摘要：隨著自動化技術與互聯(lián)網通信技術的快速發(fā)展，供水行業(yè)已經發(fā)展到智慧水務階段，傳統(tǒng)的智慧水務架構僅能展示層次分析數(shù)據(jù)的內容，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的反饋功能。提出一種新的智慧水務系統(tǒng)架構，通過該架構能夠真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能統(tǒng)計、智能分析，從而真正實現(xiàn)對底層設備的智慧控制。

關鍵詞：架構；智慧水務；智能分析；智慧控制

0 引言

隨著物聯(lián)網和云計算的迅速發(fā)展，水處理行業(yè)從最初純粹的上位機控制，發(fā)展到網絡處理，繼而發(fā)展到今天的智慧處理。智慧水務概念的提出是水務行業(yè)智能化發(fā)展的必然趨勢。通過超級計算機和云計算將其整合，實現(xiàn)社會與物理世界融合。在此基礎上，人類可以更加精細和動態(tài)的方式管理生產和生活，達到智慧狀態(tài)，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。智慧水務來自智慧城市，而智慧城市來自智慧地球。本文將從連云港市自來水公司已有的項目建設出發(fā)，提出一種實用的智慧水務架構體系，為本水司智慧水務建設提供一套有效的技術方案［1］。

1 總體架構

傳統(tǒng)的智慧水務架構僅能打通信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與分析，但對于智能化反饋沒有明確的表述，只能從理論上做一個說明，針對這個問題本文提出一種新的架構，見圖1。

圖1 智慧水務總體架構圖

如圖1所示，這個架構分為4層，從下到上依次為設備層、PLC控制層、通信服務層、智慧水務層。

其中，設備層為第1層，主要包括各種傳感器、數(shù)字儀表以及現(xiàn)場各種設備。設備層通過不同廠商提供的通信協(xié)議與第2層PLC進行通信，PLC層接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)，根據(jù)自身程序進行控制設備運行，同時對上提供通信接口。

第3層為通信服務層，其主要任務是建立公用的通信服務器，也就是IOServer服務器，該服務器是核心服務器，因此使用“一用一冗"或者“多用多冗"。通信服務器主要為最上層智慧水務層提供數(shù)據(jù)通信服務。

第4層智慧水務層主要包括：（1）SCADA調度系統(tǒng)，用于實時查看各水廠、加壓泵站、二次加壓泵房、大表等設備實時數(shù)據(jù)，報警信息，給調度人員提供實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)為分布式模式設計，分布式模式是指將SCADA服務端安裝在服務器上，客戶端通過SCADA客戶端軟件實現(xiàn)通信?？蛻舳藢崿F(xiàn)顯示和控制功能，服務端實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能，客戶端出現(xiàn)故障不影響服務端正常運行。另外SCADA服務端配置成雙冗余模式，一個服務崩潰自動切換成另冗余服務，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2）WebSCADA服務器，主要是提供Web網站的實時數(shù)據(jù)顯示，該服務器能大大降低Web端程序開發(fā)的難度，提高程序開發(fā)效率。同時該服務器還提供WebService接口，用于Web程序的智慧決策和反饋調度。（3）Web服務器，主要提供PC端智慧水務系統(tǒng)各種業(yè)務和各種數(shù)據(jù)顯示服務。（4）移動服務器，主要提供移動端數(shù)據(jù)服務。（5）GIS服務器，用于提供GIS地圖相關服務，存儲相關地圖數(shù)據(jù)。（6）大數(shù)據(jù)服務器，主要用于提供海量數(shù)據(jù)，以提供給專家系統(tǒng)進行智能計算和智慧決策。

該架構最大的不同是強化了通信服務層，通信服務層可以設置具有API功能的服務，通過該服務可以為第三方平臺提供有效接口，然后通過Web服務器結合大數(shù)據(jù)服務器實現(xiàn)智慧化控制，這種方案實現(xiàn)簡單［2］。第2種方案是通過WebSCADA服務器提供WebService服務，該服務可以直接反饋到底層的PLC端控制，從而實現(xiàn)智慧化控制，這種方法安全性高，可操作性強。

2通信中心設計

通信中心是智慧水務建設的核心功能層，一個穩(wěn)定、可靠、安全的通信中心是智慧水務建設的關鍵。

2.1硬件設備的可靠性

通信設備種類繁多，總體上分為有線和無線兩大類。有線類包括雙絞線網絡和光纖網絡，無線類則通過2G、4G技術進行通信。通信設備的質量會在很大程度上決定通信質量的好壞，因此在工程施工中應盡量使用穩(wěn)定可靠的通信設備，通信線路應盡量以光纖為主、超五類網線為輔的設計思路［3］。

2.2 軟件的可靠性

軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接決定數(shù)據(jù)能否穩(wěn)定讀取，軟件主要包括：操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、通信軟件。往往最新的操作系統(tǒng)穩(wěn)定性無法保證，因此在操作系統(tǒng)的選擇上一般會選擇成熟穩(wěn)定的版本。另外，操作系統(tǒng)還要與服務器硬件相互匹配，這樣才能發(fā)揮性能。

通信類軟件的可靠性直接決定數(shù)據(jù)能否準確、及時、穩(wěn)定地傳輸?shù)酵ㄐ胖行?，通信類軟件種類繁多。一般而言，同一廠家提供的通信軟件與自己的產品兼容性最好，不同廠家通信軟件往往不相互兼容，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象。另外，通信類軟件要支持冗余，對于斷網情況要有一定的處理機制，要支持斷點續(xù)傳，這能夠保證數(shù)據(jù)的完整性。

多級通信是架構的基本要求，對于水廠要有獨立的通信服務器，調度中心要有調度中心通信服務器，如果網絡出現(xiàn)中斷，要能保證水廠等核心單元正常運轉［4］。

3 數(shù)據(jù)中心設計

數(shù)據(jù)中心是智慧水務的另一個核心區(qū)域。數(shù)據(jù)中心要根據(jù)實際需求進行劃分，總體上分為兩類，一類用于存儲業(yè)務的關系數(shù)據(jù)庫，一類用于存儲生產數(shù)據(jù)的工業(yè)數(shù)據(jù)庫。

3.1關系數(shù)據(jù)庫

目前常用的關系數(shù)據(jù)庫為MySQL、MSSQLServer、0racle。MySQL一般用于小型數(shù)據(jù)處理，是很多PHP網站的數(shù)據(jù)庫；MSSQLServer是微軟公司開發(fā)的數(shù)據(jù)庫，一般用于基于C#開發(fā)的網站，同時該數(shù)據(jù)庫被廣泛用于工業(yè)控制領域；Oracle是大型數(shù)據(jù)庫，是JSP網站的數(shù)據(jù)庫，功能強大，但是很少用于工業(yè)控制領域。

關系數(shù)據(jù)庫的建立基于業(yè)務需求，是業(yè)務需求的數(shù)學邏輯模型。在智慧水務開發(fā)設計上，關系數(shù)據(jù)庫一般有兩個方面的應用：其一是從工業(yè)數(shù)據(jù)庫獲取實時數(shù)據(jù)的映像作為邏輯數(shù)據(jù)庫的最基本數(shù)據(jù)，其二是從業(yè)務中獲取手工錄入的數(shù)據(jù)作為業(yè)務處理數(shù)據(jù)［5］。

從工業(yè)數(shù)據(jù)庫或者從SCADA系統(tǒng)獲取的實時數(shù)據(jù)稱為自動數(shù)據(jù)，手工錄入的數(shù)據(jù)稱為手工數(shù)據(jù)，自動數(shù)據(jù)往往要經過專家系統(tǒng)的計算才能用于邏輯處理中，為了保證數(shù)據(jù)的真實性自動獲取的數(shù)據(jù)一般不允許改動，邏輯處理過的數(shù)據(jù)可以修改并與手工輸入的數(shù)據(jù)形成復雜的業(yè)務邏輯。

實時數(shù)據(jù)庫往往數(shù)據(jù)量大導致處理困難，為了解決這類問題，我們往往采用加大采集時間的方式處理，以1h為最短采集時間，并分成多個表，每個表只存儲50個左右的數(shù)據(jù)點，并且只針對有邏輯計算意義的數(shù)據(jù)點進行計算存儲，情況下要每日生成一張表，保證記錄數(shù)不超過百萬條。

3.2工業(yè)數(shù)據(jù)庫

工業(yè)數(shù)據(jù)庫一般用于存儲大批量數(shù)據(jù)，其特點是高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)壓縮、海量驅動。工業(yè)庫可以存儲高密集數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)內容是智能分析的依據(jù)，一般情況下工業(yè)數(shù)據(jù)庫可以用于趨勢圖分析，實時數(shù)據(jù)采集以及智能分析，是智慧水務的數(shù)據(jù)來源。

4 系統(tǒng)設計

智慧水務系統(tǒng)主要包括的功能單元有如下幾點。

（1）生產運行管理系統(tǒng)，集成SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)取、供、用、排整個水生命周期的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理，對生產、運行情況進行總體監(jiān)控，結合視頻，更科學地進行統(tǒng)一調度，實現(xiàn)生產全面監(jiān)控管理，提高公司對整體信息的掌控，提高管理水平。主要包括模塊有水源地監(jiān)控、自來水廠監(jiān)控、供水泵站監(jiān)控、供水管網監(jiān)控、DMA分區(qū)監(jiān)測、二次供水監(jiān)控、用戶用水監(jiān)測。

（2）生產調度管理系統(tǒng)，支持監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示，具備故障報警功能，顯示故障點和故障狀態(tài)，并提示故障處理方法，支持動態(tài)顯示生產的工藝過程、參數(shù)、設備工況等。

（3）管網GIS系統(tǒng)，包括管網排查、維護、養(yǎng)護、巡檢以及統(tǒng)計分析等。

（4）供水管網模型，實現(xiàn)水壓、水量、流速、流量、水質等全要素的動態(tài)模擬顯示，具有10分鐘級別SCADA 在線校驗功能。

（5）DMA分區(qū)計量管理，具有漏損評估，漏損預警，產銷差分析，水平衡分析。

（6）設備管理系統(tǒng)，包括設備采購、設備檔案、設備運行、設備巡檢、設備保養(yǎng)、設備維修、設備改造、設備報廢等全周期設備管理。

（7）水質管理，包括化驗室管理和水質分析管理。

（8）生產統(tǒng)計分析，包括實時生產的展示，提供日、周、月生產曲線，生產數(shù)據(jù)，同比環(huán)比等，還包括能耗分析和水量異常提醒。

（9）熱線管理，根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)提供熱線管理功能。熱線系統(tǒng)不但要具備完善的業(yè)務流程，還要能夠與底層設備數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)完整的派單下發(fā)功能。

（10）移動平臺，要有可定制化的移動平臺實現(xiàn)具體業(yè)務的在線處理，數(shù)據(jù)的實時顯示，報警數(shù)據(jù)的提醒，巡檢數(shù)據(jù)的上報，工單處理的接收和數(shù)據(jù)上報等功能［6］。

5 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

5.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

5.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統(tǒng)

5.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

5.4.2電能質量監(jiān)測與治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

5.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

5.4.4能耗管理

為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

5.4.5智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

5.4.6電氣安全

①電氣火災監(jiān)測：監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

②消防應急照明和疏散指示：根據(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

③消防設備電源監(jiān)測：監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

④防火門監(jiān)控系統(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

5.4.7 環(huán)境監(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

5.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

5.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

6 相關平臺部署硬件選型清單

7 結語

通過構建智慧水務可以有效解決水務管理者面臨的各種問題，并把生產和水循環(huán)過程的各個領域都變得直觀透明，智慧水務的解決方案幫助企業(yè)更有效地從事水務管理。未來幾年將是智慧水務高速發(fā)展的時間，各水司應抓住機遇深耕公司生產業(yè)務，建立適合自己的智慧水務系統(tǒng)。

參考文獻

[1]沈南.智慧水務系統(tǒng)在城市供水中的運用研究[J].科技與創(chuàng)新，2021（7）：158-159.

[2]張瑩.智慧水務GIS管網快速關閥分析系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 智能城市，2021，7（5）：1-3.

[3]宋濤，楊進進.NB-IoT技術以及在智慧水務系統(tǒng)應用的探討[J]. 電子世界，2018（18）：182-183.

[4]陳健，蒲杰，程容濤．關于智慧水務運營管理系統(tǒng)設計及實施的幾點探討[J].給水排水，2018，54（S2）：261-263.

[5]王寶令，張美玲，張青山．智慧水務建設評價指標體系的構建[J].沈陽建筑大學學報（社會科學版），2018，20（2）：154-162.

[6]吳巍.智慧水務系統(tǒng)在城市供水中的應用[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2018（3）：152-153.

[7]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05版