陳善超，王全林

（北京亞控科技發(fā)展有限公司，北京 100086）

根據(jù)水務(wù)集團(tuán)的供水智能調(diào)度需求，結(jié)合通用組態(tài)軟件，研發(fā)智能調(diào)度控制算法組件和供水調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供水智能調(diào)度，包括：渾水調(diào)度，管網(wǎng)壓力控制目標(biāo)動態(tài)設(shè)定，管網(wǎng)壓力自動控制和泵組運(yùn)行策略調(diào)整。智能控制算法用于供水調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，為調(diào)度人員日常工作提供信息監(jiān)視、信息查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、業(yè)務(wù)處理、輔助調(diào)度、調(diào)度決策。通常供水調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)維護(hù)需要高級程序員參與，技術(shù)門檻高，后期維護(hù)擴(kuò)展困難，熟悉水處理工藝和業(yè)務(wù)的自控工程師很難參與到智慧水務(wù)軟件系統(tǒng)開發(fā)當(dāng)中。如何實(shí)現(xiàn)智能化控制，降低企業(yè)運(yùn)營成本，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)運(yùn)維成本，使項(xiàng)目快速落地，成為水務(wù)公司亟需解決的問題。通過項(xiàng)目的開發(fā)研究與實(shí)際應(yīng)用，表明組態(tài)式平臺快速開發(fā)，實(shí)現(xiàn)供水智能調(diào)度是十分必要的。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)介紹

供水運(yùn)營調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前調(diào)度中心的業(yè)務(wù)需要，對原系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，將城市供水管網(wǎng)信息和管網(wǎng)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)集成在一起，建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心和綜合展示平臺。設(shè)計(jì)供水優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)具有先進(jìn)性、科學(xué)性、信息化的供水調(diào)度運(yùn)行和管理模式，從而提升供水調(diào)度綜合能力，確保供水系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、合理地運(yùn)行[1]。

1.2 系統(tǒng)現(xiàn)狀

根據(jù)某水務(wù)集團(tuán)的供水智能調(diào)度需求，研究其系統(tǒng)與數(shù)據(jù)現(xiàn)狀。原系統(tǒng)設(shè)備較多，數(shù)據(jù)來源較復(fù)雜，其中監(jiān)測點(diǎn)需要對接100 多個測點(diǎn)的壓力、濁度、余氯、瞬時流量、正向累計(jì)、反向累計(jì)等。RSLinx OPC 和IFix OPC 采集有壓力點(diǎn)、報(bào)警監(jiān)測等數(shù)據(jù)。3 座水廠PLC 品牌有西門子、羅克韋爾。原調(diào)度系統(tǒng)缺乏智能調(diào)度功能，其中地圖總覽系統(tǒng)需對接水務(wù)集團(tuán)原ArcGIS 地圖，監(jiān)控整個市區(qū)供水管網(wǎng)。

1.3 功能性需求

完成水務(wù)集團(tuán)對下屬3 座水廠、3 座取水泵站及100多個管網(wǎng)測壓點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集并研發(fā)智能調(diào)度控制算法組件和供水調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供水智能調(diào)度。其主體實(shí)現(xiàn)以下功能模塊，見表1。

表1 功能模塊Table 1 Functional modules

1.4 非功能性需求

1）可靠性與穩(wěn)定性。軟件系統(tǒng)盡量不出現(xiàn)閃退、崩潰無響應(yīng)等情況。

2）較高的交互性。根據(jù)用戶習(xí)慣進(jìn)行開發(fā)，保證軟件的易用性，增加用戶交互[2]。

3）隨需而變。系統(tǒng)平臺支持拖拉拽式組態(tài)開發(fā)，維護(hù)工程師能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求的變化通過低代碼方式快速實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)功能的變更。

1.5 系統(tǒng)難點(diǎn)及設(shè)計(jì)方案

針對系統(tǒng)現(xiàn)狀，本項(xiàng)目的重點(diǎn)難點(diǎn)如下：

1）數(shù)據(jù)來源眾多，數(shù)據(jù)來源復(fù)雜且有些系統(tǒng)和設(shè)備比較老舊，部分?jǐn)?shù)據(jù)采集較為困難。

2）現(xiàn)有系統(tǒng)無智能調(diào)度功能，缺乏智能控制供水調(diào)度能力；在城市的供水設(shè)備中，有一定的差異性，目標(biāo)眾多，需要注意的方面也很多[3]。

3）系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)監(jiān)控功能需要優(yōu)化。

針對以上重點(diǎn)難點(diǎn)問題，本方案有如下措施：

a）針對數(shù)據(jù)來源繁雜問題，采用亞控公司開發(fā)的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品KingIOServer，支持多種類型設(shè)備驅(qū)動、OPC 等，具有采集穩(wěn)定時延小等優(yōu)點(diǎn)，可統(tǒng)一采集儲存至數(shù)據(jù)庫。然后，采用KingHistorian 工業(yè)實(shí)時歷史數(shù)據(jù)庫，將分散的海量過程數(shù)據(jù)采集并存儲下來，不僅解決了關(guān)系數(shù)據(jù)庫應(yīng)用難題，還為企業(yè)將“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息”提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)支持平臺[4]。

b）針對智能供水調(diào)度優(yōu)化等問題，采用KingWater 智慧水務(wù)開發(fā)平臺。平臺含計(jì)算組件，支持多種計(jì)算模式，滿足不同業(yè)務(wù)場景下不同數(shù)據(jù)類型的分析處理需求；同時支持JavaScript、Python、C++普通依賴擴(kuò)展包等多種編程語言算法的接口擴(kuò)展，方便調(diào)用各種成熟的算法庫。優(yōu)化方式上，在進(jìn)行城市供水調(diào)度優(yōu)化的時候，對供水能力、水力平衡和用戶的水壓條件等形成一定約束的情況[5]，系統(tǒng)融合調(diào)度經(jīng)驗(yàn)（數(shù)據(jù)建模）、歷史數(shù)據(jù)（特征提?。?、機(jī)器學(xué)習(xí)等算法（成熟庫文件調(diào)用），開發(fā)包括設(shè)定監(jiān)測點(diǎn)目標(biāo)壓力、渾水量調(diào)度、出場壓力調(diào)整和機(jī)泵搭配方式的智能控制算法和應(yīng)用。

c）系統(tǒng)功能優(yōu)化?；贙ingWater 開發(fā)平臺，靈活采用其客戶端組件，各種UI 控件展示，2D 流程圖；平臺支持17 種基本圖素繪制，內(nèi)嵌3500 種各行業(yè)常見設(shè)備圖素，支持28 種數(shù)據(jù)動畫關(guān)聯(lián)展示，如時間段、監(jiān)測點(diǎn)靈活曲線查詢、曲線對比、廠網(wǎng)聯(lián)合監(jiān)控、排班管理、報(bào)警配合等都可以靈活組態(tài)開發(fā)。

圖1 數(shù)據(jù)流拓?fù)銯ig.1 Data flow topology

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 System architecture diagram

圖3 地圖總覽Fig.3 Map overview

圖4 數(shù)據(jù)總覽Fig.4 Data overview

圖5 出廠壓力計(jì)算Fig.5 Calculation of factory pressure

2 建設(shè)方案

2.1 數(shù)據(jù)采集

1）水廠數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)使用KingIOServer 軟件，通過水廠PLC 直接采集進(jìn)出水濁度、余氯、pH、溫度、水量、流量、累計(jì)流量及清水池水位、中間濾池等生產(chǎn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)。

2）供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集：通過OPC 的方式從各供水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備實(shí)時采集壓力、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)異常報(bào)警提醒。從各供水管網(wǎng)流量監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)控設(shè)備實(shí)時采集各區(qū)域流量數(shù)據(jù)，從和達(dá)中間數(shù)據(jù)庫接入管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3）第三方業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接：對原有調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行接入。

2.2 數(shù)據(jù)儲存

采用KingHistorian 工業(yè)實(shí)時歷史數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)、水廠、泵站、管網(wǎng)等過程數(shù)據(jù)秒級儲存。原始生產(chǎn)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)、分析的基礎(chǔ)依據(jù)，同時為調(diào)度監(jiān)測軟件、報(bào)表軟件、信息發(fā)布系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)提供后臺數(shù)據(jù)支持。歷史數(shù)據(jù)可以保存長達(dá)10 年，確保數(shù)據(jù)的長時間存儲和數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)運(yùn)維、管理等數(shù)據(jù)儲存到SQLServer關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

2.3 數(shù)據(jù)接口

標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議：OPC UA/DA、Modbus、MQTT 等。

關(guān)系庫：Oracle、MySQL、Sqlserver、PostgreSQL、達(dá)夢數(shù)據(jù)庫等。

非關(guān)系庫：TDengine、redis、TimescaleDB、Hbase、mangoDB 等。

基于restful 接口集成開源的JavaScript 模塊和Python模塊、C++。

2.4 控制算法調(diào)用

KingSCADA 作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)端，采用KingWater 軟件計(jì)算組件，定時和條件觸發(fā)智能調(diào)度算法并結(jié)合Python調(diào)用庫文件或函數(shù)，計(jì)算結(jié)果傳遞給前端或KingSCADA 服務(wù)器，并在自控模式下自動給PLC 下發(fā)控制指令。

2.5 前端交互

通過KingWater 軟件與KingSCADA 監(jiān)控軟件、KingHistorain 工業(yè)實(shí)時數(shù)據(jù)庫、KingIOServer 實(shí)時采集軟件完美交互構(gòu)建管控一體化的供水智能調(diào)度系統(tǒng)[5]。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場層：通過局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)連接各原水泵站、水廠、加壓泵站、管網(wǎng)測點(diǎn)等，讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸層：現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過光纖、4G 等網(wǎng)絡(luò)傳輸，完成現(xiàn)場設(shè)備與集團(tuán)調(diào)度中心服務(wù)端平臺網(wǎng)絡(luò)連接，采集并上傳數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接收層：通過各種標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議或雙方協(xié)定的協(xié)議接口，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備和終端的數(shù)據(jù)接入。

數(shù)據(jù)存儲層：建立數(shù)據(jù)中心，集中存儲、處理海量過程數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提供整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用層：生產(chǎn)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)展示，為調(diào)度和管理人員調(diào)度決策提供支持，同時和其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

WEB 前端表示層采用自主研發(fā)的框架，部分使用Vue架構(gòu)，提供ElementUI、easyUI 組件庫，支持echart 和2D流程圖、3D 視頻展示等；支持跨平臺瀏覽，包括移動端和PC 端。

安全認(rèn)證采用標(biāo)準(zhǔn)的OAuth2.0，支持單點(diǎn)登錄。

后臺服務(wù)采用自主研發(fā)的平臺，采用“微組件”設(shè)計(jì)，豐富的組件保證系統(tǒng)的靈活性、擴(kuò)展性。

中間件層：集成測試環(huán)境，生產(chǎn)環(huán)境：Nginx；依賴平臺：Node，中間件：EMQX，Kafka。

運(yùn)行層：支持虛擬機(jī)化服務(wù)器。

數(shù)據(jù)來源：標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采集、非標(biāo)協(xié)議定制，常用數(shù)據(jù)庫接入（支持國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫達(dá)夢），第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入（ERP、WMS 等）。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 地圖總覽模塊實(shí)現(xiàn)

在地圖上標(biāo)注水源、水廠、管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)等地理位置和管道、閥門分布，并顯示每個站點(diǎn)重要數(shù)據(jù)。地圖總覽主要實(shí)現(xiàn)：

1）實(shí)現(xiàn)與第三方廠家ArcGIS 平臺的對接，保證管道、監(jiān)測點(diǎn)等設(shè)施的同步修改。

2）實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)、水廠等設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢。

3）點(diǎn)位查詢，報(bào)警定位提示，圖標(biāo)閃爍提示，多層級動態(tài)顯示。

4.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊主要實(shí)現(xiàn)：

1）實(shí)現(xiàn)所有水廠泵狀態(tài)、頻率、啟停時間，監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控，歷史曲線查詢，多個監(jiān)測點(diǎn)對比分析。

2）實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊泵人工下發(fā)控制指令，點(diǎn)擊監(jiān)測點(diǎn)可查詢曲線、基本信息、歷史報(bào)警等。

3）實(shí)現(xiàn)泵站、水廠、管網(wǎng)、主控點(diǎn)聯(lián)動智能控制，實(shí)際值與智能算法目標(biāo)值實(shí)時監(jiān)控。

4.3 算法控制實(shí)現(xiàn)

算法控制主要實(shí)現(xiàn)：

1）支持運(yùn)控人員控制算法輸入?yún)?shù)的前端修改，從而持續(xù)調(diào)整算法，優(yōu)化控制。

2）支持智能調(diào)度算法自動下發(fā)控制指令，記錄每條人工、自動指令。

3）實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)目標(biāo)壓力，渾水量計(jì)算，出廠壓力計(jì)算，機(jī)泵搭配算法的中間過程及曲線展示，便于進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試，最終達(dá)到最佳控制目標(biāo)進(jìn)行自動控制。

4.4 運(yùn)行管理模塊實(shí)現(xiàn)

1）實(shí)現(xiàn)運(yùn)行日志、班次維護(hù)、人員排班、交接班的管理記錄。

2）實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)計(jì)劃、水質(zhì)報(bào)告的靈活對接。

3）支持天氣查詢，管道沖洗停水公告的記錄。

4.5 報(bào)警管理模塊實(shí)現(xiàn)

支持報(bào)警規(guī)則設(shè)定，支持用戶單點(diǎn)報(bào)警、多點(diǎn)聯(lián)動報(bào)警關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)配置；實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聯(lián)動報(bào)警不同等級報(bào)警的區(qū)分，實(shí)時報(bào)警自動彈窗展示，與水廠智能控制指令進(jìn)行智能聯(lián)動報(bào)警，減少誤報(bào)警；支持報(bào)警歷史記錄查看。

4.6 系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)用戶管理，用戶權(quán)限配置管理，可自由配置單個頁面權(quán)限。

實(shí)現(xiàn)變量管理，對變量進(jìn)行增刪改查，相關(guān)頁面的變量會進(jìn)行修改。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 數(shù)據(jù)采集

選用KingIOServer 軟件有效解決了多源數(shù)據(jù)采集困難的問題，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵功能主要有：

變量解析：采集器可以解析變量的數(shù)據(jù)源地址信息，通過IOServer 接口訪問變量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)插入：采集器通過調(diào)用工業(yè)庫提供的API 接口將變量數(shù)據(jù)自動插入到工業(yè)庫。

變量枚舉：即變量瀏覽，通過指定具體通道、設(shè)備或者寄存器可以根據(jù)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)類型以及寄存器地址信息自動枚舉數(shù)據(jù)塊里的變量。

冗余功能：采集器支持冗余切換功能，可以指定兩個互為冗余的采集器完成對IOServer 的數(shù)據(jù)采集。

緩存處理：當(dāng)采集器和服務(wù)器出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷的情況時，采集器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地緩存，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。

壓縮處理：采集器可以配置數(shù)據(jù)壓縮方式，如變化壓縮、死區(qū)壓縮和旋轉(zhuǎn)門壓縮等。

5.2 全組態(tài)

全組態(tài)管控一體化平臺KingWater 框架主要包括基礎(chǔ)平臺+四大組件，四大組件包括：采集組件、數(shù)據(jù)組件、計(jì)算組件、客戶端組件。它基于微服務(wù)框架，維護(hù)簡單，擴(kuò)展容易；運(yùn)用容器化部署，一次開發(fā)隨處運(yùn)行，運(yùn)維簡單。系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)選用的全組態(tài)管控一體化平臺KingWater，可快速完成供水智能調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，通過工藝流程和業(yè)務(wù)流程的可組態(tài)，簡單、方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程透明化，生產(chǎn)管控實(shí)時性及產(chǎn)品與設(shè)備全生命周期管理，進(jìn)而提升生產(chǎn)設(shè)備的績效評估和產(chǎn)品的質(zhì)量管理，最大限度提高生產(chǎn)運(yùn)營效率，降低企業(yè)運(yùn)營成本，提高企業(yè)盈利能力。

6 結(jié)語

本文論述了智能供水調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要介紹了系統(tǒng)需求、建設(shè)方案、軟件模塊設(shè)計(jì)與重要模塊的實(shí)現(xiàn)方法與呈現(xiàn)效果等內(nèi)容。開發(fā)完成的系統(tǒng)確保了安全供水，供水管網(wǎng)壓力更優(yōu)，使設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行節(jié)約電耗，降低用電成本并保障了設(shè)備運(yùn)行安全，同時解放人力，節(jié)約人工成本。

智能供水調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)基于亞控KingWater平臺架構(gòu)建立，基于開放的理念，符合國際主流標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范。平臺解決了信息化過程中的信息孤島問題，達(dá)到各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享、流程自動化，規(guī)范系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)融合行業(yè)模型，實(shí)現(xiàn)模塊化開發(fā)，真正做到隨需而變，并大大提高系統(tǒng)質(zhì)量。