姜 川 李宗揚(yáng) 于明旭

（正元地理信息集團(tuán)股份有限公司山東分公司，山東濟(jì)南 250014）

城市供水是保障城市正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的生命線，與人們的生活息息相關(guān)，是重大的民生問題[1]，其服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到供水企業(yè)自身的利益，還會(huì)影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定。國(guó)家住建部2012年12月發(fā)布了《國(guó)家智慧城市（區(qū)、鎮(zhèn)）試點(diǎn)指標(biāo)體系（試行）》，該文件明確了二級(jí)指標(biāo)“城市功能提升”中對(duì)應(yīng)的三級(jí)指標(biāo)“供水系統(tǒng)”的指標(biāo)說明，即利用信息技術(shù)手段對(duì)從水源地監(jiān)測(cè)到龍頭水管理的供水過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，制定合理的信息公示制度，保障居民用水安全[2-4]。

隨著基于大數(shù)據(jù)、物理網(wǎng)的信息化建設(shè)在各領(lǐng)域的不斷發(fā)展，供水行業(yè)也相繼開展?jié)M足自身發(fā)展要求的軟硬件系統(tǒng)建設(shè)，部分供水企業(yè)已建設(shè)完成營(yíng)業(yè)收費(fèi)、SCADA、視頻監(jiān)控以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)等信息化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)已成為供水企業(yè)日常運(yùn)營(yíng)管理工作中的重要工具。系統(tǒng)建設(shè)較為分散，一般是多個(gè)軟件公司在不同時(shí)期開發(fā)完成，沒有統(tǒng)一的頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)，技術(shù)路線、標(biāo)準(zhǔn)、目標(biāo)、接口存在差異，只在部分業(yè)務(wù)上滿足對(duì)數(shù)據(jù)信息的管理和應(yīng)用，雖然積累了大量的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，但無法支撐深入的數(shù)據(jù)挖掘和共享，形成了信息孤島[5-6]。在新型智慧城市建設(shè)的總體架構(gòu)下，結(jié)合供水行業(yè)信息化的基礎(chǔ)條件，應(yīng)充分利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建軟硬件一體化的智慧供水平臺(tái)，在進(jìn)一步加強(qiáng)新型智慧城市頂層設(shè)計(jì)的同時(shí)，形成供水專題管理和規(guī)劃體系。通過智慧供水平臺(tái)摸清管網(wǎng)家底，打通信息孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，增強(qiáng)對(duì)供水業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)和監(jiān)管的能力，實(shí)現(xiàn)城市供水的智慧運(yùn)作，提高供水企業(yè)的管理與服務(wù)水平。

1 系統(tǒng)建設(shè)原則

根據(jù)國(guó)家對(duì)新型智慧城市的建設(shè)要求和大量智慧供水系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了智慧供水系統(tǒng)遵循的體系框架，指導(dǎo)和約束本系統(tǒng)建設(shè)。

（1）全局性。

從實(shí)際需要規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)共享服務(wù)避免信息孤島，將各個(gè)系統(tǒng)連接構(gòu)建成有機(jī)整體，成為管理和決策法核心工具。

（2）標(biāo)準(zhǔn)性。

嚴(yán)格遵守國(guó)家、地方和供水行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和法律法規(guī)，制定標(biāo)準(zhǔn)化的管理措施，確保系統(tǒng)的運(yùn)行效率和操作的標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）實(shí)用性。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能人性化，以便于在操作和數(shù)據(jù)調(diào)用時(shí)快速、便捷，界面設(shè)計(jì)友好美觀、易于使用，具備靈活完善的查詢和統(tǒng)計(jì)功能，易于數(shù)據(jù)更新和維護(hù)等，減少后期運(yùn)維人員的工作量，提高工作效率。

（4）安全性。

系統(tǒng)必須具有完整的數(shù)據(jù)保護(hù)和備份機(jī)制，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力和故障恢復(fù)能力。

（5）穩(wěn)定性。

系統(tǒng)必須保證運(yùn)行的穩(wěn)定性以及運(yùn)行和計(jì)算效率，支持7×24 h不間斷運(yùn)行。

（6）靈活性。

系統(tǒng)必須具有強(qiáng)大的參數(shù)配置功能，可以根據(jù)業(yè)務(wù)變化快速修改配置文件參數(shù)，變化相應(yīng)業(yè)務(wù)以滿足業(yè)務(wù)需求。

（7）開放性。

系統(tǒng)的開放性涉及網(wǎng)絡(luò)、中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)等支撐軟件，系統(tǒng)應(yīng)按照開放性和標(biāo)準(zhǔn)化的原則進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在不同使用環(huán)境具備一定的適應(yīng)能力和可移植能力。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，連接泵站、管網(wǎng)、水廠各供水關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，覆蓋從管理到?jīng)Q策的各個(gè)層面，收集傳感器的IoT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、企業(yè)的用戶數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，再將收集的數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)化為可視化的分析結(jié)果。充分考慮系統(tǒng)的健壯性、可拓展性、可移植性、穩(wěn)定性和安全性等因素，結(jié)合智慧供水系統(tǒng)的具體建設(shè)內(nèi)容及要求，系統(tǒng)總體架構(gòu)。

總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

（1）設(shè)備感知層。

為水廠、泵站、水源井、管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)傳感器（如液位計(jì)、流量計(jì)、壓力傳感器、水質(zhì)分析儀、視頻監(jiān)控設(shè)備等），設(shè)備感知層是智慧供水系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)硬件基礎(chǔ)，是系統(tǒng)功能的前端感知觸角，至關(guān)重要。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)由NodeJS服務(wù)程序推送至Redis消息隊(duì)列，由Windows Service程序讀取、接收Redis消息隊(duì)列中的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，采用Web Socket發(fā)布數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中展示。

（2）數(shù)據(jù)服務(wù)層。

為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供網(wǎng)絡(luò)傳輸、協(xié)議解析、設(shè)備管理、安全保障等，為系統(tǒng)應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)引擎、消息推送等服務(wù)，為系統(tǒng)應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)服務(wù)層主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，支持表的視圖、存儲(chǔ)、備份和恢復(fù)等，支持主流的數(shù)據(jù)庫(kù)，如Access、Oracle、MongoDB、Redis等。Access為ArcGIS個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)；Oracle用于存儲(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；MongoDB用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；Redis臨時(shí)性接收、存儲(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

（3）系統(tǒng)應(yīng)用層。

為最終用戶提供系統(tǒng)的管線查詢、管線定位、在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、巡查管理等功能，包括B/S端和Windows系統(tǒng)服務(wù)，是智慧供水系統(tǒng)與最終用戶操作交互和信息交換的媒介。Web前端采用html、javascript、jquery、css3開發(fā)，兼容主流瀏覽器，采用統(tǒng)一前端樣式及動(dòng)畫效果，快速搭建系統(tǒng)框架及系統(tǒng)功能。系統(tǒng)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)服務(wù)層完全分離，通過Ajax實(shí)現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)通信，Nginx配置跨域請(qǐng)求。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)

供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠、加壓站、供水管網(wǎng)附屬設(shè)施（消防栓、閥門等）及管線的統(tǒng)一存儲(chǔ)和綜合管理，方便供水公司工作人員掌握城市供水管網(wǎng)、附屬設(shè)施的布設(shè)情況。系統(tǒng)主要功能包括管網(wǎng)附屬設(shè)施入庫(kù)、編輯、查詢、統(tǒng)計(jì)、地圖基本操作以及查詢、管網(wǎng)數(shù)據(jù)編輯及拓?fù)錂z查、系統(tǒng)設(shè)置等。

供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)如圖2所示。

3.2 供水管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

供水管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握城市供水管網(wǎng)的主要節(jié)點(diǎn)處的壓力、流量、水質(zhì)情況。根據(jù)壓力指標(biāo)及時(shí)調(diào)節(jié)水廠供水量，保障城市居民尤其高層住戶的生活用水需求。根據(jù)分區(qū)節(jié)點(diǎn)處獲取的流量數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域內(nèi)的供水流量進(jìn)行計(jì)量，以此作為供水調(diào)度、管網(wǎng)規(guī)劃、漏損核算的重要依據(jù)。

供水管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 供水管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

3.3 供水管網(wǎng)模型模擬系統(tǒng)

供水管網(wǎng)模型系統(tǒng)利用供水管網(wǎng)模型對(duì)管道內(nèi)的狀況進(jìn)行模擬，全面掌握供水管網(wǎng)的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)的管道負(fù)荷分析、靜態(tài)動(dòng)態(tài)水力計(jì)算分析等情景模擬分析與結(jié)果展示。結(jié)果的表達(dá)方式包括管網(wǎng)地圖顏色表示、數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)圖表、時(shí)間序列圖和等值線圖等。

3.4 供水管網(wǎng)巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

供水管網(wǎng)巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)由供水管網(wǎng)巡檢養(yǎng)護(hù)移動(dòng)端和業(yè)務(wù)管理服務(wù)端組成，移動(dòng)端系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)接收任務(wù)、人員考勤、實(shí)時(shí)軌跡、隱患上報(bào)等功能，供水管網(wǎng)巡檢養(yǎng)護(hù)業(yè)務(wù)管理服務(wù)端主要提供任務(wù)下發(fā)、任務(wù)統(tǒng)計(jì)、每日巡檢、巡檢點(diǎn)已檢和未檢判斷等功能。供水管網(wǎng)巡檢養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)能夠滿足供水管網(wǎng)及其附屬設(shè)施的巡查、拍照、維護(hù)、維修等工作，使供水管網(wǎng)的巡檢養(yǎng)護(hù)進(jìn)一步流程化、規(guī)范化和智能化，保證了供水管網(wǎng)及附屬設(shè)施巡視缺陷、安全問題的及時(shí)處理。

4 結(jié)語

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的控制已經(jīng)難以滿足信息化時(shí)代下對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌安排與協(xié)調(diào)調(diào)度的實(shí)際需求，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能設(shè)備等新技術(shù)為供水業(yè)務(wù)運(yùn)行與管理提供了新思路。智慧供水可有效保證供水安全，全面提升供水質(zhì)量，智慧供水系統(tǒng)集中管理供水設(shè)施基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。通過智慧供水系統(tǒng)的接口服務(wù)將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、故障巡檢數(shù)據(jù)庫(kù)、管網(wǎng)工程數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行流轉(zhuǎn)、匯集、共享與動(dòng)態(tài)更新，為供水業(yè)務(wù)的綜合集成與管理提供數(shù)據(jù)分析。