在城市水務行業中，各省市水務集團與水務公司作為國有資產管理和基礎設施投資運營主體，負責城鎮供水、排水防汛、汙水處理、中水回用、河道運維、汙泥處置、海水淡化、水務工程建設等各類水務相關業務。根據國務院國資委與各地方國資委新基建數字化轉型以及智慧水務規劃的目標任務，各水務運營主體提出了透過數字化轉型提升集團生產效能，助推水務事業高質量發展的要求。

水務業務的數字化轉型過程可分為「資料先行、夯實基礎」、「資源整合、管理提升」、「管理創新、戰略發展」三個階段實施。 而構建一個物聯網統一接入系統則是「資料先行，夯實基礎」階段的重要任務。

本文將分享青島研博結合 EMQ 物聯網資料基礎設施軟體構建智慧水務平臺產品的實踐經驗。

## 水務數字化的現狀與問題

**廠站建設不標準**

廠站資料未實現實時資料集中監管，各個廠站自控系統建設標準未統一，網路部署無規劃，各個廠站 PLC 和組態軟體的點表沒有統一的標準規範，制約了資料匯聚及大資料分析應用，不利於資料探勘工作。

**抄表標準不統一，系統壁壘嚴重**

隨著各供水企業遠傳水錶數量逐漸增多，各水錶廠家的資料傳輸標準不統一，導致遠傳水錶不能互換；各水錶廠家各自搭建了抄表平臺，存在抄表平臺重複建設和資料壁壘問題，不利於集團統一管理。

**資料質量無法支撐大資料平臺**

部分水務集團規劃建設了集團大資料中心實現資料統一治理，大資料中心必須有高質量的感知層資料支撐。由於廠站資料、抄表資料以及其他業務資料沒有統一接入規範，資料質量參差不齊。各類資料分散在各個系統中，很難形成可為大資料中心提供實時性強，格式規範的資料來源。

## 青島研博水務物聯網統一接入系統建設思路

為了更好地服務於當前水務數字化轉型的需求，青島研博提出了基於物聯網技術實現水務物聯網統一接入系統的建設思路：

[![智慧水務物聯網統一接入系統](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/8f710b13fce1032a.png?x-oss-process=style/bb "智慧水務物聯網統一接入系統")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "智慧水務物聯網統一接入系統")

**廠站資料在邊緣側統一採集並規範化處理上報**

為了解決廠站生產資料分散和資料壁壘問題，透過將已有廠站、管網的各類工業自動化裝置與系統的資料在廠站邊緣側進行實時採集，資料格式統一處理，將各廠站資料統一接入到上層的物聯網統一接入系統中。

從各個廠站上傳週期需要根據現場的物理裝置進行確認，但一般速率都比較快。每個廠站要採集的資料都不相同，點數不同，以其中某廠站為例，需要接入各種型別裝置。 如某大型廠站主站裝置包括：攪拌器，內迴流泵（遠端就地、故障、手動自動，開、停），電動閥門（閥位、開度、開到位、關到位、故障），生物池空氣閥門（調節閥、閥位），外迴流池，刮泥機，液位計，流量計，進口氨氮，氨氮硝氮一體機，溶解氧探頭，ORP（測試微生物），MLSS（汙泥濃度）； 子站裝置包括：鼓風機流量，壓力，鼓風機，計量泵，液位計，卸料泵，混合泵，電動閥，流量計。大廠站採集點位在幾千點，小型廠站採集點規模也在在幾百點。

在實際專案中，廠區可以分為新建廠區和老廠區兩種，老廠區基本上 PLC 比較老舊，而且不可以對現有 PLC 程式進行改造，需要對接廠區現有 SCADA 系統（一般對接 OPC-DA 介面）將資料採集出來後進行資料格式轉換，然後上傳到物聯網統一接入系統中。新建廠區可以要求新建廠區的 PLC 支援 OPC UA 協議或者 Modbus TCP 協議，透過對接這兩種協議將資料上傳到物聯網統一接入平臺。

**遠傳水錶統一接入**

針對抄表平臺重複建設和資料壁壘問題，透過建立一套不受硬體廠商限制，實現不同品牌遠傳水錶接入的資料採集系統，具備對各供水企業遠傳水錶資料統一接入的能力。 物聯網統一接入系統可以透過不同的通訊方式，同時支援 TCP、UDP、MQTT、COAP 等物聯網通訊協議連線感知層裝置、工程系統和運營商物聯網平臺等系統進行對接、採集與資料匯聚。

**接入資料匯聚，統一處理，對接大資料平臺**

透過建設物聯網統一接入系統，將海量水務裝置資料匯聚在資料中心。在平臺資料匯聚層進行對各類資料按照水務運營部門對資料來源格式進行統一處理，並實時對接後臺的大資料中心的資料服務介面，從而支撐水務大資料分析的需求。

## 基於 EMQ 資料基礎設施軟體的雲邊結合水務物聯網接入實施方案

綜合上述方案與需求，統一接入物聯網平臺主要需要具備以下能力：

- 邊緣側各類工控協議的對接，邊緣資料處理以及與資料中心平臺實時對接上報資料；
- 平臺側多種物聯網裝置與各類物聯網協議統一接入，並且提供對接第三方資料平臺能力；
- 平臺高可靠海量資料匯聚，低時延低實時資料處理與北向大資料平臺對接能力；

青島研博在評估考察了各類基礎軟體能力後，選擇了採用 EMQ 的雲邊整體資料接入產品作為研博平臺的資料底座。具體實施方案如下：

### 廠站資料採集

廠站透過部署支援標準 Linux 的工業閘道器硬體配合安裝 EMQ 邊緣工業協議閘道器軟體 [Neuron](https://www.emqx.com/zh/products/neuron) ，將閘道器接入廠站的生產網路中，然後透過配置 Neuron 以及現場 PLC 和 SCADA 系統通訊獲取資料。

為了符合水務運營部門對廠站資料上報格式的統一化要求，在邊緣側的工業閘道器中安裝 EMQ 提供的輕量級流資料處理引擎 [eKuiper](https://ekuiper.org/zh)，在廠站本地將資料格式轉換為標準的上行報文格式。

eKuiper 規則配置參考：

[![eKuiper 規則配置](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/60e387cc53992a6a.png?x-oss-process=style/bb "eKuiper 規則配置")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "eKuiper 規則配置")

[![規則資料模版](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/6709e78117926039.png?x-oss-process=style/bb "規則資料模版")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "規則資料模版")

最終廠站資料包文將以 JSON 格式呈現：

```css
{
    "time": 1629963922278,
    "topic": "Up/NABSPAP/79120285/61404601/Sensor",
    "deviceTag": "61404601",
    "productKey": "79120285",
    "groupId": "NABSPAP",
    "deviceId": "123456789012345678",
    "Data": [
        { 
            "Value": "92",
            "Name": "FLOW",
            "Error_Number": 0
        },
        {
            "Value": "92",
            "Name": "ZLJFLOW",
            "Error_Number": 0
        }
    ],
    "channelId": "0",
    "protocol": "MQTT"
}
```

廠站內網透過運營商專網服務對接上級單位生產網。邊緣閘道器透過 [MQTT 協議](https://www.emqx.com/zh/mqtt)將標準化的廠站資料包文實時發給到生產網中 [EMQX](https://www.emqx.com/zh/products/emqx) 的 [MQTT 叢集](https://www.emqx.com/zh/blog/tag/mqtt-broker-叢集)服務中。在生產網與辦公網之間，透過 EMQX 叢集橋接方式穿越防火牆進行資料實時橋接，最終將實時資料寫到辦公網中的 EMQX 叢集中。

[![廠站資料採集架構圖](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/14ad22bf3f87b0ae.png?x-oss-process=style/bb "廠站資料採集架構圖")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "廠站資料採集架構圖")

### 水錶資料採集

通常水錶資料採集包括大表與戶表兩大類，新型的大表與戶表採用可以 MQTT 協議直接對接統一資料平臺。 表計上報的 MQTT Payload 透過水務運營管理部門的統一規劃的上行報文規範進行資料傳輸。戶表上傳週期每天一次、大表半小時上傳一次。

每個戶表資料包含：

| 資料型別       | 別名（Name） | 單位      | 資料型別 |
| -------------- | ------------ | --------- | -------- |
| 瞬時流量       | FLOW         | 0.001m³/h | String   |
| 正累積流量     | ZLJFLOW      | m³        | String   |
| 負累積流量     | FLJFLOW      | m³        | String   |
| 水溫           | TEMP         | ℃         | String   |
| 壓力           | PRESS        | KPa       | String   |
| 金額           | MONEY        | 元        | String   |
| 累積執行時間   | WKHOUR       | h         | String   |
| 結算日期       | DATE         | 年-月-日  | String   |
| 結算日累積流量 | DAYFLOW      | m³        | String   |
| 實際時間       | TIMESTAMP    | 時間戳    | String   |

每個大表資料包含：

| 資料型別   | 別名（Name） | 單位      | 資料型別 |
| ---------- | ------------ | --------- | -------- |
| 瞬時流量   | FLOW         | 0.001m³/h | String   |
| 正累積流量 | ZLJFLOW      | m³        | String   |
| 負累積流量 | FLJFLOW      | m³        | String   |
| 壓力       | PRESS        | KPa       | String   |

現有表計主要為直連裝置 NB 水錶與 M-Bus 水錶以及採集閘道器，對接方式有以下三種方案：

- 水錶與採集閘道器符合水務運營主體制定的統一接入規範直接上傳

由營銷系統透過配表操作，向物聯網統一接入系統推送新增或更換表具資訊。物聯網統一接入系統按統一接入規範進行對接；

- NB 水錶透過運營商平臺上傳資料

由營銷系統透過配表操作，向物聯網統一接入系統推送新增或更換表具資訊。 物聯網統一接入系統按照運營商上行協議，進行資料對接，但運營商平臺傳送資料型別需符合統一接入規範；

- 透過自定義上行協議與系統對接

現實業務中存在某些國際品牌，如西門子，只能透過廠家自定義上行協議與系統對接的裝置。由營銷系統透過配表操作，向物聯網統一接入系統推送新增或更換表具資訊，物聯網統一接入系統按照廠家自定義上行協議進行對接。

[![物聯網統一接入平臺](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/891c6ec02c11cfd5.png?x-oss-process=style/bb "物聯網統一接入平臺")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "物聯網統一接入平臺")

作為較大的市級水務系統，表計大約在幾十萬臺左右，結合廠站資料以及其他型別裝置，需要系統可以支援百萬裝置併發連線能力。EMQX 作為高效能物聯網訊息中介軟體，在平臺接入層提供了海量資料統一匯聚能力。由於水務平臺系統的業務關鍵性，需要採用 EMQX 多節點叢集滿足了系統高可用需要，避免接入層的單點故障。

EMQX 內建提供了 MQTT 協議接入、NB 裝置常用的 CoAP/LwM2M 協議接入、運營商 HTTP RestAPI 接入資料接入。同時，EMQX 針對企業私有協議提供了協議擴充套件能力，青島研博透過自研開發 EMQX 私有協議外掛，實現了一套平臺全協議棧統一接入。

### 平臺資料處理與北向資料對接

透過對水務廠站與水錶資料的統一接入，可以將裝置資料匯聚到集團 EMQX 叢集中。在裝置資料對接北向大資料平臺前，可以按要求在 EMQX 中對原始資料進行清洗與整理，使資料規範化。

由於每種裝置協議的不同採集的資料格式也是千差萬別，為了方便後續對資料的有效使用，需要對資料統一構建資料模型。基於 EMQX 內建的高效能實時規則引擎，資料被篩選後形成預處理資料，將資料的各個維度（時間、空間、業務）等進行標準化處理，構建統一裝置資料模型。有了統一的資料模型以後，可以更好的支撐後續的資料計算和大資料分析。裝置統一規範參考結構如下：

[![裝置統一規範](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/3a338961efa2ba08.png?x-oss-process=style/bb "裝置統一規範")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "裝置統一規範")

透過 EMQX 規則引擎的處理後的資料，一方面對接大資料平臺的大資料服務（如 Kafka 服務），另一方面資料儲存到本地的時序資料庫中，實現了對資料的實時分流。以下為 EMQX 規則引擎配置：

[![EMQX 規則引擎配置](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/1a72341292bbeec2.png?x-oss-process=style/bb "EMQX 規則引擎配置")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "EMQX 規則引擎配置")

[![EMQX 規則引擎配置](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/50bf6ada5e34ffe6.png?x-oss-process=style/bb "EMQX 規則引擎配置")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "EMQX 規則引擎配置")

### 效能測試

為了確保統一接入系統效能，我們對產品進行了模擬效能測試。測試模擬 10 萬臺裝置連線雙節點 EMQX 到 Kafka 和 TDengine，模擬每臺裝置間隔一分鐘發兩條資料，主要關注平均響應時間不高於 100 毫秒，吞吐量不低於 1000TPS，響應成功率不低於百分之 99.999%。

測試報告如下：

[![效能測試報告1](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/bbd4be3ee4f963cb.png?x-oss-process=style/bb "效能測試報告1")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "效能測試報告1")

[![效能測試報告2](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/8e42814c023324e2.png?x-oss-process=style/bb "效能測試報告2")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "效能測試報告2")

[![效能測試報告3](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/2f925a24cf815014.png?x-oss-process=style/bb "效能測試報告3")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "效能測試報告3")g)

## 專案成果與未來展望

到本文截稿日，本方案已經在各地區實際專案中接入各類大小水廠數十個，採集點超過 300000 點，表計裝置超過 50000 個。青島研博打造的統一接入系統，為應用層實現了對水錶各類裝置的統一裝置管理、智慧配置等平臺能力。同時，每月為上層大資料平臺提供超過 1TB 的高質量實時資料。

[![智慧水務物聯網管理平臺](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/346d5ac1c0bd579d.png?x-oss-process=style/bb "智慧水務物聯網管理平臺")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "智慧水務物聯網管理平臺")

青島研博基於自身在資料視覺化方面多年積累，結合統一接入平臺實時資料，實現了對水務系統各個網點和廠站的實時資料大屏展示、分割槽資料自定義展示能力，為水務運營主體的業務精細化管理與快速業務決策提供有力支撐。

[![智慧水務物聯網管理平臺1](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/0f91813c38f27d5a.png?x-oss-process=style/bb "智慧水務物聯網管理平臺1")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "智慧水務物聯網管理平臺1")

[![智慧水務物聯網管理平臺2](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/06/27/05a3d506862eb6b5.png?x-oss-process=style/bb "智慧水務物聯網管理平臺2")](https://www.emqx.com/zh/blog/emq-helps-qingdao-yanbo-build-a-smart-water-platform "智慧水務物聯網管理平臺2")

除了提供產品，青島研博在物聯網統一接入系統專案實施過程中，透過對每個廠站詳細調研以及基於工業物聯網技術架構實現的廠站資料實時採集架構改造，針對存在的問題編制了廠站建設改造指導方案，為新廠站及現有廠站自動化改造提供建設規範，從根本上解決了水廠資料無法統一匯聚的問題。

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>
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