基于物联网的供水监管系统设计与应用

陈斌　黄凯宁　林金玉　徐娇娇

摘  要：供水安全一直是民生关注的焦点，用水安全关系到广大人民群众的身体健康，因此，智慧水务是智慧城市建设中重要的一环。供水监管系统引入物联网架构建立起人-机-大数据的供水安全保护屏障。系统由可视化监管系统和便携式巡检APP组成，实现对原水、工艺、设备、工单、人员、资料等全流程监管，运用“物联网+移动应用”的巡检方式，做到对供水企业人、物、制度等要素的规范化管理，实现生产高度保障、供水安全高度保障。

关键词：供水安全；物联网技术；供水监测；巡检管理

中圖分类号：TP315；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）19-0176-05

Design and Application of Water Supply Supervision System Based on Internet of Things

CHEN Bin， HUANG Kaining， LIN Jinyu， XU Jiaojiao

（School of Computer Science and Information Engineering， Bengbu University， Bengbu  233030， China）

Abstract： The safety of water supply has always been the focus of people's livelihood， and water safety is related to the health of general public. Therefore， smart water is an important part of smart city construction. The water supply security system introduces the Internet of Things architecture to establish a water supply safety protection barrier for people-machine-big data. The system is composed of a visual supervision system and a portable inspection APP， which realizes the whole process supervision of raw water， process， equipment， work order， personnel， data， etc. The inspection method of “Internet of Things + mobile application” is used to achieve standardized management of human， material， system and other elements of water supply enterprises， and realize high guarantee of production and water supply safety.

Keywords： water supply security; Internet of Things technology; water supply monitoring; inspection management

0  引  言

随着我国经济发展和人民生活水平的不断提高，城市居民对饮水质量有了更高的要求[1]。对于供水企业而言，安全管理是否到位直接影响出厂水水质的安全性[2，3]。供水生产环节的常规化巡检是保障供水的重要手段，但传统水务仍存在一系列问题：管理模式老化，不能及时掌握系统运行状态及变化；管理水平较低，运行数据留存、查询不便，对水质的各项参数也不能及时掌控等[4]。监测数据的可视化呈现较弱，不利于系统管理人员对数据进行分析。针对以上问题，本项目设计一款供水监管系统，该系统基于数据可视化技术、物联网通信技术、软件工程、数据库技术等，对现有的水质设备监测数据、生产设备数据等进行采集、处理、分析及可视化，并通过建模进行水质安全预测、人员管理、设备生命周期管理、工单管理、信息管理等。基于物联网的供水监管系统是新型信息技术赋能下的水务数字化转型，也是支撑传统水务行业突破短板、高质量发展的必然路径与核心要务。

1  供水监管系统背景及现状

随着居民对供水水质需求的提升，以及自动化技术和信息化管理的运用，我国供水监管系统大致经历了如下四个阶段：

第一阶段：20世纪90年代初期，供水监管主要依靠人工劳动力为主。这一阶段的监管主要表现在基础信息的采集上，不同供水企业设计多种形式的报表，如水质信息、设备信息等，信息的采集需要水厂人员手动记录。

第二阶段：20世纪90年代末期，自动化技术初步发展，供水监管逐步实现阀门、泵站等设备的自动控制。水质、水压、水量等涉水数据的监测水平大大提高[5，6]，但是要实现供水全流程的自动化依旧困难，仍需要大量人工劳动力进行补充。

第三阶段：20世纪初，软件开发技术和工具大力发展，数据传感器应用于供水的全流程，以及各类数据传感器、采集器之间渐渐实现了通信连接，让部分设备数据能够进行实时监控。这一时期基本实现了数据的初步处理，但数据仍以显示为主，决策仍以人工为主，且日常的维护更新、工单管理等仍采用手工记录。

第四阶段：随着水务企业对供水监管信息化需求的提高，我国的供水监管信息化工作开始步入了自动化、智能化阶段[7，8]，供水企业开始逐步尝试运用无线传感器网络、数据库技术和现代移动通信等来建设企业自身的供水监管体系。建立取水、制水、供水等多个关键环节的监控，实现对水源环境、生产状态的24小时监控，防止供水事故的发生，降低水质污染的风险，提高用水质量，提升供水企业的管理水平。

相比其他行业而言，供水行业在我国是一个比较传统的行业，现代科技的运用尚未完全普及。仍存在不同机器设备与水质数据之间的信息孤岛问题，水厂文字资料管理尚未实现信息化，人员管理以排班表和电话通知为主。这些问题都不利于供水企业生产管理效率的提升。如果供水监管系统能够广泛运用新一代科学技术，有力地刺激物联网、智能仪表等的发展，助推水务行业与新兴产业的融合发展，相关产业也将随着智慧水务的建设迎来一轮新的发展机遇。

基于物联网的供水监管系统将使用物联网框架，对数据进行采集和传输，利用通信技术实现数据的实时监控，并运用软件工程开发供水监管系统的服务端和终端，实现在传统水务生产管理平台的基础上对整个业务流程进行升级和改造，并且在开发的过程中立足于当前水厂和企业共同面临的新问题、新需求，以实际用户体验为导向进行创新和开发。基于物联网的供水监管系统将全面解决信息孤岛、数据同步等实际问题。随着基于物联网的供水监管系统的全面推广，为智慧水务行业的可持续发展带来新的力量。

2  系统的总体设计

2.1  系统结构

本项目从蚌埠区域供水水质及信息化综合现状着手，对区域供水水质数据进行采集、分析和统计，并对蚌埠区域的典型污染物和一般污染物进行文献调研。利用数据处理和分析技术、数据建模、大数据及其可视化技术、软件工程等实现数据的单一参数、多维参数的统计分析，并对水质指标的相关性进行分析。建立蚌埠区域供水分析指标体系的构建和风险等级的划分，并对异常情况进行判断和预测。针对现有的管理流程和巡检模式的特性，分析日常水质监测、检测和生产管理的需求，开发了模块化的物联网的供水监管系统。系统自下而上包括感知层、网络层和应用层，系统总体架构如图1所示。

2.1.1  感知模块

在物联网体系结构模型中，感知层位于底层，是实现物联网的基础，是联系物理世界与虚拟世界的纽带。主要功能是信息感知、采集与控制，包含室内和室外的水质监测设备、生产控制设备等传感器、通信终端模块。

2.1.2  通信模块

主要功能是通过通信网络，实现感知数据和控制信息的双向传递。水质数据采用5分钟周期采集，数据量小，因此系统用NB-IoT通信模块实现数据互通，以及数据的高效传输，终端数据采集后直接上传到云端数据库，以便存储和下一步的数据分析。

2.1.3  应用层模块

应用层采用三层分离式的架构设计，自下而上包括数据层、业务逻辑层、视图层。这种架构可以使系统内部更加紧凑，外部层层通过接口进行交互，使得整体关联性很高，每一层中功能相互独立，使得每个部分在使用时不会出现接口相撞情况，但在每一层大的架构下，这些功能又是一个整体，层与层之间也是相互独立，只有需要访问时才通过接口进行交互，整个系统就形成了内部高聚合外部低耦合，有效提高系統的可扩展性和可靠性，降低系统的维护成本。

1）数据层。数据的储存，包括文档数据和实时数据，也包括录入数据、业务数据、统计数据和其他数据。

2）业务逻辑层。大致包括水质监测、基本配置、人员管理，业务接口、巡检模块、统计分析与辅助决策业务处理逻辑。利用经过分析处理的水质感知数据，为用户提供不同类型的特定服务，利用云计算、数据挖掘、中间件等实现感知数据的语义理解、推理、决策。同时服务器端与巡检APP的信息交互实现巡检管理的全面落实。用户只需要通过浏览器（视图层）向服务器发送请求，由服务器对数据进行相应的处理，将结果传回客户端。

3）视图层。用于实现人机交互的客户端，也就是访问系统，包括服务器端、巡检APP。

2.2  系统开发环境

针对传统技术采用C/S结构的不足，本系统服务器端设计B/S架构[9]。前端采用JavaScript单线程语言，Vue框架配合Element UI组件进行架构和功能实现，Vue-router实现单页路由，使页面非常整洁；后端采用Java面向对象程序设计语言，Spring boot框架，Redis数据缓存。Redis具有高效的特点，系统采用其作为缓存技术方案，可解决数据库压力造成的延迟现象，又能提高读写效率，进而提升系统的访问速度。数据库采用PostgreSQL，它是一种先进的关系型数据库管理系统，具有更高的普适性，针对大数据优化，功能强大，稳定可靠[10]。巡检APP模块的设计语言和服务器端基本一致，前端应用框架采用UNI-APP，该框架具有跨平台优势，实现一次编译多端运行，开发高效，成本更低[11]。巡检模块与服务器端共享同一数据库，也具备对数据库的操作权限。

3  系统功能及实现

3.1  水质监测模块

对原水、供水生产环节、出水水质等监测指标进行实时监控和显示，水质必测指标一般可分为四类：感官性状、一般化学指标、毒理学指标和细菌学指标，主要包括对pH值、高锰酸钾、浑浊度等指标的监测，针对水务相关信息再进行深度挖掘与统计分析。大数据的运用和可视化，有利于多维度展示供水水质的状态，利于管理者进行决策。实时在线监测为管理人员提供应急处理能力，从而建立起人—机—大数据的供水安全保护屏障。如图2所示。

3.2  基本配置模块

基本配置模块主要包含水厂、构筑物、设备、设备巡检内容的配置。管理员具有对水厂、构筑物、设备、设备巡检内容的增、删、改、查功能权限。系统模块化设置，主要设有四个级别：厂级—构筑物—设备级—参数级，管理员需要对管理的水厂、构筑物模块、巡检设备以及设备内的巡检内容进行配置。

3.3  人员管理模块

人员管理模块分为用户管理、角色管理。通过人员管理进行用户账号的管理，包括用户名、密码、个人信息的描述等。角色管理实现对人员角色配置，主要包含厂长、总经理、电工、水工、钳工、制水工等工种的班长及其管理的工种巡检员。由于水厂的生产管理过程涉及的责任重大，这里面的相关信息数据要做到保密，因而哪些用户可以登录系统是一个非常重要的问题，这涉及水厂数据的安全性。在用户登录问题上，采取的解决方式是由超级管理员统一添加合法用户。管理员会为每个用户赋予一个账号和密码，用户都是通过管理员给定的固定账号和密码登录系统，同时不同用户配置的权限及工作内容也不尽相同，充分体现了系统的灵活性。

3.4  信息管理模块

信息管理模块是生产管理流程的核心，贯穿整套系统，该模块涉及巡检记录、工单记录、交接班记录。巡检记录为巡检人员提供编写的信息化记录，可对比巡检化验数据和控制设备运行数据；工单记录主要涉及日常维修、设备异常、应急管理等，为方便水厂人员使用，系统设置了可视化的配置流程；交接班记录是对巡检人工作交接班信息进行保存。

信息管理模块除了具有增、删、改、查数据信息之外，还支持巡检数据的保存和备份，提供历史的轨迹回放、工作情况等的重现和可追溯，能够随时调阅历史工作资料，进行各项工作的过程重现、轨迹等分析统计工作等。支持构筑物的水质参数、巡检数据自定义导出报表助力数据分析、巡检复盘。

4  巡检APP功能设计

水厂智能巡检APP设计目标为有效解决当前水厂巡检设备的现状，帮助工作人员减轻烦琐的巡检工作量，节省水厂传统巡检所需浪费的人力物力，最大程度预防设备故障及时反馈设备信息，可以切实有效地提高水厂设备的工作效率，从而大大提高水厂的安全和业绩保障。此系统分为五个功能模块和三个信息模块。功能模块有日常巡检、基本情况、设备状态、工单管理和巡检记录；信息模块有交接班、消息管理和个人信息管理。图3为巡检APP主界面。

4.1  巡检功能模块

巡检人员通过账号登录，对管理员下发的巡检任务执行巡检工作，代替了纸质化的巡检方式，操作更加便捷，在巡检过程中，携带手持终端，通过NFC标签识别对应的构筑物及设备，录入设备情况，包含对该生产环境的各项指指标是否异常的记录（如图4所示），同时利用GPS和GPRS实现巡检轨迹的回溯，也是对巡检员工作的监督。

4.2  工单管理模块

工单管理模块可以实现对工单的发起和查询，如图5所示。如果巡检人员发现现场隐患，可以利用手持终端拍摄现场照片实时上传到供水监管系统中，系统提示管理人员进行处理，能够结合地图图文并茂地展现隐患现场，有助于掌握隐患分布情况，调整区域巡查力度，实时明确工作重点，并可以设置隐患高发区进行单独管理，以防再次发生隐患。

4.3  信息模块

信息模块由公告和消息提醒组成。管理员通过服务端发起公告，公告内容会在巡检端主页显示，实现紧急情况的及时下达；消息提醒是工单的提示，使维修人员及时了解维修任务，减少不必要的损失。

4.4  数据资料模块

数据资料是对设备信息手册、维修手册、风险管理手册、技能培训手册等的归档，包括对变频设备的使用、常见故障处理、滤池管理、电气常识、水量计量、水质检测，为工作人员在工作过程中提供更加便捷的查询资料的途径，有利于工作者更科学的决策，应对异常状况。

4.5  交班、接班模块

交接、接班模块是对巡检人員工作交接的记录，可使工作透明化。对巡检人员进行实时数据统计，记录所有巡检人员的工作情况、出勤情况和工作状态，包括工作计划完成情况。接班人员到达接班地点后进行接班，服务器记录交接班人员的操作信息。

5  基于物联网的供水监管系统应用

不同水厂根据其不同供水量的要求，设置的工艺环节、工艺设备、工艺参数和监管体制也不尽相同，例如：一个水泵设备如出现异常情况，先要分析产生异常的原因是机械故障还是供电故障，因此需要电气工程师、机械工程师、运行班组人员同时到场解决问题，耗费大量人力物力。基于物联网的供水监管系统，集日常巡检、工单管理、信息模块、数据资料模块和交接班模块等于一体，可有效解决巡检工作量大、巡检工作繁杂的问题，节省人力物力，最大程度监控和预防设备故障，并及时反馈工艺、设备运行信息，切实有效地提高水厂工作效率，从而大大提高水厂的安全和运营保障。综上，系统具有如下优势。

5.1  云物联模块保障数据实时准确可靠

水厂设备和工艺等数据信息对后面的工艺环节和整厂的全流程管理起到至关重要的作用，需要确保数据的实时性、准确性、可靠性，利用云物联模块搭建了智能终端和可视化应用的桥梁，云物联模块由云服务器、移动巡检APP、网页浏览器组成，实现了终端监测模块数据的传输、存储、分析、显示，通过应用层可视化界面预警预报异常信息，不同角色人员可以看到与自己相关的业务信息。

5.2  构建标准化全流程巡检体系

云物联模块和巡检APP的开发，可以根据不同角色和巡检规划设置巡检路线和巡检内容，巡检记录可通过图片和语言记录，后期进行识别后方便查询和检索，并提供了水厂构筑物和设备的可视化巡检记录。因此，基于物联网的供水监管系统有效弥补了人工巡检方式的不足，采用的技术都是开源性的，每个功能都具有可循环性，降低了软件开发的周期。

同时，在巡检设备时如发现设备故障，还可直接跳转生成工单，并对处理工单人员发出同步提醒。这些功能直接设置到手机端APP中，操作简便易懂。因此巡检流程不仅实现了标准化业务操作，也帮助水厂运营管理人员形成了规范性操作习惯。

5.3  全面感知及时预警

基于物联网的供水监管系统，结合在线监测、日常巡检全面感知整厂的工艺、设备、人员信息。巡检人员通过二维码、NFC标签打开设备巡检页面，通过图片、语言上传记录故障设备，自动调用工单管理中新增的功能，定位到设备点及设备参数，为不同角色人员定点、突出排查提供了便利，减少了巡检工作量；异常信息同步到云物联服务器中，应用层可视化界面同步预警异常。

6  结  论

基于物联网的供水监管系统以供水生产实际需求为出发点，对监控需求和现有信息化情况进行了充分调研，实现了对蚌埠区域供水环境质量和生产的实时监控，为管理者提供参考指标，为蚌埠区域供水安全和快速预警监测提供有效的依据。系统运用Spring Boot、Redis技术，实现了水厂管理、构筑物管理、数据配置、文件管理等六个功能。通过系统可以集中查看所有的水质数据信息，查看具体设备的运行参数及维修信息，查看水厂的音频、视频资料信息，并可以方便地进行查询、检索和统计。为企业巡回检查制度的落实及资源管理提供了技术上的保障及手段，实现对巡检作业人员的实时监管，对设备进行保养、盘点、检查等多项业务应用，助推各项制度的落实，助力管理责任的明确，从而降低设备故障率，提高供水可靠性，使得供水安全得到保障。

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作者简介：陈斌（2001—），男，汉族，安徽合肥人，本科在读，研究方向：物联网工程与设计、软件工程；通讯作者：黄凯宁（1982—），女，汉族，黑龙江鹤岗人，高级工程师，硕士，研究方向：数据挖掘、物联网工程；林金玉（2003—），

女，汉族，安徽安庆人，本科在读，研究方向：物联网工程与设计、软件工程；徐娇娇（2003—），女，汉族，安徽六安人，本科在读，研究方向：物联网工程与设计、软件工程。

收稿日期：2023-04-16

基金项目：安徽省自然科学重点项目（KJ2020A0743）；2021安徽省质量工程项目（2021jyxm0908）；2021年安徽省大学生创新创业训练计划项目（202111305066）