CN105373964A - 基于物联网的供水设备管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明申请公开了一种基于物联网的供水设备管理系统，包括多组供水设备管理单元，每组供水设备管理单元用于一套供水设备的管控，各组供水设备管理单元的各项数据通过信息采集及数据传输模块发送给数据采集和发送服务器，通过数据采集和发送服务器传给用于数据处理的流数据服务器集群，并具有二次数据存储和数据存档的功能，同时通过业务服务器，应外部客户端的请求可对供水设备的实时数据或存储的数据进行查询等操作，通过系统管理客户端，可对系统本身的故障和供水设备的故障进行处理判断，并指派相应维护人员进行维护，实现各组供水设备的智能化、统一化管理。
Description
技术领域
本发明涉及供水设备管理技术领域，具体涉及一种基于物联网的供水设备管理系统。
背景技术
供水分为一次供水和二次供水。一次供水是指从水厂经一次加压并通过主管道网络输送的供水，一般输送距离较近时，只设置一个加压站加压即可，若主管道网络输送距离较远，则需采用多个加压站二次或多次加压输送，一次供水的加压站采用变频恒压供水，且一次供水通常适用于较低楼层供水。
二次供水是指经单位或个人将城市公共供水或自建设施供水经储存、加压，通过管道再供用户或自用的形式，适用各种高层建筑（小区、商业区、酒店或医院等）供水，也适用于任何自来水压力不足的地区的加压供水。
常规的供水设备（包括一次供水设备和二次供水设备）的控制方式是：在各个供水设备自来水进水管到上装进水压力传感器或水池、水箱内装液位传感器,供水设备出水管道上装出水压力传感器，采集信号至电器控制柜，柜内设置程序控制器，程序控制器通过PID运算后发送信号给水泵起动电器元件或变量信号给变频器，水泵起动电器元件或变频器接收后给出运行信号或频率给水泵，水泵运行，以此调节供供水管道网压力。同时，通过水泵起动电器元件、变频器的通讯接口，反馈水泵起动电器元件运行状态、故障、变频器的运行频率、运行状态、故障等信息给程序控制器。
常规的供水设备（包括一次供水设备和二次供水设备）的管理方式是；每个设备通过人工独立管理。
上述供水设备的控制及管理方式存在如下问题：1.供水设备采集的数据不全面，通过所采集的数据，只能实现常规的节能供水，而无法实时掌握供水设备运行、故障、能耗情况以及供水的水质等信息；2.各个设备通过人工独立进行管理，不仅智能化程度低，管理效率低，而且需要大量人力物力资源，管理成本高。3、在设备出现故障后再进行应急维修，不能预先对供水设备使用工况进行判断。4、供水设备日常巡检、维护保养、故障维修无保障。
发明内容
本发明意在提供一种基于物联网的供水设备管理系统，以统一的管理模式对供水系统进行管理。
本方案中的基于物联网的供水设备管理系统，包括中央管理控制平台，中央管理控制平台包括：数据采集和发送服务器，用于接收供水设备发送的数据以及发送控制指令到供水设备；与数据采集和发送服务器双向通信的流数据处理服务器集群，用于处理供水设备发送的数据、判断通信是否正常以及供水设备是否出现故障；与流数据处理服务器集群单向通信的数据仓库服务器集群，数据仓库服务器集群用于设备工作数据的二级储存、再分析和再挖掘；
业务服务器集群，业务服务器集群与数据采集和发送服务器单向通信，用于向供水设备发出控制指令；业务服务器集群分别与外部客户端、系统管理客户端、流数据处理服务器集群双向通信，用于向流数据处理服务器集群请求供水设备运行数据，其中外部客户端包括供水设备巡检以及维护人员APP、区域监管PC、业主监管人员APP和业主区域监管PC等，业务服务器集群所收集、发出的指令均由系统管理客户端监管、处理；数据仓库服务器集群与系统管理客户端双向通信，用于系统管理人员对各个供水设备的管理、监控、数据录入及查询，其中系统管理客户端包括管理人员APP、系统指挥中心设置的大屏幕、管理人员PC和监控人员PC；
数据采集和发送服务器分别与多组供水设备管理单元双向通信，每组供水设备管理单元用于一套供水设备的管控；所述供水设备管理单元包括供水设备中电气控制柜内的程序控制器，所述程序控制器用于控制变频器，同时变频器反馈运行频率、运行状态及故障信息到程序控制器，变频器用于控制水泵；设置在进水管到上的进水压力传感器和设置在出水管道上的出水压力传感器，设置在水箱或者水池上的液位传感器，进水压力传感器、出水压力传感器、液位传感器分别与程序控制器单向通信；设置在控制柜内的电能仪表，所述电能仪表与信息采集及数据传输模块单向通信，程序控制器与信息采集及数据传输模块双向通信；所述信息采集及数据传输模块与数据采集和发送服务器双向通信。
上述供水设备的管理系统的工作方法如下：通过在各个供水设备自来水进水管到上装进水压力传感器或水池、水箱内装液位传感器,供水设备出水管道上装出水压力传感器，采集信号至电器控制柜，柜内设置程序控制器，程序控制器通过PID运算后发送信号给水泵起动电器元件或变量信号给变频器，水泵起动电器元件或变频器接收后给出运行信号或频率给水泵，水泵运行，以此调节供水管道网压力。同时，通过水泵起动电器元件、变频器的通讯接口，反馈水泵起动电器元件运行状态、故障、变频器的运行频率、运行状态、故障等信息给程序控制器。电能仪表实时采集供水设备运行时的电压和电流，流量计实时采集供水设备运行时的输送流量；程序控制器的信息、电能仪表、流量计等采集的实时信息通过信息采集及数据传输模块发送到中央管理控制平台的数据采集和发送服务器，数据采集和发送服务器将收到的数据传给流数据处理服务器集群，通过流数据处理服务器集群对接收的数据进行处理和判断，并将接收的数据存储到数据仓库服务器集群中，供水设备如果出现电压、电流、流量、水质等数据异常或故障信号，发出警报，中央管理控制平台的系统管理客户端系统操作人员PC和系统指挥中心大屏幕上报警显示，中央控制处理平台各服务器集群按预先设置的故障判断系统进行故障判断，并结合专业技术员人为判断故障后，并对比备品、备件库库存配件，及时派区域内的维修员到现场查看并处理。采集供水设备运行电量、流量、运行状态、供水水质等信息，形成曲线报表，已备后期使用。
本系统通过对供水设备智能化统一的管理，管理效率高，节约人力物力，节能减排具备推广应用性。
进一步，还包括与数据仓库服务器集群单向通信的数据档案服务器集群，数据档案服务器集群用于设备工作数据的历史档案管理，数据档案服务器集群与业务服务器集群双向通信，用于各种数据查询操作和业务操作请求的响应。
进一步，还包括分别设置在每组供水设备管理单元内的智能化门禁模块。通过智能化门禁模块，准确无误判断入侵行为，准确记录进入现场的维护人员、化验人员身份及出入时刻，便于落实责任人管理机制，保障维护时间和维护次数。
进一步，还包括设置在供水管道上的水质监测仪和电磁流量计，水质监测仪和电磁流量计分别与信息采集及数据传输模块单向通信。
通过电磁流量计采集供水设备供水管道的实时流量，如果出现长时间、超大流量运行时，发出警报，在中央管理控制平台的系统管理客户端系统操作人员PC和系统指挥中心大屏幕上报警显示，并及时派区域内的维修员到现场查看并处理，采集实时流量、累积流量，形成曲线报表，已备后期使用。
采集供水的水质实时数据，如果出现水质异常，发出警报，中央管理控制平台的系统管理客户端系统操作人员PC和系统指挥中心大屏幕上报警显示，并及时派区域内的维修员到现场查看并处理，保障供水安全，并上传到数据仓库服务器集群保存，形成曲线报表，已备后期使用。
进一步，还包括设置在水泵上的水泵温度传感器和水泵振动传感器，水泵温度传感器和水泵振动传感器分别与信息采集及数据传输模块单向通信。通过水泵温度传感器检测水泵运行温度，防止水泵内配件因泵内缺水、堵转等引起的水温过高导致损坏。通过水泵振动传感器，检测水泵振动频率，以此判断水泵的工作性能。
进一步，流数据处理服务器集群采用分布式储存和集群方式，采用NoSQL，应用图论算法，提供特定的查询引擎，采用数据管道、数据聚合等算法，提供批处理方式和流式数据处理服务。核心数据服务器使用分布式储存技术和集群技术，可以根据工作数据量的增加扩展服务器数量并行分块执行，从而提供更高的数据处理吞吐量。
附图说明
图1为本发明基于物联网的供水设备管理系统的中央管理控制平台的框图。
图2为图1中其中一组供水设备管理单元的框图。
图3为图1实施例中设备故障处理流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
说明书附图2中的附图标记包括：水泵温度传感器1、水泵振动传感器2、进水压力传感器3、出水压力传感器4、电磁流量计5、电能仪表6、水质监测仪7、其他监测信号8。
说明：服务器集群的概念：一台服务器不够用时，再扩展一个或多个服务器，并联运行，处理、存储数据。
整个系统框架基本如附图1和2所示：
中央管理控制平台说明：中央管理控制平台包括数据收集、处理和存储模块，以及外部监控、事件处理和数据调配模块。
数据收集、处理和存储模块包括两个部分：
1、数据收集及发送服务器
专门用于接收二次供水设备发送的数据，并可以发送反控指令到二次供水设备。
数据类型包括以下三种：
1）、通信状态数据；
2）、实时工作数据；
3）、反控指令数据，用于远程控制二次供水设备。
2、大数据服务器部分，用于处理和存储供水设备发送的工作数据，充分运用多线程技术，并使用高效的数据格式等技术实现。该系统提供良好的大数据特征，扩展能力好，可靠性高，所有工作数据以增量方式进行从而具备良好的可追溯性以及可恢复性。包括三部分内容：
1）、流数据处理服务器集群，用于供水设备数据的各种实时处理，流数据处理服务器集群使用分布式储存技术和集群技术，可以根据工作数据量的增加扩展服务器数量并行分块执行，从而提供更高的数据处理吞吐量。流数据处理服务器集群采用NoSQL方式，应用图论算法，提供特定的查询引擎，采用数据管道、数据聚合等算法，提供批处理方式和流式数据处理服务。
2）、数据仓库服务器集群，主要用于设备工作数据的二级储存、再分析和数据挖掘等，数据仓库服务器对设备工作数据进行再加工，以元数据管理为基础进行数据建模再处理，提供ETL（用来描述将数据从来源端经过抽取（extract）、转换（transform）、加载（load）至目的端的过程），OLAP等功能，进行数据验证，数据转换，并为客户端提供决策、数据挖掘等技术支持；
3）、数据档案服务器集群，主要用于设备工作数据的历史档案处理，数据档案服务器使用特定的数据归档格式配合大数据压缩算法对历史数据进行压缩和归档处理。数据归档服务器提供特定的随机访问算法和数据查询算法便于进行某些数据提取操作。
供水设备的工作数据经过长时间的采集、存储、分析后形成供水设备实际的供水曲线报表。通过“物联网供水设备管理系统”的管理后，在供水设备到达适当时间结点时，“物联网供水设备管理系统”智能提示。再调出供水设备相关数据，选择其中的供水量、用电量曲线报表进行分析后，进行准确的设备选型，按时、按需选择最高效率的供水设备，进而取得能效最高化，达到节能。
外部监控、事件处理和数据调配模块包括三个部分：
1、业务服务器集群专门用于响应客户端各种操作请求，主要包括以下内容：
1）、各种数据查询操作和业务操作请求的响应；
2）、系统管理数据的处理；
3）、向流数据处理服务器集群请求设备运行数据；
4）、提供用于系统公网客户端访问的网关。
5）、运用事件总线技术，并以此建立业务操作领域模型，联接操作命令和业务对象，从而保证业务操作过程中所有操作事件是可追溯的、可恢复的。
6）、使用分离的查询处理技术，通过独立的数据访问层，进行数据适配和数据验证，有效隔离业务数据和设备工作数据。
2、外部客户端，分为两个部分：PC客户端和App客户端，外部客户端包括供水设备巡检以及维护人员APP和区域监管PC、业主监管人员APP和业主区域监管PC。
3、系统管理客户端，系统管理客户端包括管理人员APP、系统指挥中心设置的大屏幕、管理人员PC和监管人员PC。
客户端使用ON结构化描述性数据格式，采用良好的多线程处理技术配合业务服务器CQRS架构模式实现。
如图2所示的供水设备管理单元，供水设备管理单元用于一套供水设备的管控，供水设备管理单元包括供水设备中电气控制柜内的程序控制器，程序控制器用于控制水泵起动电器元件和变频器，同时水泵起动电器元件反馈运行状态及故障信息、变频器反馈其运行频率、运行状态及故障信息到程序控制器，水泵起动电器元件、变频器用于控制水泵。设置在水泵上的水泵温度传感器和水泵振动传感器，水泵温度传感器和水泵振动传感器分别与信息采集及数据传输模块单向通信。
设置在进水管到上的进水压力传感器和设置在出水管道上的出水压力传感器分别与程序控制器单向通信。设置在控制柜内的电能仪表，设置在供供水管道道上的水质监测仪和电磁流量计，电能仪表、水质监测仪和电磁流量计分别与信息采集及数据传输模块单向通信，程序控制器与信息采集及数据传输模块双向通信，信息采集及数据传输模块与数据采集和发送服务器双向通信。
本实施例中，在每组供水设备管理单元内还设置了智能化门禁模块，智能化门禁模块采用RFID识别进入现场的维护人员、化验人员身份，具体为在每个供水设备机房处都设置出入口，出入口为同一通道，在通道处设置门禁设施，门禁设施处设置门磁和出门按钮，工作或维修人员进入时刷卡进入，出来时按动按钮，门禁开启出来，同时在门禁设施处设置视频摄像头和红外传感器，视频摄像头和红外传感器均与信息采集和数据传输模块单向通信，将进出人员的动态及各项信息传输给中央管理控制平台，并在中央管理控制平台的系统指挥大屏幕上显示。通过门禁、红外、视频三结合，准确无误判断入侵行为。视频不仅用作入侵检测，还可定期记录设备运行视频，便于发现一些潜在事故。门禁，准确记录进入现场的维护人员、化验人员身份及出入时刻。
本系统供水设备通讯框架说明
1、供水设备端
使用信息采集传输模块采集数据，然后使用WLAN或者GPRS通过公网，发送加密数据到专用的数据收集及发送服务器，数据收集及发送服务器可以接收业务服务器集群下发的反控指令。
1）、数据传输模式使用基于TCP的消息传输机制。
2）、数据格式采用二进制或者文本格式。
3）、数据类型包括通信状态数据和实时工作数据，反控指令数据。
2、数据收集及发送服务器端
1）、数据收集及发送服务器端专门用于接收设备工作数据从而保证设备工作数据接收畅通、保证高吞吐量，也可以发送设备反控指令。
2）、使用TCP的消息传输机制。
3）、该服务器可以与供水设备之间进行全双工数据通信，要求高并发、低延迟，达到强安全性、高可靠性、实时性好的目标。
4）、该服务器采用多线程技术，使用非阻塞式和线程间消息分发机制，并提供批处理模式和流式数据处理模式。
中央管理控制系统故障处理说明
设备运行状态分为两种：通信状态和工作状态。
1、通信状态
通信状态分为通信正常和通信故障两种情况。
设备通信的硬件部分可能在某些情况下发生故障导致不能正常发送设备工作数据到系统的通信服务器，或者公共网络通信发生故障也将导致数据不能正常发送设备工作数据。
设备可能采取某种增量数据发送策略，例如在数据长时间重复的情况下。在不发送设备工作数据的情况下，设备发送心跳数据到系统的通信服务器，报告通信正常状态。
通信服务器通过接收到的设备工作数据和设备心跳数据对设备的通信状态进行判断，一旦发现不符合检测策略的情况，将产生通信故障消息。
通信故障消息将传递给流数据处理服务器集群并到达业务服务器，监控客户端通过业务服务器可以收到通信故障报警消息。
2、工作状态。
工作状态分为工作正常和工作故障两种情况。
设备本身的采集工作可能发生故障。若有故障发生，设备将向通信服务器报告设备工作故障，工作故障消息将传递给流数据处理服务器集群。
设备发送的工作数据也可能出现异常，可能的原因是设备采集数据出现错误，或者通信传输过程中出现错误。工作数据异常由流数据处理服务器集群处理。
核心数据服务器根据数据异常判定策略，检测数据是否正常。若出现数据异常，将产生工作故障消息。
核心数据服务器的工作故障消息将传递到业务服务器，监控客户端通过业务服务器可以收到工作故障报警消息。
如图3所示，供水设备故障处理流程
1、故障信息来源
1）、当供水设备出现故障时，相应的传感器、程序控制器检测到故障信号，通过网络上传故障信号到中央控制处理平台，平台管理客户端PC接到故障报警信号（同时在指挥中心大屏幕上显示，外部客户端的PC、APP均收到报警信息）。
2）、设备巡检，维护保养人员在日常工作中发现故障，通过APP上报故障信息。
3）、用户发现故障通过APP发出信息或打电话给中央控制中心。
4）、上级主管部门指示通过PC或APP发达信息给中央控制中心。
2、中央管理控制平台流程
1）、通过在地图上定位报警设备位置。
2）、通知物业管理人员到达现场。
3）、服务器根据报警信息自动进行分析并预判断设备故障原因，和中央控制处理平台备品备件库、区域维护网点备品备件库进行匹配，确认备件是否齐全。（区域库无备件、中央库有配件时，立即领料、出库，由送货员送至现场）
4）、专业技术人员根据服务器判断信息，做出正确故障预判并立即给负责该区域维护网点的监管PC，工作人员APP发出指令（设备故障位置、出行路线、备件型号、数量、维修工具、物业主管相关人员电话等信息）
3、区域维护网点工作流程
1）、根据中央控制处理平台发出的指令后，派出专业维修工程师
2）、维修工程师到达现场后，通过APP反馈到达信息
3）、根据现场故障情况判断故障大小，小故障现场维修或更换配件，完成后反馈信息到中央控制平台。
大故障，中央库、区域库均无配件时，立即停机并切断故障回路后恢复供水设备运行。并提出备件型号、数量等信息发送至中央控制处理平台（平台上报业主、区域监管PC、APP，得到采购指令，立即采购）。待备件到达后立即派维修工程师及时修复，完成后反馈信息到中央控制平台（平台上报业主、区域监管PC、APP）。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (6)
1.基于物联网的供水设备管理系统，其特征在于，包括中央管理控制平台，中央管理控制平台包括：数据采集和发送服务器，用于接收供水设备发送的数据以及发送控制指令到供水设备；与数据采集和发送服务器双向通信的流数据处理服务器集群，用于处理供水设备发送的数据、判断通信是否正常以及供水设备是否出现故障；与流数据处理服务器集群单向通信的数据仓库服务器集群，数据仓库服务器集群用于设备工作数据的二级储存、再分析和再挖掘；
业务服务器集群，业务服务器集群与数据采集和发送服务器单向通信，用于向供水设备发出控制指令；业务服务器集群分别与外部客户端和流数据处理服务器集群单向通信，用于向流数据处理服务器集群请求供水设备运行数据，其中外部客户端包括供水设备巡检以及维护人员APP、业主监管人员APP和业主区域监管PC；数据仓库服务器集群与系统管理客户端双向通信，用于系统管理人员对各个供水设备的管理、监控、数据录入及查询，其中系统管理客户端包括管理人员APP、系统指挥中心设置的大屏幕、管理人员PC和监控人员PC；
数据采集和发送服务器分别与多组供水设备管理单元双向通信，每组供水设备管理单元用于一套供水设备的管控；所述供水设备管理单元包括供水设备中电气控制柜内的程序控制器，所述程序控制器用于控制水泵起动电器元件和变频器，同时将水泵起动电器元件和变频器的运行频率、运行状态及故障信息反馈到程序控制器，水泵起动电器元件和变频器用于控制水泵；设置在进水管到上的进水压力传感器和设置在出水管道上的出水压力传感器，设置在水箱或者水池上的液位传感器，进水压力传感器、出水压力传感器、液位传感器分别与程序控制器单向通信；设置在控制柜内的电能仪表，所述电能仪表与信息采集及数据传输模块单向通信，程序控制器与信息采集及数据传输模块双向通信；所述信息采集及数据传输模块与数据采集和发送服务器双向通信。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的供水设备管理系统，其特征在于：还包括与数据仓库服务器集群单向通信的数据档案服务器集群，数据档案服务器集群用于设备工作数据的历史档案管理，数据档案服务器集群与业务服务器集群双向通信，用于各种数据查询操作和业务操作请求的响应。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的供水设备管理系统，其特征在于：还包括分别设置在每组供水设备管理单元内的智能化门禁模块。
4.根据权利要求1所述的基于物联网的供水设备管理系统，其特征在于：还包括设置在供水管道上的水质监测仪和流量计，水质监测仪和流量计与信息采集及数据传输模块单向通信。
5.根据权利要求1所述的基于物联网的供水设备管理系统，其特征在于：还包括设置在水泵上的水泵温度传感器和水泵振动传感器，水泵温度传感器和水泵振动传感器与信息采集及数据传输模块单向通信。
6.根据权利要求1所述的基于物联网的供水设备管理系统，其特征在于：所述的流数据处理服务器集群采用分布式储存和集群方式，采用NoSQL，应用图论算法，提供查询引擎，采用数据管道、数据聚合算法，提供批处理方式和流式数据处理服务。
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