农村供水信息化管理平台的开发与应用

姜成堃　李璐珊　高雪

摘 要：利用物联网、自动控制、云计算等技术，建立农村供水信息化管理平臺，实现对泵站、水厂、管网、村庄供水等信息采集、传输、监控及供水运行分析。依托智慧监测、工艺控制、管网管理、智能服务系统，提高供水运营管控能力，为农村供水运行管理提供智慧支撑，确保全区农村供水安全。

关键词：农村供水;信息化;平台;架构;成效分析

中图法分类号：S273                                              文献标志码：A

随着国家信息化建设的推进，信息化技术已经应用到各个领域，水利行业同样也得到广泛应用。以整体信息化为出发点，充分利用物联网、自动控制等技术，实现对水利信息资源的全面准确实时监测，形成强大的水利物联网，实现智慧感知，充分利用大数据、云计算等技术，对传统水利的全领域进行智慧化管理，切实提高水利建设管理水平。

1  项目背景

智慧水利是水利信息化发展的高级阶段，是实现水利现代化的关键。根据青岛市即墨区水安全保障总体规划部署，到2020年建成与小康社会相适应的水安全保障体系，到2035年建成与基本实现社会主义现代化相匹配的现代水治理体系，到21世纪中叶全面实现水利现代化的总体目标。

近年来，即墨区水利局围绕防洪排涝、水资源管理、政务办公等水利业务工作需求，全区水利信息化建设工作取得了一定成效，但仍然存在数据资源分散、数据采集处理依托传统人工巡线及手动操作、更新机制缺失、开发利用率低、工作效率低等不足。为此即墨区水利局将智慧水利建设提上重要议事日程，提出建设智慧水利实施意见，作为青岛地区试点，率先实施农村供水信息化建设，通过设计更为人性化、智能化的操作方式，提高系统的实用性和工作效率，降低工作流程的复杂程度和手工操作步骤，最终形成高效、准确、清晰的现代信息化工作流程。实施该项目对于推动即墨区由传统水利向智慧水利迈进具有重要意义。

2  管理平台架构分析及其方案对比

目前农村供水信息化相对滞后，主要表现在以下方面：一是信息资源共享程度差，信息孤岛拖累了水利信息化的发展步伐;二是未建立统一的水利信息化管理控制中心和水利信息化平台;三是项目后期管理问题突出，水利信息化建设前期投入资金大，但后期设施运行缺少管护经费，缺乏专业的技术人员实施维修维护，导致设施不能正常运行，影响投资效益发挥。基于上述问题，农村供水领域亟需提升信息化水平，建设数字化、现代化、智慧化的农村供水信息平台，需要建设农村供水生产运行数据采集与监视控制系统（简称“SCADA”）、供水管网监测系统、管网数据GIS维护系统、远程抄表系统、农村饮水水费收缴系统和水利综合信息化管理平台等应用系统，并在此基础上整合各系统监测数据、建立统一管理平台，改变主要以人工经验进行管理的模式，在供水、调水自动化、集中调度、管网运行维护和生产运行可视化等方面提高信息化水平。

在建立智慧水利大框架平台的基础上，针对农村供水和水利信息化的实际需求，以统一标准、统一平台、统一管理的方式，重点构建农村供水生产运行SCADA系统、供水管网智能监测调度系统、农村饮用水缴费系统等应用系统，采用总体规划、分步实施的办法实现系统的简单明了、实用管用。农村供水信息化管理平台架构方案对比如下。

2.1  微服务架构与单体架构

单体架构是按单个应用程序单元来构建的。一般来说，企业内的应用程序由三部分组成：数据库（通常由关系数据库管理系统中的表组成）、客户端用户界面（由HTML页面或在浏览器中运行的 JavaScript组成）以及服务器端应用程序。服务器端应用程序可以处理HTTP请求，执行某些特定域的逻辑，从数据库中检索和更新数据，以及填充要发送到浏览器的HTML视图。它是一个实现单个逻辑的可执行文件。如果想要对系统进行任何更改，开发人员必须构建和部署服务器端应用程序的更新版本。

相比之下，微服务通过面向业务的API接口来表达其功能。这些编程接口封装了核心的业务功能。服务的实现细节（可能涉及与数据系统的集成）被完全隐藏。作为业务的宝贵资产，服务可以较好地适应于多个不同的业务场景中。在业务需要的时候，同一个服务可以在多个业务流程中重用，也可以在不同的业务渠道中使用。采用松耦合的设计原则，可以最大限度地减少服务与其消费者之间的依赖关系。通过标准化的业务API表达的契约，消费者不会受到服务内部实现变化的影响。这也就允许服务的所有者可以自由实现并更改可能位于API后面的数据处理或者组合服务系统，并在不对下游的API消费者产生任何影响的情况下替换它们。

2.2  微服务架构与单体架构的对比

微服务架构是一种将一个单一应用程序开发为一组小型服务的方法，每个服务运行在自己的进程中，服务间通信采用的轻量级通信机制（通常用HTTP资源API），这些服务围绕业务能力构建并且可通过全自动部署机制独立部署。这些服务公用一个最小型的集中式的管理，服务可用不同的语言进行开发，使用不同的数据储存技术。其优点是易于开发和维护，单个服务启动快，局部修改易部署，技术栈不受限，可根据需求，实现细粒度的扩展。微服务架构与传统的单体架构相比带来的商业利益是显著的。如果部署得当，基于微服务的架构可以帮助业务避免欠下技术债务，以及大幅提高效率。例如，传统DevOps中，来自单体代码库的技术债务是真实存在的。使用单体代码库，即使是隔离的组件也共享相同的内存，并且共享对程序本身的访问。虽然这可能使代码接口和实现应用程序变得更容易，但它最终会削弱开发过程的灵活性。更重要的是，单体代码库会导致效率呈指数级下降，从而增加技术债务。例如错误解析、界面修改、添加功能和对应用程序的其他更改等杂务会影响整个应用程序，从而造成停机，以及创建低效率的环境。简而言之，单体代码库使用起来更耗时，适应性较差，维护成本更高，从而增加了技术债务。

2.3  方案对比结果

微服务架构减少了传统的单体架构带来的技术债务，为市场节约可观的时间和速度成本，这是其一项重要优势。另外，微服务架构还给企业带来了其他好处，例如服务可以动态按需扩容，当某个服务的访问量较大时，我们只需要将这个服务扩容即可。同时，代码可复用，每个服务都提供REST API，所有的基础服务都必须抽出，很多的底层实现都可以以接口方式提供，从而可以降低成本并提高利润。通过微服务架构体系与单体架构的对比，考虑后续系统的升级、扩展，为此，本项目采用微服务架构的方式进行平台的搭建。

3  平台模块设计

农村供水信息化建设总体架构是水利信息的调度控制中心，主要包括展现平台、智慧水利应用、业务中台、数据中台、云资源、智慧感知等。按三级管理平台建设，一级管理平台即中心管理平台，搭建于水利局信息控制调度中心;二级管理平台把感知层设备采集到的数据进行整合、分析，也在一级管理平台进行展示和处理;三级管理平台布置于水廠泵站生产现场（调度控制室），主要利用生产运行管理系统的组态软件来实现。

3.1  水厂泵站生产运行SCADA系统建设

为保证供水系统的稳定和提升信息化水平，实时监测水厂泵站机组的运行状态，水质情况，需要建设水厂泵站SCADA系统。生产运行SCADA系统主要包括水厂泵站的PLC自控系统、水质监测系统和中心组态软件等。

3.2  管网监测及调度系统建设

为了解管道的实时运行情况，需要对管道运行状态进行实时监测，以保障日常供水的正常进行。项目试点建设范围为调水一期、二期全部管线。根据平台规划对管道运行压力及供水流量进行监测，对整个管网的日常运行情况进行科学的管控，对监测的数据在水利综合一张图及水利综合管理平台进行展示。规划压力监测点位63个，流量监测点位16个，压力流量一体化监测点位34个，数据采集终端电池供电127个。

3.3  管网GIS维护系统建设

为确保管网数据的完整性、正确性，新建管网GIS 维护系统，面向供水企业的专业管理人员，提供专业、强大的数据录入、数据管理、数据分析、数据更新、系统维护等功能，为供水业务实现信息化管理奠定数据基础。项目设计范围为调水一期、二期、三期管线，挪城水厂、华山水厂、水厂至村庄的供水主管线、两座水厂辐射的村庄纳入管网GIS维护系统，在GIS平台上定制开发。

3.4  视频监控整合系统建设

目前多个泵站和水厂都建成了高清视频监控系统，但各个泵站和水厂都独立运行，没有一个总的监控中心，因此需要进行视频监控整合系统建设。根据调研分析和工作需求，在挪城泵站的调度中心建设视频监控整合系统，监控产品均选用海康威视的高清监控系统，满足当前高清监控清晰度的要求。

系统建成后，调度中心可以远程监视任何一个泵站/水厂任何一个监控点的图像。根据目前申请的带宽，暂时每个水厂/泵站可以同时上传的线路数为2～4路，具体数量可以在中心通过监控综合管理平台进行设置。系统在GIS平台的基础上，可以基于同一界面同时展示所有安防监测探头的空间具体位置、设备属性、故障设备个数等，可以点击具体监测设备查看实时监测视频，也可以根据需要选择多个视频设备或将同一类监测设备同时切换到主界面进行实时展示。

3.5  远程抄表系统

根据项目整体规划，选择9个村庄作为试点，安装远传水表，农村供水纳入智慧水利平台进行统一管理。可自动定时对远传水表进行数据采集，采集到的数据通过NB-IoT网络上传到系统主站，由系统主站完成对水表数据的存储、统计等。自动抄表实现足不出户就能掌握用户的用水数据，大大提高了整个供水行业的工作效率。管理软件功能模块主要包括实时监测、设备维护、统计分析、历史查询、档案管理等板块。由于远传水表带控，可以根据收费情况远程控制，方便管理。

3.6  供水综合信息管理平台

以GIS软件为基础平台，将管网数据、水厂及泵站生产数据、视频监控信息统一管理，打破系统之间数据交互的壁垒，实现供水调水一张图。

3.7  农村饮用水缴费系统

目前农村饮用水户已安装普通水表，自来水公司员工采用现场抄表、现场收费的形式进行计费和缴费，存在系统无数据留痕、收费效率低、账目不清晰、统计分析难等问题。针对这些问题，开发了农村饮用水缴费系统，其主要功能包括用户基础信息管理、水表数据管理、水费管理、用户缴费、用水户巡检报修管理、数据查询管理、用水统计报表、用水分析曲线等。

4  成效分析

（1）增设生产运行SCADA系统，实现自动化管理。改变水厂泵站等设备启停和监测由人工完成的现状，并将数据信息输送至当前综合管理平台进行管理展示。

（2）增设管网监测及调度系统，实现智慧感知。在调水一期、二期全部管线供水和调水管路上设置压力和流量传感器，通过运营商NB-IoT、4G或5G网络传输到调度中心，改变以往人工巡线人力投入大且效率低的现状，实现对整个调水管网和供水管网的智能感知，对整个管网的日常运行情况进行科学的管控，对监测的数据在水利综合一张图及水利综合管理平台进行展示，实现供水管道的实时运行监测，保障了日常供水的正常进行。

（3）增设管网GIS维护系统，强化供水标准化管理。为确保管网数据的完整性、正确性，新增为供水企业的专业管理人员提供专业、强大的数据录入、数据管理、数据分析、数据更新、系统维护等功能，为供水业务实现信息化管理奠定数据基础。

（4）视频监控系统整合，实现综合数据共享。根据调研分析和实际需求，在挪城泵站的调度中心建设视频监控整合系统，实现了数据交互共享。

（5）科学调度水库，聚力高效管理。平台的信息化管理、移动巡查管理等手段为水库管理人员提供了科学高效管理手段。1个中心携4座水库聚力管理发挥出更高的水库管理智慧，达到了“1+4>5”的功效。4座水库通过平台联合调度、协同管理充分发挥了水管单位人力、物力的合力作用，实现了精准高效管理。

（6）增设远程抄表、水费收缴系统，提高行业工作效率。增设远程抄表、水费收缴系统为农村供水实现“最后一公里”的远程监控和保障提供了针对性解决方案。自动抄表实现足不出户便能掌握用户的用水数据，大大提高了整个供水行业的工作效率。

5  项目实施建议

（1）继续完善提升。为避免农村供水重复设计信息化系统造成浪费，供水单位应立足全局，通过整体进行规划，按部就班地设计、执行、修改信息化系统。结合企业生产经营特点、人员岗位设置及附加功能模块设置等情况，设计符合自身需要的供水信息化系统。同时，在充分听取各生产经营部门对信息化系统软件在使用中存在不足的反馈基础上，及时与软件公司取得沟通，升级软件，提升供水企业信息化管理水平。

（2）加强人才培养。提高信息化运行效率必须建立一支信息化专业人才队伍，引進计算机等相关专业人才，摒弃以往“任人唯亲”的思想，以营造公开、公平的用人环境，提高供水企业信息化系统建设人才素质。定期对信息化系统管理人员进行培养，聘请计算机软件公司专家对信息系统中存在的问题、程序升级等内容进行培训，提高信息化管理工作人员业务素质，减少因管理人员计算机知识缺乏导致的工作失误及效率低下问题。

（3）加快推广应用。农村供水信息化管理平台开发实施后，平台整体运行良好，人机界面友好，输入、输出方便，图表生成灵活美观，检索、查询简单快捷，水利局在监控中心即可实时获知农村供水情况，实现了供水工程在自动化、信息化、智能化和运行调度效率等方面的提升，达到了降低运行管理成本和提升供水保障率的目的，具有较高的推广应用价值。

6  结语

建立统一指挥、分级负责、互相协调的农村供水信息化平台，是农村供水信息化建设顺利推进的重要保障。农村供水信息化建设实现了对供水、管水各环节的监控与管理，对提高水管单位专业化、标准化管理水平，保障供水工程长效运行，持续发挥社会效益具有重要意义。

参考文献：

[1]韩晓彤.信息管理系统在农村饮水安全工作中的应用[J].河北水利，2020（6）：19.

[2]张玉林.农村饮水供水安全与饮水工程建后管理思路构建[J].农业开发与装备，2021（7）：129-130.

[3]水利部.关于印发加快推进智慧水利的指导意见和智慧水利总体方案的通知[EB/OL].（2019-7-25）[2021-11-1].http：//www.mwr.gov.cn/ztpd/2020ztbd/zhslxxxszt/gzbs/202005/t20200529_1406063.html.

[4]山东省人民政府办公厅.关于山东省数字基础设施建设的指导意见[EB/OL].（2019-3-23）[2021-11-1].http：//www.shandong.gov.cn/art/2020/3/23/art_107861_106216.html.

[5]山东省人民政府办公厅.山东省数字政府建设实施方案（2019—2022年）[EB/OL].（2019-4-2）[2021-11-1].http：//www.shandong.gov.cn/art/2019/4/2/art_107851_78061.html.

[6]山东省水利厅.关于加强农村饮水安全工程长效管理机制建设的实施意见[EB/OL].（2019-12-16）[2021-11-1].http：//wr.shandong.gov.cn/zwgk_319/fdzdgknr/fgwj/gfxwj/201912/t20191226_3617035.html.

[7]山东省水利厅.山东省水利信息化建设与管理暂行办法[EB/OL].（2020-01-02）[2021-11-1].http：//m.sd.gov.cn/art/2020/1/2/art_107851_79384.html.

Development and Application of Rural Water Supply Information Management Platform

Jiang Chengkun，Li Lushan，Gao Xue

（River and Reservoir Management and Maintenance Center of Jimo District，Qingdao 266200，China）

Abstract：An information management platform for rural water supply is established by integrating the Internet of things，automatic control，cloud computing and other technologies to collect，transmit，and monitor the information of pump stations，water plants，pipe networks and village water supply and to analyze water supply operation. Relying on intelligent monitoring，process control，pipe network management and intelligent service systems，the platform is expected to improve the water supply operation and control capacity，provide intelligent support for rural water supply operation and management，and ensure the safety of rural water supply of Jimo District.

Key words：rural water supply;information technology;platform;software architecture;effectiveness analysis

收稿日期：2021-11-28

作者简介：姜成堃，男，高级工程师，硕士，主要从事水利工程建设管理工作。E-mail：slj88512604@163.com