淺談智能感知的綜合水務管理平台建設

摘要：智慧水務是數字城市建設的重要內(nei) 容之一，文章根據工程需要，運用物聯網、大數據、互聯網等技術，設計開發了綜合水務管理平台，通過水環境的智能感知、智能調度、智能服務和決(jue) 策支持，形成基礎穩固、業(ye) 務、資源集約、保障有力的現代水環境管理信息化體(ti) 係。

  關(guan) 鍵詞：智慧水務；智能感知；物聯網；大數據

   水務管理是城市管理的重要組成部分之一，智慧水務建設是智慧城市建設的必然延伸[1]。智慧水務係統充分利用多種信息技術，對水務信息進行采集、傳(chuan) 輸、存儲(chu) 及處理，通過感知、主動服務、資源整合、科學決(jue) 策，實現更自動的控製和及時的應對[2-3]。

   水務管理係統貫穿水環境治理“數字設計—智能建造—智慧運維"全生命周期的各個(ge) 階段[4]，立足業(ye) 務建立“物聯感知─網絡傳(chuan) 輸─平台大腦"體(ti) 係，基於(yu) 數字化、物聯網、大數據、雲(yun) 計算、5G、人工智能等技術[5-6]，以業(ye) 務需求為(wei) 導向，以水環境模型為(wei) 基礎，業(ye) 務和信息化，次挖掘各階段業(ye) 務數據價(jia) 值，不斷通過運維數據修正、優(you) 化模型，實現科學決(jue) 策與(yu) 智慧管控，而不僅(jin) 僅(jin) 是做個(ge) “自動監測和可視化展示的空殼"，解決(jue) 城市水環境治理工程全生命周期各方痛點，才有生命力。

1 平台建設原則

   本平台以“智慧驅動、治理"為(wei) 理念，按照“少人化、無人化、智慧化"循序漸進的發展步驟，根據水環境治理實際需求，按照智慧水務建設的標準和要求，建成“智能感知、廣泛互聯、業(ye) 務協同、決(jue) 策科學、服務主動"的廠網河湖岸綜合管理平台，涵蓋監控指揮一張圖、智慧供水應用係統、智慧排水應用係統、智慧水環境監管係統、績效考核監管係統和工程數字化交付係統共6大核心應用，實現“數據實時維護、供排水設施全過程管理、巡查養(yang) 護監管、動態數據監控預警、調度決(jue) 策、績效考核落地實效"的目標，提升供排水管理的規範化、精細化、智能化水平。

   本平台圍繞智能感知和科學決(jue) 策這兩(liang) 大主題，通過先數字化、後智能化、再智慧化的技術過程，采用雲(yun) 計算、大數據、物聯網、人工智能等信息技術，通過監測傳(chuan) 感器部署連接形成智慧水務感知能力、無線網絡技術及專(zhuan) 線網絡技術形成智慧水務傳(chuan) 輸能力、通過整合由調度經驗形成的規則庫、廠站網數值模型形成的方案庫以及監測的實時數據庫形成後台決(jue) 策支持係統，實現感知、分析全、業(ye) 務全覆蓋、監控全過程，運維業(ye) 務維度實現貫通關(guan) 聯、空間維度實現大數據挖掘分析，提供智慧供水管理、智慧排水管理、智慧水環境監管、智慧績效考核評價(jia) 等四類智慧應用，打造成科學治水、治水的智慧水務管理平台。

2 平台總體(ti) 設計

   智慧水務平台總體(ti) 框架在符合當前水環境管理和業(ye) 務需要的前提下，又具有一定的前瞻性，滿足未來業(ye) 務擴展的需求，考慮分布式、多層次、先進技術與(yu) 實用技術的策略，進行海量信息處理與(yu) 分析，以更加精細、動態和智能的方式輔助決(jue) 策，提升服務水平。

   本智慧水務平台的總體(ti) 框架由分層支持體(ti) 係構成，包括智能感知層、信息化基礎設施層、數據資源層和業(ye) 務應用係統層。另外還有兩(liang) 個(ge) 保障體(ti) 係，包括保障體(ti) 係和標準規範體(ti) 係。

   通信網絡作為(wei) 信息化建設的基礎環節，是信息傳(chuan) 遞的神經網絡和各種業(ye) 務應用的承載平台，起著信息流高速傳(chuan) 輸和共享的通道作用。網絡部署符合國際及國家標準規範，可靠、互連、可互操作、可擴充，易於(yu) 擴展、升級和維護。

   智慧水務數據傳(chuan) 輸網絡主要由智能感知網絡和信息服務網絡組成。

3 平台設計

   本平台通過底層的智能感知層獲取基礎數據，中層的數據資源和數據中台提供各類數據服務，上層的各應用係統為(wei) 用戶提供綜合的智慧水務服務。

3.1 智能感知層

   智慧水務建設工程的監測感知層，針對各工程子項的監測需求，監測對象包括源頭、泵站、水庫、供水廠、製水廠、汙水廠、供配水管網、排水管網、汙水調節池等，監測內(nei) 容包括流量監測、液位監測、壓力監測和水質監測。

   排水係統工程按照源-網-站-廠分層分類進行監測布點，水環境工程根據工藝考核需求進行監測布點，供水工程按照源-製-站-水池-輸-配-用戶分層分類進行監測布點。各子項監測點的分布、設備選型、監測方案設計依據以下基本原則：

1)實用性原則：監測點的布置與(yu) 監測目的緊密聯係，監測目的既能滿足項目實際運營管理需求，又充分了解項目建設現狀。

2)代表性原則：監測點的布設能夠準確地反映監測對象的水量水質情況，從(cong) 而確保監測點的監測結果具有較好的代表性。

3)先進性原則：係統設計立足於(yu) 應用需求，采用當前成熟先進的技術，基於(yu) 今後的需求考慮產(chan) 品升級平滑度，使所選的產(chan) 品具有較長的生命周期，並確保係統的持續先進性。

4)穩定性原則：按照監測需要，嚴(yan) 格確定係統期望運行時間和可靠性等級，合理確定係統軟硬件期望故障時間和運行時間，選擇相應的產(chan) 品，保障監測係統穩定可靠。

5)可行性原則：所選擇的監測位置能夠方便、安裝和檢修監測設備，並考慮設備的防盜問題。站點結構在滿足可靠、耐久的前提下，充分考慮材料來源及施工條件等因素。

6)可維護性原則：立足無人駐守，定期巡檢、采集、傳(chuan) 輸、處理，應用軟件工程方法，確保係統的可擴充性和可維護性，降低係統運行與(yu) 維護的難度和代價(jia) 。

7)標準規範原則：監測係統設計嚴(yan) 格遵循國家標準和行業(ye) 內(nei) 的標準，保障係統建設的標準化和規範化。

3.2 物聯網接入平台

   物聯網接入平台負責提供物聯網智能終端的接入管理，實現通訊連接和信息接入，通過線下收集到的設備信息，將設備信息通過物聯網係統提供的功能進行上傳(chuan) 和儲(chu) 存，信息字段一般包括：設備名稱、廠家、所屬分區、類型、位置、坐標、質保期、出廠編號等基本信息。

   為(wei) 滿足對各智能業(ye) 務終端、邊緣物聯代理的監視、配置和管理，匯集各端采集的數據並進行標準化處理，並為(wei) 數據中台提供支撐，物聯網平台支持以下能力：

1)兼容異構網絡：支持多種無線通信協議，包括但不限於(yu) 基於(yu) 無線WiFi、BT、Zigbee、2G/3G/4G/5G、LoRa、NB-loT；有線RS485、KNX等協議的數據傳(chuan) 輸，消息路由，雲(yun) 端適配等服務。

2)多協議接入：支持多種物聯網應用協議，包括但不限於(yu) MQTT、COAP、HTTP/HTTPS等常用物聯網協議，既能滿足長連接的實時性需求，也能滿足短連接的低功耗需求。

3)雲(yun) 端數據分析處理：針對設備數據處理端，平台支持編寫(xie) 類規則過濾設備數據，並通過規則引擎一鍵式配置打通其他組件，以方便快捷地實現海量設備數據的存儲(chu) 、查詢、計算以及智能分析應用。為(wei) 設備數據的存儲(chu) 、傳(chuan) 輸提供可靠、自動化的運維監控服務。

4)應用層協議統一：物聯信平台支持通過統一的標準層協議實現異構設備的統一接入與(yu) 管理。

5)高性能與(yu) 多連接支持：具備億(yi) 級設備的接入能力、大數據的傳(chuan) 輸能力、設備與(yu) 第三方服務的統一連接能力。

3.3 數據中台

   業(ye) 務中台采用雲(yun) 服務的方式，為(wei) 業(ye) 務應用係統的運算、分析和展示提供相應的地理信息服務、大數據及人工智能服務、數據交互服務、物聯網服務、統一用戶服務、統一監控服務和BIM模型服務。

主要包括：

1)地理信息服務：GIS服務中台主要提供統一的地圖服務、三維服務、數據服務，實現地圖、專(zhuan) 題圖底圖、三維場景、各類地理信息、基礎信息的地圖展示。將雲(yun) 計算與(yu) GIS服務，通過資源模板管理、部署、調度等特性，實現對基礎設施的敏捷調度、便捷管理，針對GIS應用環境快速部署和結合GIS數據進行空間大數據分析等核心需求。

2)大數據服務：智慧水務決(jue) 策支持係統基於(yu) 海量的不同類型數據，其中包含與(yu) 地域分布有關(guan) 的空間數據及隨時間變化的時序數據。采用數據挖掘技術將這些數據轉化成有用的信息和知識，可為(wei) 決(jue) 策提供有力支撐。

3)人工智能服務：通過數據預處理及數據標注、大規模分布式訓練、自動化模型生成，提供AI應用按需部署能力。提供AI數據及算法支撐，提升數據處理效率，整體(ti) 運行速度；分布式集群加速，提升模型訓練效率。

3.4 業(ye) 務應用係統

   在上述智能感知層、數據服務層的支持下，本平台提供了多個(ge) 應用子係統：

1)監控指揮一張圖係統基於(yu) 大屏幕展示的監控指揮一張圖係統，在日常應用中，用於(yu) 監控展示、綜合監測預警、管網綜合展示、資產(chan) 集中監管、績效考評監管等業(ye) 務；在應急會(hui) 商或研討時，用於(yu) 展示供排水各類信息資源，保證信息展示的廣度，進行聯合調度指導、輔助決(jue) 策。

2)智慧供水應用係統

   智慧供水建設將資產(chan) 管理、管網運維、生產(chan) 運行管理、調水管理、水質監測與(yu) 監控、營業(ye) 收費、服務等多種功能模塊整合到一個(ge) 平台中，係統內(nei) 部數據包括供水設施、設備資產(chan) 、水情監測、監控、控製設施、生產(chan) 報表、營業(ye) 收費等各類型的數據。

   智慧供水應用係統包括管網資產(chan) 管理、設備資產(chan) 管理、在線監測、廠站運行監管、管網巡查養(yang) 護、營業(ye) 收費管理、管網漏損管控、聯合調度管理、客服等9個(ge) 子係統，各個(ge) 子係統相互，同時又與(yu) 智慧水務綜合運行管理平台的績效考核評估係統，實現智慧排水工程的績效考核監管及運行效能評估。

3)智慧排水應用係統

   智慧排水建設將資產(chan) 管理、管網運維、廠站運行管理、調水管理、水質監測與(yu) 監控等多種功能模塊整合到一個(ge) 平台中，係統內(nei) 部數據包括排水管網設施、設備資產(chan) 、水雨情、水文、控製設施、監控、河道水質等各類型的數據。

   智慧排水應用係統包括管網資產(chan) 管理、設備資產(chan) 管理、在線監測、廠站運行監管、管網巡查養(yang) 護、聯合調度管理、排水戶管理等7個(ge) 子係統，實現智慧排水工程的績效考核監管及運行效能評估。

4)智慧水環境監管係統

   智慧水環境監管係統對環境監測實時數據及基礎地理空間數據，采用GIS、數據可視化、統計分析等技術，實現對水環境及排汙設施的水質、水量等各類監測數據直觀展示。同時，結合對實時監測數據統計分析需求，提供各類統計分析工具，滿足水環境綜合治理對水環境監管的要求以及水環境監測數據的各類應用需求。

4 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台

   安科瑞電氣具備從(cong) 終端感知、邊緣計算到能效管理平台的產(chan) 品體(ti) 係，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平台通過在汙水廠源、網、荷、儲(chu) 、充的各個(ge) 關(guan) 鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用於(yu) 監測汙水廠能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護汙水廠運行可靠，提高汙水廠能效，為(wei) 汙水處理的能效管理提供科學、精細的解決(jue) 方案。

           AcrelEMS智慧水務綜合能效管理係統由變電站綜合自動化係統、18luck新客户端及能效管理係統組成，涵蓋了水務中壓變配電係統、電氣、應急電源、能源管理、照明控製、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平台、一個(ge) APP實時了解水務配電係統運行狀況，並且根據權限可以適用於(yu) 水務後勤部門管理需要。

5 平台子係統

5.1 變電站綜合自動化係統及18luck新客户端

   對水務配電係統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

   監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常等數據。

5.2 電能質量監測與(yu) 治理

   水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電係統中存在大量諧波，通過監測其配電係統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容度指標分析其電能質量，並配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

5.3 電動機管理

   馬達監控實現水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監測。準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點、及相關(guan) 信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與(yu) PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控製，監視、控製各個(ge) 工藝設備,保障正常生產(chan) 。

5.4 能耗管理

   為(wei) 水務搭建計量體(ti) 係，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

   將所有有關(guan) 能源的參數集中在一個(ge) 看板中，從(cong) 多個(ge) 維度對比分析，實現各個(ge) 工藝環節的能耗對比，幫助領導掌控整個(ge) 工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

   能耗數據統計采集水務中汙水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

   能效分析按計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體(ti) 係要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環比、對標等。通過汙水處理產(chan) 量以及係統采集的能耗數據，在汙水單耗中生成汙水單耗趨勢圖，並進行同比和環比分析，同時將汙水的單耗與(yu) 行業(ye) /國家/指標對標，以便企業(ye) 能夠根據產(chan) 品單耗情況來調整生產(chan) 工藝，從(cong) 而降低能耗。

5.5 智能照明控製

   係統為(wei) 汙水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控製管理方案，支持單控、區域控製、自動控製、感應控製、定時控製、場景控製、調光控製等多種控製方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控製功能，盡量利用自然光照，實現室內(nei) 、廠區照明的智能控製達到節能、舒心的目的。

5.6 電氣

5.6.1 電氣火災監測

   監測配電係統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對汙水廠、自來水廠、水泵站的電氣預警。

5.6.2 消防應急照明和疏散指示

   根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。係統接入消防應急照明指示係統數據，通過平麵圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。

5.6.3 消防設備電源監測

   監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

5.6.4 防火門監控係統

   防火門監控係統集中控製其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關(guan) 閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。係統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門能發出信號，能指示部位並保存信息，保障了電氣的可靠性。

5.6.5 環境監測

   汙水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、UPS電池間可燃氣體(ti) 濃度展示和預警，保障汙水廠、自來水廠、水泵站等運行。當可燃氣體(ti) 或有害氣體(ti) 濃度超標可自動啟動排風風機或新風係統，排除隱患，保持良好的水處理環境。

5.6.7 分布式光伏監測

   實時監測低壓並網櫃每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關(guan) 狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側(ce) 每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪製上述監測的各個(ge) 參量的曆史數據。

   平台結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平麵圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、並網點位置，各個(ge) 屋頂的裝機容量。

5.6.8 工藝仿真監控

   平台通過2D、3D方式實時監視粗格柵、汙水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加接觸、汙泥濃縮壓濾、生物等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、汙水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控製櫃或低壓饋電櫃安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與(yu) PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控製，監視、控製各個(ge) 工藝設備,保障正常生產(chan) 。

5.7  產(chan) 品清單

6 結論

   智慧水務是智慧社會(hui) 的重要組成部分，是新時代水務信息化發展的更高階段，是水務現代化的前提條件，是推動水治理能力現代化建設的客觀要求。水務現代化對於(yu) 現代農(nong) 業(ye) 建設來說，支撐經濟社會(hui) 發展，保障環境。智慧水務建設利用物聯網、大數據、移動互聯等各項新技術手段，信息孤島，實現業(ye) 務應用聯動，為(wei) 處理和應對供排水和水環境汙染事件和監管提供了技術支撐，減少各類水汙染事故，能夠給當地水環境、氣候及生產(chan) 生活環境帶來較大的利益。

安科瑞侯文莉