西安航天自动化股份有限公司成立于2000年，是中国航天科工集团六院下属股份制高新技术企业，主营业务为：智慧智能及传统自动化集成。近三年销售收入20多亿元，水务相关的工程实施覆盖了全国30多个省市自治区以及东南亚和非洲数10个国家和地区。近年来公司大力转型信息化数字化业务，并成为集团智慧水务业务的牵头单位，建立了以技术研发、工程实施为主的信息化队伍。完成了基于GIS技术的智慧水务数据全局可视化等水务数据处理、超低功耗数据采集与远程传输等的技术创新，构建了面向西安市水务集团的智慧水务平台，并且该平台已在昌吉水务等项目中得到成功应用。

一、项目概况

本项目重点解决水务系统存在的信息孤岛、管理离散等问题，采用多源异构网络通信技术、统一架构数据规范、GIS技术、大数据分析等技术构建具备自学习、自决策能力的智慧水务系统。该系统可实现对传统水务全领域的智慧化管理，切实提高水务建设和管理水平，加快水务改革发展，使水资源更好地为人类生活、经济发展、社会进步提供强有力的支撑保障。

1. 项目背景
工业互联网技术与物联网技术的发展，对制水供水设施的全面感知与智慧化监控管理提供了技术支持。加快现有设施智慧化改造，建设全覆盖、安全高的智慧感知与传输网络，并在此基础上构建基于云计算环境、具备超大规模数据分析处理能力的信息技术应用平台，为智慧水务建设创造了良好的基础。
本项目目的是为水务部门提供一种智慧化解决方案与智慧服务平台，提高水务系统建设的智慧化水平；最终形成可复制、可推广的平台技术解决方案，有利于促进智慧城市的建设、最终实现智慧社会的构建。

2. 项目简介
以水务企业及政府相关管理部门为服务对象，以水源、水厂、管网等为检测管理对象，通过使用工业大数据、工业互联网、云计算、信息物理系统等技术，建立智慧水务平台，通过对海量水务数据的采集、传输、存储，再对数据信息进行及时分析与处理，以可视化的方式提供辅助决策建议，帮助水务企业及政府相关管理部门以更加精细和动态的方式管理水务系统的整个生产、运营和服务流程，达到生产管理数字化、网络化、智能化，使得调度更科学、流程更合理、系统更节能。
本项目在西安市水务集团进行实施，建设一套西安市智慧水务平台。通过该平台的建设，推进工业互联网技术在水务行业中的应用，提升西安市水务系统智慧化能力水平。

3. 项目目标

1. 建设智慧水务平台，实现平台接入智能化仪器仪表设备1万台，实现西安市全市范围内水务集团和企业设备的数字化改造与信息入网。

2. 建设调度中心，完成供水调度、远程水表控制、管网参数、水厂调度、水质在线监控、二次供水设备、管网巡检、漏失率控制等的动态监控。

3. 实现水质、水压、能耗等管网参数的城域化汇集管理功能，为管理人员提出直观的处理结果辅助决策建议，以更加精细和动态的方式管理水务系统的整个生产和服务流程。

二、项目实施概况

项目主要以水务数据互联互通、协同调度、数据入云等为主要建设内容，重点是实现水务集团数据集中管理及其水务数据智能化管理。
1. 项目总体架构和主要内容

（1）总体方案
总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

 

数采层：是工业互联网技术构架的基础，也是实时生产数据的来源。主要以西安水务集团下属生产企业的工业自动化仪表与控制系统为基础，使用各类智能控制系统、智能测量仪表、监测设备以及网络、服务器等对厂站级设备进行数采。
网络层：利用无线网与有线网融合，建立网络层体系，将基础层的数据汇总，搭建数据仓库、功能仓库、工作流管理平台，提供应用搭建和业务协同机制，实现数据与功能共享。
云支撑基础层：实现底层数据入云，在云平台上实现数据的存储、虚拟化、提供数据服务器等，并在云服务层实现数据的云计算处理等功能，为智慧水务平台的建设提供云化数据资源，提高平台的云端部署能力。
应用层：提供各类异常预警、运行工艺模拟、优化调度分析、综合运营决策等，以及指导公司综合运营决策的工艺分析、设备分析、成本分析、风险分析等智能业务应用。

（2）主要内容
以水务企业及政府相关管理部门为服务对象，以水源、水厂、管网等为管理对象，通过使用工业大数据、异构网络、工业无线网络等工业互联网技术，建立智慧水务平台，并采用可视化的方式有机整合水务管理部门与供排水设施，将海量水务信息进行及时分析与处理，做出相应的处理结果辅助决策建议，以更加精细和动态的方式管理水务系统的整个生产、管理和服务流程，实现水资源合理调度、水源地灾害预警、管网应急抢险指挥、节能降耗、水质安全预警等多种功能，完善水资源管理、调度、预警能力，提高水资源利用率。

2. 网络与平台架构

（1）网络架构
结合水务现场设备复杂性、接入网络系统异构性等特点，采用工业互联技术构建水务互联总架构，如图2所示。
结合工业互联网中现场数据采集总线技术、工业以太网、4G和3G等无线通信技术以及异构网络与传感组网技术等实现水务现场设备、水质信息、水资源信息等的统一采集与网络传输功能；针对水厂、污水处理厂等构建统一的现场数据采集监控系统（SCADA系统），并通过工业通信协议结合工业以太网络通信技术实现厂级数据信息传输到云网通中间件之中，云网通将数据进行汇总归类，并进一步传输的云支撑基础服务平台中，通过云平台处理、数据虚拟化储存等，实现数据直达智慧水务应用服务平台中。
智慧水务平台主要实现水务数据的信息融合、挖掘学习，完善水务数据信息的专家知识库系统，构建智慧水务的专家诊断系统，并提供水务水资源的协同调度管理、设备预测性运行维护等功能服务。

图2 智慧水务网络总体架构图

 

水务系统现场设备种类繁多，需要首先对现场设备进行统一组网，实现现场设备入网目标，消除设备信息孤岛及其哑设备存在问题。建设的现场及设备组网系统架构如图3所示。

本层所有设备与监测仪表都使用带总线接口的智能化设备来控制运行设备、采集现场的实时数据，并可通过智能通讯接口在线传输测量数据，减小工厂环境的干扰，提高了传输数据的准确性和实时性；而且智能设备与仪表可通过总线向中央控制站发送仪表本身的状态信号、报警信号，允许远程设置仪表参数，从而实现远程抄表，远程维护的系统功能。
本项目结合工业互联网技术中无线组网与数据传输技术建设水务数据无线采集传输的网络结构，系统架构如图4所示。

（2）平台架构
智慧水务平台采用工业互联网平台架构，在中国航天科工集团INDICS平台上进行部署实施。总体系统架构如下图所示：

本平台结合云网通等中间件进行数据采集、集成，采用云存储实现数据存储管理、结合水务数据模型进行数据分析，利用水务平台优化调度决策能力实现业务优化和模式创新。

1. 业务优化：主要实现水务处理过程的工业优化、优化生产环节，提高水务协同调度管理能力。

2. 模式创新：该平台在工业互联网架构支撑基础上，可实现定制化，针对不同企业、不同工况、不同需求定制出适合于企业现状的智慧水务平台，实现产品定制化供应，提高产品柔性化服务能力。

总体功能架构如图6所示。

该平台特点为一中心、一网、四库、多应用模式。
一中心：数据中心。主要实现水务数据的融合、存储、分析、处理等功能；
一网：工业互联网（细分为工业控制网、管理信息网）。
四库：关系库、工业库、GIS库、实时数据库。
多应用：综合检测、综合调度、设备管理、巡检服务、协同办公、水力模型、管网GIS模型等等。
数据中心总体架构如下图所示：

图7 智慧水务数据中心架构图

 

数据层：提供数据仓库、功能仓库、工作流平台等。在建立完善的水厂及管网信息资源管理、整合、共享、开发、利用的标准规范体系和运行管理体系的同时，形成齐全的信息数据体系和技术支撑体系。
服务层：充分考虑水厂与管网系统的服务模式和服务内容的实际需求，提供实时在线数据服务、功能服务、服务管理等，为业务系统运行提供支撑。
应用层：支持在多种客户端如浏览器、智能手机以及传统桌面的应用，实现各个厂区实时数据监测、管网管理、厂区及管网相关资料管理、水质监控预警、智能调度等功能。

3. 可靠性
本项目通过使用工业互联网、工业大数据分析、工业无线传感、异构网络通讯等关键技术，解决数据应用分析、多源异构数据的集成难题，建立完善的水处理厂及管网信息资源管理、整合、共享和开发利用的标准规范体系和运行管理体系、齐全的信息数据体系和技术支撑体系。通过关键技术研究，形成公司主研制的关键技术产品，主要包括智能IO、RTU、UHF RFID、水务平台等。
本项目关键技术：

（1）工业无线传感网技术

使用了扩频通信、多跳通信、Mesh网络等技术，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，适合在恶劣的工业现场环境使用。

（2）异构网络通讯技术

在传感网与多现场总线接入技术基础上，研究异构通信网络集成技术；设计基于策略的异构通信网络管理技术，开发相应的网络管理协议，实现异构通信网络的高效管理。

（3）流程工业数据建模技术
突破流程工业参数化建模技术、知识推理技术等高端、新型工业软件核心技术，实现对水务等流程工业数据的可靠采集、安全传输、存储与处理，保障水务等流程工业系统的可靠运行。

 

三、下一步实施计划

项目下一步计划如下：

表2 项目计划

四、项目创新点和实施效果

1. 项目先进性及创新点
（1）技术亮点

• 工业无线传感网技术

工业无线传感技术是一种面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，项目参考了ISA100.11a标准，使用了扩频通信、跳频通信、多跳通信、Mesh网络等技术，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，适合在恶劣的工业现场环境使用。

• 微服务与APP技术

通过研究微服务框架技术预计工业APP技术，解决第三方定制化服务接入难题；通过部署工业APP可实现水务平台移动化管理与云端化管理。

• 工业数据交换平台

通过实时数据库获取现场数据，实现从工业SCADA的数据抽取、清洗、转换、装载进入信息系统数据库，在信息平台建立历史数据库进行数据挖掘分析。

（2）推广复制性
结合工业互联网服务平台可实现定制化服务、远程运维服务等的各类工控环节、场景与行业等都可进行复制推广。
具体行业环节包括：流程工业互联网服务平台建设、远程专家诊断系统、智能工厂、智慧交通、智能物流、智慧城市等智能工业互联网系统

2. 实施效果
本项目主要在西安水务公司进行部署应用。重点解决了传统的水处理信息化薄弱、生产和管理分离、故障处理滞后、计划、调度、决策片面化和人为化的桎梏，实现了生产数据、视频、管理、设备以及人、物的统一管控和调度。
项目为企业带来效益如下：节省人力成本3.6%，设备故障率降低了15%，运行中断率降低20%，能耗降低20%等。
项目实施效果总图如下图所示：