基于物聯(lián)感知的機(jī)關(guān)節(jié)水仿真系統(tǒng)建設(shè)探究

王 妍

(北京市智慧水務(wù)發(fā)展研究院，北京 100036)

北京作為首都,分布著數(shù)量眾多的各類機(jī)關(guān),這些行業(yè)在公共生活行業(yè)中占據(jù)著非常重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年北京市機(jī)關(guān)行業(yè)(含寫字樓)用水量達(dá)1.33億m3,占公共生活用水量的19.91%,是北京市公共生活行業(yè)中用水量最大、比例最高的行業(yè)[1-2]。因此在機(jī)關(guān)行業(yè)加強(qiáng)用水管理和開展節(jié)水工作對(duì)北京市開展節(jié)水型城市創(chuàng)建具有重要意義[3-4]。

本文以北京市水務(wù)系統(tǒng)某機(jī)關(guān)樓宇為案例，通過遠(yuǎn)傳水表實(shí)時(shí)采集辦公樓用水?dāng)?shù)據(jù)，仿真模擬樓宇內(nèi)用水概況，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)水平衡分析，從而挖掘節(jié)水潛力。本研究旨在提高用水監(jiān)管的直觀性、及時(shí)性、精準(zhǔn)性，為節(jié)水型城市建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)仿真

BIM(Building Information Modeling)，是以數(shù)據(jù)對(duì)象的形式組織和表現(xiàn)建筑及其組成部分，并以智能3D模型模擬工程項(xiàng)目全生命周期或部分階段的信息的數(shù)字化模型[5-7]。本研究以BIM的一款核心軟件即Autodesk Navisworks軟件為平臺(tái)，開發(fā)可視化仿真系統(tǒng)。該軟件能兼容常用的由三維設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建的模型文件格式，其建模過程簡(jiǎn)單且模型較精確，軟件開發(fā)周期短[8]。

1.2 大數(shù)據(jù)分析

Hadoop由HDFS(Hadoop Distributed File System，分布式文件系統(tǒng))[9-10]、MapReduce及HBase[11]三部分組成。HDFS有高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，并且可部署在低廉的服務(wù)器上，適合超大數(shù)據(jù)規(guī)模的應(yīng)用，MapReduce為海量的數(shù)據(jù)提供了一個(gè)可容錯(cuò)的、高可擴(kuò)展的、分布式的計(jì)算框架，HBase是一個(gè)基于鍵值對(duì)組織模型的分布式數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)按行列混合模式存儲(chǔ)在HDFS上,MapReduce 可以直接訪問HDFS上的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，也可以通過HBase間接訪問HDFS上的數(shù)據(jù)，以提高分析性能。本系統(tǒng)選用開源云計(jì)算平臺(tái)Hadoop作為基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn),搭建基本的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的優(yōu)化處理。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

2.1 水表庫表設(shè)計(jì)與創(chuàng)建

水表是用水監(jiān)管的計(jì)量工具，在此次機(jī)關(guān)節(jié)水建設(shè)中，對(duì)每個(gè)用水器具均安裝智能遠(yuǎn)傳水表，對(duì)樓宇不同用途的用水情況實(shí)施監(jiān)管。系統(tǒng)開發(fā)過程中把水源類型、表狀態(tài)、用水管理機(jī)關(guān)、水表所在位置、水表型號(hào)和精度等作為基本信息進(jìn)行考慮，創(chuàng)建水表庫表用于存儲(chǔ)水表靜態(tài)信息資料(見表1)?？紤]到系統(tǒng)后期維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)操作，在創(chuàng)建數(shù)據(jù)時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)的 SQL 語句創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。同時(shí)為了更好地兼容中文字符，數(shù)據(jù)庫采用 UTF-8 編碼。

表1 水表庫表結(jié)構(gòu)

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)與創(chuàng)建

表2內(nèi)容為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(即動(dòng)態(tài)信息，如水表監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)用水量)，根據(jù)傳感器設(shè)置情況，每隔一定的時(shí)間上傳一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)開發(fā)過程中把傳感器編號(hào)(與靜態(tài)信息通過該字段進(jìn)行關(guān)聯(lián))、時(shí)間(用于區(qū)分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù))、觀測(cè)值、數(shù)據(jù)單位等最基本的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行考慮。

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體框架

平臺(tái)總體上包括基礎(chǔ)設(shè)施層、仿真層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用服務(wù)和訪問層，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 總體架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層：基礎(chǔ)設(shè)施層是系統(tǒng)運(yùn)行的軟、硬件環(huán)境，包括服務(wù)器、基礎(chǔ)軟件、存儲(chǔ)和安全設(shè)備，以及遠(yuǎn)傳水表、節(jié)水器具等。

仿真層：是模擬仿真技術(shù)的載體和功能的容器，主要組成部分為微觀樓宇仿真軟件和仿真交互控制模塊，仿真層通過仿真控制交互模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層控制方案到樓宇的執(zhí)行，并直觀展現(xiàn)運(yùn)行效果和上傳運(yùn)行數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層：按照業(yè)務(wù)邏輯對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，實(shí)現(xiàn)信息多種維度、多場(chǎng)景應(yīng)用，以服務(wù)的形式支撐機(jī)關(guān)用水、節(jié)水業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，前者如水表基本信息，后者主要由傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)組成。

應(yīng)用層：對(duì)數(shù)據(jù)層的業(yè)務(wù)邏輯處理，面向不同用戶有針對(duì)性提供信息服務(wù)、統(tǒng)計(jì)分析、日常監(jiān)管及決策支持服務(wù)。該層由基礎(chǔ)服務(wù)與業(yè)務(wù)服務(wù)組成，基礎(chǔ)服務(wù)包括全局性、共用的統(tǒng)一認(rèn)證、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析等，為業(yè)務(wù)提供支撐；依據(jù)業(yè)務(wù)需求，定制用水總量、漏損率、節(jié)水潛力分析、水平衡分析等功能。

訪問層：該系統(tǒng)可通過PC端、手機(jī)端、公眾號(hào)和外部系統(tǒng)等多種途徑對(duì)用戶提供服務(wù)。

區(qū)別于傳統(tǒng)的信息化架構(gòu)，在資源層、服務(wù)層與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的聯(lián)合支撐下，利用前后端分離技術(shù)進(jìn)行組織，實(shí)現(xiàn)了從單體模式中徹底解耦，基于網(wǎng)關(guān)的統(tǒng)一調(diào)度和管理，利用服務(wù)層提供的數(shù)據(jù)模型與業(yè)務(wù)模型向資源層請(qǐng)求數(shù)據(jù)，總體支撐業(yè)務(wù)邏輯控制和信息的可視化表達(dá)。

3.2 智能感知

該部分采用基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，其中數(shù)據(jù)采集層主要由前端站點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)感知終端與若干水表組成，各水表通過直接連接的方式實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)感知終端；中心接收層位于云平臺(tái)，通過在云平臺(tái)上部署中心接收軟件，接收來自物聯(lián)網(wǎng)感知終端發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析、存儲(chǔ)、展示。

3.2.1 感知數(shù)據(jù)匯聚

報(bào)文接收，是針對(duì)傳感器傳輸?shù)膱?bào)文進(jìn)行解析、存儲(chǔ)等工作，部分模塊功能如下：

a.報(bào)文通信：滿足水務(wù)物聯(lián)感知網(wǎng)多種通信方式的需求，構(gòu)建支持當(dāng)前水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)常用的通信方式，主要包括北斗、4G/5G、串口、TCP/IP等。通信層框架負(fù)責(zé)建立與不同終端的通信連接，對(duì)上層框架屏蔽不同終端通信方式的差異性，保證報(bào)文高效、穩(wěn)定、安全地在終端與平臺(tái)之間傳輸。

b.協(xié)議解析：滿足水務(wù)多要素標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)需求，結(jié)合水文、水資源、水環(huán)境等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，構(gòu)建支持北京水務(wù)常用的近30種報(bào)文數(shù)據(jù)的解析功能。同時(shí)，充分考慮可擴(kuò)展性要求，建設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)自定義報(bào)文格式的數(shù)據(jù)解析體系，實(shí)現(xiàn)水務(wù)感知數(shù)據(jù)的快速化、標(biāo)準(zhǔn)化和靈活性解析。

c.規(guī)約管理：內(nèi)置水文、水資源、水環(huán)境等標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約的解析規(guī)則,同時(shí)支持自定義規(guī)約對(duì)應(yīng)的解析規(guī)則的擴(kuò)展。平臺(tái)接收?qǐng)?bào)文后，自動(dòng)判斷報(bào)文所屬的規(guī)約類型，自動(dòng)適配對(duì)應(yīng)類型的解析規(guī)則，保障對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、靈活地解析。

3.2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量管理

感知數(shù)據(jù)質(zhì)量管理的功能包括感知數(shù)據(jù)質(zhì)量規(guī)則管理和管理責(zé)任定義、感知數(shù)據(jù)清洗、感知數(shù)據(jù)整編、感知數(shù)據(jù)異常報(bào)告等功能。

質(zhì)量規(guī)則管理是指感知數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)則的錄入、修改、適用范圍設(shè)定等，包括數(shù)據(jù)告警規(guī)則、數(shù)據(jù)過濾規(guī)則、編碼轉(zhuǎn)換規(guī)則、時(shí)間字段格式等的設(shè)定，并把規(guī)則應(yīng)用到感知數(shù)據(jù)接入、整編、清洗、服務(wù)的全流程中。實(shí)現(xiàn)靈活、規(guī)則可配置的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，降低人工復(fù)檢、核檢的工作量。

a.原始數(shù)據(jù)保護(hù)：利用數(shù)據(jù)庫的只讀機(jī)制及區(qū)塊鏈技術(shù)防篡改的思想，將接收到的原始感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到只讀數(shù)據(jù)庫中，保證原始數(shù)據(jù)的不可篡改性、真實(shí)性、完整性。

b.感知數(shù)據(jù)清洗：根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)規(guī)則，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)于原始數(shù)據(jù)中的“臟數(shù)據(jù)”需要進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾清洗?！芭K數(shù)據(jù)”主要包括突變數(shù)據(jù)、時(shí)間異常數(shù)據(jù)、空數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)等各類異常數(shù)據(jù)。

c.感知數(shù)據(jù)整編：將非標(biāo)準(zhǔn)化的各來源感知原始數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的感知數(shù)據(jù)字段規(guī)則、站點(diǎn)編碼規(guī)則、時(shí)間格式規(guī)則、數(shù)據(jù)字典等，進(jìn)行字段格式規(guī)范、數(shù)據(jù)字典編碼規(guī)范、站點(diǎn)編碼轉(zhuǎn)換、時(shí)間格式統(tǒng)一等標(biāo)準(zhǔn)化工作，為后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘分析、共享服務(wù)提供標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的數(shù)據(jù)。

d.數(shù)據(jù)異常報(bào)警：針對(duì)水務(wù)感知數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)突變、時(shí)間異常、空數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)等異常情況，及時(shí)發(fā)出告警，并通過系統(tǒng)消息、短信等形式通知到相關(guān)數(shù)據(jù)管理責(zé)任人。

3.3 平臺(tái)功能

平臺(tái)的具體功能結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.3.1 領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙

通過水利部關(guān)于節(jié)水技術(shù)考核指標(biāo)體系，實(shí)時(shí)反映全樓用水器具的運(yùn)行狀態(tài)，將智能水表采集的數(shù)據(jù)形象化、直觀化、具體化，為高層管理層提供“一站式”高層決策支持系統(tǒng)。

領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙整合匯聚監(jiān)測(cè)結(jié)果和機(jī)關(guān)大樓基本信息、節(jié)水定額等數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)用水計(jì)劃、用水效能、水源結(jié)構(gòu)等維度運(yùn)行態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)的量化分析、預(yù)判預(yù)警和直觀呈現(xiàn)，見圖3。

圖3 領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙

3.3.2 用水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

對(duì)各樓層用水對(duì)象的全覆蓋監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)、全面、精準(zhǔn)地掌握不同性質(zhì)、各樓層、不同水源結(jié)構(gòu)的用水情況，保護(hù)第一手信息的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和精細(xì)化，為機(jī)關(guān)節(jié)水管理工作提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息支持。

平臺(tái)通過數(shù)字信息仿真模擬機(jī)關(guān)辦公樓、樓內(nèi)管網(wǎng)及各計(jì)量水表的位置信息，并演示自來水、中水、雨洪水流的運(yùn)行情況，其中包括用水量和異常狀況的監(jiān)測(cè)等，見圖4。

圖4 用水信息仿真模擬

3.3.3 用水統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)機(jī)關(guān)辦公樓的智能水表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)展示，分別以時(shí)間、樓層、用水結(jié)構(gòu)、水源結(jié)構(gòu)等多種維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，既能了解機(jī)關(guān)辦公樓整體接水情況，又能對(duì)機(jī)關(guān)用水情況進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀的全面監(jiān)控，輔助業(yè)務(wù)管理人員統(tǒng)籌全局，快速定位問題并找到解決辦法，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供科學(xué)依據(jù)。主要功能點(diǎn)包括用水結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)、水源結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)、水量平衡分析、用水總量分析和用水效能分析。

4 結(jié) 語

機(jī)關(guān)節(jié)水仿真系統(tǒng)的建設(shè)，基于物聯(lián)網(wǎng)、仿真模型、大數(shù)據(jù)和微服務(wù)等技術(shù)，通過對(duì)機(jī)關(guān)用水?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)各樓層不同用途用水計(jì)量的直觀、動(dòng)態(tài)監(jiān)控，對(duì)機(jī)關(guān)辦公樓各類用水分析、節(jié)水潛力、水平衡測(cè)試以及漏損等情況進(jìn)行日常監(jiān)管，提高了節(jié)水型機(jī)關(guān)建設(shè)的直觀性、實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性。

通過對(duì)該平臺(tái)產(chǎn)生數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可找出機(jī)關(guān)用水中存在的問題，進(jìn)一步挖掘節(jié)水潛 力，用于指導(dǎo)實(shí)踐。該機(jī)關(guān)2019年預(yù)計(jì)全年用水量為10340m3，人均用水量為18.8m3，其中年人均用水量較2017年、2018年分別下降了9.18%、5.43%。全市機(jī)關(guān)人均用水定額為26.4m3，該機(jī)關(guān)的人均用水量比全市機(jī)關(guān)人均定額少30%左右。