淺談智能感知的綜合水務管理平臺建設

   摘要：智慧水務是數字城市建設的重要內容之一，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臺，通過水環境的智能感知、智能調度、智能服務和決策支持，形成基礎穩固、業務、資源集約、保障有力的現代水環境管理信息化體系。

  關鍵詞：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]。智慧水務系統充分利用多種信息技術，對水務信息進行采集、傳輸、存儲及處理，通過感知、主動服務、資源整合、科學決策，實現更自動的控制和及時的應對[2-3]。

   水務管理系統貫穿水環境治理“數字設計—智能建造—智慧運維"全生命周期的各個階段[4]，立足業務建立“物聯感知─網絡傳輸─平臺大腦"體系，基于數字化、物聯網、大數據、云計算、5G、人工智能等技術[5-6]，以業務需求為導向，以水環境模型為基礎，業務和信息化，次挖掘各階段業務數據價值，不斷通過運維數據修正、優化模型，實現科學決策與智慧管控，而不僅僅是做個“自動監測和可視化展示的空殼"，解決城市水環境治理工程全生命周期各方痛點，才有生命力。

1 平臺建設原則

   本平臺以“智慧驅動、治理"為理念，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、業務協同、決策科學、服務主動"的廠網河湖岸綜合管理平臺，涵蓋監控指揮一張圖、智慧供水應用系統、智慧排水應用系統、智慧水環境監管系統、績效考核監管系統和工程數字化交付系統共6大核心應用，實現“數據實時維護、供排水設施全過程管理、巡查養護監管、動態數據監控預警、調度決策、績效考核落地實效"的目標，提升供排水管理的規范化、精細化、智能化水平。

   本平臺圍繞智能感知和科學決策這兩大主題，通過先數字化、后智能化、再智慧化的技術過程，采用云計算、大數據、物聯網、人工智能等信息技術，通過監測傳感器部署連接形成智慧水務感知能力、無線網絡技術及專線網絡技術形成智慧水務傳輸能力、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后臺決策支持系統，實現感知、分析全、業務全覆蓋、監控全過程，運維業務維度實現貫通關聯、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、智慧績效考核評價等四類智慧應用，打造成科學治水、治水的智慧水務管理平臺。

2 平臺總體設計

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

   本智慧水務平臺的總體框架由分層支持體系構成，包括智能感知層、信息化基礎設施層、數據資源層和業務應用系統層。另外還有兩個保障體系，包括保障體系和標準規范體系。

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

   智慧水務數據傳輸網絡主要由智能感知網絡和信息服務網絡組成。

3 平臺設計

   本平臺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臺提供各類數據服務，上層的各應用系統為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、制水廠、污水廠、供配水管網、排水管網、污水調節池等，監測內容包括流量監測、液位監測、壓力監測和水質監測。

   排水系統工程按照源-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-制-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：監測點的布置與監測目的緊密聯系，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：系統設計立足于應用需求，采用當前成熟先進的技術，基于今后的需求考慮產品升級平滑度，使所選的產品具有較長的生命周期，并確保系統的持續先進性。

4)穩定性原則：按照監測需要，嚴格確定系統期望安全運行時間和可靠性等級，合理確定系統軟硬件期望故障時間和運行時間，選擇相應的產品，保障監測系統穩定可靠。

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，并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、傳輸、處理，應用軟件工程方法，確保系統的可擴充性和可維護性，降低系統運行與維護的難度和代價。

7)標準規范原則：監測系統設計嚴格遵循國家標準和行業內的標準，保障系統建設的標準化和規范化。

3.2 物聯網接入平臺

   物聯網接入平臺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系統提供的功能進行上傳和儲存，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。

   為滿足對各智能業務終端、邊緣物聯代理的監視、配置和管理，匯集各端采集的數據并進行標準化處理，并為數據中臺提供支撐，物聯網平臺支持以下能力：

1)兼容異構網絡：支持多種無線通信協議，包括但不限于基于無線WiFi、BT、Zigbee、2G/3G/4G/5G、LoRa、NB-loT；有線RS485、KNX等協議的數據傳輸，消息路由，云端適配等服務。

2)多協議接入：支持多種物聯網應用協議，包括但不限于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)云端數據分析處理：針對設備數據處理端，平臺支持編寫類規則過濾設備數據，并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、查詢、計算以及智能分析應用。為設備數據的存儲、傳輸提供可靠、自動化的運維監控服務。

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

5)高性能與多連接支持：具備億級設備的接入能力、大數據的傳輸能力、設備與第三方服務的統一連接能力。

3.3 數據中臺

   業務中臺采用云服務的方式，為業務應用系統的運算、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服務中臺主要提供統一的地圖服務、三維服務、數據服務，實現地圖、專題圖底圖、三維場景、各類地理信息、基礎信息的地圖展示。將云計算與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：智慧水務決策支持系統基于海量的不同類型數據，其中包含與地域分布有關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，可為決策提供有力支撐。

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，整體運行速度；分布式集群加速，提升模型訓練效率。

3.4 業務應用系統

   在上述智能感知層、數據服務層的支持下，本平臺提供了多個應用子系統：

1)監控指揮一張圖系統基于大屏幕展示的監控指揮一張圖系統，在日常應用中，用于監控展示、綜合監測預警、管網綜合展示、資產集中監管、績效考評監管等業務；在應急會商或研討時，用于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、輔助決策。

2)智慧供水應用系統

   智慧供水建設將資產管理、管網運維、生產運行管理、調水管理、水質監測與監控、營業收費、服務等多種功能模塊整合到一個平臺中，系統內部數據包括供水設施、設備資產、水情監測、監控、控制設施、生產報表、營業收費等各類型的數據。

   智慧供水應用系統包括管網資產管理、設備資產管理、在線監測、廠站運行監管、管網巡查養護、營業收費管理、管網漏損管控、聯合調度管理、客服等9個子系統，各個子系統相互，同時又與智慧水務綜合運行管理平臺的績效考核評估系統，實現智慧排水工程的績效考核監管及運行效能評估。

3)智慧排水應用系統

   智慧排水建設將資產管理、管網運維、廠站運行管理、調水管理、水質監測與監控等多種功能模塊整合到一個平臺中，系統內部數據包括排水管網設施、設備資產、水雨情、水文、控制設施、監控、河道水質等各類型的數據。

   智慧排水應用系統包括管網資產管理、設備資產管理、在線監測、廠站運行監管、管網巡查養護、聯合調度管理、排水戶管理等7個子系統，實現智慧排水工程的績效考核監管及運行效能評估。

4)智慧水環境監管系統

   智慧水環境監管系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，實現對水環境及排污設施的水質、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臺

   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品體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

           AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、電氣、應急電源、能源管理、照明控制、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臺、一個APP實時了解水務配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

5 平臺子系統

5.1 變電站綜合自動化系統及電力監控

   對水務配電系統中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 電能質量監測與治理

   水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統中存在大量諧波，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容度指標分析其電能質量，并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、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

5.4 能耗管理

   為水務搭建計量體系，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。

   將所有有關能源的參數集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環節的能耗對比，幫助掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

   能耗數據統計采集水務中污水廠、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，契合能源管理體系要求，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。通過污水處理產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，并進行同比和環比分析，同時將污水的單耗與行業/國家/先進指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

5.5 智能照明控制

   系統為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區照明的智能控制達到節能、舒心的目的。

5.6 電氣

5.6.1 電氣火災監測

   監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、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。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過平面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 防火門監控系統

   防火門監控系統集中控制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、關閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系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，能指示部位并保存信息，保障了電氣的可靠性。

5.6.5 環境監測

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

5.6.7 分布式光伏監測

   實時監測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態，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、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪制上述監測的各個參量的歷史數據。

   平臺結合廠區實際分布情況，通過3D或2.5D平面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、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。

5.6.8 工藝仿真監控

   平臺通過2D、3D方式實時監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加接觸、污泥濃縮壓濾、生物等工藝設備運行狀態。在格柵清渣機、污水提升泵、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制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，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PLC、軟啟、變頻器等配合，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

5.7  產品清單

6 結論

   智慧水務是智慧社會的重要組成部分，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。水務現代化對于現代農業建設來說是更要的，支撐經濟社會發展，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，實現業務應用聯動，為處理和應對供排水和水環境污染事件和監管提供了技術支撐，減少各類水污染事故，能夠給當地水環境、氣候及生產生活環境帶來較大的利益。