智慧城市网

安科瑞 陈聪

摘要：为了建构完善的智慧水务系统，本文将从互联网思维角度出发展开相关研究。研究首先介绍了智慧水务系 统现状，提出了系统建设现实需求，其次进行了系统设计。通过本文研究，设计得出的智慧水务系统可以满足系统建设的现实需求，且系统能够提高水务工作效率与质量。

关键词：互联网思维；智慧水务系统；水务管理

0引言

因为现代水务管理工作的需求变得愈发复杂，导致工作展开难度加大，纯粹的人工模式逐渐不满足工作开展需要，容易导致工作质量、效率出现瑕疵，所以相关组织现已开始着手建设智慧水务系统，并取得了初步成果。但初步成果上的智慧水务系统依然存在问题，其中主要问题就是系统内各子系统之间缺乏联系，使得很多工作依旧需要人工干预，说明智慧水务系统还需要进一步完善。针对这种现象，相关学者认为智慧水务系统的进一步完善性建设应当秉持互联网思维展开，将子系统串联在一起，建构一个能覆盖水务管理需求的网络框架才能有力解决问题，并能大幅提高工作质量与效率。

1 智慧水务系统现状

目前来看，相关组织所建立的智慧水务系统主要是以智能终端为核心，在实际工作地点安装传感器等设备，或建立工作站来搭建业务子系统，然后将每个子系统连接到智能终端上，这样智能终端就能接受来源于每个业务子系统上的信息，并通过智能逻辑对信息进行识别、分析，根据信息了解业务板块情况，结合实际情况提出工作建议。例如水质检测业务子系统会向智能终端发送水体重金属元素含量信息，当终端获取该信息就会根据预先设定好的重金属元素含量标准进行数值对比，如果信息内重金属元素含量数值超过标准值，就说明水体存在重金属污染超标现象，水质明显下降，因此会发出工作建议，让人工尽快展开水质净化工作。可以看出，当前的智慧水务系统确实对实际工作有帮助，但结构上却太过简单，是以典型的直联结构，即每个子系统都是单独于智能终端保持联系的，彼此之间并没有联系，这会导致每个业务子系统传递而来的信息没有联系，也使得智能终端只能单独分析某个子系统传递而来的信息，不能很好的将所有业务子系统信息集成进行综合分析，故分析结果存在瑕疵，诸如水质检测业务子系统只能传递水质相关的信息，告诉工作人员水质存在问题，需要展开工作，但工作须针对水质污染原因展开，而这种系统结构无法直接展示具体原因（其他业务子系统会将具体原因传递到智能终端，但因为信息没有联系，所以在结果展示中无法告知人工水质污染与哪些原因有关），大部分情况下还需要人工进行排查，说明智慧水务系统有待进一步完善。

2 互联网思维下智慧水务系统设计方案

2.1 框架建设

为了在智慧水务系统进一步建设中满足所有现实需求，本文提出了一种全新的系统框架，具体如图 1 所示。

图 1 本文智慧水务系统总体框架

结合图 1 可以看到，本系统共分四个层次：首先为设备层，也被称为“物理层”，主要由各种物理设备建构而成，设备指传感器、检测仪表等。这些设备的主要功能各不相同，但实际作用统一，均是对现实信息进行采集，然后将信息传递到 PLC 总线中进行传输，因此这些设备还充当了信息发出端，均具备信号发射功能，即任意设备都能将信息转换成相关的信号，并将信号对外发射，发射出的信号会被 PLC 总线接收；然后为 PLC 控制层，该层的核心是 PLC 总线，能够接收现场载有信息的信号，信号会在总线内传递，并且在单片机控制作用下进入对应的分支通信渠道中，这样相关的信号会被集成，然后通过分支通信渠道向通信服务层传递。另外，因为通信服务层的主要设备是物理服务器，只能读取数字格式的信号，而初始化信号的格式为电的信号，所以在 PLC 控制层中还会将初始化信号的格式转换为数字格式，这一功能主要通过换能器来实现；第三为通信服务层，主要功能是作为智慧水务系统的公用通信服务器，能够解译在 PLC 控制层中初步集成的信号，获得对应信息组，然后根据编号、标签对信息组进行分类，分类后进行储存。通信服务层主要建立于以太网环境中，本文在网络搭建中所使用的网络协议为 CSMA/CD 协议，其具有多点接入的特点，满足业务子系统相互连接的需求，且该网络能作为智慧水务系统的专用网络来使用；第四为智慧水务层，该层的核心是智能终端系统，而该系统能够通过功能开发成为水务信息分析、水务工作统一化信息指挥的双用系统。本文在该系统建设中，首先依托于 Web SCADA 服务器来获得 Web Service 服务，其次通过该服务反馈到 PLC端控制，实现了交互互联的通信与智慧化控制，同时该方法下得出的智能终端系统将具备安全性高、人机交互性好的优势。

2.2 数据库建设

任何系统的运作都须建立在数据支撑的基础上，因此为了获得数据支撑，本文在框架搭建完毕后展开了数据库建设工作。结合系统运作需要，数据库建设工作一共分为两个步骤：首先是搭建关系数据库，该数据库在类型上有很多选择，诸如 MySQL、MSSQLServer、Oracle 等，但这些数据库在容量及自带功能上存在一定的差别，即 My SQL 容量比较有限，但功能相对丰富，一般用于储存量级较小，但类型复杂的数据；MSSQLServer 容量较高，但功能单一，无法对数据进行准确分类，常用于储存大型数据；Oracle 容量高、功能强大，但使用流程繁琐。系统数据库建设应当优先满足实际数据储存与应用需求，而后再考虑使用流程是否繁琐等问题，所以选择 Oracle 数据库作为关系数据库，其在实际应用中主要负责从工业数据库获取实时数据映像，然后将这些数据提供给智能终端系统，作为智能终端系统的智能逻辑支撑，同时也负责获取业务子系统中手动录入的数据，这一部分数据将作为业务处理数据来使用；其次是搭建工业数据库，该数据库须具有庞大的数据储存容量，用于支撑高速数据采集、数据压缩等功能，这些功能可以对数据进行预先处理，使智能终端系统的运作效率增快。需要注意的是，工业数据库的数据储存容量需求比关系数据库储存容量需求更高，原因在于工业数据是不断更新的，说明工业数据量级在不断增长，因此工业数据库的储存容量也要不断增长，这一需求下 Oracle 无法满足需求，故选择云数据库作为工业数据库，该数据库属于虚拟数据库，可以将数据储存在公开的网络环境中，因为公开网络环境的资源，所以云数据库的容量可以无限增长。但云数据库的应用会导致工业数据暴露在公开网络环境中，为解决这一问题，可以先将一部分云数据库储存资源封装，储存在封闭式网络环境中，该环境中的数据不会对外公开，而当内部数据储存容量接近顶点时，可以人工增加封闭式网络环境中的云数据库资源来实现容量扩张。

2.3 业务子系统设计

为了增强智慧水务系统的功能性，使其对水务管理工作需求进行全覆盖，需要在框架基础上设计业务子系统，业务子系统主要集成在智慧水务层。需要设计的业务子系统有：首先是生产运行管理系统，设计主要参考集成 SCADA 系统结构，能够对水体取用、供给、排放、引入等基础业务进行实时数据监控，也促使相关组织能够实行生命周期管理，做到生产、运作全方面管控。该子系统主要由水源地监控、自来水厂监控、供水泵站监控、用户用水监测等功能单元组成；其次是生产调度管理系统，该子系统主要负责展示生产运行管理系统的监测数据，数据展示主要由该子系统的数据可视化模块实现，通过该模块能够将实时数据绘制成数据曲线，提高数据展示的直观性。同时该系统还需要具备故障报警、故障情况展示、故障处理建议输出等功能单元；第三是管网 GIS 系统，该子系统主要与相关组织的管网排查、维护、养护、巡检等业务对接，能够帮助工作人员了解管网情况，发现问题能通过GIS 技术获得信息，确认问题所在位置，方便人工直接前往现场处理，提高相关业务工作效率。该子系统在 GIS 技术的作用下具有良好的数据准确性与数据反馈及时性，因此系统可靠性较高。该子系统主要包含管网信息系统、管网数字采集系统、管网工程管理、管网巡检管理功能、管网应急处理、供水管网模型等功能单元；第四是 DMA 分区计量管理子系统，该子系统需要具备漏损评估、漏损预警、产销差分析、水平衡分析等功能单元，这些功能单元能使得相关组织对自身经济效益进行把控。以漏损评估、漏损预警两大功能单元为例，因为漏损问题是水务经济效益影响的主要因素，漏损越小、越少则水务经济效益越高，所以首先通过漏损评估，能够让相关组织了解各个管理区域的漏损情况是否超标、是否已经接近标准，这样相关组织就能做好预先防控或对应处理工作，其次通过漏损预警功能能更好的通知人工做出有针对性的工作计划，即漏损预警功能会通过漏损报告来通知人工，报告中会显示水量分析、夜间低流量分析、异常分析，统计漏失率等重要信息，方便人工排查；第五是设备管理系统，该子系统主要负责展示水务管理工作中所有设备的情况信息，包括设备使用年限、设备数量、设备型号、设备维修记录、设备报废记录等，这些信息能够帮助人工做好设备采购、维修、保养、档案、运行、巡检等重要工作；第六是水质管理系统，该子系统主要与水质化验业务挂钩，以便相关组织保障水质安全，定期进行水质取样，然后对水质样本进行化验分析，而在该子系统帮助下，水质化验整个过程中的数据以及化验结果能迅速传输到智能终端系统中，终端系统将结合标准对数据进一步分析，如果化验结果中某个数据项目超出安全标准，会马上通知人工，并且给出处理建议。该子系统主要由项目分组、检测数据上报、检测报告生成三个功能单元组成；第七是交互通信系统，该系统比较特殊并不与任何水务管理业务对接，主要功能是支撑以上六大子系统的交互连接，实现各大子系统交互通信，将信息集成后发送到 PLC 总线内，这样就能弥补以往智慧水务系统的不足。交互通信系统一般建议采用点对点的网络协议来完成，这也是本文选择 CSMA/CD 协议的主要原因。

3 AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

3.1平台概述

安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，监测主要用能设备能效，保护污水厂运行可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。

3.2平台组成

AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。

3.3平台拓扑图

3.4平台子系统

3.4.1变电站综合自动化系统及电力监控

对水务配电系统中35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。

监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。

3.4.2电能质量监测与治理

水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。

3.4.3电动机管理

马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。同时支持与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

3.4.4能耗管理

为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。

将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。

能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业/国家指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

3.4.5智能照明控制

系统为污水厂、自来水厂、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，模块可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能，尽量利用自然光照，实现室内、厂区照明的智能控制达到安全、节能的目的。

3.4.6电气安全

①电气火灾监测：监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，实现对污水厂、自来水厂、水泵站的电气安全预警。

②消防应急照明和疏散指示：根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。系统接入消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯具工作状态和异常情况。

③消防设备电源监测：监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

④防火门监控系统：防火门监控系统集中控制其各终端设备即防火门监控模块、电动闭门器、电磁释放器的工作状态，实时监测疏散通道防火门的开启、关闭及故障状态，显示终端设备开路、短路等故障信号。系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，当终端设备发生短路、断路等故障时，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。

3.4.7 环境监测

污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。

3.4.8分布式光伏监测

实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。

平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.5D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。

3.4.9工艺仿真监控

平台通过2D、3D方式实时监视粗格栅、污水提升、细格栅、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭等工艺设备运行状态。在格栅清渣机、污水提升泵、回流泵、曝气风机、加药泵、浓缩压滤机、吸沙泵、吸泥泵等低压电动机控制柜或低压馈电柜安装电动机保护，进行短路、过流、过载、起动超时、断相、不平衡、低功率、接地/漏电、te保护、堵转、逆序、温度等保护以及外部故障连锁停机，与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

4 相关平台部署硬件选型清单

5 结论

综上，传统水务管理工作模式逐渐不满足现代工作需求，因此相关组织要努力建设智慧水务系统，而在系统建设完成后，相关组织应当对系统实际应用情况进行分析，针对其中缺点不断展开完善性建设工作，确保智慧水务系统满足实际工作需要，这样才能提高水务管理工作质量、效率。

【参考文献】

[1]孙晋生，基于互联网思维的智慧水务系统研究[J]

[2]谢丽芳, 邵煜, 马琦, 等. 国内外智慧水务信息化建设与发展[J]. 给水排水, 2018, 54(11): 135-139.

[3]周璇. 基于NB-IoT的智慧水务系统设计[D]. 东南大学, 2020.

[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版