0引言

因為現(xiàn)代水務管理工作的需求變得愈發(fā)復雜，導致工作展開難度加大，純粹的人工模式逐漸不滿足工作開展需要，容易導致工作質量、效率出現(xiàn)瑕疵，所以相關組織現(xiàn)已開始著手建設智慧水務系統(tǒng)，并取得了初步成果。但初步成果上的智慧水務系統(tǒng)依然存在問題，其中主要問題就是系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間缺乏聯(lián)系，使得很多工作依舊需要人工干預，說明智慧水務系統(tǒng)還需要進一步完善。針對這種現(xiàn)象，相關學者認為智慧水務系統(tǒng)的進一步完善性建設應當秉持互聯(lián)網(wǎng)思維展開，將子系統(tǒng)串聯(lián)在一起，建構一個能覆蓋水務管理需求的網(wǎng)絡框架才能有力解決問題，并能大幅提高工作質量與效率。

1 智慧水務系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前來看，相關組織所建立的智慧水務系統(tǒng)主要是以智能終端為核心，在實際工作地點安裝傳感器等設備，或建立工作站來搭建業(yè)務子系統(tǒng)，然后將每個子系統(tǒng)連接到智能終端上，這樣智能終端就能接受來源于每個業(yè)務子系統(tǒng)上的信息，并通過智能邏輯對信息進行識別、分析，根據(jù)信息了解業(yè)務板塊情況，結合實際情況提出工作建議。例如水質檢測業(yè)務子系統(tǒng)會向智能終端發(fā)送水體重金屬元素含量信息，當終端獲取該信息就會根據(jù)預先設定好的重金屬元素含量標準進行數(shù)值對比，如果信息內(nèi)重金屬元素含量數(shù)值超過標準值，就說明水體存在重金屬污染超標現(xiàn)象，水質明顯下降，因此會發(fā)出工作建議，讓人工盡快展開水質凈化工作。可以看出，當前的智慧水務系統(tǒng)確實對實際工作有幫助，但結構上卻太過簡單，是以典型的直聯(lián)結構，即每個子系統(tǒng)都是單獨于智能終端保持聯(lián)系的，彼此之間并沒有聯(lián)系，這會導致每個業(yè)務子系統(tǒng)傳遞而來的信息沒有聯(lián)系，也使得智能終端只能單獨分析某個子系統(tǒng)傳遞而來的信息，不能很好的將所有業(yè)務子系統(tǒng)信息集成進行綜合分析，故分析結果存在瑕疵，諸如水質檢測業(yè)務子系統(tǒng)只能傳遞水質相關的信息，告訴工作人員水質存在問題，需要展開工作，但工作須針對水質污染原因展開，而這種系統(tǒng)結構無法直接展示具體原因（其他業(yè)務子系統(tǒng)會將具體原因傳遞到智能終端，但因為信息沒有聯(lián)系，所以在結果展示中無法告知人工水質污染與哪些原因有關），大部分情況下還需要人工進行排查，說明智慧水務系統(tǒng)有待進一步完善。

2 互聯(lián)網(wǎng)思維下智慧水務系統(tǒng)設計方案

2.1 框架建設

為了在智慧水務系統(tǒng)進一步建設中滿足所有現(xiàn)實需求，本文提出了一種全新的系統(tǒng)框架，具體如圖 1 所示。

圖 1 本文智慧水務系統(tǒng)總體框架

結合圖 1 可以看到，本系統(tǒng)共分四個層次：首先為設備層，也被稱為“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，但實際作用統(tǒng)一，均是對現(xiàn)實信息進行采集，然后將信息傳遞到 PLC 總線中進行傳輸，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的信號，并將信號對外發(fā)射，發(fā)射出的信號會被 PLC 總線接收；然后為 PLC 控制層，該層的核心是 PLC 總線，能夠接收現(xiàn)場載有信息的信號，信號會在總線內(nèi)傳遞，并且在單片機控制作用下進入對應的分支通信渠道中，這樣相關的信號會被集成，然后通過分支通信渠道向通信服務層傳遞。另外，因為通信服務層的主要設備是物理服務器，只能讀取數(shù)字格式的信號，而初始化信號的格式為電的信號，所以在 PLC 控制層中還會將初始化信號的格式轉換為數(shù)字格式，這一功能主要通過換能器來實現(xiàn)；第三為通信服務層，主要功能是作為智慧水務系統(tǒng)的公用通信服務器，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(jù)編號、標簽對信息組進行分類，分類后進行儲存。通信服務層主要建立于以太網(wǎng)環(huán)境中，本文在網(wǎng)絡搭建中所使用的網(wǎng)絡協(xié)議為 CSMA/CD 協(xié)議，其具有多點接入的特點，滿足業(yè)務子系統(tǒng)相互連接的需求，且該網(wǎng)絡能作為智慧水務系統(tǒng)的專用網(wǎng)絡來使用；第四為智慧水務層，該層的核心是智能終端系統(tǒng)，而該系統(tǒng)能夠通過功能開發(fā)成為水務信息分析、水務工作統(tǒng)一化信息指揮的雙用系統(tǒng)。本文在該系統(tǒng)建設中，首先依托于 Web SCADA 服務器來獲得 Web Service 服務，其次通過該服務反饋到 PLC端控制，實現(xiàn)了交互互聯(lián)的通信與智慧化控制，同時該方法下得出的智能終端系統(tǒng)將具備安全性高、人機交互性好的優(yōu)勢。

2.2 數(shù)據(jù)庫建設

任何系統(tǒng)的運作都須建立在數(shù)據(jù)支撐的基礎上，因此為了獲得數(shù)據(jù)支撐，本文在框架搭建完畢后展開了數(shù)據(jù)庫建設工作。結合系統(tǒng)運作需要，數(shù)據(jù)庫建設工作一共分為兩個步驟：首先是搭建關系數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫在類型上有很多選擇，諸如 MySQL、MSSQLServer、Oracle 等，但這些數(shù)據(jù)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，但類型復雜的數(shù)據(jù)；MSSQLServer 容量較高，但功能單一，無法對數(shù)據(jù)進行準確分類，常用于儲存大型數(shù)據(jù)；Oracle 容量高、功能強大，但使用流程繁瑣。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設應當優(yōu)先滿足實際數(shù)據(jù)儲存與應用需求，而后再考慮使用流程是否繁瑣等問題，所以選擇 Oracle 數(shù)據(jù)庫作為關系數(shù)據(jù)庫，其在實際應用中主要負責從工業(yè)數(shù)據(jù)庫獲取實時數(shù)據(jù)映像，然后將這些數(shù)據(jù)提供給智能終端系統(tǒng)，作為智能終端系統(tǒng)的智能邏輯支撐，同時也負責獲取業(yè)務子系統(tǒng)中手動錄入的數(shù)據(jù)，這一部分數(shù)據(jù)將作為業(yè)務處理數(shù)據(jù)來使用；其次是搭建工業(yè)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫須具有龐大的數(shù)據(jù)儲存容量，用于支撐高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)壓縮等功能，這些功能可以對數(shù)據(jù)進行預先處理，使智能終端系統(tǒng)的運作效率增快。需要注意的是，工業(yè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)儲存容量需求比關系數(shù)據(jù)庫儲存容量需求更高，原因在于工業(yè)數(shù)據(jù)是不斷更新的，說明工業(yè)數(shù)據(jù)量級在不斷增長，因此工業(yè)數(shù)據(jù)庫的儲存容量也要不斷增長，這一需求下 Oracle 無法滿足需求，故選擇云數(shù)據(jù)庫作為工業(yè)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫屬于虛擬數(shù)據(jù)庫，可以將數(shù)據(jù)儲存在公開的網(wǎng)絡環(huán)境中，云數(shù)據(jù)庫的容量可以無限增長，但云數(shù)據(jù)庫的應用會導致工業(yè)數(shù)據(jù)暴露在公開網(wǎng)絡環(huán)境中，為解決這一問題，可以先將一部分云數(shù)據(jù)庫儲存資源封裝，儲存在封閉式網(wǎng)絡環(huán)境中，該環(huán)境中的數(shù)據(jù)不會對外公開，而當內(nèi)部數(shù)據(jù)儲存容量接近頂點時，可以人工增加封閉式網(wǎng)絡環(huán)境中的云數(shù)據(jù)庫資源來實現(xiàn)容量擴張。

2.3 業(yè)務子系統(tǒng)設計

為了增強智慧水務系統(tǒng)的功能性，使其對水務管理工作需求進行全覆蓋，需要在框架基礎上設計業(yè)務子系統(tǒng)，業(yè)務子系統(tǒng)主要集成在智慧水務層。需要設計的業(yè)務子系統(tǒng)有：首先是生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)，設計主要參考集成 SCADA 系統(tǒng)結構，能夠對水體取用、供給、排放、引入等基礎業(yè)務進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，也促使相關組織能夠實行生命周期管理，做到生產(chǎn)、運作全方面管控。該子系統(tǒng)主要由水源地監(jiān)控、自來水廠監(jiān)控、供水泵站監(jiān)控、用戶用水監(jiān)測等功能單元組成；其次是生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)，該子系統(tǒng)主要負責展示生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)展示主要由該子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化模塊實現(xiàn)，通過該模塊能夠將實時數(shù)據(jù)繪制成數(shù)據(jù)曲線，提高數(shù)據(jù)展示的直觀性。同時該系統(tǒng)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(tǒng)，該子系統(tǒng)主要與相關組織的管網(wǎng)排查、維護、養(yǎng)護、巡檢等業(yè)務對接，能夠幫助工作人員了解管網(wǎng)情況，發(fā)現(xiàn)問題能通過GIS 技術獲得信息，確認問題所在位置，方便人工直接前往現(xiàn)場處理，提高相關業(yè)務工作效率。該子系統(tǒng)在 GIS 技術的作用下具有良好的數(shù)據(jù)準確性與數(shù)據(jù)反饋及時性，因此系統(tǒng)可靠性較高。該子系統(tǒng)主要包含管網(wǎng)信息系統(tǒng)、管網(wǎng)數(shù)字采集系統(tǒng)、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(qū)計量管理子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)需要具備漏損評估、漏損預警、產(chǎn)銷差分析、水平衡分析等功能單元，這些功能單元能使得相關組織對自身經(jīng)濟效益進行把控。以漏損評估、漏損預警兩大功能單元為例，因為漏損問題是水務經(jīng)濟效益影響的主要因素，漏損越小、越少則水務經(jīng)濟效益越高，所以首先通過漏損評估，能夠讓相關組織了解各個管理區(qū)域的漏損情況是否超標、是否已經(jīng)接近標準，這樣相關組織就能做好預先防控或對應處理工作，其次通過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，即漏損預警功能會通過漏損報告來通知人工，報告中會顯示水量分析、夜間低流量分析、異常分析，統(tǒng)計漏失率等重要信息，方便人工排查；第五是設備管理系統(tǒng)，該子系統(tǒng)主要負責展示水務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(shù)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(yǎng)、檔案、運行、巡檢等重要工作；第六是水質管理系統(tǒng)，該子系統(tǒng)主要與水質化驗業(yè)務掛鉤，以便相關組織保障水質安全，定期進行水質取樣，然后對水質樣本進行化驗分析，而在該子系統(tǒng)幫助下，水質化驗整個過程中的數(shù)據(jù)以及化驗結果能迅速傳輸?shù)街悄芙K端系統(tǒng)中，終端系統(tǒng)將結合標準對數(shù)據(jù)進一步分析，如果化驗結果中某個數(shù)據(jù)項目超出安全標準，會馬上通知人工，并且給出處理建議。該子系統(tǒng)主要由項目分組、檢測數(shù)據(jù)上報、檢測報告生成三個功能單元組成；第七是交互通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)比較特殊并不與任何水務管理業(yè)務對接，主要功能是支撐以上六大子系統(tǒng)的交互連接，實現(xiàn)各大子系統(tǒng)交互通信，將信息集成后發(fā)送到 PLC 總線內(nèi)，這樣就能彌補以往智慧水務系統(tǒng)的不足。交互通信系統(tǒng)一般建議采用點對點的網(wǎng)絡協(xié)議來完成，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智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)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。

3.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、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(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

3.3平臺拓撲圖

3.4平臺子系統(tǒng)

3.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時預警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

3.4.2電能質量監(jiān)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(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍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。

3.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)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(jiān)測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、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(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

3.4.4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(qū)域。

將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領導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(shù)據(jù)統(tǒng)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(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(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構，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(huán)比、對標等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家/國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

3.4.5智能照明控制

系統(tǒng)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(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

3.4.6電氣安全

①電氣火災監(jiān)測：監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

②消防應急照明和疏散指示：根據(jù)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(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過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(jiān)測：監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

④防火門監(jiān)控系統(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)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(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、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、自來水廠、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啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

3.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)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(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結合廠區(qū)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(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

3.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)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(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

4 相關平臺部署硬件選型清單

5 結論

綜上，傳統(tǒng)水務管理工作模式逐漸不滿足現(xiàn)代工作需求，因此相關組織要努力建設智慧水務系統(tǒng)，而在系統(tǒng)建設完成后，相關組織應當對系統(tǒng)實際應用情況進行分析，針對其中缺點不斷展開完善性建設工作，確保智慧水務系統(tǒng)滿足實際工作需要，這樣才能提高水務管理工作質量、效率。

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