摘要：為了建構完善的智慧水務(wù)系統，本文將從互聯(lián)網(wǎng)思維角度出發(fā)展開(kāi)相關(guān)研究。研究首先介紹了智慧水務(wù)系 統現狀，提出了系統建設現實(shí)需求，其次進(jìn)行了系統設計。通過(guò)本文研究，設計得出的智慧水務(wù)系統可以滿(mǎn)足系統建設的現實(shí)需求，且系統能夠提高水務(wù)工作效率與質(zhì)量。

0引言

因為現代水務(wù)管理工作的需求變得愈發(fā)復雜，導致工作展開(kāi)難度加大，純粹的人工模式逐漸不滿(mǎn)足工作開(kāi)展需要，容易導致工作質(zhì)量、效率出現瑕疵，所以相關(guān)組織現已開(kāi)始著(zhù)手建設智慧水務(wù)系統，并取得了初步成果。但初步成果上的智慧水務(wù)系統依然存在問(wèn)題，其中主要問(wèn)題就是系統內各子系統之間缺乏聯(lián)系，使得很多工作依舊需要人工干預，說(shuō)明智慧水務(wù)系統還需要進(jìn)一步完善。針對這種現象，相關(guān)學(xué)者認為智慧水務(wù)系統的進(jìn)一步完善性建設應當秉持互聯(lián)網(wǎng)思維展開(kāi)，將子系統串聯(lián)在一起，建構一個(gè)能覆蓋水務(wù)管理需求的網(wǎng)絡(luò )框架才能有力解決問(wèn)題，并能大幅提高工作質(zhì)量與效率。

1 智慧水務(wù)系統現狀

目前來(lái)看，相關(guān)組織所建立的智慧水務(wù)系統主要是以智能終端為核心，在實(shí)際工作地點(diǎn)安裝傳感器等設備，或建立工作站來(lái)搭建業(yè)務(wù)子系統，然后將每個(gè)子系統連接到智能終端上，這樣智能終端就能接受來(lái)源于每個(gè)業(yè)務(wù)子系統上的信息，并通過(guò)智能邏輯對信息進(jìn)行識別、分析，根據信息了解業(yè)務(wù)板塊情況，結合實(shí)際情況提出工作建議。例如水質(zhì)檢測業(yè)務(wù)子系統會(huì )向智能終端發(fā)送水體重金屬元素含量信息，當終端獲取該信息就會(huì )根據預先設定好的重金屬元素含量標準進(jìn)行數值對比，如果信息內重金屬元素含量數值超過(guò)標準值，就說(shuō)明水體存在重金屬污染超標現象，水質(zhì)明顯下降，因此會(huì )發(fā)出工作建議，讓人工盡快展開(kāi)水質(zhì)凈化工作?？梢钥闯?，當前的智慧水務(wù)系統確實(shí)對實(shí)際工作有幫助，但結構上卻太過(guò)簡(jiǎn)單，是以典型的直聯(lián)結構，即每個(gè)子系統都是單獨于智能終端保持聯(lián)系的，彼此之間并沒(méi)有聯(lián)系，這會(huì )導致每個(gè)業(yè)務(wù)子系統傳遞而來(lái)的信息沒(méi)有聯(lián)系，也使得智能終端只能單獨分析某個(gè)子系統傳遞而來(lái)的信息，不能很好的將所有業(yè)務(wù)子系統信息集成進(jìn)行綜合分析，故分析結果存在瑕疵，諸如水質(zhì)檢測業(yè)務(wù)子系統只能傳遞水質(zhì)相關(guān)的信息，告訴工作人員水質(zhì)存在問(wèn)題，需要展開(kāi)工作，但工作須針對水質(zhì)污染原因展開(kāi)，而這種系統結構無(wú)法直接展示具體原因（其他業(yè)務(wù)子系統會(huì )將具體原因傳遞到智能終端，但因為信息沒(méi)有聯(lián)系，所以在結果展示中無(wú)法告知人工水質(zhì)污染與哪些原因有關(guān)），大部分情況下還需要人工進(jìn)行排查，說(shuō)明智慧水務(wù)系統有待進(jìn)一步完善。

2 互聯(lián)網(wǎng)思維下智慧水務(wù)系統設計方案

2.1 框架建設

為了在智慧水務(wù)系統進(jìn)一步建設中滿(mǎn)足所有現實(shí)需求，本文提出了一種全新的系統框架，具體如圖 1 所示。

圖 1 本文智慧水務(wù)系統總體框架

結合圖 1 可以看到，本系統共分四個(gè)層次：首先為設備層，也被稱(chēng)為“物理層"，主要由各種物理設備建構而成，設備指傳感器、檢測儀表等。這些設備的主要功能各不相同，但實(shí)際作用統一，均是對現實(shí)信息進(jìn)行采集，然后將信息傳遞到 PLC 總線(xiàn)中進(jìn)行傳輸，因此這些設備還充當了信息發(fā)出端，均具備信號發(fā)射功能，即任意設備都能將信息轉換成相關(guān)的信號，并將信號對外發(fā)射，發(fā)射出的信號會(huì )被 PLC 總線(xiàn)接收；然后為 PLC 控制層，該層的核心是 PLC 總線(xiàn)，能夠接收現場(chǎng)載有信息的信號，信號會(huì )在總線(xiàn)內傳遞，并且在單片機控制作用下進(jìn)入對應的分支通信渠道中，這樣相關(guān)的信號會(huì )被集成，然后通過(guò)分支通信渠道向通信服務(wù)層傳遞。另外，因為通信服務(wù)層的主要設備是物理服務(wù)器，只能讀取數字格式的信號，而初始化信號的格式為電的信號，所以在 PLC 控制層中還會(huì )將初始化信號的格式轉換為數字格式，這一功能主要通過(guò)換能器來(lái)實(shí)現；第三為通信服務(wù)層，主要功能是作為智慧水務(wù)系統的公用通信服務(wù)器，能夠解譯在 PLC 控制層中初步集成的信號，獲得對應信息組，然后根據編號、標簽對信息組進(jìn)行分類(lèi)，分類(lèi)后進(jìn)行儲存。通信服務(wù)層主要建立于以太網(wǎng)環(huán)境中，本文在網(wǎng)絡(luò )搭建中所使用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議為 CSMA/CD 協(xié)議，其具有多點(diǎn)接入的特點(diǎn)，滿(mǎn)足業(yè)務(wù)子系統相互連接的需求，且該網(wǎng)絡(luò )能作為智慧水務(wù)系統的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )來(lái)使用；第四為智慧水務(wù)層，該層的核心是智能終端系統，而該系統能夠通過(guò)功能開(kāi)發(fā)成為水務(wù)信息分析、水務(wù)工作統一化信息指揮的雙用系統。本文在該系統建設中，首先依托于 Web SCADA 服務(wù)器來(lái)獲得 Web Service 服務(wù)，其次通過(guò)該服務(wù)反饋到 PLC端控制，實(shí)現了交互互聯(lián)的通信與智慧化控制，同時(shí)該方法下得出的智能終端系統將具備安全性高、人機交互性好的優(yōu)勢。

2.2 數據庫建設

任何系統的運作都須建立在數據支撐的基礎上，因此為了獲得數據支撐，本文在框架搭建完畢后展開(kāi)了數據庫建設工作。結合系統運作需要，數據庫建設工作一共分為兩個(gè)步驟：首先是搭建關(guān)系數據庫，該數據庫在類(lèi)型上有很多選擇，諸如 MySQL、MSSQLServer、Oracle 等，但這些數據庫在容量及自帶功能上存在一定的差別，即 My SQL 容量比較有限，但功能相對豐富，一般用于儲存量級較小，但類(lèi)型復雜的數據；MSSQLServer 容量較高，但功能單一，無(wú)法對數據進(jìn)行準確分類(lèi)，常用于儲存大型數據；Oracle 容量高、功能強大，但使用流程繁瑣。系統數據庫建設應當優(yōu)先滿(mǎn)足實(shí)際數據儲存與應用需求，而后再考慮使用流程是否繁瑣等問(wèn)題，所以選擇 Oracle 數據庫作為關(guān)系數據庫，其在實(shí)際應用中主要負責從工業(yè)數據庫獲取實(shí)時(shí)數據映像，然后將這些數據提供給智能終端系統，作為智能終端系統的智能邏輯支撐，同時(shí)也負責獲取業(yè)務(wù)子系統中手動(dòng)錄入的數據，這一部分數據將作為業(yè)務(wù)處理數據來(lái)使用；其次是搭建工業(yè)數據庫，該數據庫須具有龐大的數據儲存容量，用于支撐高速數據采集、數據壓縮等功能，這些功能可以對數據進(jìn)行預先處理，使智能終端系統的運作效率增快。需要注意的是，工業(yè)數據庫的數據儲存容量需求比關(guān)系數據庫儲存容量需求更高，原因在于工業(yè)數據是不斷更新的，說(shuō)明工業(yè)數據量級在不斷增長(cháng)，因此工業(yè)數據庫的儲存容量也要不斷增長(cháng)，這一需求下 Oracle 無(wú)法滿(mǎn)足需求，故選擇云數據庫作為工業(yè)數據庫，該數據庫屬于虛擬數據庫，可以將數據儲存在公開(kāi)的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，所以云數據庫的容量可以無(wú)限增長(cháng)。但云數據庫的應用會(huì )導致工業(yè)數據暴露在公開(kāi)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，為解決這一問(wèn)題，可以先將一部分云數據庫儲存資源封裝，儲存在封閉式網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，該環(huán)境中的數據不會(huì )對外公開(kāi)，而當內部數據儲存容量接近頂點(diǎn)時(shí)，可以人工增加封閉式網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中的云數據庫資源來(lái)實(shí)現容量擴張。

2.3 業(yè)務(wù)子系統設計

為了增強智慧水務(wù)系統的功能性，使其對水務(wù)管理工作需求進(jìn)行全覆蓋，需要在框架基礎上設計業(yè)務(wù)子系統，業(yè)務(wù)子系統主要集成在智慧水務(wù)層。需要設計的業(yè)務(wù)子系統有：首先是生產(chǎn)運行管理系統，設計主要參考集成 SCADA 系統結構，能夠對水體取用、供給、排放、引入等基礎業(yè)務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數據監控，也促使相關(guān)組織能夠實(shí)行生命周期管理，做到生產(chǎn)、運作全方面管控。該子系統主要由水源地監控、自來(lái)水廠(chǎng)監控、供水泵站監控、用戶(hù)用水監測等功能單元組成；其次是生產(chǎn)調度管理系統，該子系統主要負責展示生產(chǎn)運行管理系統的監測數據，數據展示主要由該子系統的數據可視化模塊實(shí)現，通過(guò)該模塊能夠將實(shí)時(shí)數據繪制成數據曲線(xiàn)，提高數據展示的直觀(guān)性。同時(shí)該系統還需要具備故障報警、故障情況展示、故障處理建議輸出等功能單元；第三是管網(wǎng) GIS 系統，該子系統主要與相關(guān)組織的管網(wǎng)排查、維護、養護、巡檢等業(yè)務(wù)對接，能夠幫助工作人員了解管網(wǎng)情況，發(fā)現問(wèn)題能通過(guò)GIS 技術(shù)獲得信息，確認問(wèn)題所在位置，方便人工直接前往現場(chǎng)處理，提高相關(guān)業(yè)務(wù)工作效率。該子系統在 GIS 技術(shù)的作用下具有良好的數據準確性與數據反饋及時(shí)性，因此系統可靠性較高。該子系統主要包含管網(wǎng)信息系統、管網(wǎng)數字采集系統、管網(wǎng)工程管理、管網(wǎng)巡檢管理功能、管網(wǎng)應急處理、供水管網(wǎng)模型等功能單元；第四是 DMA 分區計量管理子系統，該子系統需要具備漏損評估、漏損預警、產(chǎn)銷(xiāo)差分析、水平衡分析等功能單元，這些功能單元能使得相關(guān)組織對自身經(jīng)濟效益進(jìn)行把控。以漏損評估、漏損預警兩大功能單元為例，因為漏損問(wèn)題是水務(wù)經(jīng)濟效益影響的主要因素，漏損越小、越少則水務(wù)經(jīng)濟效益越高，所以首先通過(guò)漏損評估，能夠讓相關(guān)組織了解各個(gè)管理區域的漏損情況是否超標、是否已經(jīng)接近標準，這樣相關(guān)組織就能做好預先防控或對應處理工作，其次通過(guò)漏損預警功能能更好的通知人工做出有針對性的工作計劃，即漏損預警功能會(huì )通過(guò)漏損報告來(lái)通知人工，報告中會(huì )顯示水量分析、夜間低流量分析、異常分析，統計漏失率等重要信息，方便人工排查；第五是設備管理系統，該子系統主要負責展示水務(wù)管理工作中所有設備的情況信息，包括設備使用年限、設備數量、設備型號、設備維修記錄、設備報廢記錄等，這些信息能夠幫助人工做好設備采購、維修、保養、檔案、運行、巡檢等重要工作；第六是水質(zhì)管理系統，該子系統主要與水質(zhì)化驗業(yè)務(wù)掛鉤，以便相關(guān)組織保障水質(zhì)安全，定期進(jìn)行水質(zhì)取樣，然后對水質(zhì)樣本進(jìn)行化驗分析，而在該子系統幫助下，水質(zhì)化驗整個(gè)過(guò)程中的數據以及化驗結果能迅速傳輸到智能終端系統中，終端系統將結合標準對數據進(jìn)一步分析，如果化驗結果中某個(gè)數據項目超出安全標準，會(huì )馬上通知人工，并且給出處理建議。該子系統主要由項目分組、檢測數據上報、檢測報告生成三個(gè)功能單元組成；第七是交互通信系統，該系統比較特殊并不與任何水務(wù)管理業(yè)務(wù)對接，主要功能是支撐以上六大子系統的交互連接，實(shí)現各大子系統交互通信，將信息集成后發(fā)送到 PLC 總線(xiàn)內，這樣就能彌補以往智慧水務(wù)系統的不足。交互通信系統一般建議采用點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議來(lái)完成，這也是本文選擇 CSMA/CD 協(xié)議的主要原因。

3 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

3.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

3.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

3.3平臺拓撲圖

3.4平臺子系統

3.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統及電力監控

對水務(wù)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時(shí)預警。

監測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

3.4.2電能質(zhì)量監測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動(dòng)導致配電系統中存在大量諧波，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

3.4.3電動(dòng)機管理

馬達監控實(shí)現水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機保護器能對過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護、監測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機進(jìn)行健康診斷和預防性維護。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

3.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關(guān)能源的參數集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現各個(gè)工藝環(huán)節的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個(gè)工廠(chǎng)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(wù)中污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)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。

能效分析按三級計量架構，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車(chē)間/職能部門(mén)的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過(guò)污水處理產(chǎn)量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

3.4.5智能照明控制

系統為污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現室內、廠(chǎng)區照明的智能控制達到安全、節能的目的。

3.4.6電氣安全

①電氣火災監測：監測配電系統回路的漏電電流和線(xiàn)纜溫度，實(shí)現對污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站的電氣安全預警。

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(dòng)疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

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(fā)生火災時(shí)消防設備可以正常投入使用。

④防火門(mén)監控系統：防火門(mén)監控系統集中控制其各終端設備即防火門(mén)監控模塊、電動(dòng)閉門(mén)器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測疏散通道防火門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開(kāi)路、短路等故障信號。系統采用消防二總線(xiàn)將具有通信功能的監控模塊相互連接起來(lái)，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門(mén)監控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

3.4.7 環(huán)境監測

污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等場(chǎng)所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

3.4.8分布式光伏監測

實(shí)時(shí)監測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監視，對逆變器直流側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(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監測，以曲線(xiàn)方式繪制上述監測的各個(gè)參量的歷史數據。

平臺結合廠(chǎng)區實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂的裝機容量。

3.4.9工藝仿真監控

平臺通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機保護，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、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PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

4 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

5 結論

綜上，傳統水務(wù)管理工作模式逐漸不滿(mǎn)足現代工作需求，因此相關(guān)組織要努力建設智慧水務(wù)系統，而在系統建設完成后，相關(guān)組織應當對系統實(shí)際應用情況進(jìn)行分析，針對其中缺點(diǎn)不斷展開(kāi)完善性建設工作，確保智慧水務(wù)系統滿(mǎn)足實(shí)際工作需要，這樣才能提高水務(wù)管理工作質(zhì)量、效率。

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