近年来,我国水污染问题日益突出,如何实时、精准、可靠地进行水质监测、预警已成为一个关系国计民生的重大问题。北京城市供水长期以来面临着水源多样,水质多变,水厂分散,管网复杂等困难。随着南水北调中线通水,外调水源与本地地下水、地表水混合使用对北京供水水质保障更增加了诸多不确定因素^[1],大量的水样采集和数据分析是传统的水质监测技术和管理难以应付的。

　　 随着计算机通信与网络技术的发展,许多应用现代信息技术手段建立的水质监测系统应运而生。把现代物联网技术应用于水质监测领域中,组成一套从取样、预处理、数据分析处理至结果发布的完整系统,从而实现对水质的在线自动监测,已成为一个重要的研究热点^[2~8]。这种采用传感器技术、网络通信技术及其他相关学科知识建立的水质监测体系,具有监测节点系统规范、监测范围广、系统成本低、可靠性高以及对生态环境破坏小等优点^[9]。

　　 欧美和日本等发达国家,自20世纪60年代以来就开始对河流、湖泊等地表水质实行自动在线监测。广泛应用微型传感器设备、嵌入式控制器设备等,实现水质样本自动获取、监测数据自动生成并能够通过无线或有线网络传输到控制中心服务器。监测以水质的综合指标为基础,包括水温、pH、化学需氧量、生化需氧量、溶解氧、总磷量等。我国虽然起步比较晚,但发展速度非常快,并已逐渐过渡到建立基于无线传感器及其他现代化科技的水质监测系统。在2008年北京奥运会之前,北京已经在主要水源和主要水厂的关键点设置了部分在线水质监测设备,但并未形成系统规模和统一标准,管理部门不能及时掌握水质准确数据,信息难以共享,很难真正实现 “从源头到龙头”的监测及预警功能。

　　 面对如上机遇和挑战,2013年北京市自来水集团设立专项资金,开发建设北京供水水质在线监测预警系统。该系统是在集团主要水源,水厂进水、净水各工艺环节,水厂出水,管网节点,重点用户设置水质在线监测仪表,实时监测水质动态,并利用物联网技术将数据实时传输至集团调度中心和水质监测中心,在中心实现对大数据集中分析处理,从而实现对水质的实时监测,预警分析,工艺调整和供水调度。北京市自来水集团自主开发了该系统,经过18个月的努力终于在“南水”进京之前投入了使用。为北京顺利实现“南水”和本地水联合调度运行提供了技术保障,极大地提高了供水安全保障和科学调度指挥能力。

　　 结合北京供水现状和未来发展,平台开发基于信息技术和水质监测技术深度融合的原则,从传统水质管理方法向预警机制进行转变:采用基于信息物理系统的智能设备,建立可监,可控,可分析,可管理的智能平台;整合原有资源,提高精细化管理水平,统筹兼顾实用性和先进性,真正实现“从源头到龙头”全过程、可视化的动态监测。平台最终要实现 “智慧水务”管理的 “四化”要求,即设备物联化,平台智能化,管理扁平化,服务前置化。

　　 根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)的106项国标,结合工程实施的可行性和在线监测的必要性,北京市自来水集团水质中心提出了5项最具水质特征代表性的指标,即浊度、余氯、电导率、温度、pH。浊度是反映水质最具代表性的特征指标;余氯是反映水处理过程和管网微生物安全极为重要的参数;电导率反映水中离子状况,如硫酸根、氯根等,是判断水质或水污染的重要指标;温度是水处理过程影响运行的重要参数;pH是影响水处理混凝效果的重要因素。

　　 平台覆盖数据采集、数据传输、数据处理和应用等一系列环节,因此系统建设主要有4大部分工作内容^[10]:

　　 (1)数据采集。按照北京城市供水系统分别在水源,水厂,管网建设水质参数采集分站;充分利用现存分散布置的水源,水厂和管网的水质监测设备,并将新老设备整合集成到一个系统。

　　 (2)数据传输。根据现场条件分别采用GPRS无线通信和有线通信方式实现各采集分站的数据高速传输。

　　 (3)系统构建。在集团供水调度中心建立中心平台,设置通信管理服务器、数据服务器、展示服务器和网络设备等。在水质监测中心和各水厂设置分平台,有利于信息对称和快速反应。

　　 (4)应用软件开发。根据水质监测中心给出的管理要求开发后台支持软件,实现预警报警功能,在线分析功能,存储查询功能等。

　　 根据如上原则和目标,平台按照地缘分为市区水厂、郊区水厂2类分别进行架构。市区水厂采用有线和无线双网络实时采集链路:有线链路通过在水厂现场或者数据中心设计本地/远程采集器,将PLC数据上传到中心的有线数据采集器上;无线链路部分通过在水厂现场布置远程I/O设备,通过GPRS网络将数据上传至中心无线数据采集器上。郊区水厂在水厂现场设置监控软件系统和通讯软件模块,通过现场的远程I/O设备经GPRS无线网络将实时数据传输到数据中心的无线数据采集器上。这样系统完成了集团下辖所有水厂进出厂水质数据,厂内主要工艺段水质数据,核心设备运行参数等数据的实时接入。

　　 数据中心设置5台数据服务器,包括2台数据采集器:有线采集器和无线采集器。 在采集器之后设置串口服务器实现数据网络隔离,实现生产网和办公网的隔离,同时实现有线数据和无线数据的汇总。在串口服务器上设置品型结构数据服务器,品型结构底端设置集群冗余,保证数据完成和设备、软件运行环境的稳定性。 为了保证数据的安全性,在品型架构中间又设置了单向隔离网闸,结合数据镜像功能将数据单向传送到品型结构的上层展示服务器中。 通过串口隔离服务器、单向网闸和数据镜像技术实现生产数据的物理和网络隔离,保证生产数据的安全性;并结合系统集群服务保证生产数据的完整性。系统设置水质预警值和报警值,一旦水质超标,现场和数据中心均可在第一时间发出报警,并以短信形式通知相关人员,保证了事故处理的及时响应性。 整个系统的实施实现了生产管理的垂直化、精细化、报警事故处理向零延迟迈进。系统整体拓扑架构如图1所示。其中,某市区水厂架构拓扑图如图2所示。

　　 系统统一采用Hach在线浊度仪和蓝点综合测试仪对浊度、余氯、电导率、pH、温度5参数进行在线监测。Hach在线浊度仪各项技术参数见表1。蓝点水质综合测试仪技术参数见表2。

　　 本着“从源头到龙头”全过程全方位进行管理的原则,分别在水源、水厂进水、水厂出水、管网用户系统设计取样点,共设置在线监测点262个。其中,在市区12座水厂和郊区8座水厂均在出厂位置设置监测点,如图3 所示;地表水按工艺节点设置监测点,管网选择了15个具有代表性的点。

　　 本系统根据各监测点现场条件采用有线通信或GPRS通信两种方式。

　　 (1)有线通信。有线通信具备传输速度快,运行稳定等特点。集团市区水厂都具备有线通信的条件,故安装了有线通信设备。

　　 (2)GPRS无线通信。郊区水厂不具备有线通信的地方都采用了GPRS通信方式。集团每个监测采集点都将数据上传到水厂PLC,PLC先将数据传输到上位系统,上位系统将数据打包成TCP/IP数据包,再转换成GPRS数据包传送到无线接收服务器上。无线接收服务器再剥离GPRS数据包并通过网关将TCP/IP数据包传送到internet,再由inter-net传送到调度中心电脑,在调度中心电脑上以web方式显示。

　　 水质在线监测预警系统实现了对水源水质、进厂水、水处理各工艺段、出厂水、管网水的全过程在线监测;集团顶层领导和专业管理人员都可坐在电脑前实时监测“从源头到龙头”的水质情况,全面掌握全市供水系统水质信息,真正实现管理扁平化,如图4所示。

　　 对5项水质指标分别设置了预警线和报警线,一旦发生异常会自动发出声光提示,及时提醒运行人员注意,并以短信通知各单位主管人员;改变了传统水质采样化验结果相对滞后的弊端,提高了应对水质突发污染事件的应急能力。

　　 系统实现了水质参数的记录分析,自动生成趋势曲线。用户终端各级运行人员均可根据计算机提供的数据分析判断工艺运行情况,发现异常及时调整运行参数,为优化运行提供了智能平台。

　　 系统提供强大的存储功能,可轻易实现对海量大数据的长期存储,为大数据分析提供了技术支持。

　　 除了在线数据之外,还将水质中心对管网300多个监测点的取样分析数据整合进系统之中,每半个月更新1次,可以随时输入时间地点进行查询,并与在线数据对比分析。

　　 建立水质在线监测系统是北京市自来水集团通过技术创新,利用现代化高科技手段提升首都供水安全优质水平的又一项成果,是北京市自来水集团按照建设“国际一流城市”的要求,自主创新,惠及民生的一项工程。既为南水北调水源进京后首都城市供水的水质安全提供了技术保障,也提高了城市应对突发水质事故的能力。新的水质监测系统对提高自来水企业精细化管理水平,实现科学调度,提高工作效率,节能降耗都将提供数据支持。集团顶层领导和各级专业技术人员均可通过企业内部网络进行信息沟通,随时关注供水各环节的水质信息,大大提高了管理效率和决策水平,实现了管理扁平化,其社会效益和经济效益是难以估量的。

　　 目前北京市自来水集团正在筹备 “十三五”规划,对该系统进一步发展完善。包括:按新的供水格局完善水源预警体系,在新水源安装综合水质在线监测设备,增加有机物,藻类,生物毒性等监控项目;在供水管网建立100个用户水质监测点,提高对用户的服务水平;建立水质数据分析模型,通过大数据分析,提高水质预警判断能力和分析处置能力;建立专家辅助决策系统,实现水质监测,预警分析和水源调度,供水调度的联动机制,以更加精细和动态的方式管理供水系统的整个生产、管理和服务流程,从而实现“智慧供水”的宏大设想。