基于4G与工业私有云技术的水系统智能运维

李 宁，曹如义

（1.国能（天津）港务有限责任公司，天津 300452；2.北京伟联科技有限公司，北京 100089）

0 引言

公司现有水系统投入至今已有16 年，主要系统分为：市政给水系统、中压水系统、高压水系统、污水及压舱水回收系统。随着公司环保用水点的增加，现有水表计无法准确统计港区用水情况，需增加用水点表计并具备远传超标功能，满足计量统计要求。

除污水处理系统部分水表点位位于地面以上之外，大部分水表点位位于地下阀门井内。由于港区是由填海造陆形成，所以地下渗水严重，阀门井内存水量多，人工抄表时需要使用污水泵将存水抽净才能下井抄表。此现状要求智能远传水表和4G 模块应具备长久浸泡于水中仍可以正常工作，必须电池供电，同时由于金属井盖对4G 信号屏蔽严重，因而还要求4G 模块发射功率必须足够大。

人员下井抄表还存在有害气体侵害及窒息危险，另有部分表计位于高处或者铁轨之间，人工抄表存在坠落和车辆伤害风险。基于以上原因造成每次抄表都需要投入大量人力，抄完数还需要人工形成报表，形成报表过程容易出错。

1 实施目标及流程

基于以上实际情况，将原有机械水表升级为智能水表，并通过软件和无线通讯实现自动抄表，以及报表的自动生成。本次项目改造主要包含如下内容：

1）机械水表升级为智能远传水表。由于阀门井渗水严重，智能远传水表采用电池供电，并提供RS485 Modbus RTU 通讯接口。

2）增加大功率4G 模块，将水表数据传回工业私有云。由于公司管理要求，不允许服务器连接外网，因而使用一条专用宽带用于建立内部4G 专用网络，大功率4G 模块均采用电池供电。

3）建设水监控数据中心，部署数据库服务器、管网监控服务器、报表服务器、历史数据服务器、实时监控服务器。

4）设计管网流量监控画面，至少包含实时曲线、历史曲线以及各港区用水占比饼图和棒图。

项目实施流程见图1。

图1 项目实施流程图Fig.1 Project implementation flow chart

图2 水表安装示意图Fig.2 Installation diagram of water meter

2 整体方案

2.1 设计方案

经过调研发现，全厂共有164 个用水点位需要更换或加装智能水表及4G 远传模块以实现水表数据采集及自动上传的目的。

在每个远程仪表旁边安装一台带4G 远程终端设备，该设备具备与仪表通讯的接口，并且将仪表数据通过4G 网络传输至数据服务器。

在科技信息中心，设计使用北京伟联科技有限公司的工业私有云作为数据采集与存储的载体，即在机房安装一套北京伟联科技有限公司的WiCloud 系列高性能工业私有云。在虚拟化平台里虚拟出用于采集现场控制系统数据的虚拟机，和用于存储数据的数据库服务器，用于安装WiSCADA 软件作为处理并显示数据的HMI 服务器，用于查看各种报表信息的报表服务器等。工作人员使用瘦客户端连接远程桌面的方式连接到工业私有云中的虚拟机桌面，瘦客户端上的所有操作都会在虚拟机里面执行，瘦客户端本地不会存储任何数据。

工程师可以使用自己拥有的特殊权限，利用任意瘦客户端访问工业私有云内部，对虚拟化平台、虚拟机、虚拟机上运行的应用程序进行管理和维护，甚至可以使用自己的笔记本在管理员允许的情况下，远程维护工业私有云。

工业私有云平台支持主机、存储、网络的虚拟化，可以通过云平台的管理轻松创建应用虚拟机，并提供结合工业应用软件的应用模板[1]。

使用WiSCADA 软件作为数据采集与显示、存储的软件，WiSCADA 软件具有直接连接DTU 设备的功能，无需其他转换可直接连接远程所有的DTU 设备，从而采集到远程仪表的数据。

采用WiReport 软件进行报表开发，至少包括日报表、半月报表和年报表。

在现场操作员处部署瘦客户机，通过有线网络与工业私有云管理系统进行连接，操作员通过瘦客户机浏览器访问数据分析服务器进行操作与监控。

2.2 方案优势

1）数据采集先进性

IP67 防护等级，解决水浸、潮湿、封闭空间数据传输及人工抄表等难题。

具备断点续传功能，即使某个水表网络暂时中断或者需要维护时，也会在下一时刻网络恢复时将中断时间内的数据再次传输到数据中心。

传输网络采用全网通模式，在地下水井内会优先选择信号最强的运营商传输数据。

2）数据中心先进性

采用虚拟化平台架构，预装WiCLoud 虚拟化平台，并且统一管理两台物理主机。

支持虚拟机实时迁移，便于维护[2]。

RAID 1 磁盘的组件除了冗余保护之外，还采用应用分布式部署方式来实现，可以在不同的物理主机上部署相同角色的虚拟机。当一台物理机出现故障后，还会有另外一台物理机以相同角色虚拟机的应用来支撑业务[3]。

3）数据发布先进性

从数据采集到数据归档、展示，全都采用web 端管理和显示，完全摆脱客户端限制，html5 技术支持跨平台web访问，无需安装任何APP。

能够支持多种数据归档方式，支持多种数据转发方式为第三方提供数据，具有非常强大的扩展功能。

4）报表管理先进性

相对于传统人工报表方式，实现报表数据自动采集、自动记录、自动按需生成报表文件，支持报表曲线分析、图表对比分析，并且支持excel、csv 等多种格式导出。

3 硬件设计

网络架构图见图3。

图3 网络架构图Fig.3 Network architecture diagram

图4 数据库结构图Fig.4 Database structure diagram

图5 系统主画面效果图Fig.5 System main screen renderings

图6 报表查询示意图Fig.6 Schematic diagram of report query

3.1 智能远传水表与大功率4G模块

3.1.1 大功率4G模块

大功率4G 模块是专门用于将串口数据转换为IP 数据或将IP 数据转换为串口数据，并通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。

大功率4G 远程终端系列LTE DTU 采用高度集成化、高可靠性的LTE 通信模块以及低功耗工业级CPU。同时提供标准RS485 接口供用户选择，一体式电池供电，电池容量不小于57Ah，电池使用寿命不低于两年。

可支持4G 全网通通信方式，高效率纯铜天线，井下信号可靠传输。

可支持HTTP 协议POST 方式。

防护等级：IP68，水下1m，72h 正常工作。

3.1.2 智能远传水表

智能远传水表材质满足国家相关饮用水标准，DN300以内采用法兰连接，DN300 以上采用超声波插入式安装；耐压1.6MPa，分体式，输出4mA ～20mA 信号，RS485 通讯，电池供电，配10m 信号线。

工作原理：智能远传水表的测量原理基于传播速度差法、超声测量原理，测量频率1Hz[4]。

特点：微功耗设计，3.6V 锂电池，连续工作8 年，而且更换电池方便。平均功率≤0.3MW，显示器采用8 位数字以及提示符，可显示瞬时流量、累计流量，水温，累计有效运行时间，日期，时钟，正反向累计总量以及报警提示符等多项流量参数。

3.1.3 连接方式

智能远传水表与大功率4G 模块通过RS485 方式进行连接，使用Modbus RTU 协议将水表数据采集上来，通过4G 网络上传至部署在科技信息中心机房的数据服务器，数据采集频率为1 分钟采集一次，数据上传频率为30 分钟上传一次。

3.2 工业私有云

工业私有云是基于QEMU/KVM 开源服务器虚拟化管理解决方案，可以通过集成和易于使用的Web 界面或通过CLI 管理虚拟机、容器、高可用群集、存储和网络[5]。

大功率4G 模块通过4G 网络连接到科技信息中心，科技信息中心具备固定公网IP 地址，并且在科技信息中心的防火墙上做网络映射后，使DTU 的数据能够顺利传输至WiSCADA 所在的计算机。

4 软件设计

使用WiSCADA 软件作为数据采集与显示、存储的软件。WiSCADA 软件具有直接连接DTU 设备的功能，无需其他转换可直接连接远程所有的DTU 设备，从而采集到远程仪表的数据。

WiSCADA 软件运行在科技信息中心的计算机上，科技信息中心具备固定公网IP 地址，并且在科技信息中心的防火墙上做网络映射后，使DTU 的数据能够顺利传输至WiSCADA 所在的计算机。

在WiReport 中配置报表显示界面，将需要汇集成报表的数据都集中整理在报表中，使其根据需要按日、周、月、季度、年时间节点备份成CSV 格式文件存储在磁盘中，用户可登陆报表服务器查看所有报表。

在WiSCADA 软件中，启用内网穿透功能，将已经做好的HMI 画面通过安全的网络路径发布到互联网，用户使用安卓或苹果手机、平板电脑等智能移动终端设备通过4G/WiFi 就可以轻松访问到HMI 画面，用户可配置APP 单独显示不同于PC 的画面。用户使用手机或IPAD 等手持移动终端在现场巡检时可实时查看系统运行情况，经过允许的用户可以对现场设备进行启停操作。

在WiSCADA 软件中配置微信和Email 报警功能，将整个系统所有需要报警的变量按照严重等级区别配置报警级别，将严重的报警微信推送到指定负责人，将中等程度的报警推送给厂区维护人员即可，将低等程度的报警信息只做报警提示即可。

5 部署实施

在科技信息中心机房部署工业私有云部，利用两颗8核心2.4GHz 16 线程的CPU、128 的内存、4×2T 的硬盘服务器中安装虚拟化软件，集成虚拟化管理平台。

在虚拟化管理平台内部署一台数据服务器，操作系统使用Windows Server 2012 R2 标准版，其上部署数据采集客户端与Mysql Server 8.0，数据采集客户端将数据采集上之后写入Mysql 数据库。

部署一台数据分析服务器，操作系统使用Windows 10专业版，其上部署WiSCADA 3.0 软件和WiReport 报表开发软件。WiSCADA 3.0 使用Mysql 驱动从数据库采集的数据，开发实施数据曲线、历史数据曲线，历史数据查询，分区域用水量棒图、饼图，水表点位地图显示功能；使用WiReport 开发日报表、半月报表和年报表。

项目实施前，全厂100 多个水表点位全部依靠人工抄表来获取水表数据。公司要求每半个月进行一次抄表作业，每次抄表需要持续一周左右才能完成一次抄表作业。以位于地下的水表点位抄表作业为例，每次抄表需要安排6 ～7人左右专门负责抄表作业，其中1 ～2 人负责使用污水泵抽出阀门井内的渗水，1 人负责检测有害气体浓度及氧气浓度，避免下井人员产生窒息危险或者遭受有害气体伤害，1 人负责下井查看水表读数，1 人负责拉拽安全绳，保障下井人员安全，1 人负责记录数据，1 人负责安全监督，随时叫停违规操作，保障作业人员安全。由此可见，每次下井作业都需要投入大量的人力、物力和财力。

项目实施后，每分钟采集一次水表数据，每半小时通过大功率4G 设备将数据上传至数据中心，数据实时显示在WiSCADA 画面之上，同时将数据写入历史数据库。根据公司要求，系统还自动生成日报表、半月报表和年报表，并定时自动打印，省去了人工记录报表与核算数据的麻烦，数据准确性大大提高。

6 瘦客户机

在操作员侧部署瘦客户机，使用国产操作系统“优麒麟”，其上部署远传桌面软件，通过RDP 协议访问部署于工业私有云上的数据分析服务器。一台瘦客户端可以连接多个虚拟机的远程桌面，这在一定程度上可以减少操作员站数量，实现经济高效操作和管理。

瘦客户端可以连接鼠标、键盘、音响等外部设备，这种连接效果和与物理机直接连接一样。瘦客户端的所有操作都在工业私有云的虚拟机中执行，瘦客户端本机不会存储任何数据。所以，一旦瘦客户端故障，只需更换即可，无需安装操作系统和各种工业软件，而且瘦客户端比计算机更加便宜实用。

7 项目成果

项目实施后，水表数据可以自动上传至数据服务器，自动生成日报表、半月报表和年报表；定期自动打印报表节省了人工抄表的时间投入和人力投入，避免了人工抄表的坠落、窒息、有毒气体伤害、机械伤害和车辆伤害等风险。

由于工业私有云采用超融合架构，只需要部署两台服务器，一台三层可网管交换机。所有服务器以虚拟化的形式运行于工业私有云虚拟化平台，大幅度节省了设备投入、维护费用及能耗支出，从设备用电、常规设备升级和日常人工运维等多方面降低了成本。

8 结论

对于国能（天津）港务有限责任公司来说，人工抄表一直是一件非常头疼的事情，需要投入大量的人力、物力和财力，因为数量众多，地理位置分散，给水系统维护人员造成极大的不便。本文结合国能（天津）港务有限责任公司水系统现状，通过工业私有云技术和4G 技术实现了全厂水系统的智能运维，解决了传统人工抄表方式需投入大量人力物力的弊端，避免了人工抄表产生的各种人身伤害风险。如今国能（天津）港务有限责任公司可以利用4G 网络实现水表数据的自动采集、自动上传、自动生成报表和自动打印报表，进行各区域用水量的实时检测和历史数据查询，一旦发生爆管等异常情况，可以通过短时用水量的变化快速定位到故障点位，方便运维人员快速到场处理。

目前工业私有云属于免维护机制，无论硬件故障还是软件故障系统都会自动修复，维护人员只需要对坏件进行更换即可，大大降低维护成本。