市政给水管线的智能控制器及市政给水管线运行监控系统的制作方法

本发明涉及到市政给水管线智慧供水和智能控制领域，特别是一种智能控制器及使用该智能控制器构建的市政给水管线运行监控系统。

背景技术：

随着新型城镇化建设的快速发展，市政给水管线分布日益错综复杂，现有的集中式市政给水管线监控系统普遍采用分级集成的系统架构，经常出现系统组态配置困难、升级改造困难、且中央依赖度高，稳定性相对较低；在出现漏损、爆管险情时，往往定位不够准确及时，不仅带来了较大损失，而且浪费了大量宝贵的水资源；这种传统的控制过程不仅不能实现节能节水降耗的目的，而且加大了供水企业的运营成本，社会效益低下，不能满足日益复杂多变的城市供水需要。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种能够实现节能节水降耗的目的，降低供水企业的运营成本的智能控制器及使用该智能控制器构建的基于自组织分布式网络的市政给水管线运行监控与处置智能化系统。

一种市政给水管线的智能控制器，包括电源输出单元、通信接口单元、参数采集单元、数据格式转换单元、微处理器单元、窄带物联网通信单元、阀门电动执行单元；

电源输出单元分别与各单元连接，为各单元供电；

所述通信接口单元与微处理器单元连接，同时与管线系统中相邻节点智能控制器中的通信接口单元网络互连；所述通信接口单元接收所述相邻节点智能控制器管数据并传递给本地智能控制器，同时也将本地数据传递给相邻节点智能控制器；

所述参数采集单元分别与数据格式转换单元、微处理器单元连接；所述参数采集单元实时采集包括水压力、水流量、水流速、水质管线参数，并通过所述数据格式转换单元将各参数信号传递给所述微处理器单元；

所述数据格式转换单元与微处理器单元连接；所述数据格式转换单元接收所述参数采集单元传递的管线参数，并将各参数数据格式统一转换为所述微处理器能够自主识别的模式，同时发送所述微处理器单元指令至所述参数采集单元；

所述微处理器单元通过所述通信接口单元与相邻智能控制器节点组网，同时对所述参数采集单元采集的参数实时分析与处理，并依据所述参数建立数据驱动的增量式给水管线动力与漏损分析模型，发送指令至所述数据格式转换单元、通信接口单元、窄带物联网单元、阀门电动执行单元；

所述窄带物联网单元接收所述微处理器单元发送的指令，并通过数据连接实现与用户数据收发交互；

所述阀门电动执行单元接收所述微处理器单元的指令，按需控制电磁阀的启闭动作。

作为优化的方案，所述电源输出单元包括第一电源输出模块、第二电源输出模块；所述第一电源输出模块分别与所述通信接口单元、数据格式转换单元、微处理器单元、窄带物联网通信单元连接，并分别对各单元提供电压；所述第二电源输出模块分别与所述参数采集单元、阀门电动执行单元连接，并提供v电压。

作为优化的方案，所述智能控制器的通信接口单元包括网络数据传输模块、若干个数据接口模块；所述网络数据传输模块分别与所述微处理器的组网感知模块和各数据接口模块连接，所述各数据接口模块分别与所述网络数据传输模块、相邻智能控制器节点的数据接口模块连接。

作为优化的方案，所述参数采集单元包括压力采集模块、流量采集模块、流速采集模块、水质采集模块、压力数据传输模块、流量数据传输模块、流速数据传输模块、水质数据传输模块；所述压力采集模块、流量采集模块、流速采集模块、水质采集模块分别采集给水管线中包括水压力、水流量、水流速、水质参数，并分别通过所述压力数据传输模块、流量数据传输模块、流速数据传输模块、水质数据传输模块将各参数发送到数据格式转换单元。

作为优化的方案，所述数据格式转换单元包括传感数据传输模块、多协议数据转换模块；所述传感数据传输模块与传感数据传输模块连接，并将由多协议数据转换模块统一转换的参数传递到传感数据传输模块。

作为优化的方案，所述微处理器单元包括时钟模块、无线通信传输模块、阀门控制模块、主控模块、数据分析与处理模块、组网感知模块、传感数据传输模块、数据存储模块,所述主控模块与微处理器单元的各模块分别一一连接，所述数据分析与处理模块接收所述数据存储模块传递的参数，并依据所述参数建立数据驱动的增量式给水管线动力与漏损分析模型；所述组网感知模块与所述网络数据传输模块连接，所述组网感知模块与相关相邻节点智能控制器连接，进行自组织智能化组网；所述传感数据传输模块与数据格式转换单元连接；所述数据存储模块还与所述传感数据传输模块连接，所述阀门控制模块与阀门电动执行单元连接。

作为优化的方案，所述组网感知模块依据节点任务调度要求，与相关相邻节点智能控制器连接，运行gossip算法，进行自组织智能化组网，实现节点间的数据周期更新以及智能化处理。

作为优化的方案，所述微处理器单元还包括事件预警模块，所述事件预警模块根据系统任务响应机制将系统任务分为周期性和非周期任务，其中周期性任务按照预定调度时间表进行组网调度，非周期任务按优先级抢占系统调度时间片，当供水管线运行发生突发状况时，事件预警模块将根据任务优先级高低次序进行预警处理，并发送故障详情至主控模块，同时将预警内容和时间记录至所述数据存储模块。

作为优化的方案，所述时钟模块采用含有i²c总线接口的工业级时钟芯片pcf8563，所述主控模块采用cortex-a57系列芯片。

作为优化的方案，所述阀门电动执行单元包括指令接收模块、电动阀门驱动模块；所述指令接收模块与所述微处理器单元、电动阀门驱动模块连接，所述电动阀门驱动模块根据指令接收模块发出的指令内容对电磁阀按不同需求实施相应的操作。

作为优化的方案，所述窄带物联网通信单元包括无线通信传输模块、与用户无线通信功能模块，所述窄带物联网通信单元的无线通信传输模块分别与所述微处理单元的无线通信传输模块、用户无线通信功能模块连接；所述与用户无线通信功能模块通过数据连接实现与用户数据收发交互。

本发明还提供了一种采用上述任一方案所述的市政给水管线的智能控制器构建的市政给水管线运行监控系统，该系统由若干个智能控制器节点组建,每个节点的智能控制器均采用所述智能控制器的结构，每个节点之间进行网络互连，在整个区域系统中，当某个智能控制器节点发起调整任务时，自网络中每一个智能控制器接收到任务指令后，都会调取本地数据存储模块中属于该任务的数据表，并将本地数据与相邻智能控制器传递来的数据求和后再传递给下一个相邻智能控制器，如此计算、传递，最终发起任务的智能控制器将得到整个管线系统的相关信息，同时依据数据详情建立给水管线动力与漏损分析模型，动态分析给水管线系统中各构成部分的运行功能，实现管线漏损分析、水质安全分析、运行安全风险评估与预警，对管线常规与突发事故实现处理和控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的基于自组织分布式网络的市政给水管线运行监控与处置智能化系统对市政给水管线进行自组织分布式网络控制，具备易操作、易改造、易扩展的能力；特别是系统中的智能控制器节点；在整个系统网络中，每个智能控制器都具有等同的计算能力和计算地位，同时操作系统分布在每一个智能控制器上，任何一个智能控制器都可以发起任务并将运算结果发送到用户终端。系统中智能控制器之间没有主从或功能分工；同时智能控制器能够实现即插即用，可以简便灵活的加入或退出网络，提高了系统的控制效率和鲁棒性，实现了节点任务自主调节。所述智能控制器连接形成的自组织分布式网络取代传统集中式系统中的中央上位机，重点解决管线系统中相关设备相互连接、协调的问题，而系统中节点局部或本地管线控制问题，仍由本地智能控制器完成；在整个管线系统中，当遇到终端发起或智能控制器自检故障发起调整任务，自组织分布式网络中相关智能控制器接收到任务指令后，都会调取本地数据存储模块中属于该任务的数据表，并将本地数据与相邻智能控制器传递来的数据求和后再传递给下一个相邻智能控制器，如此计算、传递，最终发起任务的智能控制器将得到与之相关的管线信息，同时依据数据详情建立基于数据驱动的增量式给水管线动力与漏损分析模型，动态分析给水管线系统中各构成部分的运行功能，实现管线漏损分析、水质安全分析、运行安全风险评估与预警，对管线常规与突发事故实现处理和控制；所述智能控制器可实现即插即用，控制性能稳定，具有可扩展，控制效率高的特点。

与传统传感器-数据库-人机界面监测系统相比，基于自组织分布式网络的市政给水管线运行监控与处置智能化系统采用的是并行网络计算的基本模式，这种模式支持管线系统运行中的各类监测、控制、分析和管理问题，能稳定、高效的求解这些问题。实现了系统中节点信息共享；避免了传统的集中式架构下系统的组网困难，组织协调能力低下，和缺少灵活等问题。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例提供的基于自组织分布式网络的市政给水管线运行监控与处置智能化系统智能控制器节点组成示意图。

图2为本发明的实施例提供的基于自组织分布式网络的市政给水管线运行监控与处置智能化系统区域节点组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种基于自组织分布式网络的市政给水管线运行监控与处置智能化系统，其用于市政给水管线系统运行监控与智能处置，如图1所示，所述智能控制器包括电源输出单元1、通信接口单元2、参数采集单元、数据格式转换单元4、微处理器单元5、窄带物联网通信单元6、阀门电动执行单元7；

电源输出单元1分别与通信接口单元2、参数采集单元3、数据格式转换单元4、微处理器单元5、窄带物联网通信单元6、阀门电动执行单元7连接，并为各模块供电；

所述通信接口单元2分别与所述电源输出单元1、微处理器单元5连接，同时与管线系统中相邻节点智能控制器中的通信接口单元网络互连，并运行gossip算法，形成gossip自组织分布式通信网络，实现本地和相邻节点数据的同步更新，所述通信接口单元2接收所述相邻节点智能控制器管数据并传递给本地智能控制器，同时也将本地数据传递给相邻节点智能控制器；

所述参数采集单元3分别与所述电源输出单元1、数据格式转换单元4、微处理器单元5连接；所述参数采集单元3实时采集包括水压力、水流量、水流速、水质等管线参数，并通过所述数据格式转换单元4将各参数信号传递给所述微处理器单元5；

所述数据格式转换单元4分别与所述电源输出单元1、微处理器单元5连接；所述数据格式转换单元4接收所述参数采集单元3传递的管线参数，并将各参数数据格式统一转换为所述微处理器5能够自主识别的模式，同时发送所述微处理器单元5指令至所述参数采集单元3；

所述微处理器单元5分别与所述电源输出单元1、通信接口单元2、数据格式转换单元4、窄带物联网单元6、阀门电动执行单元7连接；所述微处理器单元5通过所述通信接口2与相邻智能控制器节点感知组网，同时可以对所述参数采集单元3采集的参数实时分析与处理，并依据所述参数建立给水管线动力与漏损分析模型，对突发事故进行预警处理，发送指令至所述数据格式转换单元4、通信接口单元、窄带物联网单元6、阀门电动执行单元7；

所述窄带物联网单元6分别与所述电源输出单元1、微处理器单元5连接；所述窄带物联网单元6可以接收所述微处理器单元5发送的指令，并通过蜂窝数据连接实现与用户数据收发交互；

所述阀门电动执行单元7分别与所述电源输出单元1、微处理器单元5连接；所述阀门电动执行单元7接收所述微处理器单元5的指令，按需控制电磁阀的启闭动作。

具体的，本实施例中，所述智能控制器的电源输出单元1包括第一电源输出模块11、第二电源输出模块12；所述第一电源输出模块11分别与所述通信接口单元2、数据格式转换单元4、微处理器单元5、窄带物联网通信单元6连接，并分别对各单元提供5v电压；所述第二电源输出模块12分别与所述参数采集单元3、阀门电动执行单元7连接，并提供24v电压；

所述智能控制器的通信接口单元2包括网络数据传输模块21、数据接口模块22、数据接口模块23、数据接口模块24、数据接口模块25；所述网络数据传输模块21分别与所述微处理器5的组网感知模块56和各数据接口模块22、23、24、25连接，并用于实现组网感知模块56与各数据接口模块22、23、24、25进行网络数据传输，所述各数据接口模块22、23、24、25分别与所述网络数据传输模块21、相邻智能控制器节点的数据接口模块连接，用于本地智能控制器与相邻智能控制器节点进行网络数据交互，实现系统的智能组网；

所述智能控制器的参数采集单元3包括压力采集模块31、流量采集模块32、流速采集模块33、水质采集模块34、压力数据传输模块35、流量数据传输模块36、流速数据传输模块37、水质数据传输模块38；所述压力采集模块31、流量采集模块32、流速采集模块33、水质采集模块34分别采集给水管线中包括水压力、水流量、水流速、水质等参数，并分别通过所述压力数据传输模块35、流量数据传输模块36、流速数据传输模块37、水质数据传输模块38将各参数发送到数据格式转换单元4；

所述智能控制器的数据格式转换单元4包括传感数据传输模块41、多协议数据转换模块42；所述传感数据传输模块41与传感数据传输模块57连接，并将由多协议数据转换模块42统一转换的参数传递到传感数据传输模块57；

所述智能控制器的微处理器单元5包括时钟模块51、无线通信传输模块52、事件预警模块53、主控模块54、数据分析与处理模块55、组网感知模块56、传感数据传输模块57、数据存储模块58；所述时钟模块51与所述主控模块54连接，采用含有i2c总线接口的工业级时钟芯片pcf8563,为系统提供定时和授时服务；所述无线通信传输模块52分别与主控模块54和窄带物联网通信单元6连接，用于实现主控模块54与窄带物联网单元6之间的信息传递；所述事件预警模块53与所述主控模块54连接，当供水管线运行发生异常状态时，事件预警模块53对突发事故进行预警处理，发送故障详情至主控模块54，同时将预警内容和时间记录至所述数据存储模块58；所述主控模块54与微处理器单元5的各模块分别一一连接，所述主控模块54采用cortex-a57系列芯片，具有全面的信息处理、和运行计算的能力，并能独立计算完成管线系统中各种控制任务；所述数据分析与处理模块55分别与主控模块54、数据存储模块58连接，所述数据分析与处理模块55接收所述数据存储模块58传递的参数，并依据所述参数建立数据驱动的增量式给水管线动力与漏损分析模型；所述组网感知模块56分别与所述主控模块54、网络数据传输模块21连接，所述组网感知模块56依据节点任务调度要求，与相关相邻节点智能控制器连接，运行gossip算法，进行自组织智能化组网，实现节点间的数据周期更新以及智能化处理；所述传感数据传输模块57分别与所述主控模块54、数据格式转换单元4连接；所述数据存储模块58分别与所述主控模块54、数据分析与处理模块55、传感数据传输模块57连接，所述阀门控制模块59分别与主控模块54、指令接收模块71连接；

其中，所述事件预警模块53根据系统任务响应机制将系统任务分为周期性(如常规系统任务查询、节点数据请求等)和非周期任务(如系统险情报警等)，其中周期性任务按照预定调度时间表进行组网调度，非周期任务按优先级抢占系统调度时间片，确保紧急任务得到及时处理，保证实时性，当供水管线运行发生突发状况时，事件预警模块53将根据任务优先级高低次序进行预警处理，并发送故障详情至主控模块54，同时将预警内容和时间记录至所述数据存储模块58。所述智能控制器的窄带物联网通信单元6包括无线通信传输模块61、与用户无线通信功能模块62，所述无线通信传输模块61分别与所述无线通信传输模块52、用户无线通信功能模块62连接；所述与用户无线通信功能模块62通过蜂窝数据连接实现与用户数据收发交互；

所述智能控制器的阀门电动执行单元7包括指令接收模块71、电动阀门驱动模块72；所述指令接收模块71分别与所述阀门控制模块59、电动阀门驱动模块72连接，所述电动阀门驱动模块72根据指令接收模块71发出的指令内容对电磁阀按不同需求实施相应的操作。

如图2所示，所述基于自组织分布式网络的市政给水管线运行监控与处置智能化系统区域节点组成示意图分别由20个智能控制器节点组建(s1-s20),每个节点的智能控制器均采用上述智能控制器的结构组成，其中每个节点控制器均能运行gossip算法，在整个区域系统中，当某个智能控制器节点发起调整任务时，自组织分布式网络中每一个智能控制器接收到任务指令后，都会调取本地数据存储模块中属于该任务的数据表，并将本地数据与相邻智能控制器传递来的数据求和后再传递给下一个相邻智能控制器，如此计算、传递，最终发起任务的智能控制器将得到整个管线系统的相关信息，同时依据数据详情建立基于数据驱动的增量式给水管线动力与漏损分析模型，动态分析给水管线系统中各构成部分的运行功能，实现管线漏损分析、水质安全分析、运行安全风险评估与预警，对管线常规与突发事故实现处理和控制。

例如，当sn发起管线系统漏损报警任务时，sn节点将依据非周期任务调度规则，优先获取调度时间片，运行gossip算法选择与其连接的相邻节点sm通信，共同对漏损节点管段进行定位与实时处置。同时将本地查询数据依据周期任务调度的预定调度时间表推送给sw节点控制器，sw节点更新sm比自己新的数据；如此下去，通过形成的gossip通信网分别与相邻节点进行通信，快速完成数据查询，最终实现系统节点任务收敛。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。