一种基于物联网和云平台的智慧二次供水管理的实践

王菊玲，胡佳佳，肖 燕

（浙江正泰中自控制工程有限公司，浙江 杭州 310018）

0 引 言

二次供水是指供水单位将来自城市公共供水（即水厂）和自建设施（即水井）的供水，经贮存、加压或者根据需要进行深度处理和消毒后，通过管道向用户供水的方式[1]。

随着城镇化建设的推进，高层建筑飞速增长。因市政供水管网压力有限，一般只能满足1～6层用户的正常用水，而建筑高度超过市政供水服务水压的高层建筑均要进行二次供水设计[2]。由此可见，一般来说从7层开始就需要通过二次供水的方式进行解决。二次供水在城市供水中的比重越来越大，有些城市的二次供水覆盖率[1]超过60%。

二次供水方式与市政管网直接供水相比，需要经过二次供水设施这一环节，由于二次供水设施的设计、施工不达标，以及后期管理的不完善，极易导致安全事故，在我国很多城市都出现过二次供水被污染的事件。

二次供水成为高层用户供水的“最后一公里”，由于建设和管理多元化、监管职责不明晰、运行维护责任不到位，存在较大的安全隐患[3-6]。《二次供水工程技术规程》（CJJ140-2018）对二次供水水池（箱）的清洗消毒和水质检测要求为每半年举行一次，这种管理方式无法实时掌握水质情况，也无法实时掌握设备情况，很难提前发现问题事先作好预防。很多学者为解决上述问题做了大量研究：文献[7]提出了二次供水管理系统需要解决的主要问题、建设目标以及详细的需求；文献[8-9]针对多地的供水管理、卫生监督等部门在部分小区建设二次供水水质在线监测试点，开发了信息管理系统；文献[10]介绍了基于云技术搭建服务与城市社区的二次供水实时监控、预警系统及APP，分别从各个层面为提升我国的二次供水管理水平出谋划策。本文基于物联网和云平台技术，构建泵房管理可视化、告警管理网络化、运维管理智能化、智能分析数据化，从而满足二次供水智慧管理全过程的信息化管理。

1 系统主要功能模块

该系统主要包括：首页、大屏、视频监控、实时监控、运行管理、运维管理、告警管理、智能分析（BI）及系统管理。系统主要功能模块如图1所示。

图1 系统功能模块

（1）首页

当用户登录系统时进入首页，在首页中会显示如下信息：

①系统总泵房数、总出水量、告警信息处理率。

②泵房水质“优秀”“良好”“及格”及“差”的统计数据。

③泵房场景统计数据，如小区泵房数、写字楼泵房数、建筑工厂泵房数、学校泵房数等。

④区域月供水排名及区域数量排名信息。

⑤系统的最新动态，比如用户登录信息、数据修改信息、告警处理信息、工单处理信息等。

⑥在首页中显示的GIS地图可以展示各个泵房的位置，当鼠标移到某个泵房图标时，显示当前泵房的状态、出水量、进水压力、出水压力、pH值、浑浊度。

（2）大屏

以图形化的方式展示泵房总数、设备总数、泵房月供水排名、泵房使用场景占比分析、泵房供水区域统计、设备类型占比、今日报警次数、今日工单效率、报警处理效率、累计月供水量、区域设备量占比、进水压力Top10、出水压力Top10及每日供水量、GIS地图，大屏显示界面如图2所示。

图2 大屏显示界面

（3）视频监控

允许视频监控系统接入，以便查看某个泵房的视频监控文件，确保是否有无关人员、动物等闯入而影响泵房安全。

（4）实时监控

实时监控展示设备数据、水质数据、工单记录及告警记录等。

①设备数据包括实时压力曲线、瞬时流量、总流量、变频器运行状态、设备状态、设备故障、变频器故障状态、瞬时电流、瞬时电压、变频器频率、有功功率、变频器电流等。

②水质数据包括实时余氯、实时浑浊度、实时pH值、实时温度以及当前水质优劣等级评估。

③工单记录包括当前所选泵房的工单生成情况、工单处理情况及工单完成情况。

④告警记录包括当前所选泵房的告警级别、异常描述、时间、泵房、状态、责任人、联系方式及操作。

（5）运行管理

运行管理包括泵房展示、设备配置及绑定配置。

①泵房展示的内容包括泵房概览、今日泵房状态、水质监测。在此可以查看所有泵房的状态信息、进水压力、出水压力、变频器频率、变频器电流，所有泵房的pH值、温度、余氯、浑浊度及水质优劣评估。可以新增泵房，修改泵房基础信息，删除泵房基础信息。

②设备配置指可以配置与管理泵房设备，配置其设备类型、泵数量、层高、扬程、最低进水压力、最高进水压力、最低出水压力及最高出水压力。

③绑定配置可以将泵房与智能网关的3G/4G物联网卡关联，实现泵房数据通过无线网络传输至云平台。运行管理界面如图3所示。

图3 运行管理界面

（6）运维管理

运维管理包括工作单概览、工单管理及设备巡检管理。

①工作单概览以图表方式展示工单总量、待办工单量、工单效率、维修及时率、巡检率、工单类型分布统计、工单状态统计、工单全量图、工单完成量统计、工单完成时间统计、工单评级统计、巡检完成量统计、巡检完成时间统计、巡检评级统计信息。

②工单管理包括工单流程、工单历史及经验库。其中：工单流程实现从工单生成→工单下达→工单接收→工单处理→工单完成的整个过程管理；工单历史以列表的形式展示每个工单、每个过程的详细情况，可以通过责任人、开始时间-结束时间、工单编码、工单名称及泵房进行查询，也支持模糊查询；经验库可以将有借鉴意义的工单处理方法存入经验库，成为知识财富库，方便参考查阅。

（7）告警管理

告警管理包括今日告警、告警总览及告警历史。

①今日告警显示一级故障数、二级预警数、已处理异常数、待处理异常、异常处理率、设备异常率、今日泵房异常率排名以及今日所有告警信息列表，也可以通过告警等级、状态及泵房名称进行查询筛选。

②告警总览以报警中心为中心，以一级故障、二级预警及水质预警为内环，以水质污染、元素超标、设备停运、变频器故障、水压过高及水压过低为外环，显示一个告警信息筛选圆环。当鼠标点击该环中的任一位置，可以非常方便地进行告警信息筛选。经过筛选后的告警信息以列表的方式进行呈现，同时，统计不同城市的报警总数。

③告警历史以列表形式展示所有告警详细信息，可以按告警等级、状态、开始日期-结束日期及泵房名称进行查询，也可以将告警数据导出至Excel进行二次处理。每条告警信息与其点位关联，通过点击“查看点位”图标，可以打开点位所在泵房在GIS地图上的具体位置、负责人及其联系方式；通过点击“转工单”按钮，可以将告警信息转换成工单，下达给运维人员，通知运维人员处理；通过点击“忽略”按钮，对该条告警信息做一个标识。

（8）智能分析（BI）

智能分析（BI）可以对设备记录、水质记录的历史数据进行查询；可以对设备和水质进行分析；可以将流量报表、压力报表、供水量报表及水质报表生成日报表、月报表及年报表，同时，可以将这些报表下载下来，以Excel的方式保存。

（9）系统管理

系统管理包括用户管理、角色管理、组织架构管理及营业单位管理，方便按照不同区域、不同层级、不同权限进行管理，确保系统、数据的安全。

2 系统架构

该系统从应用方面分为泵房、云端及客户端三个维度，从技术实现方面分为感知层、传输层、存储层、服务层及展现层五个层面，如图4所示。

图4 系统架构

泵房除了安装二供必需的水箱、加压泵外，还需要在相应的位置安装压力传感器、流量传感器、水质传感器、温度传感器、摄像头、PLC及无线通信网关。压力传感器用于检测进水水压和出水水压；流量传感器用于检测进水水量和出水水量；水质传感器用于检测余氯浓度、pH值和浑浊度；温度传感器用于检测水的温度；摄像头用于记录整个泵房的情况；PLC采集各类传感器检测出的数据，实时传输给通信网关，通信网关通过无线网络将数据实时上传至云平台。

云端即云平台，安装MQTT（消息队列遥测传输）协议、Redis、MySQL等软件，将通信网关上传的数据进行处理并存储到相应的数据库。对于实时性要求高的数据，通过Redis数据库进行处理；将实时性要求不高的数据通过MySQL数据库进行处理，通过IIS组件进行Web发布，实现公网访问。

客户可以通过浏览器在电脑上访问本系统，也可以下载对应的APP软件在手机或者平板电脑上安装使用，做到随时随地查看和操作。

3 关键技术

本系统所用到的关键技术主要包括传感器、PLC、MQTT协议、Redis数据库及GIS服务。

（1）传感器技术

我国国家标准（GB/T 7665-2005）对传感器的定义是：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器作为信息获取的重要手段，与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。

本系统用到的传感器是智能传感器，它可以将物理信号转化成4～20 mA电流信号，供PLC识别和读取。主要使用的传感器类型包括压力传感器、流量传感器、温度传感器、pH值传感器及浑浊度传感器等水质传感器。

（2）PLC技术

PLC控制系统是在传统顺序控制器的基础上引入微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是取代继电器、执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性的远程控制系统，具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

（3）MQTT协议

MQTT是ISO标准（ISO/IEC PRF 20922）下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在TCP/IP协议族上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议。

（4）Redis数据库

Redis是一个key-value存储系统，也是一个高性能的key-value数据库，它会周期性地把更新的数据写入磁盘或者把修改操作写入追加的记录文件，可以实现master-slave（主/从）同步。

本系统将进水压力、出水压力、进水流量、出水流量、pH值、浑浊度、余氯、变频器频率、变频器电流及设备状态用Redis数据库进行处理。对于用户信息、组织机构信息、工单信息、告警信息采用MySQL等关系数据库处理。视频监控文件采用文件服务器进行处理。根据数据的特点，选用合适的处理方式提高系统响应能力。

（5）GIS服务

GIS服务是一门综合性学科，融合地理学、地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛地应用在不同的领域。

本系统所用的GIS服务为百度地图服务引擎，通过调用相应的API，实现泵房图标及数据在相应地理位置上的显示。

4 结 语

本文提出的二次供水智慧管理方案通过视频监控实现泵房管理可视化；通过3G/4G无线网络及互联网实现告警管理网络化；通过巡检管理，结合告警信息转工单功能实现运维管理智能化；通过对进水量和出水量排名、水质优劣排名、工单处理率的统计及各种日报、月报和年报数据实现数据化智能分析。本文致力于打造一种能满足物业公司及水务公司等二次供水管理单位实现全过程管理的软件平台，为他们提供技术支持，促使他们为大众提供更为优质的服务。