林晶+于述春+彭小寧

摘?要：在多網(wǎng)融合的過程中，網(wǎng)絡和服務覆蓋的范圍向更多的行業(yè)延伸。本文探討了供水行業(yè)的智能化供水系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構、遠程預付費、IC卡預付費、自動抄表功能的設計。針對目前用水計量與信息環(huán)境的復雜特點，提出在多網(wǎng)融合環(huán)境下按異構分層模式來構建系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多線程的集中輪詢異步模式實現(xiàn)智能水表遠程預付費功能，應用虛擬串口技術解決分布式遠程設備控制以實現(xiàn)IC卡表預付費功能，具有可調(diào)時間的自動抄表及水費自動結算、水損分析等功能，應用表明了該系統(tǒng)的有效性與適用性。

關鍵詞：供水系統(tǒng)，智能化，自動抄表，異構網(wǎng)絡，多網(wǎng)融合

中圖分類號：TP391 ???????????文獻標識碼：A

Intelligent?Water?Supply?based?on?Heterogeneous?Layered?Networks?under?Multi-network?Convergence

Lin?Jing，?Yu?Shu-chun，?Peng?Xiao-ning

（Department?of?Computer?Engineering，?Huaihua?College，?Huaihua??418008，?China）

Abstract：?During?the?Multi-network?convergence，?networks?and?services?range?more?industries.?Intelligent?water?supply?in?water?industry?was?discussed?here.?The?design?of?system?network?architecture，?long-range?prepayment，?IC?card?prepayment?and?Automatic?meter?reading?was?especially?introduced.?A?smart?water?supply?under?multi-network?convergence?was?proposed.?It?was?developed?according?to?heterogeneous?layered?networks?for?complex?water?metering?and?information?environment?today.?Long-range?prepayment?for?smart?meter?was?realized?by?multi-thread，?centralized?polling，?asynchronous?scheme.?IC?card?prepayment?was?done?using?virtual?serial?port?for?remote?control?of?distributed?meters.?Furthermore，?the?time?tunable?automatic?meter?reading，?fee?automated?clearing?and?analysis?of?water?loss?were?given?in?the?system.?The?effectiveness?and?applicability?of?this?system?was?confirmed?by?application.

Keyword：?Water?supply;?Intellectualization;?Automatic?meter?reading;?Heterogeneous?networks;?Multi-network?convergence

1.引??言

水資源作為21世紀的戰(zhàn)略性資源之一，其合理開發(fā)和利用受到了人們的普遍關注。人類利用水資源的各項數(shù)據(jù)不僅是一個局部、一個地區(qū)關注的問題，更是一個國家乃至整個社會關注的問題。因此，數(shù)據(jù)的共享性成為全社會對水資源實現(xiàn)集約化管理的基礎[1]。但是，傳統(tǒng)的供水計量信息采集通常是由各管理部門派人到裝表地點抄表，由于用戶面廣、量大，極易造成差錯，人工抄表不但效率低，而且不利于科學管理。

在多網(wǎng)融合[2～7]的背景下，相關企業(yè)積極投身其中，各方不斷將網(wǎng)絡和服務覆蓋的范圍向更多的行業(yè)延伸，為各種異構網(wǎng)絡上智能化系統(tǒng)的運行提供了通訊基礎平臺。實施自動抄表的大環(huán)境逐漸成熟，管理體制現(xiàn)代化也要求供水系統(tǒng)更加智能化。

因此，眾多研究人員在智能表計與自動抄表系統(tǒng)設計領域進行了大量研究。趙、郝等[8]采用全電池供電的智能水表抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)水表出戶集中式抄表，但仍需要人工現(xiàn)場作業(yè)。陳、丁等[9]利用GSM網(wǎng)絡覆蓋面廣﹑抗干擾能力強等特點，設計了基于GSM模塊的無線智能抄表系統(tǒng)，解決了人工抄表的低效率和實時性差的問題。曾、張等[10]采用E-TDMA協(xié)議，進行分布式協(xié)同調(diào)度及節(jié)點時隙分配的局部調(diào)整，為智能抄表系統(tǒng)提供一種高效的信道接入方式。然而，這些研究都局限于特定表計類型，不能將多種表計集成到一個系統(tǒng)中。

隨著對水能表計的深入研究，水表的智能化程度不斷提高。但是，想要在短時間內(nèi)強制性地用智能水表替換原有的非智能或半智能水表很不現(xiàn)實。因此，在現(xiàn)有的供用水網(wǎng)絡中，多種表計仍然會在較長時期內(nèi)共存，這為企業(yè)供水管理系統(tǒng)的建設增添了難度，也影響了城市智能化建設。

針對目前用水計量、信息采集與環(huán)境的現(xiàn)狀，為有效集成預付費智能式、IC卡式、只讀光電式、機械式等水表，急需構建具有遠程預付費功能、自動與手工抄表并存、水費自動結算和水損分析的智能供水系統(tǒng)（WPCS），以平穩(wěn)過渡智能水表替代其它水表的過程，并推進智慧城市的建設進程。

2?WPCS關鍵設計

2.1??WPCS網(wǎng)絡架構設計

WPCS在多網(wǎng)融合環(huán)境下按異構分層模式進行設計。由于水能表計類型的多樣性及表計信息采集方式及傳輸介質(zhì)的不同，WPCS涉及互聯(lián)網(wǎng)、GPRS移動通信網(wǎng)、通過RS485通信的智能水表網(wǎng)、企業(yè)管理局域網(wǎng)等，融合了多種異構網(wǎng)絡，構成分層管理與通訊的統(tǒng)一平臺。它既能滿足當前業(yè)務的需要，又能很好地適應半智能、非智能水表逐漸被淘汰的進化過程。

圖1?多網(wǎng)融合下WPCS網(wǎng)絡架構圖

WPCS網(wǎng)絡架構由三層網(wǎng)絡構成，分為0層、1層和2層，如圖1所示。其中，第0層為互聯(lián)網(wǎng)層，采用TCP/IP協(xié)議，作為系統(tǒng)的通訊基礎設施，與第1層的公司業(yè)務內(nèi)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心移動網(wǎng)絡互聯(lián)。另外它還是遠程工作站、外網(wǎng)用水客戶連接公司業(yè)務內(nèi)網(wǎng)的通道，完成指令與應答數(shù)據(jù)的傳輸。

第1層為核心業(yè)務層，由公司業(yè)務內(nèi)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心移動網(wǎng)絡構成。移動數(shù)據(jù)中心服務器通過GPRS網(wǎng)絡與第2層的集中器DTU通訊，實現(xiàn)對遠傳智能水表的自動抄表、水費預付及遠程控制等功能，移動數(shù)據(jù)中心服務器可以使用VPN專線或ADSL等接入互聯(lián)網(wǎng)，與業(yè)務系統(tǒng)對接。數(shù)據(jù)中心所收集的業(yè)務數(shù)據(jù)通過第0層網(wǎng)絡傳輸?shù)狡髽I(yè)業(yè)務內(nèi)網(wǎng)存儲。業(yè)務內(nèi)網(wǎng)通過防火墻與互聯(lián)網(wǎng)連接，任何外網(wǎng)用戶必須經(jīng)過防火墻才能訪問Web服務器。其中，Web服務器、郵件服務器等構成DMZ區(qū)，隔離外網(wǎng)用戶對內(nèi)網(wǎng)的直接訪問，以保證公司業(yè)務數(shù)據(jù)的安全。

第2層是表計網(wǎng)絡層，由遠傳智能水表、預付費IC卡水表、光電只讀水表、機械水表等構成。對于遠傳智能水表與光電只讀水表，在區(qū)域內(nèi)由RS485總線組成設備子網(wǎng)，在區(qū)域外由DTU通過GPRS經(jīng)數(shù)據(jù)中心向供水企業(yè)傳送數(shù)據(jù);IC卡水表獨立安裝，利用IC卡傳遞數(shù)據(jù)與控制指令，以實現(xiàn)水費預付及信息采集等功能;機械表供、用水信息的采集可由人工完成。

2.2?遠程預付費流程設計

多個智能水表通過RS485通信接口把水表數(shù)據(jù)上傳到DTU，當DTU通過GPRS網(wǎng)絡連接到移動數(shù)據(jù)中心服務器并建立透明數(shù)據(jù)通道后，智能水表端產(chǎn)生的加密數(shù)據(jù)只要送到串口，DTU接收并將其發(fā)送到移動數(shù)據(jù)中心服務器;同時，服務器下發(fā)的命令通過通道傳輸?shù)紻TU后，DTU通過串口送到智能水表端，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。

但在實際運行環(huán)境中，購水用戶總是以就近原則在指定工作站上辦理預付費業(yè)務，購水信息一方面要存儲在業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫當中，另一方面需要打包成購水指令通過移動數(shù)據(jù)中心發(fā)送到智能水表中。兩者數(shù)據(jù)的同步，成為保證系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)一致性與完整性的關鍵因素。

只有在購水指令執(zhí)行成功時，才將購水信息保存到業(yè)務數(shù)據(jù)庫，否則需重發(fā)指令，再重復該過程，才可完成數(shù)據(jù)同步的目的。但是，由于移動數(shù)據(jù)中心服務器宕機引起的指令重發(fā)、指令在三層異構網(wǎng)絡中的傳輸時延、智能水表響應時長等因素，會導致用戶辦理業(yè)務的等待時間過長，甚至要多次往還辦理一次購水業(yè)務，這將嚴重影響系統(tǒng)的可用性。為了解決此問題，遠程預付費流程采用集中輪詢的異步模式進行設計，如圖2所示。

購水信息由各收費工作站采集，指令由應用服務器封裝并發(fā)送到指令隊列中，在發(fā)送成功的同時將購水信息保存到業(yè)務數(shù)據(jù)庫中，讓用戶及時完成本次購水業(yè)務。然后，再由購水守護進程集中對應用服務器指令隊列中的指令按異步輪詢方式處理，將其送往移動數(shù)據(jù)中心服務器再下發(fā)到用戶智能水表中。接收進程收集指令執(zhí)行結果，如果寫智能水表成功，則將返回信息存入數(shù)據(jù)庫，預付費購水過程結束;否則，若重發(fā)次數(shù)R<=3，則重發(fā)指令，若R>3，則指令發(fā)送失敗，進入失敗指令隊列，等待守護進程的下一輪調(diào)度發(fā)送。

圖2?遠程預付費流程圖

2.3?IC卡預付費流程設計

在實際供水作業(yè)環(huán)境中，預付費IC卡水表作為半智能表計還普遍存在，它獨立安裝，利用IC卡傳遞數(shù)據(jù)與控制指令。與遠傳智能水表不同，它通過與小區(qū)工作站直連的IC卡讀寫器實現(xiàn)水費預付及用水信息采集等功能。因此，產(chǎn)生了在B/S模式應用下普遍存在的Web服務器端應用程序要驅(qū)動瀏覽器客戶端設備的矛盾。有效解決該問題成為WPCS的另一關鍵技術。

由于IC卡讀寫器通過串口與工作站連接，服務器端應用程序無法直接驅(qū)動它，系統(tǒng)采用ActiveX控件與虛擬串口技術，通過串口映射機制解決這一問題。IC卡預付費流程描述如下：

（1）?初始化服務器端的虛擬串口VMCOMx;

（2）?組織IC卡預付費寫入指令，并發(fā)指令送到VMCOMx;

（3）?通過串口映射機制，將VMCOMx網(wǎng)絡幀轉(zhuǎn)化為串口信息發(fā)送到請求工作站的物理設備執(zhí)行;

（4）?若設備的ActiveX控件在工作站沒有注冊，則在web頁面中通過<object>標簽從指定URL（由codebase屬性給出）下載并注冊、運行控件;

（5）?若ActiveX控件已注冊，則直接使用控件驅(qū)動IC卡讀寫器執(zhí)行指令;

（6）?指令先進行卡類型及密碼檢測操作，如果卡類型合法且密碼校驗成功，則對IC卡執(zhí)行寫操作，否則，提示告警信息并退出;

（7）?解析指令執(zhí)行結果，若操作成功，預付費信息保存到數(shù)據(jù)庫，否則，提示操作失敗并退出。（注：同時可讀取上次用水信息，即完成滯后抄表功能。）

2.4?自動抄表流程設計

快速、準確、可靠地獲得用水管理的各類數(shù)據(jù)，是進行費用自動結算、用量分析、表計運行狀況監(jiān)測、負荷處理等應用管理的基礎。因此，自動抄表功能是WPCS的又一關鍵業(yè)務。該功能的設計主要針對遠傳智能水表與光電只讀水表，由Web服務器端的應用程序根據(jù)系統(tǒng)預先設定的采集時間自動完成，其中，發(fā)送指令與接收結果分別由不同的獨立線程承擔，自動抄表算法（AutoGetMeterInfo）關鍵偽碼如下。

Public?Class?AutoGetMeterInfo（）{//取預設抄表時間

int?interval=getCollectTime（“SystemParam”）;

int?rtn=Timer（interval）;?//啟動定時器

if（rtn==0）{?//0：表示設定采集時間到，則根據(jù)集中器表Hubinfo產(chǎn)生抄表指令集合

List?ginst=createGetInstructions（“Hubinfo”）;?……

initReceiveBuff（recbuff）;?//初始化接收緩沖區(qū)

for（Instruction?inst：glist）{?//發(fā)送線程遍歷抄表指令集合，并發(fā)送指令

sendData（inst）;

}……

//接收線程調(diào)用getDTUData（）返回DTU收集的結果添加到接收緩沖區(qū)

recbuff.add（getDTUData（））;

for?（ReceiveData?recdata：recbuff）?//主線程遍歷并分析指令結果集合

if（recdata.indexOf（“OK”）>-1）//執(zhí)行成功則取出用水信息并插入到表UsedWater中，執(zhí)行失敗則取水表編號報警

insertRow（“UsedWater”，getData（recdata））;

else

alertInfo（getMeterNo?（recdata）+“抄表失??！”）;

}

}

3?實??驗

3.1?試驗環(huán)境

WPCS系統(tǒng)使用現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)與GPRS網(wǎng)絡作為通信基礎設施，已在某自來水公司投入運行。數(shù)據(jù)庫服務器操選用IBM?xSeries?365，配置Xeon?MP?2.7G?cpu，8G?DDR內(nèi)存，SCSI?2T硬盤，安裝Windows?2005操作系統(tǒng)，DBMS使用SQL?SERVER?2005。Web服務器選用IBM?xSeries?346，配置Xeon?MP?3G?cpu，4G?DDR內(nèi)存，SCSI?500G硬盤，安裝Tomcat?6.5，Windows?2005操作系統(tǒng)。各工作站及客戶端操作系統(tǒng)使用WINDOWS?XP/2000系列，安裝IE6.0+SP2?瀏覽器軟件，硬件大部分利用客戶現(xiàn)有的PC機，以減少重復投入。公司業(yè)務內(nèi)網(wǎng)為自組局域網(wǎng)，運行TCP/IP協(xié)議。移動數(shù)據(jù)中心采用租用形式。智能水表子網(wǎng)在硬件上主要由遠傳智能水表、集中器（DTU）、自組網(wǎng)絡底層設施等組成;軟件主要包括表計嵌入式軟件、DTU運行軟件、業(yè)務系統(tǒng)管理軟件等。此外，還有部分預付費IC卡表、機械表等，智能表計、DTU以及其嵌入式軟件由制造商提供。

3.2?試驗結果及分析

分析試點的11個單位/小區(qū)，1350多家用水客戶共1493只四種類型水表18個月的運行數(shù)據(jù)。1493只水表數(shù)量分布如表1所示。

表1?四種類型水表數(shù)量分布

圖3表明了按系統(tǒng)預設的抄表時間，每2個月自動抄表一次，18個月共自動抄表9次。結果顯示光電表的抄表成功率超過90%，智能表的抄表成功率高于光電表，達97%，而且都呈逐漸上升的趨勢。通過對失敗表計的現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)智能表計的安裝使用時間比光電表計晚，且電氣特性、連接線路、電池耗盡程度都好于光電表計，故其抄表成功率優(yōu)于光電表。隨著對表計電池的更換及線路檢修，能正常工作的表計增多，所以兩者抄表成功率都呈上升趨勢?？梢灶A計，在線路與表計正常工作情況下，自動抄表成功率將會達100%。

水損率需要用本次抄表數(shù)據(jù)參考相鄰的上次抄表數(shù)據(jù)進行計算，在試運行期間共計算了8次。圖4顯示了在現(xiàn)有供水管網(wǎng)條件下四種水能表計對水損率的貢獻。智能表水損率最低，平均值為7.0%，IC卡表水損率最高，平均值為9.63%，光電表和機械表居中，平均水損率分別為8.27%和9.06%。由于智能表與光電表能自動抄表，供水與用水表計的水量信息可以短時間內(nèi)同時完成，數(shù)據(jù)比較準確，又因為智能表可以在預付水費用完時及時控制表計關閥且抄表成功率高，所以智能表計算的水損率低于光電表，而且較真實、準確。

相反，機械表與IC卡表不能被系統(tǒng)自動控制，在表計電池耗盡后，且預購水量用完時，IC卡表也不能關閥斷水，這是導致水損率高的主要有原因。另外，由于抄表費力、耗時，供、用水量不在合理的時段內(nèi)實時采集，數(shù)據(jù)較不準確，因而也會導致計算水損率較高。水損率高表示水資源的浪費大，給企業(yè)帶來的經(jīng)濟損失也大。此外，水損率異常也是管網(wǎng)監(jiān)控的重要參考因子，可及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)的漏損地域并采取措施修復。

應用分析表明1）自動抄表效果良好，系統(tǒng)功能及關鍵性能達到預期的設計目標;2）水損分析為管理層制定科學合理的用水決策提供支持，可節(jié)約水資源，提高企業(yè)經(jīng)濟效益;3）水損分析是供水管網(wǎng)監(jiān)控的重要參考指標及有效途徑;4）模塊化設計適應系統(tǒng)功能多樣化需求，系統(tǒng)適用性高，可實現(xiàn)跨區(qū)域的供水聯(lián)合管理，滿足更大規(guī)模業(yè)務管理需要。

圖3?自動抄表成功率統(tǒng)計圖

圖4水損率統(tǒng)計圖

4?結??語

推進多網(wǎng)絡融合，構建信息化社會為當今時代主題。本文在多網(wǎng)融合環(huán)境下按異構分層模式構建的WPCS系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有供水網(wǎng)絡中多種表計并存與智能化供水系統(tǒng)建設的矛盾，能夠很好地適應供水管網(wǎng)中設備智能化程度不斷進化的演進過程。WPCS的關鍵設計可以推廣應用到電、暖、氣等能源行業(yè)的智能化管理領域，從而推進多種能源跨領域聯(lián)合作業(yè)，必將推動智慧城市的建設進程，具有較高的研究及應用價值。

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編號：G4