水利智能物联感知平台的设计与实现

张恒飞，李小龙，梅林辉

(1.长江信达软件技术(武汉)有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

0 引 言

随着水利信息化建设的快速推进，智能前端感知被不断认知和重视。以信息登记、转发、查询为主的一般性软件系统不能很好地解决用户的实际需求，以“透彻的前端感知+先进的技术体系+智能的专业模型”为核心的智能服务体系能很好地为用户管理决策提供数据和分析支持[1-2]。近年来，物联网技术取得了日新月异的发展，并在水文水情监测[3-4]、水资源监测[5]、工程安全监测[6]、水质监测[7-8]、农村水利[9]、城乡供水[10]、工程施工[11]等业务场景中取得广泛应用。

为了实现物联网感知设备在水利场景中的管理和控制，李琦等[12]提出了一种基于REST架构的湖泊环境监测物联网平台，针对湖泊环境监测传感器节点进行集成管理。谢启顺[13]提出水资源监测物联网平台的设计，利用ZigBee无线传感器网络实现水资源数据采集。孙启玉等[14]提出一种基于云技术的物联网智能灌溉系统，结合了云计算、物联网、大数据等技术，对灌溉设备和物联网终端控制器进行管理。韩续[15]基于百度云进行了MQTT协议扩展，完成了金山泵站监测设备的接入和管理。王文斌等[16]基于阿里云物联网平台，同样利用MQTT协议，实现大型农业园区混流泵房的监测控制。上述研究解决了单一项目、单一协议、同类设备的集成管理。但由于水利物联网设备建设阶段不同、所属项目不同、监测目标不同、实施单位不同，同一个管理区域、同一个工程的前端采集多种多样[16-18]，现有物联网平台难以统一接入、管理，造成运维成本高、采集保证率低等问题难以解决。针对以上问题，本文设计研发了基于分布式混合存储架构的多协议水利智能物联感知平台(图1)。与现有物联网平台相比，该平台能够灵活处理主流的网络通信协议和常见的水利报文协议，实现对水利行业已建和新建物联网设备的统一接入和管理，支持基于规则的在线预警及多种水利设备协同响应。

图1 水利智能物联感知平台总体架构Fig.1 System architecture diagram of water conservancy intelligent IoT perception platform

1 多样水利感知设备灵活接入

设备接入管理可提供前端感知设备信息接入的一系列基础能力，包括隔离设备接入的相关底层实现、通过通用型接口直接访问不同厂商、协议的各类设备。

目前市场上存在多种前端感知设备，均具有不同的通讯协议或报文体系。报文通讯协议主要可划分为通用型传输协议及专有协议两大类型。其中通用型传输协议主要包括HTTP，MQTT，OPC等主流通讯协议。水利行业前端感知的报文规约主要包括国家水文规约、国家水资源规约、环保规约等。协议解析在底层提供相关协议解析能力，通过指定相关协议类型，返回解析后的结构化信息内容，分别提供通用传输协议解析及专有协议能力解析两类主要接口。

协议管理提供一系列配置内容，供用户进行选配，便于完成协议解析及信息接入。协议管理需要实现的内容包括协议字典、通道配置、协议配置、解析项配置等功能及接口。协议字典对报文解析后的内容提供协议字典管理及选项，包括字典名称、字典代码等，以便于对解析后的报文进行结构化处理；针对RTU等设备接入，提供通道相关配置，包括通道变化、通道名称、通道组设置等基础信息设定，以及完成通道与通道组、设备与通道等相关关联配置；协议配置提供配置协议名称、帧代号、报文类型、方向、协议版本、功能码、解析项、编译项、协议体系等协议相关内容；解析项配置提供解析项能力设置，包括名称、长度、处理方法等相关配置。

水利感知设备在进行设备接入时，需对接入的设备进行协议、通道、工作模式、指令及心跳等系列配置，设备接入流程如图2所示。

图2 物联感知设备接入流程Fig.2 The accessing process of IoT perception platform equipment

在进行协议配置时，应根据接入的具体设备进行协议选择，便于正确对设备信息进行协议解析及报文结构化转换；通道关联提供设备与通道的关联设定；工作模式管理支持自报、查询/应答等方式，可以对设备的工作模式进行设置和调节；设备指令设置对设备的控制指令进行定义及关联，以便于完成后续的终端控制、心跳应答等。设备心跳配置包括链路心跳配置及状态心跳指令关联，链路心跳是为了维持长连接，状态心跳为设备注册成功后按固定周期上报设备的运行信息，例如连接方式、设备时间、上报周期、采集周期、存储周期、信号强度、存储数据、未报数据、设备能量等。同时，服务器根据用户预设的指令，可以通过对状态心跳的应答，来调整部分设备运行参数，并可以对设备进行清空存储数据、重启等基本操作。

终端远程控制是对设备的下行控制，指定设备、通道以及控制命令，用户通过系统对非工业控制场景下的设备进行控制。针对已对接联网、可实现控制的设备终端，物联网平台会实时采集设备运行状态，并将运行状态数据按统一标准格式上传存储、处理、显示，需要相关数据做分析判断时可直接调用。当根据调用数据分析产生对终端设备的控制或反馈需求时，物联网平台会将控制信息按统一标准格式下发，完成解析处理后，对终端设备发出控制指令。

在加强远程控制能力的安全管控中，控制安全极为重要，它主要能够实现控制识别、指令认证规则设定及控制日志等内容。控制识别通过令牌及非对称加密进行实现，保障控制人的完整鉴别。指令认证规则设定实现相关认证规则的设置与解析，通过预先规则设定，物联网平台仅能执行数据平台下发的控制命令，不能单独对设备进行控制，以防止误操作和恶意侵入。控制日志提供远程控制的日志记录，用于事故追踪和故障恢复。

2 海量监测数据高效管理

数据存储管理提供基于分布式的NoSQL数据存储、索引、缓存，对设备信息、监控信息等提供相关通用表及字段编码规则，并对非通用场景提供数据字段配置能力。为适应不同部署环境，客户根据数据库选型的不同，通过分布式结构和多重数据保障机制，实现数据安全的存储。系统提供通用可配置数据入库模块，可适应数据库结构变更，以增加系统的可移植性。

设计并实现通用字段规则，对符合标准的数据，按照分类标准进行分类、存储。对不符合标准的数据，按照统一存储的格式进行转换，再按照分类标准进行分类、存储。设备状态心跳成功后，RTU将存储的未报数据上报至数据库服务器，数据上报报文的数据段主要包括数据采集设备的地址、采集的时间以及采集的实际数据。封装底层数据接收与入库基础逻辑，对接数据库配置，接收数据库的数据信息并进行重新组织，去掉接收数据库里的冗余和不合理数据、提取接收数据库里的特征数据并加以处理，完成数据的接收入库自动化，对于有纠错能力的报文协议，进行数据纠错，并针对入库异常、数据不合理等情况，统一处理并进行推送通知。

针对已存储的监控数据，进行简单计算模型配置，并利用数据变量表完成数据的组织、管理和处理；基于公式、逻辑配置机制，实现通用完善的数据处理。

(1) 计算公式配置。具备简单公式编辑能力，可对简单计算进行公式设定，并能够依据计算公式提供计算接口，输出正确计算结果。

(2) 数据变量关联及提取。公式与数据存储表及字段间的关联式实现公式计算的基础，能够进行公式与字段的关联，并针对关联字段，完成字段值的提取，实现整个计算逻辑。

在物联网平台数据解析、组织及存储的基础上，进行相关数据分发接口，以便于其他子平台或模块的前端数据直接调用。

3 设备实时在线预警及联合响应

报警管理主要针对预警规则设定的报警情况，物联网子平台用户可以根据各类设备特点及监测对象情况以及海量历史监测数据，设置高限报警、低限报警以及超时报警规则，主要包含高限、低限阈值、超历史极值以及电压、电流、功率、温度、压力、流量、水位、水质等参数。当监测数据超过设定参数后，平台可自动触发报警并通过警情推送模块进行消息推送，并提供数据查询分析等服务。

报警管理主要包含实时警情及历史警情两个主要内容。其中实时警情根据硬件协议、初始值设置运行高低警戒线，触发直接报警，并可对设备上报的最新警情进行查看，需对电压、电流、功率、温度、压力、流量、水位、水质等参数进行设置；历史警情可针对用户设置时间范围，查询相应时段的警情信息。

平台支持在物理模型中加入对预警和告警的响应，且支持不同设备间的联动响应。在供水自动化的场景中，当水泵的高位水池水位低于设定的阈值，水泵会启动上水作业。在水泵启动前，响应规则会首先检查低位水池的水位，在满足安全运行条件后才允许水泵启动。

对接短信平台接口、邮件接口及web socket长连接接口信息推送，并与报警管理相关接口对接，完成警情信息的实时推送。其中，短信平台接口涉及不同平台接口定义不一致的情况，仅提供通用性短信结构化信息构成接口，不直接对接具体短信平台。

4 平台应用

水利智能物联网平台研发成功后，先后在“互联网+”城乡供水、智慧灌区、水环境监测、智慧工地等多个领域投入应用，并取得较好的应用效果。其中，在宁夏彭阳“互联网+”城乡供水项目中，共接入泵站监控45座、蓄水池监控92座、管网监测监控407处、联户表井监控7 466座以及智能水表4.3万块。上述设备上报频率在5～30 min/次，全部通过无线通信直联至平台。经过3 a的运行检验，平台运行稳定，上行采集与下行控制准确通畅，为应用系统功能提供了顺畅的感知数据和预警支撑，经受住了高并发、海量数据等考验。

5 结 语

针对水利行业物联网前端感知设备品类繁多、协议多样、运维困难的实际问题，本文提出了面向多协议的水利智能物联感知平台的设计，并在多个智慧水利项目中成功应用。该平台在物联感知设备接入方面，考虑了常用的通信协议和水利报文规约规范，克服了现有水利物联网平台在统一接入方面的瓶颈，实现了多阶段、多项目、多对象、多厂商的前端设备统一管理；应用关系型数据库、时序数据库、内存数据库的特点，实现了海量监测数据的高效存储和管理。同时，得益于多样设备的统一接入，该平台能够实现在线实时预警，并根据规则实现关联设备的协同响应。