基于物联网的城市泵站排水在线监测系统的设计

王占军，李孝连，薛澄波，曹志庆，唐鸿亮

（1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所；2.南京佰卓自动化技术有限公司）

基于物联网的城市泵站排水在线监测系统的设计

王占军1，李孝连2，薛澄波1，曹志庆1，唐鸿亮1

（1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所；2.南京佰卓自动化技术有限公司）

本设计是把物联网技术引入城市泵站排水系统中，实现城市泵站排水在线检测监控，采用了开放式的设计思路，综合集成和应用了视频监控、物联网传感器系统、数据库技术、移动通信技术等，提供对城市泵站排水信息的自动采集、动态监测和管理，通过实际应用，有效提高了泵站排水系统的安全管理、方便了应急情况的处理，为城市泵站排水系统智能化管理提供了一种新的解决方案。

物联网；泵站；监控；测量

1 前言

目前，我国城市排水泵站的日常运行及维护一般采用人工检查巡视的方法，具有工作量大、效率低、反应慢、成本高的缺点[1]。伴随着我国城市化进程的不断加快，城市排水泵站也越来越多，而排水泵站的管理问题也日渐增多，尤其在暴雨频发的季节，市区经常出现内涝的问题，为了提高城市泵站的运行效率和监测管理业务水平，相应国家智慧城市建设的要求，南京市城市排水管理有限公司近年一直在逐步试点建设排水泵站及管网信息化管理系统。本文设计的基于物联网的城市泵站排水在线监测系统就是其中的一个子项目。

物联网技术是当下时代工业技术升级换代的重要组成部分[2]，城市泵站排水系统物联网的引入是时代的需要，也是社会发展的必然选择。物联网技术的诞生代表着信息技术和工业的结合，它的先进特点应用于城市泵站排水系统管理工作当中，可以实现城市泵站排水系统“智能运行、科学管理”，不仅提高了城市泵站排水系统的智能化水平，降低了人工成本，而且将城市泵站排水运行的主要技术参数进行实时监测与记录，并实时将数据传输至城市排水管理中心控制室，系统按照运行管理者要求进行分析后，给城市管理者及时提供可靠水位信息和实时现场画面，并有预警功能，以便迅速做出决策，提高管理效率，使管理者在控制中心即可统筹调度全局。

2 物联网技术特征及应用

物联网就是物与物相连的互联网的统称，其主要技术特征就是通过智能模块、数据采集终端、网络传输、智能分析平台，按约定的协议把人与人、人与物、物与物全面互联的网络[3]。物联网已经成为各国构建社会经济发展新模式和重塑国家竞争力的先导领域，其不但具有重要的战略意义，而且具有广阔的应用前景[4,5]。自2009年温家宝总理在无锡提出了感知中国的概念后，物联网技术在我国进入了一个高速发展阶段，目前已经应用于我国各行各业的生产工艺流程和生产制造业的产业结构升级调整当中, 在促进各个单位企业在节能减排、提高产品质量、Sis安全联锁、提高生产经济效益、改善劳动环境等方面发挥出显而易见的作用。随着智慧城市概念的提出，物联网技术也在不断的引入到城市运行管理中。

3 城市泵站排水在线监测系统的设计依据

我国城市泵站排水系统没有统一的设计标准，各个城市大都依据本地实际情况进行建设设计，管理要求方式也多种多样，本项目设计是根据南京市城市排水管理有限公司委托的《南京市城市泵站排水在线监测系统设计》项目的要求进行了设计。

3.1 系统设计需求分析

目前承担的城市泵站排水系统的现状：①不具备预警功能，突发险情时无法及时发现；②缺乏合理的监测手段，现场情况没有科学的数据支持；③缺乏有效的排水系统状态评估和运行监测手段，排水系统运行状况不能及时掌握；④城市泵站分布区域跨度大，依靠工作人员巡查难度大，出现问题往往不能及时处理；⑤城市防汛时期，各路段的积水情况难以及时掌握。

3.2 系统方案设计[6,7,8]

本设计方案是把物联网技术引入城市泵站排水系统中，实现城市泵站排水在线检测监控，采用了开放式的设计思路，城市泵站排水在线监测系统综合集成和应用视频监控、物联网传感器系统、数据库技术、移动通信技术等，提供对城市泵站排水信息的自动采集、动态监测和管理，建立统一的视频监控平台，使管理人员不必亲临现场也能够客观准确分析并及时了解情况。

系统整体设计方案是利用工业网络将生产现场感知层采集到的生产过程泵状态（停止、启动）、泵流量、泵转速、泵电机电流、水位等实时数据和人工录入数据传输到数据采集层，数据采集层接收到的相关数据及现场摄像头录制的图像一并通过无线局域网上传并存储，期间手机可以实时观查。系统的整体结构设计主要包含现场数据采集，无线局域网、远程数据传输网络，数据存储平台，以及监控和管理系统应用平台，它是集现场检测技术、物联网技术、数据库技术、计算机技术于一体，体现了工业物联网在实时监控过程中的现代化水平。

图1 城市泵站排水在线监测系统结构设计

图2 系统体系结构图

系统结构有以下组成：1）各种现场检测设备组成设备层；2）PLC和数采模块等组成控制层；3）现场总线、工业以太网等组成网络层；

4）上位机软件和数据库组成监控层；

5）管理层软件与计算机组成管理层。

城市泵站排水在线监测系统结构设计如图1，系统体系结构如图2。

3.3 系统体系结构说明

根据城市泵站排水现场和管理层的分布位置以及现有物联网技术情况，综合考虑了技术的使用性，城市泵站排水在线监测系统采用Browser客户端，Web App服务器和DB数据端，将整个系统结构应用划分为：表现层(UI)、逻辑层(BLL)、数据采集层(RFID)。

1）表现层

通过显示器画面给管理者和操作者以直观的界面，可以查看相关信息和完成相关任务；

2）逻辑层

体现的是表现层和数据层之间的逻辑关系，通过对数据的整理，将数据按要求展现出来；

3）数据采集层

是一个信息集成平台，将采集设备的数据转换成统一的数据格式，并传送给系统数据库。

3.4 系统主要设备表

针对南京市城市泵站排水在线监测系统结构设计要求，设备主要分三部分，①中心控制室设备，如表1；②数据采集主要设备，如表2；③就地仪表主要设备，如表3。

4 系统运行

系统开发采用微软公司推出的 Microsoft Visual Studio 2017为开发环境，是目前最流行的 Windows 平台应用程序开发环境，在 VS2017开发环境下，采用ASP.NET 技术、C编程语言对系统进行开发，使系统具有可视化、界面简单明了、快速等优点。Web App服务器端采用Microsoft Windows server 2016操作系统，并安装IIS8.0的 Web服务器。

表1 中心控制室设备清单

表2 数据采集及传输主要设备清单

表3 现场就地仪表主要设备清单

（续表）

1）系统登录界面如图3.

2）系统运行操作界面如图4。

图3 系统登录界面

客户端采用 B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）架构模式，将系统程序配置到公司Web Server服务器，使用者可通过联网的计算机，打开浏览器输入服务器IP地址，输入用户名、密码即可登录该系统，查看相关信息。这种模式只需对服务器进行适当配置，不需要在用户计算机上再进行安装，简化了客户端使用的要求，有利于对系统升级和维护，方便扩展。随着智慧城市的发展，这种模式会越来越多应用到城市建设中来。

5 结果分析

图4 运行控制界面

基于物联网的城市泵站排水在线监测系统的设计完成，并经过实际运行，实现了对排水泵站泵的运行状况、管线液位、流量、流速等实时监测，实现对暴雨时各个易出现险情地区的积水情况预警，早发现、早处理、早解决，避免问题扩大。

另外，通过对城市泵站物联网技术的引入实现城市排水在线监测，为城市泵站排水系统智能化管理提供了一种新的解决方案, 通过对各泵站、井盖、管网等个体信息的采集、传输、预警, 实现城市排水运行调度科学化，提高了排水管理单位整体技术水平和服务质量。

总之，用物联网技术结合现有监控技术实现城市泵站在线监测、科学调度、智能排水是未来智慧城市发展的必然趋势。

[1] 吕东芳，宋雷震.物联网在城市泵站排水系统中的应用[J]， 湖南理工学院学报(自然科学版), 2013(3)：49—52。

[2] 赵敏，周娟，李翠红.基于物联网技术的油田设备管理研究[J]. 石化技术，2016，23（8）：267-267.

[3] 高常水，许正中，王忠. 我国物联网技术与产业发展研究关[J].中国科学基金，2012（4）：205—209.

[4]刘爱军.物联网技术现状及应用前景展望[J].物联网技术,2012,2(1):69—73.[5]Trebilcock B. Managing Manufacturing with MES[J].Modern Materials Handling，2009（9）:32—36.

[6]张学同，徐 哲，左 燕等.基于数据的城市污水泵站系统建模[J]．化工学报,2010(8)：21—24.

[7] 薛敏，李大成，沈晓铃.基于物联网技术的智慧排水系统构建[J]. 中国给水排水 . 2012(6)：17—20

[8] 石延龙，许大琴. 城市智慧排水系统设计与实现[J]. 计算机与现代化 . 2015(7)：23-25.

Design of City Drainage Information System Based on the Internet of Things

WANG Zhan-jun1,LI Xiao-lian2,XUE Cheng-bo1，CAO Zhi-qing1,TANG Hong-liang1

(1.Institute of Chemical Industry of Forest Products, CAF; 2. Nanjing Bectrl Automatic Technology Co., Ltd.)

The design of city drainage information system is based on the internet of things，This system can realize a comprehensive application of monitor drainage network, the data sharing of drainage network, communication system .According to the practical application, This system can be used to improve the pumping station data communication, strengthen safety management, easy to handle emergency pumping station. Besides, The accident alert capability will be enhanced by this system.

internet of things; drainage pumping station; monitoring ；sensing