基于物联网的智慧供水系统设计与实现

姜 川 李宗扬 于明旭

（正元地理信息集团股份有限公司山东分公司，山东济南 250014）

城市供水是保障城市正常运行和经济社会发展的生命线，与人们的生活息息相关，是重大的民生问题[1]，其服务质量的优劣关系到供水企业自身的利益，还会影响经济社会稳定。国家住建部2012年12月发布了《国家智慧城市（区、镇）试点指标体系（试行）》，该文件明确了二级指标“城市功能提升”中对应的三级指标“供水系统”的指标说明，即利用信息技术手段对从水源地监测到龙头水管理的供水过程实现实时监测管理，制定合理的信息公示制度，保障居民用水安全[2-4]。

随着基于大数据、物理网的信息化建设在各领域的不断发展，供水行业也相继开展满足自身发展要求的软硬件系统建设，部分供水企业已建设完成营业收费、SCADA、视频监控以及水质监测等信息化系统，这些系统已成为供水企业日常运营管理工作中的重要工具。系统建设较为分散，一般是多个软件公司在不同时期开发完成，没有统一的顶层架构设计，技术路线、标准、目标、接口存在差异，只在部分业务上满足对数据信息的管理和应用，虽然积累了大量的多源异构数据，但无法支撑深入的数据挖掘和共享，形成了信息孤岛[5-6]。在新型智慧城市建设的总体架构下，结合供水行业信息化的基础条件，应充分利用云计算、大数据和物联网技术构建软硬件一体化的智慧供水平台，在进一步加强新型智慧城市顶层设计的同时，形成供水专题管理和规划体系。通过智慧供水平台摸清管网家底，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，实现城市供水的智慧运作，提高供水企业的管理与服务水平。

1 系统建设原则

根据国家对新型智慧城市的建设要求和大量智慧供水系统的建设经验，本文设计了智慧供水系统遵循的体系框架，指导和约束本系统建设。

（1）全局性。

从实际需要规划，实现共享服务避免信息孤岛，将各个系统连接构建成有机整体，成为管理和决策法核心工具。

（2）标准性。

严格遵守国家、地方和供水行业的相关标准规范和法律法规，制定标准化的管理措施，确保系统的运行效率和操作的标准化。

（3）实用性。

系统设计应尽可能人性化，以便于在操作和数据调用时快速、便捷，界面设计友好美观、易于使用，具备灵活完善的查询和统计功能，易于数据更新和维护等，减少后期运维人员的工作量，提高工作效率。

（4）安全性。

系统必须具有完整的数据保护和备份机制，具有较强的容错能力和故障恢复能力。

（5）稳定性。

系统必须保证运行的稳定性以及运行和计算效率，支持7×24 h不间断运行。

（6）灵活性。

系统必须具有强大的参数配置功能，可以根据业务变化快速修改配置文件参数，变化相应业务以满足业务需求。

（7）开放性。

系统的开放性涉及网络、中间件、数据库等支撑软件，系统应按照开放性和标准化的原则进行规划和设计，使系统在不同使用环境具备一定的适应能力和可移植能力。

2 总体架构设计

利用物联网、大数据、云计算等新一代信息技术，连接泵站、管网、水厂各供水关键节点，覆盖从管理到决策的各个层面，收集传感器的IoT实时数据、企业的用户数据与业务数据，再将收集的数据清洗、转化为可视化的分析结果。充分考虑系统的健壮性、可拓展性、可移植性、稳定性和安全性等因素，结合智慧供水系统的具体建设内容及要求，系统总体架构。

总体架构如图1所示。

图1 总体架构

（1）设备感知层。

为水厂、泵站、水源井、管网监测点的监测传感器（如液位计、流量计、压力传感器、水质分析仪、视频监控设备等），设备感知层是智慧供水系统的物联网硬件基础，是系统功能的前端感知触角，至关重要。物联网实时监控数据由NodeJS服务程序推送至Redis消息队列，由Windows Service程序读取、接收Redis消息队列中的数据并将数据存储至数据库，采用Web Socket发布数据在系统中展示。

（2）数据服务层。

为物联网设备监测数据提供网络传输、协议解析、设备管理、安全保障等，为系统应用层提供数据引擎、消息推送等服务，为系统应用提供可靠的数据支持。数据服务层主要完成对数据的存储和处理，支持表的视图、存储、备份和恢复等，支持主流的数据库，如Access、Oracle、MongoDB、Redis等。Access为ArcGIS个人地理数据库，用于存储地理空间数据；Oracle用于存储业务数据；MongoDB用于存储实时监控数据；Redis临时性接收、存储监控数据。

（3）系统应用层。

为最终用户提供系统的管线查询、管线定位、在线监测、预警预报、巡查管理等功能，包括B/S端和Windows系统服务，是智慧供水系统与最终用户操作交互和信息交换的媒介。Web前端采用html、javascript、jquery、css3开发，兼容主流浏览器，采用统一前端样式及动画效果，快速搭建系统框架及系统功能。系统应用层和数据服务层完全分离，通过Ajax实现前后端数据通信，Nginx配置跨域请求。

3 系统功能设计

3.1 供水管网地理信息系统

供水管网地理信息系统实现对水厂、加压站、供水管网附属设施（消防栓、阀门等）及管线的统一存储和综合管理，方便供水公司工作人员掌握城市供水管网、附属设施的布设情况。系统主要功能包括管网附属设施入库、编辑、查询、统计、地图基本操作以及查询、管网数据编辑及拓扑检查、系统设置等。

供水管网地理信息系统如图2所示。

3.2 供水管网运行监控系统

供水管网运行监控系统对供水管网进行监控，实时掌握城市供水管网的主要节点处的压力、流量、水质情况。根据压力指标及时调节水厂供水量，保障城市居民尤其高层住户的生活用水需求。根据分区节点处获取的流量数据，对区域内的供水流量进行计量，以此作为供水调度、管网规划、漏损核算的重要依据。

供水管网运行监控系统如图3所示。

图3 供水管网运行监控系统

3.3 供水管网模型模拟系统

供水管网模型系统利用供水管网模型对管道内的状况进行模拟，全面掌握供水管网的运行状况，实现供水管网的管道负荷分析、静态动态水力计算分析等情景模拟分析与结果展示。结果的表达方式包括管网地图颜色表示、数据表格、数据图表、时间序列图和等值线图等。

3.4 供水管网巡检养护系统

供水管网巡检养护系统由供水管网巡检养护移动端和业务管理服务端组成，移动端系统主要实现接收任务、人员考勤、实时轨迹、隐患上报等功能，供水管网巡检养护业务管理服务端主要提供任务下发、任务统计、每日巡检、巡检点已检和未检判断等功能。供水管网巡检养护系统能够满足供水管网及其附属设施的巡查、拍照、维护、维修等工作，使供水管网的巡检养护进一步流程化、规范化和智能化，保证了供水管网及附属设施巡视缺陷、安全问题的及时处理。

4 结语

随着信息技术的迅速发展与应用，传统供水系统的控制已经难以满足信息化时代下对供水系统进行统筹安排与协调调度的实际需求，物联网、云计算、智能设备等新技术为供水业务运行与管理提供了新思路。智慧供水可有效保证供水安全，全面提升供水质量，智慧供水系统集中管理供水设施基础空间数据、供水管网数据、实时监测数据与业务数据。通过智慧供水系统的接口服务将基础地理信息数据库、管网GIS数据库、故障巡检数据库、管网工程数据库、运行监测数据库等业务数据进行流转、汇集、共享与动态更新，为供水业务的综合集成与管理提供数据分析。