吳文苗　謝志剛

摘要：隨著智慧城的快速發(fā)展，現(xiàn)有的集中式架構(gòu)已經(jīng)不能滿足日益錯綜復(fù)雜的城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求。本文從無中心系統(tǒng)架構(gòu)的角度對智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過分布式計(jì)算理論和對等網(wǎng)思想對供水管網(wǎng)的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)自組織分布式網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行監(jiān)控與智能化處置。這種新型的控制過程不僅能實(shí)現(xiàn)精確的漏損和爆管定位，而且能實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)水降耗的目的和日益復(fù)雜多變的城市供水需求。

關(guān)鍵詞：智慧城市；無中心架構(gòu)；節(jié)水降耗

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）11-0276-02

1 概述

為實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)智慧城市已成為當(dāng)今城市發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。城市供水行業(yè)作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，更是智慧城市公共服務(wù)的重要組成部分[1]。隨著科技進(jìn)步以及云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對于城市供水服務(wù)不再滿足于傳統(tǒng)的服務(wù)模式，而是提出了更高的要求[2]。然而，我國城市供水管網(wǎng)卻存在著極為普遍的漏損現(xiàn)象，造成了水資浪費(fèi)、供水壓力不足、水質(zhì)降低等現(xiàn)象，使得城市水資源的供需矛盾日益凸顯，帶來了城市供水管網(wǎng)管理的困難[3]。因此，從物聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，通過多學(xué)科交叉融合，將無中心系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用于智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)的智能化管理與控制極為重要[4]。

2 當(dāng)前智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題

隨著政策支持，智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)有望加速。《全國城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》中就提出要開展供水管網(wǎng)分區(qū)計(jì)量管理，加強(qiáng)供水管網(wǎng)漏損檢查和改造，降低供水管網(wǎng)漏損率，提高供水管網(wǎng)水質(zhì)[5]。因此如何對城市供水管網(wǎng)的水壓力、水流量、水流速、水質(zhì)等進(jìn)行合理分析和準(zhǔn)確評價，經(jīng)濟(jì)有效的控制管網(wǎng)漏損和爆管現(xiàn)象是非常重要的[6]。智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)不僅要完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、傳輸，還要構(gòu)建數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，需要將軟件和硬件有機(jī)結(jié)合起來。圖1反映了現(xiàn)有的集中式供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的三個主要構(gòu)成部分，包括遠(yuǎn)程測控終端、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心。

現(xiàn)有的集中式分層架構(gòu)已成為嚴(yán)重制約智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)充分發(fā)揮應(yīng)有作用的瓶頸，該系統(tǒng)不能匹配實(shí)際供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)使用管理的分布式需求，各監(jiān)控設(shè)備控制策略配置復(fù)雜耗時、缺乏對動態(tài)和變化需求的適應(yīng)性，而且現(xiàn)有的開發(fā)工具無法直接滿足供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行管理的控制策略，面向供水管網(wǎng)分布的實(shí)時信息難以可靠獲取和缺乏有效的分析方法。而且對于集中式系統(tǒng)，傳感器采集到的參數(shù)統(tǒng)一傳到中央上位機(jī)，中央上位機(jī)需要明確每一個數(shù)據(jù)對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，加大了中央上位機(jī)的負(fù)荷。鑒于此，要求對智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行完善管理和控制[7]。

3無中心系統(tǒng)架構(gòu)

3.1無中心的概念

隨著智慧城市供水管線監(jiān)控系統(tǒng)在大規(guī)模深度信息化的同時，不僅帶來了海量的數(shù)據(jù)，還促使智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行管理的對象在發(fā)生改變。從過去強(qiáng)調(diào)的對少數(shù)關(guān)鍵的設(shè)備和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾稳娓咝У恼侠贸鞘泄┧芫W(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的各類信息。要徹底解決信息點(diǎn)配置和系統(tǒng)組態(tài)的工程瓶頸，就要系統(tǒng)的解決系統(tǒng)中心化的問題，而不是對某些技術(shù)細(xì)節(jié)修修補(bǔ)補(bǔ)[8]。

系統(tǒng)的基本單元體是什么，如何組織連接，怎樣有效解決城市供水自動控制系統(tǒng)領(lǐng)域中的實(shí)際工程問題，圍繞這些問題提出基于無中心控制網(wǎng)絡(luò)的城市供水控制管理解決方案。在無中心系統(tǒng)中每個智能控制節(jié)點(diǎn)都是平等的，局部自組織完成全局任務(wù)，沒有中央控制，計(jì)算和存儲能力平均。

3.2無中心系統(tǒng)架構(gòu)

無中心系統(tǒng)由大量的“智能控制節(jié)點(diǎn)”構(gòu)成，智能控制節(jié)點(diǎn)之間通過數(shù)據(jù)線連接形成一套計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，每個智能控制節(jié)點(diǎn)與相連智能控制節(jié)點(diǎn)交互數(shù)據(jù)，采用相互協(xié)商相互博弈的模式，完成各個系統(tǒng)計(jì)算和控制決策，而且每個智能控制節(jié)點(diǎn)具有信息綜合處理計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲以及與相鄰智能控制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互的能力。每個智能控制節(jié)點(diǎn)中都預(yù)置一套標(biāo)準(zhǔn)信息集，涵蓋每個空間的各類信息。這套標(biāo)準(zhǔn)信息集是整個無中心系統(tǒng)便捷、靈活、開放的基礎(chǔ)。如圖2所示是由平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)接口互相連接的一組對等智能控制節(jié)點(diǎn)組成。每個智能節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個供水分區(qū)或一臺智能控制設(shè)備，是無中心供水管網(wǎng)任務(wù)處理的基本單元，具有位置鄰接關(guān)系的供水分區(qū)或具有物理連接關(guān)系智能控制節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置直接的內(nèi)部數(shù)據(jù)接口，智能控制節(jié)點(diǎn)間通過接口協(xié)議相互協(xié)作，以分布式的方式處理任務(wù)。

3.3 無中心系統(tǒng)架構(gòu)的先進(jìn)性

無中心系統(tǒng)架構(gòu)的先進(jìn)性主要體現(xiàn)是在信息領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)、對等網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)的啟發(fā)下，提出一種面向空間、支持多系統(tǒng)功能和基于無中心計(jì)算實(shí)現(xiàn)的智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)管理和控制的新型架構(gòu)。該架構(gòu)一方面脫離了互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，充分利用智能監(jiān)控設(shè)備安裝位置和信息流相對固定的特點(diǎn)，采用面向空間的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交互方式，另一方面將“智能”從數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)移植到了每個智能節(jié)點(diǎn)上，使整個網(wǎng)絡(luò)作為通信平臺的同時也成為計(jì)算平臺。在智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域，無中心系統(tǒng)將為城市供水建設(shè)提供一種新的信息系統(tǒng)平臺，并推動新的城市供水監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究，使低成本的真正的智慧城市供水監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。

4無中心系統(tǒng)架構(gòu)在智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

本研究針對現(xiàn)有智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)面臨的問題及發(fā)展趨勢提出基于無中心系統(tǒng)架構(gòu)的智慧城市供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。城市供水管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)由若干個智能控制節(jié)點(diǎn)組成，每個節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連，在整個區(qū)域系統(tǒng)中，當(dāng)某個智能控制節(jié)點(diǎn)發(fā)起調(diào)整任務(wù)時，網(wǎng)絡(luò)中每一個智能控制節(jié)點(diǎn)接收到任務(wù)指令后，都會調(diào)取本地?cái)?shù)據(jù)存儲模塊中屬于該任務(wù)的數(shù)據(jù)表，并將本地?cái)?shù)據(jù)與相鄰智能控制節(jié)點(diǎn)傳遞來的數(shù)據(jù)求和后再傳遞給下一個相鄰智能控制節(jié)點(diǎn)，如此計(jì)算、傳遞，最終發(fā)起任務(wù)的智能控制節(jié)點(diǎn)將得到整個供水管網(wǎng)的相關(guān)信息，同時依據(jù)數(shù)據(jù)詳情建立供水管網(wǎng)動力與漏損分析模型，動態(tài)分析供水管網(wǎng)系統(tǒng)中各構(gòu)成部分的運(yùn)行功能，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)漏損分析、水質(zhì)安全分析、運(yùn)行安全風(fēng)險評估與預(yù)警，對管網(wǎng)常規(guī)與突發(fā)事故實(shí)現(xiàn)處理和控制。

智慧城市供水管網(wǎng)中各個智能控制節(jié)點(diǎn)連接形成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)取代了傳統(tǒng)集中式系統(tǒng)中的中央上位機(jī)，重點(diǎn)解決管網(wǎng)系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備相互連接、協(xié)調(diào)的問題，而系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)局部或本地管線控制問題仍由本地智能控制節(jié)點(diǎn)完成，與傳統(tǒng)傳感器-數(shù)據(jù)庫-人機(jī)界面監(jiān)測系統(tǒng)相比，基于無中心網(wǎng)絡(luò)的市政供水管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控與處置智能化系統(tǒng)采用的是并行網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的基本模式，這種模式支持管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中的各類監(jiān)測、控制、分析、定位和管理問題，能穩(wěn)定、高效的求解這些問題。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)信息共享，避免了傳統(tǒng)的集中式架構(gòu)下系統(tǒng)的組網(wǎng)困難，組織協(xié)調(diào)能力低下和缺少靈活等問題。

5 結(jié)束語

綜上所述，無中心系統(tǒng)架構(gòu)突破了傳統(tǒng)集中式控制系統(tǒng)認(rèn)識和分析問題的方法，重點(diǎn)從供水管網(wǎng)自身以及各類監(jiān)控設(shè)備出發(fā)，分析這些對象的基本特征，提出用自組織網(wǎng)絡(luò)來分析供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。基于無中心系統(tǒng)架構(gòu)的供水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)對管網(wǎng)水流量、水壓力、水質(zhì)等管線參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和智能化處置，以實(shí)現(xiàn)精確的管網(wǎng)漏損和爆管定位。

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