议。

(1)构建一个基于物联网和机器学习的智能水管理系统，该架构将具备所有基本属性，并使用基于机器学习的预测来增加智能管理系统的效率。

(2)将本文的供水管家模式应用于一到两个试点城市，进行案例的分析与研究。

(3)不断总结经验，锐意创新，通过实践反馈理论，进一步丰富和深化城市供水管家的模式。