一种新的智慧水务系统架构设计与探讨

李吉壮

（连云港市自来水有限责任公司 江苏 连云港 222006）

0 引言

随着物联网和云计算的迅速发展，水处理行业从最初纯粹的上位机控制，发展到网络处理，继而发展到今天的智慧处理。“智慧水务”概念的提出是水务行业智能化发展的必然趋势。通过超级计算机和云计算将其整合，实现社会与物理世界融合。在此基础上，人类可以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。“智慧水务”来自“智慧城市”，而“智慧城市”来自“智慧地球”。本文将从连云港市自来水公司已有的项目建设出发，提出一种实用的智慧水务架构体系，为本水司智慧水务建设提供一套有效的技术方案[1]。

1 总体架构

传统的智慧水务架构仅能打通信息孤岛，实现数据的共享与分析，但对于智能化反馈没有明确的表述，只能从理论上做一个说明，针对这个问题本文提出一种新的架构，见图1。

如图1所示，这个架构分为4层，从下到上依次为设备层、PLC控制层、通信服务层、智慧水务层。

其中，设备层为第1层，主要包括各种传感器、数字仪表以及现场各种设备。设备层通过不同厂商提供的通信协议与第2层PLC进行通信，PLC层接收现场数据，根据自身程序进行控制设备运行，同时对上提供通信接口。

第3层为通信服务层，其主要任务是建立公用的通信服务器，也就是IOServer服务器，该服务器是核心服务器，因此使用“一用一冗”或者“多用多冗”。通信服务器主要为最上层智慧水务层提供数据通信服务。

第4层智慧水务层主要包括：（1）SCADA调度系统，用于实时查看各水厂、加压泵站、二次加压泵房、大表等设备实时数据，报警信息，给调度人员提供实时数据。系统为分布式模式设计，分布式模式是指将SCADA服务端安装在服务器上，客户端通过SCADA客户端软件实现通信。客户端实现显示和控制功能，服务端实现数据处理功能，客户端出现故障不影响服务端正常运行。另外SCADA服务端配置成双冗余模式，一个服务崩溃自动切换成另冗余服务，保证系统稳定性。

（2）WebSCADA服务器，主要是提供Web网站的实时数据显示，该服务器能大大降低Web端程序开发的难度，提高程序开发效率。同时该服务器还提供WebService接口，用于Web程序的智慧决策和反馈调度。

（3）Web服务器，主要提供PC端智慧水务系统各种业务和各种数据显示服务。

（4）移动服务器，主要提供移动端数据服务。

（5）GIS服务器，用于提供GIS地图相关服务，存储相关地图数据。

（6）大数据服务器，主要用于提供海量数据，以提供给专家系统进行智能计算和智慧决策。

该架构最大的不同是强化了通信服务层，通信服务层可以设置具有API功能的服务，通过该服务可以为第三方平台提供有效接口，然后通过Web服务器结合大数据服务器实现智慧化控制，这种方案实现简单[2]。第2种方案是通过WebSCADA服务器提供WebService服务，该服务可以直接反馈到底层的PLC端控制，从而实现智慧化控制，这种方法安全性高，可操作性强。

2 通信中心设计

通信中心是智慧水务建设的核心功能层，一个稳定、可靠、安全的通信中心是智慧水务建设的关键。

2.1 硬件设备的可靠性

通信设备种类繁多，总体上分为有线和无线两大类。有线类包括双绞线网络和光纤网络，无线类则通过2G、4G技术进行通信。通信设备的质量会在很大程度上决定通信质量的好坏，因此在工程施工中应尽量使用稳定可靠的通信设备，通信线路应尽量以光纤为主、超五类网线为辅的设计思路[3]。

2.2 软件的可靠性

软件系统的稳定性直接决定数据能否稳定读取，软件主要包括：操作系统软件、数据库软件、通信软件。往往最新的操作系统稳定性无法保证，因此在操作系统的选择上一般会选择成熟稳定的版本。另外，操作系统还要与服务器硬件相互匹配，这样才能发挥最优的性能。

通信类软件的可靠性直接决定数据能否准确、及时、稳定地传输到通信中心，通信类软件种类繁多。一般而言，同一厂家提供的通信软件与自己的产品兼容性最好，不同厂家通信软件往往不相互兼容，容易出现数据中断现象。另外，通信类软件要支持冗余，对于断网情况要有一定的处理机制，要支持断点续传，这能够保证数据的完整性。

多级通信是架构的基本要求，对于水厂要有独立的通信服务器，调度中心要有调度中心通信服务器，如果网络出现中断，要能保证水厂等核心单元正常运转[4]。

3.3 冗余设置分析

通信中心的冗余配置是非常关键的部分，由于IOServer服务器是核心服务器，其性能的稳定性和安全性直接决定上位机软件能否正常运行，因此该服务器往往采用冗余模式。

冗余模式包括网络冗余和通信软件冗余。网络冗余是指在某一网络出现物理线路中断或者逻辑通信中断后，能够自动切换到另一路网络，从而保证物理通信链路稳定性的网络通信方式。

网络冗余可以采用硬件和软件两种方法实现，硬件方法可以采用三层交换机实现，该实现过程称为链路聚合，它是指将多条以太网物理链路捆绑在一起使其成为一条逻辑链路。由于PLC自身的IP地址一般设置为一个，在工程施工中可以将多条物理链路设置为同一个IP地址，从而实现冗余通信。很多大型PLC厂商也有专门的工业通信网卡，多个网卡之间能够通过专用软件实现链路聚合，这种方法简单快捷，但缺点是工业网卡价格昂贵。

软件方法可以通过操作系统实现多网卡链路聚合，Windows服务器系统就可以通过NIC组合将同一台服务器上的多个物理网卡通过软件绑定成一个虚拟的网卡，从而实现网络冗余，该方法价格低廉，实现方便，是小型项目工程的首选方法。

通信软件冗余是指在通信软件出现通信中断或者软件故障时，能够自动切换到另一台服务器上的通信软件。通信软件冗余一般设置成互为冗余，即两台通信服务器完全一致。上位机软件设定一台为主服务器，一台为冗余服务器，实现无缝切换。通信软件往往具备数据存储功能，因此对于丢失的数据也能够实现断点续传。

工业通信冗余是工程设计中非常重要的过程，对工程的安全性和稳定性有着重要的意义。

3 数据中心设计

数据中心是智慧水务的另一个核心区域。数据中心要根据实际需求进行划分，总体上分为两类，一类用于存储业务的关系数据库，一类用于存储生产数据的工业数据库。

3.1 关系数据库

目前常用的关系数据库为MySQL、MSSQLServer、Oracle。MySQL一般用于小型数据处理，是很多PHP网站首选的数据库；MSSQLServer是微软公司开发的数据库，一般用于基于C#开发的网站，同时该数据库被广泛用于工业控制领域；Oracle是大型数据库，是JSP网站的首选数据库，功能强大，但是很少用于工业控制领域。

关系数据库的建立基于业务需求，是业务需求的数学逻辑模型。在智慧水务开发设计上，关系数据库一般有两个方面的应用：其一是从工业数据库获取实时数据的映像作为逻辑数据库的最基本数据，其二是从业务中获取手工录入的数据作为业务处理数据[5]。

从工业数据库或者从SCADA系统获取的实时数据称为自动数据，手工录入的数据称为手工数据，自动数据往往要经过专家系统的计算才能用于逻辑处理中，为了保证数据的真实性自动获取的数据一般不允许改动，逻辑处理过的数据可以修改并与手工输入的数据形成复杂的业务逻辑。

实时数据库往往数据量大导致处理困难，为了解决这类问题，我们往往采用加大采集时间的方式处理，以1h为最短采集时间，并分成多个表，每个表只存储50个左右的数据点，并且只针对有逻辑计算意义的数据点进行计算存储，极端情况下要每日生成一张表，保证记录数不超过百万条。

连云港市自来水有限责任公司已经存在多个功能复杂的系统，针对这种情况，我们建议已有的系统提供第三方接口，这样可以避免重建复杂的关系库。如果要修改其他系统的数据，只需要直接调用第三方接口就可以，修改和保存必须在本地数据库保留映像数据，这样能保证双方数据同步。

3.2 工业数据库

工业数据库一般用于存储大批量数据，其特点是高速数据采集、数据压缩、海量驱动。工业库可以存储高密集数据，其数据内容是智能分析的依据，一般情况下工业数据库可以用于趋势图分析，实时数据采集以及智能分析，是智慧水务的数据来源。

4 系统设计

智慧水务系统主要包括的功能单元有如下几点。

（1）生产运行管理系统，集成SCADA系统，实现取、供、用、排整个水生命周期的实时数据监控和管理，对生产、运行情况进行全方位总体监控，结合视频，更科学地进行统一调度，实现生产全面监控管理，提高公司对整体信息的掌控，提高管理水平。主要包括模块有水源地监控、自来水厂监控、供水泵站监控、供水管网监控、DMA分区监测、二次供水监控、用户用水监测。

（2）生产调度管理系统，支持监测数据的实时显示，具备故障报警功能，显示故障点和故障状态，并提示故障处理方法，支持动态显示生产的工艺过程、参数、设备工况等。

（3）管网GIS系统，包括管网排查、维护、养护、巡检以及统计分析等。

该系统是智慧水务的一个重要系统，其中数据是管网GIS系统的核心，数据的准确性和及时性是各业务部门对信息化系统信任的基础，因此在建设系统前必须打好数字基础。该系统建设分为两个阶段，第一阶段主要实现管网基本功能包括：

Ⅰ）管网信息系统：主要实现管网数据录入，数据编辑功能，对供水管网中管段和管点数据的属性和空间位置进行编辑。

Ⅱ）管网数字采集系统：该系统主要完成管网空间数据的采集与入库功能，采集人员可以结合相关软硬件现场采集数据，保障数据的准确性，为后续信息建设打下夯实的数据基础。

Ⅲ）管网工程管理：主要实现对工程设计、工程审批、工程建设、工程施工及工程竣工验收等流程、资金往来、材料物资等全方位的管理。

第二阶段主要实现管网巡检管理功能、管网应急处理功能，巡检系统主要针对巡检业务设计开发，采用手持移动设备实现管网数据在移动端上的应用，同时将巡检数据实时上报到服务管理端。应急处理主要用于处理应急报警、抢修、维修功能。

（4）供水管网模型，实现水压、水量、流速、流量、水质等全要素的动态模拟显示，具有10分钟级别SCADA在线校验功能。

（5）DMA分区计量管理，具有漏损评估，漏损预警，产销差分析，水平衡分析。

漏损问题是智慧水务管理的核心问题，如何减少漏损对自来水公司有着重大的经济效益，因此漏损管理系统就显得非常重要。漏损系统主要通过各分区内监测信息的采集，生成用水信息，通过专家系统对数据进行计算，生成用水量分析、夜间最小流量分析、异常分析，统计漏失率、漏损率、水平衡分析、产销差分析以及管网健康状况分析，提供异常报警。

（6）设备管理系统，包括设备采购、设备档案、设备运行、设备巡检、设备保养、设备维修、设备改造、设备报废等全周期设备管理。

（7）水质管理，包括化验室管理和水质分析管理。水质安全是自来水公司最重要的安全，水质管理系统是核心管理系统，该系统包括两部分数据，一部分通过仪表自动采集上传到系统，一部分通过实验室人工操作获取数据。仪表采集的数据要实现定时上报，预警管理以及报警管理，自动采集的数据还可以作为实验室检测数据的参考数据。人工检测数据将存入实验室综合管理系统，数据来源主要为手工录入和设备上传导入。

该系统主要包括：

Ⅰ）项目分组：主要是针对样品要检测的内容进行分组，检测标准依据国标进行。

Ⅱ）样品任务分配：样品任务分配是系统核心功能之一，主要是根据检测任务分配相应的检测项目，并分配给对应的检测人员。

Ⅲ）检测数据上报：对于检测完成的数据，系统能够提供多种方式上报数据，可以通过手工填报，也可以通过设备直接导入。对于生成的数据系统具备自动审核和人工审核功能。

Ⅳ）自动生成报告：对于已经检测完毕并且数据已经审核的样品，系统能够提供多种报告模板生成方式，以方便打印。

（8）生产统计分析，包括实时生产的展示，提供日、周、月生产曲线，生产数据，同比环比等，还包括能耗分析和水量异常提醒。能耗分析对于公司节能减排有很重要意义，其分析生成的数据还能够对底层设备有一定的反馈作用，这也是智慧水务系统的一个重要应用。

（9）热线管理，根据系统提供的数据提供热线管理功能。热线系统不但要具备完善的业务流程，还要能够与底层设备数据对接，实现完整的派单下发功能。

（10）移动平台，要有可定制化的移动平台实现具体业务的在线处理，数据的实时显示，报警数据的提醒，巡检数据的上报，工单处理的接收和数据上报等功能[6]。

5 结语

通过构建智慧水务可以有效解决水务管理者面临的各种问题，并把生产和水循环过程的各个领域都变得直观透明，智慧水务的解决方案帮助企业更有效地从事水务管理。未来几年将是智慧水务高速发展的时间，各水司应抓住机遇深耕公司生产业务，建立适合自己的智慧水务系统。