【摘要】二次供水泵房在城市供水系統(tǒng)中具有重要地位，保證了市民的飲水安全和生活用水需求。然而，傳統(tǒng)的二次供水泵房的運(yùn)行管理方式存在一些問題，如人力資源浪費(fèi)、數(shù)據(jù)采集不及時(shí)等。為了解決這些問題，將探究可視化和智能化的技術(shù)，提出針對二次供水泵房可視化智能水司遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。研究首先針對二次供水泵房的運(yùn)行管理現(xiàn)狀進(jìn)行分析，找出存在的問題和需求。然后，基于Python和傳感器技術(shù)，提出設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架思路，為提高二次供水泵房的運(yùn)行效率和管理水平提供支持。

【關(guān)鍵詞】二次供水泵房；遠(yuǎn)程監(jiān)控；Python

【中圖分類號】TU991" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2023）24-0031-03

目前，大多數(shù)二次供水泵房仍然采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式，存在巡檢效率低、無法實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障處理不及時(shí)等問題。因此，如何提高二次供水泵房管理的效率和水平，確保城市供水穩(wěn)定，已成為城市供水管理面臨的重要問題。針對二次供水泵房的特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)基于可視化智能水司遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。系統(tǒng)通過傳感器采集泵房內(nèi)部數(shù)據(jù)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過云計(jì)算平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，實(shí)現(xiàn)對泵房運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障預(yù)警，提高水司的管理水平和運(yùn)行效率。

1 二次供水泵房的運(yùn)行管理現(xiàn)狀分析

1.1 二次供水泵房的概念和功能

二次供水泵房是指在城市供水系統(tǒng)中，為了滿足某些特殊要求或者增加供水壓力而設(shè)置的一個(gè)獨(dú)立的供水設(shè)施。它是從主要供水系統(tǒng)中獨(dú)立分離出來的一個(gè)供水系統(tǒng)，通過一系列的泵站、管道和設(shè)備，將供水壓力提升到所需水平，以滿足特定區(qū)域或特定用戶的用水需求。

由于城市供水系統(tǒng)的壓力通常比較低，無法滿足一些需要較高壓力的場合，如高層建筑、消防設(shè)施、工廠生產(chǎn)等。二次供水泵房通過增加泵站和增壓設(shè)備，將供水壓力提升到所需水平，確保用戶在用水過程中能夠獲得足夠的水壓。二次供水泵房可根據(jù)需要設(shè)置過濾、軟化、消毒等水處理設(shè)備，對供水進(jìn)行凈化和改善[1]。

1.2 二次供水泵房的運(yùn)行管理問題

由于水質(zhì)監(jiān)控工作的復(fù)雜性和專業(yè)性，許多二次供水泵房存在著水質(zhì)監(jiān)控不到位的問題。監(jiān)控設(shè)備不完善或者未能及時(shí)校準(zhǔn)，導(dǎo)致對水質(zhì)的監(jiān)控不準(zhǔn)確，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)問題并采取相應(yīng)的措施，且即使進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)控，但由于監(jiān)控設(shè)備的限制或者操作不當(dāng)?shù)仍?，許多二次供水泵房的水質(zhì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)也存在著不準(zhǔn)確的問題[2]。不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)給水質(zhì)評估和管理工作帶來挑戰(zhàn)，無法提供可靠的水質(zhì)信息，影響了供水系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。在水質(zhì)監(jiān)控工作的基礎(chǔ)上，二次供水泵房需要采取相應(yīng)的管理措施來保證水質(zhì)的安全和穩(wěn)定。然而，由于缺乏專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，許多二次供水泵房的水質(zhì)管理措施不完善。缺乏及時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析和處理，不能有效地應(yīng)對水質(zhì)問題，導(dǎo)致水質(zhì)不穩(wěn)定和供水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)增加。

1.3 打造智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控的必要性

二次供水泵房中的水泵是核心設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵運(yùn)行狀態(tài)至關(guān)重要。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵的運(yùn)行速度、壓力、溫度等參數(shù)，以及電機(jī)電流、電壓等電力參數(shù)，確保水泵在安全、穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，提醒管理人員及時(shí)處理，避免水泵因故障停機(jī)，確保供水正常。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，管理人員可以實(shí)現(xiàn)對二次供水泵房的遠(yuǎn)程控制。在監(jiān)控中心，管理人員可以遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止水泵，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和壓力，實(shí)現(xiàn)泵房的無人值守[3]。

2 二次供水泵房可視化智能水司遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)二次供水泵房可視化智能水司遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)涉及多個(gè)關(guān)鍵組件，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，傳感器節(jié)點(diǎn)位于二次供水泵房內(nèi)，用于監(jiān)控各種參數(shù)，如水位、水壓、溫度等。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，它對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換和本地存儲(chǔ)，以備后續(xù)使用，數(shù)據(jù)采集模塊還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的時(shí)間戳標(biāo)記和事件記錄。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，這可以通過有線或無線連接，如互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)或?qū)Ｓ猛ㄐ啪€路來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸模塊確保數(shù)據(jù)的安全傳輸，并可用性，通常會(huì)使用加密技術(shù)來保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端是水司的運(yùn)維中心或管理者使用的界面，它通過數(shù)據(jù)傳輸模塊接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用戶可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控終端查看監(jiān)控參數(shù)、生成報(bào)告、設(shè)定警報(bào)閾值等。系統(tǒng)中各組件之間的關(guān)聯(lián)和互相運(yùn)作關(guān)系如圖1所示。

根據(jù)圖1所示，傳感器節(jié)點(diǎn)不斷監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)安全地傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控終端，以便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理二次供水泵房的狀態(tài)。用戶可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控終端查看數(shù)據(jù)、生成報(bào)告、設(shè)定警報(bào)閾值，甚至進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作，從而保持對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)掌控[4]。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器選擇包括水位傳感器、溫度傳感器、水壓傳感器、水壓傳感器、電力傳感器、水質(zhì)傳感器和流量傳感器，水位傳感器使用超聲波傳感器或壓力傳感器，監(jiān)控水槽中的水位，溫度傳感器用于監(jiān)控水的溫度，溫度數(shù)據(jù)可用于監(jiān)控水的質(zhì)量和供應(yīng)溫度，水壓傳感器使用壓力傳感器來檢測管道內(nèi)的水壓，電力傳感器可監(jiān)控泵站的電力消耗，以確保正常運(yùn)行，水質(zhì)傳感器檢測水中的各種參數(shù)，如pH值、濁度、溶解氧等，流量傳感器用于監(jiān)控水流的速度和容積。在安裝上，水位傳感器安裝在水槽中，溫度傳感器置于水管內(nèi)，水壓傳感器連接到主要管道上，電力傳感器接觸電源線路，水質(zhì)傳感器在水流中安裝，流量傳感器放置在管道中。傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，一般通過直接接入電網(wǎng)或使用電池、太陽能電池板等可再生能源來實(shí)現(xiàn)。傳感器節(jié)點(diǎn)需要與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信，通信方式采用有線（如以太網(wǎng)）或無線（如Wi-Fi、LoRaWAN、NB-IoT等），傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)慕涌?，以與各種傳感器進(jìn)行連接，使用模擬輸入、數(shù)字輸入或I2C等接口，具體取決于傳感器的類型，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)包含微控制器單元，用于數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸，微控制器應(yīng)具備足夠的計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量，集成電源管理單元，確保傳感器節(jié)點(diǎn)的電源穩(wěn)定，采用低功耗設(shè)計(jì)以延長電池壽命。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊的任務(wù)是從各種傳感器和設(shè)備中采集數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，以供遠(yuǎn)程監(jiān)控和分析。在二次供水泵房監(jiān)控系統(tǒng)中，常用的通信協(xié)議之一是Modbus，可以使用Python庫來實(shí)現(xiàn)Modbus通信。此處使用pymodbus庫簡單展示數(shù)據(jù)采集程序的運(yùn)作邏輯：

from pymodbus.client.sync import ModbusSerial

Client

#創(chuàng)建Modbus RTU客戶端

client=ModbusSerialClient（method='rtu'， port='/dev/ttyUSB0'，baudrate=9600）

#連接到Modbus設(shè)備

client.connect

#讀取寄存器中的數(shù)據(jù)

result=client.read_holding_registers

（address=0，count=2，unit=1）

#處理結(jié)果

if not result.isError：

data = result.registers

print（“Data from Modbus device：”，data）

else：

print（“Error reading Modbus data：”，result）

#關(guān)閉Modbus客戶端連接

client.close

根據(jù)上述程序，將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和分析，一般使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如MySQL、InfluxDB等，此外還要將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，以便遠(yuǎn)程監(jiān)控。您一般使用HTTP、MQTT等通信協(xié)議。在設(shè)計(jì)水司遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)該考慮數(shù)據(jù)的可視化界面，報(bào)警機(jī)制以及遠(yuǎn)程控制等方面的功能。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)輸出模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的關(guān)鍵模塊，常使用的數(shù)據(jù)可視化工具包括Python中的Matplotlib、Seaborn、Plotly等，也可使用專門的時(shí)間序列數(shù)據(jù)可視化工具如Grafana。折線圖來顯示時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢和波動(dòng)，也是最常見的可視化方法，此處用Python中的Matplotlib進(jìn)行創(chuàng)建線性時(shí)間序列圖的簡單演示，具體如下：

import matplotlib.pyplot as plt

#創(chuàng)建時(shí)間序列數(shù)據(jù)

time_points=[“2023-010-012”，“2023-010-013”，“2023-010-014”]

values=[10，15，12]

#將時(shí)間點(diǎn)轉(zhuǎn)換為日期對象

dates=[datetime.strptime（date，“%Y-%m-%d”） for date in time_points]

#繪制折線圖

plt.plot（dates，values）

plt.xlabel（“日期”）

plt.ylabel（“數(shù)值”）

plt.title（“時(shí)間數(shù)據(jù)趨勢圖”）

plt.grid（True）

plt.show

上述代碼中的import matplotlib.pyplot as plt是導(dǎo)入Matplotlib庫的pyplot模塊，用于創(chuàng)建各種圖形。time_points列表包含了三個(gè)日期字符串，表示時(shí)間序列的時(shí)間點(diǎn)。values列表包含了與每個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)值數(shù)據(jù)。dates列表將時(shí)間點(diǎn)字符串轉(zhuǎn)換為日期對象，以便Matplotlib能夠正確處理時(shí)間軸。plt.plot（dates，values）用于創(chuàng)建折線圖。dates是橫坐標(biāo)（X軸），values是縱坐標(biāo)（Y軸），這樣就可以在圖上繪制數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的折線。plt.xlabel（“日期”）和plt.ylabel（“數(shù)值”）是設(shè)置X軸和Y軸的標(biāo)簽，使圖表更具可讀性。plt.title（“時(shí)間數(shù)據(jù)趨勢圖”）為圖表添加標(biāo)題，以描述圖表的主題。plt.grid（True）啟用了圖表的網(wǎng)格線，以幫助監(jiān)控人員更好地讀取數(shù)據(jù)。plt.show用于顯示生成的圖表。一旦執(zhí)行此代碼，圖表將在屏幕上顯示出來，以便監(jiān)控人員查看。最終，執(zhí)行這段代碼會(huì)生成一個(gè)包含時(shí)間數(shù)據(jù)的折線圖，其中橫坐標(biāo)是日期，縱坐標(biāo)是數(shù)值，幫助檢測人員可視化理解二次供水泵房的數(shù)據(jù)變化趨勢[5]。

2.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)二次供水泵房可視化智能水司遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端需要綜合考慮軟件和硬件方面的要求。一般選擇高性能計(jì)算設(shè)備，如嵌入式計(jì)算機(jī)或微型PC，以運(yùn)行監(jiān)控軟件。安裝各種傳感器，包括水位傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等，以監(jiān)控水泵房的狀態(tài)。集成4G/5G通信模塊或者以太網(wǎng)接口，以確保遠(yuǎn)程連接。添加攝像頭，以實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵房的可視信息。考慮備用電源，以應(yīng)對斷電情況。軟件方面要選擇適合硬件的操作系統(tǒng)，例如Linux或Windows IoT。開發(fā)或選擇適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)程監(jiān)控軟件，以實(shí)時(shí)監(jiān)視傳感器數(shù)據(jù)和攝像頭圖像。設(shè)置數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，以便分析和報(bào)告。實(shí)施強(qiáng)大的安全措施，包括數(shù)據(jù)加密和用戶身份驗(yàn)證，以保護(hù)系統(tǒng)免受潛在威脅。創(chuàng)建用戶友好的界面，以便操作員能夠輕松地查看和分析監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。確保系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程訪問，以便水司人員可以隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控水泵房。

3 結(jié)語

研究旨在探討二次供水泵房可視化智能水司遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，從而提高供水管理的效率和水資源的可持續(xù)利用。結(jié)合二次供水泵房監(jiān)控工作中的難點(diǎn)，提出利用傳感器和Python中的工具庫構(gòu)建可視化智能水司遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸模塊的思路，通過方案的提出，為可視化智能水司遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建提供幫助。

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[作者簡介]李杰（1984 —），男，廣東湛江人，本科，研究方向：工商管理、經(jīng)濟(jì)管理，工程管理。