智慧水務(wù)管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

劉觀生 徐文 吳響容

摘要：為了更有效的提高供水系統(tǒng)的安全性和運行效率，本文提出了一種智慧水務(wù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)、云計算及人工智能算法，實現(xiàn)了對供水設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，降低了維護成本，同時根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，利用人工智能算法能對供水設(shè)備的故障進行預(yù)警，并對管網(wǎng)的風(fēng)險做出評估。實踐表明，該系統(tǒng)在改善供水系統(tǒng)中起到了積極作用。

關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng);物聯(lián)網(wǎng);云平臺;人工智能

中圖分類號：TV213? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2020）10-0000-00

1 研究背景

國務(wù)院發(fā)布的“水十條”及住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)展改革委、公安部、國家衛(wèi)生計生委四部委聯(lián)合下發(fā)通知，要求加速開展改善水環(huán)境質(zhì)量為核心的水污染防治行動，重點是管網(wǎng)測漏及二次供水設(shè)施改造與建設(shè)工程。二次供水的管理面臨著一系列的問題：（1）很多設(shè)備不能遠(yuǎn)程監(jiān)控。有些泵房設(shè)備比較落后，設(shè)備缺乏聯(lián)網(wǎng)功能，不能遠(yuǎn)程進行監(jiān)測和控制，給管理帶來了很大的負(fù)擔(dān);（2）供水設(shè)備故障不能提前預(yù)警。設(shè)備運行過程中會出現(xiàn)不可意料的故障，沒有預(yù)警功能一是需要安排人定期維護，增加成本，二是故障一旦出現(xiàn)，會處理不及時，造成不必要的損失;（3）缺乏智能化的管網(wǎng)手段。二次供水會出現(xiàn)漏損的情況，如何有效的降低漏損是降低成本的有效手段。為更加有效的改進二次供水的效率，因此需要合理的設(shè)計一個更加科學(xué)的管理系統(tǒng)，以提高供水的安全性和可靠性，更加科學(xué)智能的降低管理成本，提高供水效率，給社會發(fā)展和人民生活提供更好的保障[1]。

2研究目標(biāo)

本文旨在研究一個功能齊全的智慧水務(wù)管理系統(tǒng)，一方面能實現(xiàn)對各個泵房的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，遠(yuǎn)程重現(xiàn)泵房場景，并利用隱馬爾科夫過程對供水設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時預(yù)警，降低人工維護成本;另一方面通過建立相應(yīng)的評估模型，使得該系統(tǒng)能對整個管網(wǎng)的供水狀態(tài)進行智能分析，對管網(wǎng)風(fēng)險進行評估，管理漏損，提高供水的效率;該平臺還能對管網(wǎng)采集的各種數(shù)據(jù)進行分析，得到相應(yīng)的成本優(yōu)化策略，實現(xiàn)智能化成本核算和節(jié)能功效。

3研究內(nèi)容

3.1系統(tǒng)整體概述

該系統(tǒng)主要面向供水公司和水務(wù)管理部門提供服務(wù)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水務(wù)管理系統(tǒng)主要采用的技術(shù)和提供的功能服務(wù)如下。

（1）系統(tǒng)采用了互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的物感網(wǎng)絡(luò)，可實時監(jiān)測供水泵房內(nèi)的設(shè)備的工作狀態(tài)（電壓、電機運行電流、濕漏、電機實時溫度、功率等）、泵房環(huán)境參數(shù)（環(huán)境溫度、水壓、水位、水質(zhì)和圖像等）以及室外管網(wǎng)的工況（管道內(nèi)水壓、流量、跑漏等），并通過互聯(lián)網(wǎng)或移動互聯(lián)網(wǎng)上傳至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器端對采集到的數(shù)據(jù)進行智能化處理，可以獲得泵房內(nèi)水泵的工況，水質(zhì)水位的狀況、居民時段用水量、現(xiàn)場安全預(yù)警、水質(zhì)安全預(yù)警、設(shè)備工作安全預(yù)警、管網(wǎng)運行工況、跑冒漏點定位等信息，然后顯示到PC客戶端或者移動客戶端，同時在故障出現(xiàn)時采用聲光等手段告警，使水務(wù)管理人員可實時查看和管理供水所有設(shè)備的實時工作情況，從而解決了傳統(tǒng)供水系統(tǒng)需要專業(yè)人員定期到泵房進行設(shè)備的檢測與維護，水質(zhì)的監(jiān)測存在的時效性低、工序繁瑣、成本高、安全性低、故障處理效率低等缺陷[2]。

（2）PC客戶端或移動客戶端根據(jù)運營參數(shù)，在故障發(fā)生前就捕獲到事件并自動報警，從而有效的解決了設(shè)備疲勞運行和帶病運行的問題，提高了設(shè)備的使用效率和使用壽命。同時，對跑冒漏問題也能得到及時的解決，減少了損失，進一步降低了水管爆管的概率。

（3）控制終端利用人工智能算法模型以及反向控制手段，針對居民用水時段和管網(wǎng)壓力情況，實現(xiàn)中央泵房的最佳節(jié)能自動運營模式;水質(zhì)的智能化監(jiān)測（濁度、溶解氧、氨氮含量、高錳酸鉀、金屬離子等指標(biāo)）為飲水安全提供了保障;通過互聯(lián)網(wǎng)或移動互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程泵房設(shè)備控制，大大提高了城市供水的管理能力和安全用水的保障能力。

（4）根據(jù)設(shè)備運行參數(shù)曲線分析出所有設(shè)備的運行工況，為設(shè)備檢修、管網(wǎng)維護、設(shè)備報廢等提供數(shù)據(jù)支撐和服務(wù)，同時也為后續(xù)設(shè)備的選型及采購提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.2系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)組成由泵房內(nèi)的檢測和控制設(shè)備、室外管網(wǎng)數(shù)據(jù)感知設(shè)備、基于云計算的監(jiān)控中心平臺和用戶使用終端四部分組成，通過互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)相互連接，一個監(jiān)控中心可監(jiān)測和控制某一區(qū)域或城市內(nèi)所有符合標(biāo)準(zhǔn)的泵房、管網(wǎng)，從而組成一套完整的、基于人工智能的物聯(lián)網(wǎng)智慧供水管理系統(tǒng)。

泵房內(nèi)的檢測和控制設(shè)備主要包括智能終端、PLC 控制器、環(huán)境參數(shù)檢測裝置（氣體傳感器、泵房溫度傳感器、水泵工況傳感器、水箱水位傳感器、水質(zhì)參數(shù)檢測儀、管道水壓傳感器、攝像機、拾音器）和設(shè)備運行參數(shù)檢測裝置（檢測水泵工作電壓、水泵工作電流、水泵工作功率、水泵工作轉(zhuǎn)速、水泵工作軸承溫度）、執(zhí)行裝置水泵和云臺等組成，實現(xiàn)安全供水的核心節(jié)點泵房的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備參數(shù)自動檢測，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心服務(wù)器，執(zhí)行裝置執(zhí)行監(jiān)控中心返回的控制指令，從而實現(xiàn)泵站數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理和泵站無人值守，實現(xiàn)設(shè)備故障的及時預(yù)警、供水設(shè)備的智能化最佳模式運行和遠(yuǎn)程控制，提高對城市供水的管理和用水安全的保障能力，節(jié)省大量人力和時間，大大提高工作效率和管理能力。

基于云計算的監(jiān)控中心平臺包含：WEB 服務(wù)器、WAP 服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、接口服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、基于 B/S 架構(gòu)和 SaaS 業(yè)務(wù)模式的云計算中心，從而實現(xiàn)了中心平臺監(jiān)控所有接入該系統(tǒng)的所有供水泵房，周期性接收/查看泵房測控系統(tǒng)上傳的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，并交給平臺分析和決策，通過節(jié)能智能模型實現(xiàn)對設(shè)備的自動控制。該平臺是管理人員的操控平臺，可以向泵房的各個設(shè)備發(fā)送監(jiān)測和控制指令;同時也是一個故障和問題的管理平臺，實現(xiàn)對設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化運維管理從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)視泵房設(shè)備以及管網(wǎng)的運行狀態(tài)和控制設(shè)備工作狀態(tài)的目的[3]。

基于人工智能的智慧水務(wù)管理系統(tǒng)分層模型如圖2所示。該系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)，整體架構(gòu)分成應(yīng)用層、通訊層、數(shù)據(jù)處理層和基礎(chǔ)設(shè)備層。用戶終端軟件既支持PC 終端通過互聯(lián)網(wǎng)接入，也支持手機、PAD 等移動設(shè)備通過移動互聯(lián)網(wǎng)接入，實現(xiàn)隨時隨地查看泵房的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，接收各類系統(tǒng)運行信息和遠(yuǎn)程監(jiān)視泵房設(shè)備的運行狀態(tài)，并根據(jù)運行狀態(tài)通過移動客戶端遠(yuǎn)程控制設(shè)備，且控制后的結(jié)果實時的顯示在終端設(shè)備上。

3.3研究重點

（1）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)風(fēng)險評估模型設(shè)計。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層輸入管網(wǎng)的參數(shù)（管齡、管材、管徑、接口等），管網(wǎng)的位置環(huán)境參數(shù)（氣溫、濕度、酸堿度等），管網(wǎng)的工作參數(shù)（水壓、流量）等信息，通過隱層的組合運算，在輸出端得到該管網(wǎng)存在的漏損、爆管的風(fēng)險概率，從而為管網(wǎng)監(jiān)管單位提供可靠的評估結(jié)果，進而能夠提前、及時檢修以避免爆管帶來的風(fēng)險和損失[4]。

（2）基于蟻群算法的成本優(yōu)化模型的設(shè)計。該模型通過蟻群算法對居民用水?dāng)?shù)據(jù)、水資源產(chǎn)生的費用、管網(wǎng)供水?dāng)?shù)據(jù)、泵房工作服務(wù)數(shù)據(jù)等進行優(yōu)化融合，從而得到成本優(yōu)化策略，實現(xiàn)智能化成本核算和節(jié)能功效。

（3）基于隱馬爾科夫過程的水泵工作狀態(tài)預(yù)測模型的設(shè)計。該模型根據(jù)水泵電機的運行參數(shù)、聲音和振動傳感數(shù)據(jù)、水壓的變化參數(shù)等，以及每個參數(shù)的病變概率來分析水泵的當(dāng)前工作狀態(tài)以及下一狀態(tài)的可能性，從而得出是否停用、檢修、更換等決策。

（4）實現(xiàn)泵房場景遠(yuǎn)程重現(xiàn)。泵房內(nèi)安置云臺攝像機和拾音器，通過互聯(lián)網(wǎng)或者移動互聯(lián)網(wǎng)將視頻信息、音頻信息實時傳輸?shù)剿畡?wù)控制中心的PC客戶端或者水務(wù)工作人員智能手機客戶端，使水務(wù)管理部門能在任何時間和任何地點實時掌控轄區(qū)內(nèi)任一泵房的實際場景。

（5）遠(yuǎn)程控制結(jié)果可視、可聽化。在（1）的基礎(chǔ)上，將客戶端的控制按鈕和視頻信息、音頻信息集中在同一界面下，從而實現(xiàn)客戶端遠(yuǎn)程控制能做到和現(xiàn)場控制一樣的效果。解決了工業(yè)遠(yuǎn)程控制的一個核心難點，即遠(yuǎn)程控制結(jié)果可視化、可聽化、現(xiàn)場化。這一優(yōu)勢在二次供水安全管理顯得尤其重要，如在遠(yuǎn)程發(fā)現(xiàn)水泵過熱、振動異常等問題出現(xiàn)，需要停止工作;當(dāng)在遠(yuǎn)端控制終端上按下停止按鈕后，有可能控制按鈕按下后，指令由于各種原因如網(wǎng)絡(luò)或器件的原因?qū)е聸]有執(zhí)行，或執(zhí)行失敗;如果不能實時看到遠(yuǎn)程控制的結(jié)果，會誤認(rèn)為水泵已經(jīng)關(guān)閉;而實際情況是水泵仍在運行，從而導(dǎo)致水泵燒毀或次生問題出現(xiàn);將給泵房帶來較大危險和經(jīng)濟損失。該系統(tǒng)能有效的看到（檢測到）遠(yuǎn)程控制的實際結(jié)果（視頻結(jié)果、音頻結(jié)果、傳感器數(shù)據(jù)等），如上情況，控制命令發(fā)出后，能在同一界面上看到水泵的停止運轉(zhuǎn)，聽到水泵馬達(dá)聲消失，水壓變化。

（6）提供可視化、圖形化的呈現(xiàn)方式。通過數(shù)據(jù)分析與圖形圖像呈現(xiàn)技術(shù)，將分析后的數(shù)據(jù)通過數(shù)字、儀表盤、折線圖等形式可視化，直觀地反映水質(zhì)、水位和設(shè)備工作狀態(tài)，運行情況。為管理人員提供了智能化的工作協(xié)助，便于使用者和管理者掌控供水設(shè)備管網(wǎng)的狀態(tài)?？梢暬?、圖形化呈現(xiàn)界面如圖3所示。

4結(jié)語

本文設(shè)計的智慧水務(wù)管理系統(tǒng)融合了現(xiàn)成數(shù)據(jù)采集、自動化供水技術(shù)、水質(zhì)檢測技術(shù)及安防技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測管網(wǎng)漏損點及供水設(shè)備運行故障行為，再通過軟件界面真實模擬現(xiàn)場場景以實時知道遠(yuǎn)程控制執(zhí)行結(jié)果，能夠起到降低管網(wǎng)漏損率，提高供水業(yè)的設(shè)備的管理、運行及維護能力，降低運營成本的效果。該系統(tǒng)已在一些水務(wù)供水應(yīng)用，并取得了很好的效果。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2020-08-22

作者簡介：劉觀生（1978—），男，江西宜春人，博士研究生，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究應(yīng)用。

Research and Implementation of Intelligent Water Management System

LIU Guan-sheng， XU Wen， WU Xiang-rong

（Zhejiang Technical Institute of Economics， Hangzhou Zhejiang? 310018）

Abstract：In order to effectively improve the safety and efficiency of water supply system， this paper proposes a kind of intelligent water management system. The system combines the Internet of things， cloud computing and artificial intelligence algorithm to realize the remote monitoring of water supply equipment and reduces the maintenance cost. At the same time， according to the collected data，the artificial intelligence algorithm can be used to early warn the failure of water supply equipment and evaluate the risk of water network. Practice shows that the system plays a positive role in improving the water supply system.

Key words： water supply network; internet of things; cloud platform;artificial intelligence