工業互聯網支撐下的智慧水務平臺 ——智慧水務引領智慧城市新動向
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六院下屬股份制高新技術企業，主營業務為：智慧智能及傳統自動化集成。近三年銷售收入20多億元，水務相關的工程實施覆蓋了全國30多個省市自治區以及東南亞和非洲數10個國家和地區。近年來公司大力轉型信息化數字化業務，并成為集團智慧水務業務的牽頭單位，建立了以技術研發、工程實施為主的信息化隊伍。完成了基于GIS技術的智慧水務數據全局可視化等水務數據處理、超低功耗數據采集與遠程傳輸等的技術創新，構建了面向西安市水務集團的智慧水務平臺，并且該平臺已在昌吉水務等項目中得到成功應用。
一、項目概況
本項目重點解決水務系統存在的信息孤島、管理離散等問題，采用多源異構網絡通信技術、統一架構數據規范、GIS技術、大數據分析等技術構建具備自學習、自決策能力的智慧水務系統。該系統可實現對傳統水務全領域的智慧化管理，切實提高水務建設和管理水平，加快水務改革發展，使水資源更好地為人類生活、經濟發展、社會進步提供強有力的支撐保障。
1. 項目背景
工業互聯網技術與物聯網技術的發展，對制水供水設施的全面感知與智慧化監控管理提供了技術支持。加快現有設施智慧化改造，建設全覆蓋、安全高的智慧感知與傳輸網絡，并在此基礎上構建基于云計算環境、具備超大規模數據分析處理能力的信息技術應用平臺，為智慧水務建設創造了良好的基礎。
本項目目的是為水務部門提供一種智慧化解決方案與智慧服務平臺，提高水務系統建設的智慧化水平；最終形成可復制、可推廣的平臺技術解決方案，有利于促進智慧城市的建設、最終實現智慧社會的構建。
2. 項目簡介
以水務企業及政府相關管理部門為服務對象，以水源、水廠、管網等為檢測管理對象，通過使用工業大數據、工業互聯網、云計算、信息物理系統等技術，建立智慧水務平臺，通過對海量水務數據的采集、傳輸、存儲，再對數據信息進行及時分析與處理，以可視化的方式提供輔助決策建議，幫助水務企業及政府相關管理部門以更加精細和動態的方式管理水務系統的整個生產、運營和服務流程，達到生產管理數字化、網絡化、智能化，使得調度更科學、流程更合理、系統更節能。
本項目在西安市水務集團進行實施，建設一套西安市智慧水務平臺。通過該平臺的建設，推進工業互聯網技術在水務行業中的應用，提升西安市水務系統智慧化能力水平。
3. 項目目標
建設智慧水務平臺，實現平臺接入智能化儀器儀表設備1萬臺，實現西安市全市范圍內水務集團和企業設備的數字化改造與信息入網。
建設調度中心，完成供水調度、遠程水表控制、管網參數、水廠調度、水質在線監控、二次供水設備、管網巡檢、漏失率控制等的動態監控。
實現水質、水壓、能耗等管網參數的城域化匯集管理功能，為管理人員提出直觀的處理結果輔助決策建議，以更加精細和動態的方式管理水務系統的整個生產和服務流程。
二、項目實施概況
項目主要以水務數據互聯互通、協同調度、數據入云等為主要建設內容，重點是實現水務集團數據集中管理及其水務數據智能化管理。
1. 項目總體架構和主要內容
（1）總體方案
總體架構如圖1所示。
圖1 系統總體架構圖
數采層：是工業互聯網技術構架的基礎，也是實時生產數據的來源。主要以西安水務集團下屬生產企業的工業自動化儀表與控制系統為基礎，使用各類智能控制系統、智能測量儀表、監測設備以及網絡、服務器等對廠站級設備進行數采。
網絡層：利用無線網與有線網融合，建立網絡層體系，將基礎層的數據匯總，搭建數據倉庫、功能倉庫、工作流管理平臺，提供應用搭建和業務協同機制，實現數據與功能共享。
云支撐基礎層：實現底層數據入云，在云平臺上實現數據的存儲、虛擬化、提供數據服務器等，并在云服務層實現數據的云計算處理等功能，為智慧水務平臺的建設提供云化數據資源，提高平臺的云端部署能力。
應用層：提供各類異常預警、運行工藝模擬、優化調度分析、綜合運營決策等，以及指導公司綜合運營決策的工藝分析、設備分析、成本分析、風險分析等智能業務應用。
（2）主要內容
以水務企業及政府相關管理部門為服務對象，以水源、水廠、管網等為管理對象，通過使用工業大數據、異構網絡、工業無線網絡等工業互聯網技術，建立智慧水務平臺，并采用可視化的方式有機整合水務管理部門與供排水設施，將海量水務信息進行及時分析與處理，做出相應的處理結果輔助決策建議，以更加精細和動態的方式管理水務系統的整個生產、管理和服務流程，實現水資源合理調度、水源地災害預警、管網應急搶險指揮、節能降耗、水質安全預警等多種功能，完善水資源管理、調度、預警能力，提高水資源利用率。
2. 網絡與平臺架構
（1）網絡架構
結合水務現場設備復雜性、接入網絡系統異構性等特點，采用工業互聯技術構建水務互聯總架構，如圖2所示。
結合工業互聯網中現場數據采集總線技術、工業以太網、4G和3G等無線通信技術以及異構網絡與傳感組網技術等實現水務現場設備、水質信息、水資源信息等的統一采集與網絡傳輸功能；針對水廠、污水處理廠等構建統一的現場數據采集監控系統（SCADA系統），并通過工業通信協議結合工業以太網絡通信技術實現廠級數據信息傳輸到云網通中間件之中，云網通將數據進行匯總歸類，并進一步傳輸的云支撐基礎服務平臺中，通過云平臺處理、數據虛擬化儲存等，實現數據直達智慧水務應用服務平臺中。
智慧水務平臺主要實現水務數據的信息融合、挖掘學習，完善水務數據信息的專家知識庫系統，構建智慧水務的專家診斷系統，并提供水務水資源的協同調度管理、設備預測性運行維護等功能服務。
圖2 智慧水務網絡總體架構圖
水務系統現場設備種類繁多，需要首先對現場設備進行統一組網，實現現場設備入網目標，消除設備信息孤島及其啞設備存在問題。建設的現場及設備組網系統架構如圖3所示。
本層所有設備與監測儀表都使用帶總線接口的智能化設備來控制運行設備、采集現場的實時數據，并可通過智能通訊接口在線傳輸測量數據，減小工廠環境的干擾，提高了傳輸數據的準確性和實時性；而且智能設備與儀表可通過總線向中央控制站發送儀表本身的狀態信號、報警信號，允許遠程設置儀表參數，從而實現遠程抄表，遠程維護的系統功能。
本項目結合工業互聯網技術中無線組網與數據傳輸技術建設水務數據無線采集傳輸的網絡結構，系統架構如圖4所示。
（2）平臺架構
智慧水務平臺采用工業互聯網平臺架構，在中國航天科工集團INDICS平臺上進行部署實施。總體系統架構如下圖所示：
本平臺結合云網通等中間件進行數據采集、集成，采用云存儲實現數據存儲管理、結合水務數據模型進行數據分析，利用水務平臺優化調度決策能力實現業務優化和模式創新。
業務優化：主要實現水務處理過程的工業優化、優化生產環節，提高水務協同調度管理能力。
模式創新：該平臺在工業互聯網架構支撐基礎上，可實現定制化，針對不同企業、不同工況、不同需求定制出適合于企業現狀的智慧水務平臺，實現產品定制化供應，提高產品柔性化服務能力。
總體功能架構如圖6所示。
該平臺特點為一中心、一網、四庫、多應用模式。
一中心：數據中心。主要實現水務數據的融合、存儲、分析、處理等功能；
一網：工業互聯網（細分為工業控制網、管理信息網）。
四庫：關系庫、工業庫、GIS庫、實時數據庫。
多應用：綜合檢測、綜合調度、設備管理、巡檢服務、協同辦公、水力模型、管網GIS模型等等。
數據中心總體架構如下圖所示：
圖7 智慧水務數據中心架構圖
數據層：提供數據倉庫、功能倉庫、工作流平臺等。在建立完善的水廠及管網信息資源管理、整合、共享、開發、利用的標準規范體系和運行管理體系的同時，形成齊全的信息數據體系和技術支撐體系。
服務層：充分考慮水廠與管網系統的服務模式和服務內容的實際需求，提供實時在線數據服務、功能服務、服務管理等，為業務系統運行提供支撐。
應用層：支持在多種客戶端如瀏覽器、智能手機以及傳統桌面的應用，實現各個廠區實時數據監測、管網管理、廠區及管網相關資料管理、水質監控預警、智能調度等功能。
3. 可靠性
本項目通過使用工業互聯網、工業大數據分析、工業無線傳感、異構網絡通訊等關鍵技術，解決數據應用分析、多源異構數據的集成難題，建立完善的水處理廠及管網信息資源管理、整合、共享和開發利用的標準規范體系和運行管理體系、齊全的信息數據體系和技術支撐體系。通過關鍵技術研究，形成公司主研制的關鍵技術產品，主要包括智能IO、RTU、UHF RFID、水務平臺等。
本項目關鍵技術：
（1）工業無線傳感網技術
使用了擴頻通信、多跳通信、Mesh網絡等技術，具有很強的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術特征，適合在惡劣的工業現場環境使用。
（2）異構網絡通訊技術
在傳感網與多現場總線接入技術基礎上，研究異構通信網絡集成技術；設計基于策略的異構通信網絡管理技術，開發相應的網絡管理協議，實現異構通信網絡的高效管理。
（3）流程工業數據建模技術
突破流程工業參數化建模技術、知識推理技術等高端、新型工業軟件核心技術，實現對水務等流程工業數據的可靠采集、安全傳輸、存儲與處理，保障水務等流程工業系統的可靠運行。
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 | 內容 | 目標 |
| 1 | 統一數據接入技術研究，實現多源異構數據接入的規范可靠性 | 研制一種多源異構網絡通信設備 |
| 2 | 制定水務數據接入行業或國家標準，規范化水務數據格式 | 研制行業或國家標準1~2項 |
| 3 | 結合水務相關工藝設備的運行機理與專業運維經驗，加大對水務大數據運維專家知識庫的建設。 | 構建適用于水務系統的知識庫，實現智能決策功能 |
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
（1）技術亮點
工業無線傳感網技術
工業無線傳感技術是一種面向設備間短程、低速率信息交互的無線通信技術，項目參考了ISA100.11a標準，使用了擴頻通信、跳頻通信、多跳通信、Mesh網絡等技術，具有很強的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術特征，適合在惡劣的工業現場環境使用。
微服務與APP技術
通過研究微服務框架技術預計工業APP技術，解決第三方定制化服務接入難題；通過部署工業APP可實現水務平臺移動化管理與云端化管理。
工業數據交換平臺
通過實時數據庫獲取現場數據，實現從工業SCADA的數據抽取、清洗、轉換、裝載進入信息系統數據庫，在信息平臺建立歷史數據庫進行數據挖掘分析。
（2）推廣復制性
結合工業互聯網服務平臺可實現定制化服務、遠程運維服務等的各類工控環節、場景與行業等都可進行復制推廣。
具體行業環節包括：流程工業互聯網服務平臺建設、遠程專家診斷系統、智能工廠、智慧交通、智能物流、智慧城市等智能工業互聯網系統
2. 實施效果
本項目主要在西安水務公司進行部署應用。重點解決了傳統的水處理信息化薄弱、生產和管理分離、故障處理滯后、計劃、調度、決策片面化和人為化的桎梏，實現了生產數據、視頻、管理、設備以及人、物的統一管控和調度。
項目為企業帶來效益如下：節省人力成本3.6%，設備故障率降低了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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