工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐下的智慧水務(wù)平臺 ——智慧水務(wù)引領(lǐng)智慧城市新動向
西安航天自動化股份有限公司成立于2000年，是中國航天科工集團(tuán)六院下屬股份制高新技術(shù)企業(yè)，主營業(yè)務(wù)為：智慧智能及傳統(tǒng)自動化集成。近三年銷售收入20多億元，水務(wù)相關(guān)的工程實施覆蓋了全國30多個省市自治區(qū)以及東南亞和非洲數(shù)10個國家和地區(qū)。近年來公司大力轉(zhuǎn)型信息化數(shù)字化業(yè)務(wù)，并成為集團(tuán)智慧水務(wù)業(yè)務(wù)的牽頭單位，建立了以技術(shù)研發(fā)、工程實施為主的信息化隊伍。完成了基于GIS技術(shù)的智慧水務(wù)數(shù)據(jù)全局可視化等水務(wù)數(shù)據(jù)處理、超低功耗數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸?shù)鹊募夹g(shù)創(chuàng)新，構(gòu)建了面向西安市水務(wù)集團(tuán)的智慧水務(wù)平臺，并且該平臺已在昌吉水務(wù)等項目中得到成功應(yīng)用。
一、項目概況
本項目重點解決水務(wù)系統(tǒng)存在的信息孤島、管理離散等問題，采用多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、統(tǒng)一架構(gòu)數(shù)據(jù)規(guī)范、GIS技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)構(gòu)建具備自學(xué)習(xí)、自決策能力的智慧水務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對傳統(tǒng)水務(wù)全領(lǐng)域的智慧化管理，切實提高水務(wù)建設(shè)和管理水平，加快水務(wù)改革發(fā)展，使水資源更好地為人類生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步提供強(qiáng)有力的支撐保障。
1. 項目背景
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對制水供水設(shè)施的全面感知與智慧化監(jiān)控管理提供了技術(shù)支持。加快現(xiàn)有設(shè)施智慧化改造，建設(shè)全覆蓋、安全高的智慧感知與傳輸網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于云計算環(huán)境、具備超大規(guī)模數(shù)據(jù)分析處理能力的信息技術(shù)應(yīng)用平臺，為智慧水務(wù)建設(shè)創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。
本項目目的是為水務(wù)部門提供一種智慧化解決方案與智慧服務(wù)平臺，提高水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)的智慧化水平；最終形成可復(fù)制、可推廣的平臺技術(shù)解決方案，有利于促進(jìn)智慧城市的建設(shè)、最終實現(xiàn)智慧社會的構(gòu)建。
2. 項目簡介
以水務(wù)企業(yè)及政府相關(guān)管理部門為服務(wù)對象，以水源、水廠、管網(wǎng)等為檢測管理對象，通過使用工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、信息物理系統(tǒng)等技術(shù)，建立智慧水務(wù)平臺，通過對海量水務(wù)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲，再對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時分析與處理，以可視化的方式提供輔助決策建議，幫助水務(wù)企業(yè)及政府相關(guān)管理部門以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理水務(wù)系統(tǒng)的整個生產(chǎn)、運營和服務(wù)流程，達(dá)到生產(chǎn)管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，使得調(diào)度更科學(xué)、流程更合理、系統(tǒng)更節(jié)能。
本項目在西安市水務(wù)集團(tuán)進(jìn)行實施，建設(shè)一套西安市智慧水務(wù)平臺。通過該平臺的建設(shè)，推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水務(wù)行業(yè)中的應(yīng)用，提升西安市水務(wù)系統(tǒng)智慧化能力水平。
3. 項目目標(biāo)
建設(shè)智慧水務(wù)平臺，實現(xiàn)平臺接入智能化儀器儀表設(shè)備1萬臺，實現(xiàn)西安市全市范圍內(nèi)水務(wù)集團(tuán)和企業(yè)設(shè)備的數(shù)字化改造與信息入網(wǎng)。
建設(shè)調(diào)度中心，完成供水調(diào)度、遠(yuǎn)程水表控制、管網(wǎng)參數(shù)、水廠調(diào)度、水質(zhì)在線監(jiān)控、二次供水設(shè)備、管網(wǎng)巡檢、漏失率控制等的動態(tài)監(jiān)控。
實現(xiàn)水質(zhì)、水壓、能耗等管網(wǎng)參數(shù)的城域化匯集管理功能，為管理人員提出直觀的處理結(jié)果輔助決策建議，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理水務(wù)系統(tǒng)的整個生產(chǎn)和服務(wù)流程。
二、項目實施概況
項目主要以水務(wù)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、協(xié)同調(diào)度、數(shù)據(jù)入云等為主要建設(shè)內(nèi)容，重點是實現(xiàn)水務(wù)集團(tuán)數(shù)據(jù)集中管理及其水務(wù)數(shù)據(jù)智能化管理。
1. 項目總體架構(gòu)和主要內(nèi)容
（1）總體方案
總體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
數(shù)采層：是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架的基礎(chǔ)，也是實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的來源。主要以西安水務(wù)集團(tuán)下屬生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)自動化儀表與控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，使用各類智能控制系統(tǒng)、智能測量儀表、監(jiān)測設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等對廠站級設(shè)備進(jìn)行數(shù)采。
網(wǎng)絡(luò)層：利用無線網(wǎng)與有線網(wǎng)融合，建立網(wǎng)絡(luò)層體系，將基礎(chǔ)層的數(shù)據(jù)匯總，搭建數(shù)據(jù)倉庫、功能倉庫、工作流管理平臺，提供應(yīng)用搭建和業(yè)務(wù)協(xié)同機(jī)制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與功能共享。
云支撐基礎(chǔ)層：實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)入云，在云平臺上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、虛擬化、提供數(shù)據(jù)服務(wù)器等，并在云服務(wù)層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的云計算處理等功能，為智慧水務(wù)平臺的建設(shè)提供云化數(shù)據(jù)資源，提高平臺的云端部署能力。
應(yīng)用層：提供各類異常預(yù)警、運行工藝模擬、優(yōu)化調(diào)度分析、綜合運營決策等，以及指導(dǎo)公司綜合運營決策的工藝分析、設(shè)備分析、成本分析、風(fēng)險分析等智能業(yè)務(wù)應(yīng)用。
（2）主要內(nèi)容
以水務(wù)企業(yè)及政府相關(guān)管理部門為服務(wù)對象，以水源、水廠、管網(wǎng)等為管理對象，通過使用工業(yè)大數(shù)據(jù)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立智慧水務(wù)平臺，并采用可視化的方式有機(jī)整合水務(wù)管理部門與供排水設(shè)施，將海量水務(wù)信息進(jìn)行及時分析與處理，做出相應(yīng)的處理結(jié)果輔助決策建議，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理水務(wù)系統(tǒng)的整個生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程，實現(xiàn)水資源合理調(diào)度、水源地災(zāi)害預(yù)警、管網(wǎng)應(yīng)急搶險指揮、節(jié)能降耗、水質(zhì)安全預(yù)警等多種功能，完善水資源管理、調(diào)度、預(yù)警能力，提高水資源利用率。
2. 網(wǎng)絡(luò)與平臺架構(gòu)
（1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
結(jié)合水務(wù)現(xiàn)場設(shè)備復(fù)雜性、接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)異構(gòu)性等特點，采用工業(yè)互聯(lián)技術(shù)構(gòu)建水務(wù)互聯(lián)總架構(gòu)，如圖2所示。
結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)、4G和3G等無線通信技術(shù)以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與傳感組網(wǎng)技術(shù)等實現(xiàn)水務(wù)現(xiàn)場設(shè)備、水質(zhì)信息、水資源信息等的統(tǒng)一采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸功能；針對水廠、污水處理廠等構(gòu)建統(tǒng)一的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)），并通過工業(yè)通信協(xié)議結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)廠級數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆凭W(wǎng)通中間件之中，云網(wǎng)通將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總歸類，并進(jìn)一步傳輸?shù)脑浦位A(chǔ)服務(wù)平臺中，通過云平臺處理、數(shù)據(jù)虛擬化儲存等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)直達(dá)智慧水務(wù)應(yīng)用服務(wù)平臺中。
智慧水務(wù)平臺主要實現(xiàn)水務(wù)數(shù)據(jù)的信息融合、挖掘?qū)W習(xí)，完善水務(wù)數(shù)據(jù)信息的專家知識庫系統(tǒng)，構(gòu)建智慧水務(wù)的專家診斷系統(tǒng)，并提供水務(wù)水資源的協(xié)同調(diào)度管理、設(shè)備預(yù)測性運行維護(hù)等功能服務(wù)。
圖2 智慧水務(wù)網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)圖
水務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備種類繁多，需要首先對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一組網(wǎng)，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備入網(wǎng)目標(biāo)，消除設(shè)備信息孤島及其啞設(shè)備存在問題。建設(shè)的現(xiàn)場及設(shè)備組網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。
本層所有設(shè)備與監(jiān)測儀表都使用帶總線接口的智能化設(shè)備來控制運行設(shè)備、采集現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，并可通過智能通訊接口在線傳輸測量數(shù)據(jù)，減小工廠環(huán)境的干擾，提高了傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性；而且智能設(shè)備與儀表可通過總線向中央控制站發(fā)送儀表本身的狀態(tài)信號、報警信號，允許遠(yuǎn)程設(shè)置儀表參數(shù)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，遠(yuǎn)程維護(hù)的系統(tǒng)功能。
本項目結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中無線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)建設(shè)水務(wù)數(shù)據(jù)無線采集傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。
（2）平臺架構(gòu)
智慧水務(wù)平臺采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)，在中國航天科工集團(tuán)INDICS平臺上進(jìn)行部署實施。總體系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：
本平臺結(jié)合云網(wǎng)通等中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、集成，采用云存儲實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲管理、結(jié)合水務(wù)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用水務(wù)平臺優(yōu)化調(diào)度決策能力實現(xiàn)業(yè)務(wù)優(yōu)化和模式創(chuàng)新。
業(yè)務(wù)優(yōu)化：主要實現(xiàn)水務(wù)處理過程的工業(yè)優(yōu)化、優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提高水務(wù)協(xié)同調(diào)度管理能力。
模式創(chuàng)新：該平臺在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)支撐基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)定制化，針對不同企業(yè)、不同工況、不同需求定制出適合于企業(yè)現(xiàn)狀的智慧水務(wù)平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品定制化供應(yīng)，提高產(chǎn)品柔性化服務(wù)能力。
總體功能架構(gòu)如圖6所示。
該平臺特點為一中心、一網(wǎng)、四庫、多應(yīng)用模式。
一中心：數(shù)據(jù)中心。主要實現(xiàn)水務(wù)數(shù)據(jù)的融合、存儲、分析、處理等功能；
一網(wǎng)：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（細(xì)分為工業(yè)控制網(wǎng)、管理信息網(wǎng)）。
四庫：關(guān)系庫、工業(yè)庫、GIS庫、實時數(shù)據(jù)庫。
多應(yīng)用：綜合檢測、綜合調(diào)度、設(shè)備管理、巡檢服務(wù)、協(xié)同辦公、水力模型、管網(wǎng)GIS模型等等。
數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu)如下圖所示：
圖7 智慧水務(wù)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)圖
數(shù)據(jù)層：提供數(shù)據(jù)倉庫、功能倉庫、工作流平臺等。在建立完善的水廠及管網(wǎng)信息資源管理、整合、共享、開發(fā)、利用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和運行管理體系的同時，形成齊全的信息數(shù)據(jù)體系和技術(shù)支撐體系。
服務(wù)層：充分考慮水廠與管網(wǎng)系統(tǒng)的服務(wù)模式和服務(wù)內(nèi)容的實際需求，提供實時在線數(shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)、服務(wù)管理等，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)運行提供支撐。
應(yīng)用層：支持在多種客戶端如瀏覽器、智能手機(jī)以及傳統(tǒng)桌面的應(yīng)用，實現(xiàn)各個廠區(qū)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、管網(wǎng)管理、廠區(qū)及管網(wǎng)相關(guān)資料管理、水質(zhì)監(jiān)控預(yù)警、智能調(diào)度等功能。
3. 可靠性
本項目通過使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)無線傳感、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通訊等關(guān)鍵技術(shù)，解決數(shù)據(jù)應(yīng)用分析、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成難題，建立完善的水處理廠及管網(wǎng)信息資源管理、整合、共享和開發(fā)利用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和運行管理體系、齊全的信息數(shù)據(jù)體系和技術(shù)支撐體系。通過關(guān)鍵技術(shù)研究，形成公司主研制的關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品，主要包括智能IO、RTU、UHF RFID、水務(wù)平臺等。
本項目關(guān)鍵技術(shù)：
（1）工業(yè)無線傳感網(wǎng)技術(shù)
使用了擴(kuò)頻通信、多跳通信、Mesh網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術(shù)特征，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用。
（2）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)
在傳感網(wǎng)與多現(xiàn)場總線接入技術(shù)基礎(chǔ)上，研究異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)；設(shè)計基于策略的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，實現(xiàn)異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的高效管理。
（3）流程工業(yè)數(shù)據(jù)建模技術(shù)
突破流程工業(yè)參數(shù)化建模技術(shù)、知識推理技術(shù)等高端、新型工業(yè)軟件核心技術(shù)，實現(xiàn)對水務(wù)等流程工業(yè)數(shù)據(jù)的可靠采集、安全傳輸、存儲與處理，保障水務(wù)等流程工業(yè)系統(tǒng)的可靠運行。
三、下一步實施計劃
項目下一步計劃如下：
表2 項目計劃
| 階段 | 內(nèi)容 | 目標(biāo) |
| 1 | 統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入技術(shù)研究，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入的規(guī)范可靠性 | 研制一種多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備 |
| 2 | 制定水務(wù)數(shù)據(jù)接入行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化水務(wù)數(shù)據(jù)格式 | 研制行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)1~2項 |
| 3 | 結(jié)合水務(wù)相關(guān)工藝設(shè)備的運行機(jī)理與專業(yè)運維經(jīng)驗，加大對水務(wù)大數(shù)據(jù)運維專家知識庫的建設(shè)。 | 構(gòu)建適用于水務(wù)系統(tǒng)的知識庫，實現(xiàn)智能決策功能 |
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目先進(jìn)性及創(chuàng)新點
（1）技術(shù)亮點
工業(yè)無線傳感網(wǎng)技術(shù)
工業(yè)無線傳感技術(shù)是一種面向設(shè)備間短程、低速率信息交互的無線通信技術(shù)，項目參考了ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)，使用了擴(kuò)頻通信、跳頻通信、多跳通信、Mesh網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術(shù)特征，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用。
微服務(wù)與APP技術(shù)
通過研究微服務(wù)框架技術(shù)預(yù)計工業(yè)APP技術(shù)，解決第三方定制化服務(wù)接入難題；通過部署工業(yè)APP可實現(xiàn)水務(wù)平臺移動化管理與云端化管理。
工業(yè)數(shù)據(jù)交換平臺
通過實時數(shù)據(jù)庫獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從工業(yè)SCADA的數(shù)據(jù)抽取、清洗、轉(zhuǎn)換、裝載進(jìn)入信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，在信息平臺建立歷史數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析。
（2）推廣復(fù)制性
結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺可實現(xiàn)定制化服務(wù)、遠(yuǎn)程運維服務(wù)等的各類工控環(huán)節(jié)、場景與行業(yè)等都可進(jìn)行復(fù)制推廣。
具體行業(yè)環(huán)節(jié)包括：流程工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺建設(shè)、遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)、智能工廠、智慧交通、智能物流、智慧城市等智能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
2. 實施效果
本項目主要在西安水務(wù)公司進(jìn)行部署應(yīng)用。重點解決了傳統(tǒng)的水處理信息化薄弱、生產(chǎn)和管理分離、故障處理滯后、計劃、調(diào)度、決策片面化和人為化的桎梏，實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻、管理、設(shè)備以及人、物的統(tǒng)一管控和調(diào)度。
項目為企業(yè)帶來效益如下：節(jié)省人力成本3.6%，設(shè)備故障率降低了15%，運行中斷率降低20%，能耗降低20%等。
項目實施效果總圖如下圖所示：
聲明
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