基于“云、边、端”的智慧供水运营平台建设_何元春.pdf

2023 年第 1 期 74 CITY AND TOWN WATER SUPPLY自动化与信息技术基于“云、边、端”的智慧供水运营平台建设何元春何立新卢伟王恩举（广州市自来水有限公司，广东广州 510600）摘要：本文聚焦供水企业智慧供水运营平台建设案例，对智能终端应用现状进行分析，提出基于“云、边、端”的分层构建方式，以服务与数据为驱动的智慧供水运营平台构建思路以及所应用的关键技术，并对智慧供水运营平台建设成果加以总结，旨在为供水企业建设智慧水务提供经验参考。关键词：智能终端；物联；边缘；云平台一、前言新一代互联网技术突飞猛进，大智移云（大数据、智能化、移动互联网和云计算）让互联网进入一个崭新的时期。随着 5G、窄带物联网（NB-IoT）技术的快速发展，物联网技术已经广泛应用于能源智慧管理中，智能电表、水表、热表、燃气表互联互通，将成为寻常百姓日常生活中的智能单元，既给人民的生活带来无尽的便利与可能，也给国家大政方针政策的决策提供可靠的依据。广州市自来水有限公司深入贯彻落实国家“新基建”战略部署，以广州“新城建”试点建设为契机，利用物联网络传输的深覆盖、广链接、低功耗、低成本等优势，搭载智能水表、压力传感器、开关控制阀、水质传感器、流量传感器等物联网智能终端，构建基于“云、边、端”的智慧供水运营管理平台，实现对供水系统的精细化、智能化管控。二、智能终端应用现状智能终端主要包括智能流量、压力、水质监测仪表、智能消防栓和智能井盖、阀门等。广州自来水公司早在 20 世纪 90 年代就开始探索使用压力、流量等智能终端。截至 2020 年底，已累计安装使用各类智能终端近 28 万台，为智慧供水提供了一定数据支持。（一）智能水表智能水表是智慧供水的重要感知终端，广州自来水公司自 2013 年开始自主研制新型小口径有线智能水表，产品具有高精度、低功耗、高频率数据集抄等特点，并于 2014 年开始大规模推广使用。目前各类口径智能水表已推广使用约 34 万台，其中 DN100 以上大口径智能水表约 1.37 万台，中小口径智能水表约 32.5 万台。在规模化推广使用智能水表的过程中，主要存在以下问题：一是用电问题。由于有线智能水表集抄器必须使用市电，受制于电源，部分不能提供用电的小区户表无法正常实现远程抄表；二是信号传输问题。部分安装现场公共移动网络信号存在盲区或者不稳定，导致数据不能正常传输，数据上线率低于 90%；三是数据利用率不高。从 2014 年至今积累了大量的用户水量数据，但是由于后端数据平台建设滞DOI:10.14143/ki.czgs.2023.01.0062023 年第 1 期 75 CITY AND TOWN WATER SUPPLY自动化与信息技术后，对数据利用率比较低，目前主要是抄表收费、异常水量分析等，未达到更深层次的利用；四是户内无线智能表稳定性问题。目前广州城区内仍有部分楼宇未完成移表出户改造，管网严重老化，水表表位处于橱柜底部等密闭环境中，无线信号传输受到屏蔽，因此户内无线智能水表安装率较低，仅安装 3000 余台。（二）水质在线监测仪表广州自来水公司从 2006 年开始设置管网在线水质监测点，作为监控管网水质的重要感知终端。目前已设置管网水质在线监测点 41 个，主要分布在重点监测小区或者供水末端，包括在线浑浊度仪、在线余氯仪和在线 pH 计三个项目，水质数据可通过水质公示屏进行实时公示。在推广使用管网在线水质监测仪表的过程中，主要存在以下问题：一是不同时期购置的在线仪器和配套设备品类较杂，备品备件的购买和运行维护较为困难；二是受限于现场部署环境用电、场地情况以及资金投入成本较高（安装一套浊度、pH、余氯在线监测仪表约合15万元），布置数量有限，数据粒度无法实现对管网水质的智能分析。（三）水压在线监测仪表压力在线监测点是确保供水系统安全、优质、经济运行，提高供水调度管理水平的重要终端。广州自来水公司供水区域面积约 820平方公里，压力在线监测点共有 241 个，平均约每 3.5 平方公里一个。主要分布在配水边界接合部、分区计量分界处、管网末梢或配水的不利处、地面高程偏高或偏低处，以及用水集中地区及重点部门和重点用户附近。在推广使用管网在线压力监测点的过程中，同样存在环境用电以及信号传输问题限制，导致监测点布局粒度难以实现对管网精细化调度。三、智慧供水运营平台构建思路为提高供水运营智能化水平，广州自来水公司自 2018 年开展基于“云、边、端”架构的信息平台建设规划，2019 年 5 月启动平台建设。总体思路是通过在“端”部署水质、水量、水压等智能终端设备，形成完整的传感网络，构筑多态化的感知层；在“边”，即内外网不同边界部署多套物联网关，实时收集水厂工控、智能水表、管网压力等设备设施信息，并集中于物联平台之中，经过边缘运算聚合形成有效的监控数据，实现边缘设备的预警与管控；运用物联采集数据，搭建“云”平台数据中心，构建多维分析模型与数据立方体，集合各业务模型以及人工智能技术，通过大数据的综合分析应用，实现数字化运营管理。（一）端-构筑多参量终端实时监测体系端的构建在于合理部署压力传感器、水位传感器、水质传感器、电磁流量计及各类智能仪表、无线终端等监测设备，构筑智慧感知网络，实现对供水系统信息的实时监测，并通过无线网络按照传输协议将数据传输至物联平台。智能终端部署大致分为三个阶段推进：第一阶段为平台准备与技术验证阶段，计划2021 年完成。该阶段主要是将现有部署的多类别终端进行有效的整合，规范各类设备与物联平台的相关通信标准，解决协议不一致问题。目前广州自来水公司在用智能水表协议有7 种，通过制定统一的标准协议，已在物联平台完成整合；第二阶段是终端设备标准化阶段，计划 2023 年完成。拟探索通过战略合作的方式，全面提升企业自主研发生产包括智能水表在内的多种智能终端，通过统一终端类型、统一标准协议、优化提升性能等手段，形成智能终端全系统解决方案能力，解决多品类水表的运行、维护、数据传输等问题；第三阶段是大规模推广阶段，主要以网格化监测为原则，结合总分表差、调度压力监控、水质终端监测等需求，推进各类监测仪表的规模布局，2023 年第 1 期 76 CITY AND TOWN WATER SUPPLY自动化与信息技术形成全面的多参量终端实时监测体系。（二）边-应用边缘计算网关实现数据采集与聚合边的构建在于智慧边缘，实现数据智能收集，前期判断。通过在水厂工控网、互联网等边缘部署物联网边缘网关，实时收集智能终端监测信息情况，运用分布式计算架构、流式计算等技术实现智慧边缘计算，通过预设规则实现前期预警，设备监控，数据聚合。边缘计算的优势在于将主要应用程序、服务和数据存储下沉到网络的边缘侧，从而使计算更加靠近数据源头，降低网络通信和服务交付的时延。（三）云-搭建智慧供水云平台实现分析与应用云的构建在于依托“端”的监测数据能力，“边”的实时采集能力，利用云计算、大数据等技术，搭建“云”平台，运用 Hadoop 等大数据技术构建完善的大数据分析系统，以物联数据为基础，业务模型为载体，构建数据分析立方体，结合业务管理、用户画像、地理模型等多个维度，对运营数据进行综合分析与应用，从而有效实现智慧运营。四、智慧供水运营平台建设需解决的关键技术（一）端的关键技术1、计量性能无论水量、水质还是水压的智能终端，都应将计量的准确性可靠性放在第一位。为此，必须充分掌握水表、压力、水质等仪表的技术状况，在选型阶段加以有效控制。智能终端中智能水表由于应用场景复杂、种类繁多，其选型尤为重要，应结合技术经济综合评价，对应不同用水场景选择合适的水表类型:对于小口径水表，主要考虑计量稳定性、数据质量和经济性。具备用电、布线环境条件的尽量安装有线电子式智能水表，不具备布线环境的场所选择 NB-IOT 无磁传感式智能水表；对于中口径水表，由于安装比较分散，宜采用无线智能水表，一般选用 NB-IOT 无磁传感式智能水表，重点用户可选用超声水表；对于大口径水表，需从使用环境和投入成本上分析考虑，根据计量用途和水量大小来选型。用水量大且用水情况比较稳定的，宜采用超声智能水表，如用水量少且用水规律不明显的，宜采用 NB-IOT 无磁传感式智能水表。对于一些已经安装机械水表或者对抄表数据频率要求不高、侧重性价比的应用场景亦可安装使用抄表机器人，满足数据远传功能即可。2、网络传输可靠性目前智能终端的数据传输技术多种多样，典型的有 NB-IOT、4G、Lora 等，选择可靠的网络传输就是物联网智能终端成功应用的关键。有线集抄型智能水表一般选择 4G 通信，信号存在盲区或者不稳定时，可牺牲数据采集频率采用 NB-IoT 或者 Lora 等传输。无线大口径智能水表一般选择 4G 通信，小口径因为功耗限制一般选择 NB-IoT。水压、水质监测点传输装置若安装在地下或环境信号较弱的地方，可优先考虑使用 NB-IoT 网络，在地面或环境信号较强的地方可考虑选取使用 4G 网络。从整体发展趋势看，未来 NB-IoT 或将成为主要方式。3、低功耗智能终端由于成本和应用环境限制，体积普遍较小且安装环境多样化，要求产品必须具备低功耗特性，确保在电池供电状态下能长期稳定运行。一方面，芯片可选取休眠功耗低的低功耗元器件，另一方面，在嵌入式系统软件设计中贯彻低功耗的原则，增加芯片的休眠时间，利用中断响应事件处理，充分利用电池能耗，确保系统的长期稳定。2023 年第 1 期 77 CITY AND TOWN WATER SUPPLY自动化与信息技术（二）边的关键技术1、多终端厂家协议支持物联平台需要支持主流设备厂家协议，并可接入 RTU、集中器、Lora 协议终端和 NB协议终端等各类终端。目前广州自来水公司建设的物联平台可接入支持的协议数量达 100 多种，覆盖了水务行业大部分的应用场景。2、自定义协议支持物联平台需要支撑自定义编解码插件方式以对协议进行扩展，从而支持扩展更多设备、仪表。3、支持高并发数据以及实时数据的处理与展示物联平台需支持不同间隔周期数据的采集，支持工控设备的秒级采集、水表数据的分钟级别采集，实现日处理亿级数据、千万并发支撑的能力；支持在通讯端实时查看最新的数据，实现报文的在线查看，实时解包后的报文内容的实时查阅。（三）云的关键技术1、构建完整的 BPM 的业务流程定制以及运行机制广州自来水公司智慧供水运营平台业务系统采用 BPM 的管理思想，以业务流程为中心的设计方法，通过对业务流程的充分分析与合理抽象，构建业务流程的设计、开发、运行的平台工具，提供业务流程设计建模工具以及业务流程运行时服务。2、基于主数据的数据中心的构建智慧供水运营平台业务系统面临着各应用系统之间的数据交换等需求，建立统一的基于主数据的数据集成与交换机制，通过主数据管理对基础数据进行统一管理，推动使各业务系统、各级用户单位的数据互联互通，避免“信息孤岛”。3、基于云架构的部署与运维能力智慧供水运营平台系统应支持私有云运行模式，提供云管理平台。云管理平台包括物理资源的管理（含数据中心管理），以及基于云计算应用的业务系统在云端自动化的部署和运维管理，能够以按需的、易扩展和快捷的方式分配和管理各类资源。基于云管理平台，在应用层面提供业务系统的统一的配置中心和管理控制台，可对业务系统的运行时服务及工具进行资源部署、配置管理、运行监控和动态运维。五、智慧供水运营平台主要建设成果广州自来水公司自 2019 年 5 月启动智慧供水运营平台建设，经过近两年的时间，基本建成统一开发平台、统一业务支撑平台、统一移动平台，所有的业务数据通过统一数据管理平台进行建模，实现业务模型统一管理、数据模型一个平台的建设目标。相关的建设成果可为同行智慧水务建设提供参考。（一）集合云边端优势，聚合形成广州智慧供水云一是以“水质、水量、水压”为主线，建立从水源到终端的全过程控制系统。依托241 个压力远程监控点，41 个管网水质在线监测点，155 个主干管网流量监测点、1.19 万只大口径智能水表、26.72 万只小口径智能水表