基于4G與工業私有云技術的水系統智能運維

李 寧，曹如義

（1.國能（天津）港務有限責任公司，天津 300452；2.北京偉聯科技有限公司，北京 100089）

0 引言

公司現有水系統投入至今已有16 年，主要系統分為：市政給水系統、中壓水系統、高壓水系統、污水及壓艙水回收系統。隨著公司環保用水點的增加，現有水表計無法準確統計港區用水情況，需增加用水點表計并具備遠傳超標功能，滿足計量統計要求。

除污水處理系統部分水表點位位于地面以上之外，大部分水表點位位于地下閥門井內。由于港區是由填海造陸形成，所以地下滲水嚴重，閥門井內存水量多，人工抄表時需要使用污水泵將存水抽凈才能下井抄表。此現狀要求智能遠傳水表和4G 模塊應具備長久浸泡于水中仍可以正常工作，必須電池供電，同時由于金屬井蓋對4G 信號屏蔽嚴重，因而還要求4G 模塊發射功率必須足夠大。

人員下井抄表還存在有害氣體侵害及窒息危險，另有部分表計位于高處或者鐵軌之間，人工抄表存在墜落和車輛傷害風險?；谝陨显蛟斐擅看纬矶夹枰度氪罅咳肆?，抄完數還需要人工形成報表，形成報表過程容易出錯。

1 實施目標及流程

基于以上實際情況，將原有機械水表升級為智能水表，并通過軟件和無線通訊實現自動抄表，以及報表的自動生成。本次項目改造主要包含如下內容：

1）機械水表升級為智能遠傳水表。由于閥門井滲水嚴重，智能遠傳水表采用電池供電，并提供RS485 Modbus RTU 通訊接口。

2）增加大功率4G 模塊，將水表數據傳回工業私有云。由于公司管理要求，不允許服務器連接外網，因而使用一條專用寬帶用于建立內部4G 專用網絡，大功率4G 模塊均采用電池供電。

3）建設水監控數據中心，部署數據庫服務器、管網監控服務器、報表服務器、歷史數據服務器、實時監控服務器。

4）設計管網流量監控畫面，至少包含實時曲線、歷史曲線以及各港區用水占比餅圖和棒圖。

項目實施流程見圖1。

圖1 項目實施流程圖Fig.1 Project implementation flow chart

圖2 水表安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of water meter

2 整體方案

2.1 設計方案

經過調研發現，全廠共有164 個用水點位需要更換或加裝智能水表及4G 遠傳模塊以實現水表數據采集及自動上傳的目的。

在每個遠程儀表旁邊安裝一臺帶4G 遠程終端設備，該設備具備與儀表通訊的接口，并且將儀表數據通過4G 網絡傳輸至數據服務器。

在科技信息中心，設計使用北京偉聯科技有限公司的工業私有云作為數據采集與存儲的載體，即在機房安裝一套北京偉聯科技有限公司的WiCloud 系列高性能工業私有云。在虛擬化平臺里虛擬出用于采集現場控制系統數據的虛擬機，和用于存儲數據的數據庫服務器，用于安裝WiSCADA 軟件作為處理并顯示數據的HMI 服務器，用于查看各種報表信息的報表服務器等。工作人員使用瘦客戶端連接遠程桌面的方式連接到工業私有云中的虛擬機桌面，瘦客戶端上的所有操作都會在虛擬機里面執行，瘦客戶端本地不會存儲任何數據。

工程師可以使用自己擁有的特殊權限，利用任意瘦客戶端訪問工業私有云內部，對虛擬化平臺、虛擬機、虛擬機上運行的應用程序進行管理和維護，甚至可以使用自己的筆記本在管理員允許的情況下，遠程維護工業私有云。

工業私有云平臺支持主機、存儲、網絡的虛擬化，可以通過云平臺的管理輕松創建應用虛擬機，并提供結合工業應用軟件的應用模板[1]。

使用WiSCADA 軟件作為數據采集與顯示、存儲的軟件，WiSCADA 軟件具有直接連接DTU 設備的功能，無需其他轉換可直接連接遠程所有的DTU 設備，從而采集到遠程儀表的數據。

采用WiReport 軟件進行報表開發，至少包括日報表、半月報表和年報表。

在現場操作員處部署瘦客戶機，通過有線網絡與工業私有云管理系統進行連接，操作員通過瘦客戶機瀏覽器訪問數據分析服務器進行操作與監控。

2.2 方案優勢

1）數據采集先進性

IP67 防護等級，解決水浸、潮濕、封閉空間數據傳輸及人工抄表等難題。

具備斷點續傳功能，即使某個水表網絡暫時中斷或者需要維護時，也會在下一時刻網絡恢復時將中斷時間內的數據再次傳輸到數據中心。

傳輸網絡采用全網通模式，在地下水井內會優先選擇信號最強的運營商傳輸數據。

2）數據中心先進性

采用虛擬化平臺架構，預裝WiCLoud 虛擬化平臺，并且統一管理兩臺物理主機。

支持虛擬機實時遷移，便于維護[2]。

RAID 1 磁盤的組件除了冗余保護之外，還采用應用分布式部署方式來實現，可以在不同的物理主機上部署相同角色的虛擬機。當一臺物理機出現故障后，還會有另外一臺物理機以相同角色虛擬機的應用來支撐業務[3]。

3）數據發布先進性

從數據采集到數據歸檔、展示，全都采用web 端管理和顯示，完全擺脫客戶端限制，html5 技術支持跨平臺web訪問，無需安裝任何APP。

能夠支持多種數據歸檔方式，支持多種數據轉發方式為第三方提供數據，具有非常強大的擴展功能。

4）報表管理先進性

相對于傳統人工報表方式，實現報表數據自動采集、自動記錄、自動按需生成報表文件，支持報表曲線分析、圖表對比分析，并且支持excel、csv 等多種格式導出。

3 硬件設計

網絡架構圖見圖3。

圖3 網絡架構圖Fig.3 Network architecture diagram

圖4 數據庫結構圖Fig.4 Database structure diagram

圖5 系統主畫面效果圖Fig.5 System main screen renderings

圖6 報表查詢示意圖Fig.6 Schematic diagram of report query

3.1 智能遠傳水表與大功率4G模塊

3.1.1 大功率4G模塊

大功率4G 模塊是專門用于將串口數據轉換為IP 數據或將IP 數據轉換為串口數據，并通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備。

大功率4G 遠程終端系列LTE DTU 采用高度集成化、高可靠性的LTE 通信模塊以及低功耗工業級CPU。同時提供標準RS485 接口供用戶選擇，一體式電池供電，電池容量不小于57Ah，電池使用壽命不低于兩年。

可支持4G 全網通通信方式，高效率純銅天線，井下信號可靠傳輸。

可支持HTTP 協議POST 方式。

防護等級：IP68，水下1m，72h 正常工作。

3.1.2 智能遠傳水表

智能遠傳水表材質滿足國家相關飲用水標準，DN300以內采用法蘭連接，DN300 以上采用超聲波插入式安裝；耐壓1.6MPa，分體式，輸出4mA ～20mA 信號，RS485 通訊，電池供電，配10m 信號線。

工作原理：智能遠傳水表的測量原理基于傳播速度差法、超聲測量原理，測量頻率1Hz[4]。

特點：微功耗設計，3.6V 鋰電池，連續工作8 年，而且更換電池方便。平均功率≤0.3MW，顯示器采用8 位數字以及提示符，可顯示瞬時流量、累計流量，水溫，累計有效運行時間，日期，時鐘，正反向累計總量以及報警提示符等多項流量參數。

3.1.3 連接方式

智能遠傳水表與大功率4G 模塊通過RS485 方式進行連接，使用Modbus RTU 協議將水表數據采集上來，通過4G 網絡上傳至部署在科技信息中心機房的數據服務器，數據采集頻率為1 分鐘采集一次，數據上傳頻率為30 分鐘上傳一次。

3.2 工業私有云

工業私有云是基于QEMU/KVM 開源服務器虛擬化管理解決方案，可以通過集成和易于使用的Web 界面或通過CLI 管理虛擬機、容器、高可用群集、存儲和網絡[5]。

大功率4G 模塊通過4G 網絡連接到科技信息中心，科技信息中心具備固定公網IP 地址，并且在科技信息中心的防火墻上做網絡映射后，使DTU 的數據能夠順利傳輸至WiSCADA 所在的計算機。

4 軟件設計

使用WiSCADA 軟件作為數據采集與顯示、存儲的軟件。WiSCADA 軟件具有直接連接DTU 設備的功能，無需其他轉換可直接連接遠程所有的DTU 設備，從而采集到遠程儀表的數據。

WiSCADA 軟件運行在科技信息中心的計算機上，科技信息中心具備固定公網IP 地址，并且在科技信息中心的防火墻上做網絡映射后，使DTU 的數據能夠順利傳輸至WiSCADA 所在的計算機。

在WiReport 中配置報表顯示界面，將需要匯集成報表的數據都集中整理在報表中，使其根據需要按日、周、月、季度、年時間節點備份成CSV 格式文件存儲在磁盤中，用戶可登陸報表服務器查看所有報表。

在WiSCADA 軟件中，啟用內網穿透功能，將已經做好的HMI 畫面通過安全的網絡路徑發布到互聯網，用戶使用安卓或蘋果手機、平板電腦等智能移動終端設備通過4G/WiFi 就可以輕松訪問到HMI 畫面，用戶可配置APP 單獨顯示不同于PC 的畫面。用戶使用手機或IPAD 等手持移動終端在現場巡檢時可實時查看系統運行情況，經過允許的用戶可以對現場設備進行啟停操作。

在WiSCADA 軟件中配置微信和Email 報警功能，將整個系統所有需要報警的變量按照嚴重等級區別配置報警級別，將嚴重的報警微信推送到指定負責人，將中等程度的報警推送給廠區維護人員即可，將低等程度的報警信息只做報警提示即可。

5 部署實施

在科技信息中心機房部署工業私有云部，利用兩顆8核心2.4GHz 16 線程的CPU、128 的內存、4×2T 的硬盤服務器中安裝虛擬化軟件，集成虛擬化管理平臺。

在虛擬化管理平臺內部署一臺數據服務器，操作系統使用Windows Server 2012 R2 標準版，其上部署數據采集客戶端與Mysql Server 8.0，數據采集客戶端將數據采集上之后寫入Mysql 數據庫。

部署一臺數據分析服務器，操作系統使用Windows 10專業版，其上部署WiSCADA 3.0 軟件和WiReport 報表開發軟件。WiSCADA 3.0 使用Mysql 驅動從數據庫采集的數據，開發實施數據曲線、歷史數據曲線，歷史數據查詢，分區域用水量棒圖、餅圖，水表點位地圖顯示功能；使用WiReport 開發日報表、半月報表和年報表。

項目實施前，全廠100 多個水表點位全部依靠人工抄表來獲取水表數據。公司要求每半個月進行一次抄表作業，每次抄表需要持續一周左右才能完成一次抄表作業。以位于地下的水表點位抄表作業為例，每次抄表需要安排6 ～7人左右專門負責抄表作業，其中1 ～2 人負責使用污水泵抽出閥門井內的滲水，1 人負責檢測有害氣體濃度及氧氣濃度，避免下井人員產生窒息危險或者遭受有害氣體傷害，1 人負責下井查看水表讀數，1 人負責拉拽安全繩，保障下井人員安全，1 人負責記錄數據，1 人負責安全監督，隨時叫停違規操作，保障作業人員安全。由此可見，每次下井作業都需要投入大量的人力、物力和財力。

項目實施后，每分鐘采集一次水表數據，每半小時通過大功率4G 設備將數據上傳至數據中心，數據實時顯示在WiSCADA 畫面之上，同時將數據寫入歷史數據庫。根據公司要求，系統還自動生成日報表、半月報表和年報表，并定時自動打印，省去了人工記錄報表與核算數據的麻煩，數據準確性大大提高。

6 瘦客戶機

在操作員側部署瘦客戶機，使用國產操作系統“優麒麟”，其上部署遠傳桌面軟件，通過RDP 協議訪問部署于工業私有云上的數據分析服務器。一臺瘦客戶端可以連接多個虛擬機的遠程桌面，這在一定程度上可以減少操作員站數量，實現經濟高效操作和管理。

瘦客戶端可以連接鼠標、鍵盤、音響等外部設備，這種連接效果和與物理機直接連接一樣。瘦客戶端的所有操作都在工業私有云的虛擬機中執行，瘦客戶端本機不會存儲任何數據。所以，一旦瘦客戶端故障，只需更換即可，無需安裝操作系統和各種工業軟件，而且瘦客戶端比計算機更加便宜實用。

7 項目成果

項目實施后，水表數據可以自動上傳至數據服務器，自動生成日報表、半月報表和年報表；定期自動打印報表節省了人工抄表的時間投入和人力投入，避免了人工抄表的墜落、窒息、有毒氣體傷害、機械傷害和車輛傷害等風險。

由于工業私有云采用超融合架構，只需要部署兩臺服務器，一臺三層可網管交換機。所有服務器以虛擬化的形式運行于工業私有云虛擬化平臺，大幅度節省了設備投入、維護費用及能耗支出，從設備用電、常規設備升級和日常人工運維等多方面降低了成本。

8 結論

對于國能（天津）港務有限責任公司來說，人工抄表一直是一件非常頭疼的事情，需要投入大量的人力、物力和財力，因為數量眾多，地理位置分散，給水系統維護人員造成極大的不便。本文結合國能（天津）港務有限責任公司水系統現狀，通過工業私有云技術和4G 技術實現了全廠水系統的智能運維，解決了傳統人工抄表方式需投入大量人力物力的弊端，避免了人工抄表產生的各種人身傷害風險。如今國能（天津）港務有限責任公司可以利用4G 網絡實現水表數據的自動采集、自動上傳、自動生成報表和自動打印報表，進行各區域用水量的實時檢測和歷史數據查詢，一旦發生爆管等異常情況，可以通過短時用水量的變化快速定位到故障點位，方便運維人員快速到場處理。

目前工業私有云屬于免維護機制，無論硬件故障還是軟件故障系統都會自動修復，維護人員只需要對壞件進行更換即可，大大降低維護成本。