基于“互联网+”的城乡供水自动化监测与管理系统设计与实现

田昊 王源楠 杨琳

摘要：城乡供水管理对社会稳定、经济发展和生活水平的提高有积极作用。开发供水自动化监测与管理系统能够提高水资源利用效率、提升供水保障率、强化水质安全保障。设计并实现了城乡供水自动化监测与管理系统，满足了城乡供水管理的现代化应用需求，对于“互联网+”城乡供水工程建设有实际指导价值。

关键词： 城乡供水; “互聯网+”; 自动化监控; 工程运维; 管理现代化

中图法分类号：TU991 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.020

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0111 - 06

0 引 言

城乡供水工程是保障社会经济可持续发展的重要水利工程。21世纪以来，随着城乡一体化进程的加快，城乡供水工程逐步解决了广大农村群众的生活用水困难及用水安全问题，改善了人民的生产生活条件，使人们能安居乐业，促进了社会的稳定和农村经济的繁荣发展[1]。

在供水工程自动化监测和管理方面，一些发达国家从20世纪60年代起就开展了对城市供水管理系统的研究，且运用了计算机技术作为供水管理辅助手段。目前，美、日、英、法等国家的一些城市已经基本实现了供水系统的计算机优化调度和管理，并形成了一些调度管理软件，如英国的GINAS及美国的OPWAD等[2]。

随着改革开放和经济发展，中国的供水自动化监测和管理系统得以开发和推广[3-5]。贾国华[6]认为建立农村饮用水安全工程管理信息化系统是发展趋势。侯景伟等[7]提出将水利工程技术、计算机信息处理技术、自动控制技术、通信技术等充分融合，建立强大的数据库，为领导决策和技术人员开展工程建设管理工作提供信息支持，是保障农村饮用水安全的有效手段。李云峰[8]论述了“智慧供水”的概念，提出智慧供水信息化建设的构想。金丽等[9]构建了农村供水信息化和自动化监控系统，解决了供水站点的数据采集监控、管道爆裂漏水不易及时发现和管道静水压力过大等问题。朱波等[10]基于智慧供水的基本概念和前沿技术，介绍了合肥智慧供水建设规划、建设内容、信息安全、支撑体系等内容。王跃国等[11]分析了农村供水工程信息化建设现状及问题，研究了人工智能技术在县级农村供水工程信息化建设中的应用。朱敏等[12]针对自动化供水信息的远程监控需求，研究了基于OPC技术的供水信息化系统的设计与应用。

但无论国外还是国内，关于城乡供水自动化全面覆盖的研究和报道相对较少。由于城区、乡镇、农村供水系统建设严重不均衡。部分地区水资源匮乏、水质较差，饮用水供需矛盾突出，人饮安全保障亟需提升。为提高水资源利用效率、提升供水保障率、强化水质安全保障，有必要建设高水平的供水自动化监测与管理系统，以缓解饮用水供需矛盾并提升广大人民群众饮水安全[13]。同时，开展高水平的信息化建设，是提升政府水务管理效能、提高社会公众服务能力的需要，也是响应国家地方各级政策，树立城乡“互联网+供水”工程典型示范的需要[14]。

因此，本文着重研究一个功能完善、维护容易、操作简单、易于复用、生命周期长的城乡供水自动化监测与管理系统，为满足信息化管理的迫切需要和为科学合理配水提供后台支撑，建设典型的“互联网+”供水工程标杆，“互联网+”城乡供水自动化监测与管理系统将云计算、大数据、物联网、GIS等技术手段应用在城乡供水工程中，实现供水全程自动化监控和运行，提升了城乡供水工程自动化技术水平，对于保障供水安全、提高管理水平具有较大意义。

1 系统总体架构

本系统总体架构分为感知层、网络层、基础层、数据层、支撑层及应用层。感知层建设水厂、泵站、蓄水池、管网、入户的流量、压力、水质、水位、视频监控等物联网设施，实现供水全过程自动化数据的采集与监测;网络层利用物联网、有线网络和4G无线网络等通讯方式，实现采集数据的传输与设备的远程控制;基础层充分利用云资源，提供弹性计算、数据存储、操作系统、安全防护等服务;数据层整合已有数据、新建数据，建设城乡供水数据库，包括基础数据库、业务数据库、管理数据库和文件系统，实现数据资源的整合、互联互通和资源共享;支撑层根据建设需要，分别部署统一身份认证、地理信息服务等内容;应用层开发供水自动化监控、工程运维管理、水费计收管理、一张图、门户、移动APP、微信公众号等系统，覆盖城乡供水管理业务，提供综合展示与移动服务窗口。系统总体架构如图1所示。

2 系统设计

2.1 数据库设计

针对水利行业不同类型的数据采用不同的存储方法。按照水利对象的设计思路，对目前涉及的水利对象采用遵循数据范式的设计思路，利用MySQL关系数据库进行存储[15]。

对于其他的非结构化数据如文档、图片、多媒体、视频等，采用CEPH集群进行存储，并与关系数据库中的对象属性进行挂载。对空间信息，如DLG/DEM/DOM等，采用ArcSDE/MySQL等数据库进行存储。

城乡供水自动化监测与管理系统数据库逻辑上可分为基础数据库、业务数据库、管理数据库和文件系统。

2.1.1 基础数据库

基础数据库是结构化数据库，存储与城乡供水自动化监测以及管理系统相关的基础性数据，包括行政区划、水库、河流等水利基础信息，水厂、水池、管网等城乡供水工程的基本信息等，可为业务数据库提供映射数据源。

2.1.2 业务数据库

业务数据库是指各完整支持业务系统的结构化数据的数据库，存储支持城乡供水自动化监测与管理系统的业务数据，由从基础数据库中映射的数据视图和自身业务需要建设的数据库表构成。业务数据库包括监测数据库和业务管理数据库两部分。

（1） 监测数据库。包括水厂自动化、蓄水池、供水管网、入户监测等，具体涵盖水厂制水及输水设备监测、蓄水池水位流量监测、管道流量压力监测、入户流量监测等。

（2） 业务管理数据库。包括城乡供水工程运行维护和水费收缴等业务相关数据，具体涵盖城乡供水工程巡检数据、维修养护数据、用户数据、水费收缴数据等。

2.1.3 管理数据库

管理数据库用于存放支撑系统正常运行的元数据、菜单信息、接口信息、用户信息、权限信息、日志信息等。

2.1.4 文件系統

文件系统存储历史监测数据、视频数据以及文件数据。

（1） 历史监测数据。专题数据库中的历史监测数据通过数据仓库技术工具进行数据抽取、转换并加载存储在文件系统中。历史监测数据通过大数据分析服务为业务系统提供大数据分析处理功能。

（2） 视频数据。文件系统存储视频数据，视频数据通过视频服务为业务系统提供视频的查询和回放功能。

（3） 文件数据。文件系统存储业务系统中的文件数据，文件数据通过文件服务为业务系统提供文件的上传、下载和浏览功能。

2.2 支撑平台设计

支撑平台包括各类中间件支撑服务，中间件支撑服务建设即利用第三方平台或软件的服务功能，为业务系统提供各类服务，具体包括通用流程、统一身份认证、智能报表、短信平台、消息中间件、数据交换、视频集成和地理信息服务等内容。

（1） 通用流程。提供工作流相应的通用流程管理功能。主要包括流程发起、待审待办查询、流程审核、流程日志图形化显示、流程流转。

（2） 统一身份认证。搭建统一身份认证平台，为各应用系统提供统一的账号权限管理、身份认证服务。主要包含用户管理、用户认证、单点登录、分级管理、权限管理、会话管理等。

（3） 智能报表。提供各类图、表的展示功能，支持多个终端，如展示大屏、PC电脑、移动手机等。提供各类报表的展示、下载、打印等功能。主要内容包括：设计器和报表页面的访问，与平台的权限认证体系进行结合控制，保证报表访问安全，以及实现定制化界面，使其与前端框架统一融合。

（4） 短信平台。基于成熟的软件产品构建短信平台，主要功能包含短信模板管理、短信发送、短信日志。

（5） 消息中间件。消息中间件提供的消息服务用来在系统的模块间和前后端间快速数据传输。通过消息引擎来进行消息的发布通知，实现实时数据更新。主要包含消息发送服务、消息接收服务、消息队列、消息持久化服务。

（6） 数据交换。平台需要与已建系统等进行数据的交换，基于数据仓库技术（ETL）实现数据交换服务，即自动化数据抽取、交换及加载。

（7） 视频集成。视频集成主要采用对接主流厂商软件开发工具包为主要技术路线。在设备对接方面，主要在其SDK接口功能上进行二次开发，对接相应功能接口，完成视频接入、设备管理等相应功能。在完成设备对接后，沿用平台总体技术路线，完成相应后端服务及前端呈现相应功能。

（8） 地理信息服务。地理信息服务基于开源GIS框架，进行基础空间数据服务与展示相关基础能力建设，包括后端服务与前端呈现两个部分内容。后端服务主要为地理信息服务的后端逻辑实现，主要包括数据管理与空间数据服务两个部分;前端呈现为地理信息服务的前端实现，负责地图渲染、可视化、逻辑交互等方面任务，内容包括地图交互、图层管理、可视化展现等内容。

2.3 系统功能设计

城乡供水自动化监测与管理系统包含7个子模块，分别为供水自动化监控、工程运维管理、水费计收管理、一张图、门户、移动APP、微信公众号。城乡供水自动化监测与管理系统功能框架如图2所示。

（1） 供水自动化监控。供水自动化监控模块采集并监测水厂、清水池、管网、入户水表和视频监控的有关信息，实现水厂、清水池、测控井、水表等设备的自动化监控，整合监测数据并集中展示，满足快速了解运行状态和处理预警预报事件、降低水量损失、设备损失、维修成本的需求，实现整个供水系统的灵活高效和智能运行。供水自动化监控具备工程组态管理、报警预警管理、监测数据管理、远程控制、视频监控等功能。供水自动化监控工程组态管理界面如图3所示。

（2） 工程运维管理。工程运维管理模块能直观地获取设备的运行状态、养护信息和维修信息，快速发现设备存在的隐患或者故障，发送预警信息至运维人员和管理人员，推动其进行相应的应急维护或定期养护操作。同时，能够记录运维管理人员对工程及自动化设备的巡检情况和检查结果，实现城乡供水工程运行维护的电子化和信息化管理。工程运维管理将各类对象巡检、维修、养护流程模板化，并将预警报警与运维流程耦合，实现运维人员对故障的快速响应。工程运维管理子系统具备工程信息管理、工程巡检、维修管理、养护管理等功能。工程运维管理模块维修管理功能界面如图4所示。

（3） 水费计收管理。水费计收管理模块实现系统远程抄表，提供信息公布的网络平台和短信推送服务，并能支持IC卡水费预交、微信公众号等多种缴费方式，能够统计分析用水量、用水异常情况、水费收缴情况等信息，方便领导和业务人员把握水费计收具体形势，提高信息化管理水平。水费计收系统具备用户管理、水费管理、水价管理、智能水表管理和统计分析等功能。水费计收管理模块水费管理界面如图5所示。

（4） 一张图。一张图综合展示模块在二维或三维电子地图基础上，运用地理信息技术实现人饮信息的整合发布，支持水源地、水厂、清水池、输配水管网、测控井、分水井等供水工程建筑和设备监测数据、工程管理、预警报警、巡检维修等动态信息的展示和查询，并对供水形势、工程运行形势、水费收缴形势和用水反馈等业务信息进行综合性解析展示。一张图综合展示界面如图6所示。

（5） 门户。系统门户聚合各类信息，建设专题门户，将供水工程运行、设备运行状态等实时监测数据、各项重要指标统计、各项重点工作进展、重要新闻事件、便民政务等方面信息按照各级权限向不同层级的管理人员集中展示，形成管理门户;对社会公众聚合重要新闻事件、政务公开、水费缴纳、通知公告等相关信息，形成公众门户;并对各个业务系统聚合相关专题信息，形成业务门户。管理门户界面如图7所示。

（6） 移动APP。移动APP实现信息化管理系统的全覆盖，集成各个业务科室的工作，提高工作效率，满足用户实时掌握供水工程运行、供水用水、巡检维修等情况。移动APP提供移动一张图、实时数据查询、预警预报、移动控制、巡检维修等移动管理能力。移动APP界面如图8所示。

（7） 微信公众号。面向社会公众用户，开发微信公众号，实现网上营业厅、公告信息、客户服务等功能。以微信公众号为载体，打通计量、控制、运维、服务数据链条，为群众提供移动报装、报修、缴费途径，提升服务质量和群众满意度。微信公众号界面如图9所示。

3 结 语

本文以城乡供水为研究背景，设计并实现“互联网+”城乡供水自动化监测与管理系统，满足城乡供水管理的现代化应用需求。系统将云计算、大数据、物联网、GIS等技术手段应用于城乡供水工程中，建设智慧管理与服务应用，实现供水全过程监控计量、需水供水、运行管理、检修养护，以及缴费服务的信息化、移动化、智能化。通过系统建设，充分保障了城乡供用水安全，能够提高和改善供水管理效益、效率及可靠性，从而实现供水管理的自动化、数字化、现代化、智能化和高效化。系统基于 Java 技术开发，有利于后期的拓展与维护，具有很强的实用价值。

本文设计的系统在彭阳县“互联网+城乡供水”项目全面应用，实现45座泵站、92座蓄水池、407处管网节点、4.3万用水户的智能监控，针对农村供水运维保障差、水费收缴难、服务质量低等问题，探索形成农村管网运行维护快速响应技术，建成农村供水移动服务应用，打通计量、控制、运维、服务数据链条，破解了水费收缴难问题，达到节水、降本、增效的突出效果，实现了“同源、同质、同网、同价”城乡供水均等化服务模式，缓解了水资源缺乏与人民群众生活需求之间的矛盾，群众满意度达98%，为可持续脱贫提供了基础保障。

该项成果实现了全县域智慧农村供水，为农村供水行业建设和发展起到了引领和示范作用，被中央和地方媒体广泛报道，全国各地水管单位参观调研百余次，水利部部长率全国农村饮水安全工作现场会与会人员实地观摩;已成功向宁夏西吉、原州、海原等区县以及新疆于田县等地区推广应用。

参考文献：

[1] 尹兆龙，信昆仑，项宁银，等. 城市供水系统优化调度现状与展望研究[J]. 环境科学与管理，2014，39（1）：51-55.

[2] 孟凯. 基于java的城市供水管理系统研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2013.

[3] 张恒飞，成雪夫，田昊，等. 基于物联网的农村供水运行与检测技术研究[J]. 水利规划与设计，2021（10）：38-41，116.

[4] 姜川，李宗扬，于明旭. 基于物联网的智慧供水系统设计与实现[J]. 智能城市，2021，7（17）：17-18.

[5] 张硕，王如华. 城镇供水系统规划设计标准支撑平台[J]. 工程建设标准化，2020（6）：71-75.

[6] 贾国华.  聊城市农村饮水安全工程管理信息化系统开发与应用研究[D]. 济南：山东大学，2010.

[7] 侯景伟，李小建. 基于GIS的饮水安全评价与预测系统研究[J]. 地域研究与开发，2008（5）：120-123.

[8] 李云峰. 智慧供水信息化建設的构想[J]. 城镇供水，2018（5）：52-60，15.

[9] 金丽，郑强，毕华军. 农村供水工程安全调控与自动化系统应用[J]. 山东水利，2017（12）：40-41.

[10] 朱波，郑飞飞，刘业政，等. 面向智慧城市的合肥智慧供水规划与建设[J]. 中国给水排水，2021，37（6）：143-148.

[11] 王跃国，赵翠，宋家骏. 人工智能技术在安徽省县级农村供水工程信息化建设中的应用建议[J]. 中国水利，2020（1）：43-44，47.

[12] 朱敏，陆苏月，朱志敏，等. 基于OPC技术的供水信息化系统的设计与应用[J]. 电工技术，2018（18）：130-132，135.

[13] 邓广龙，唐文军，田力. 基于GPRS的城市供水管网远程监控系统[J]. 自动化技术与应用，2008，27（5）：129-131.

[14] 张焘. “互联网+”在智慧城乡供水体系中的研究[J]. 科技创新与应用，2021，11（13）：77-79.

[15] 张泽琳. 基于计算机软件工程的数据库编程技术[J]. 电子技术与软件工程，2021（17）：200-201.

（编辑：李 晗）