信息物理系統(tǒng)(CPS)在供水管網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)中的應(yīng)用初探

張 智， 尹學(xué)銳， 朱多林

(1.天津華新水務(wù)有限公司，天津300453；2.天津三博水科技有限公司，天津300100；3.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安710061)

近年來，傳感器、智能設(shè)備、執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用，為城市供水管網(wǎng)中數(shù)據(jù)收集和應(yīng)用搭建了信息化平臺，也為提高水質(zhì)保障、降低產(chǎn)銷差提供了可能性。但是由于供水系統(tǒng)的多變性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)的基于信息和通信技術(shù)(ICT)的管理平臺并不能實(shí)現(xiàn)對供水管網(wǎng)現(xiàn)狀的動態(tài)監(jiān)控和管理[1]。針對這一問題，提出了一種能夠?qū)⒂?jì)算、通信、感知和驅(qū)動與物理系統(tǒng)結(jié)合，并通過與環(huán)境 (含人) 進(jìn)行不同程度的交互，以實(shí)現(xiàn)有時間要求的功能的信息物理系統(tǒng)(cyber-physical systems，CPS)。

1 信息物理系統(tǒng)

1.1 信息物理系統(tǒng)概念

信息物理系統(tǒng)是一個綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C(computation、communication、control)技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)[2]。

CPS自提出以來就受到廣泛關(guān)注，尤其在制造業(yè)領(lǐng)域，發(fā)展CPS已經(jīng)成為美國、德國等發(fā)達(dá)國家實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，搶占制造業(yè)新一輪競爭制高點(diǎn)的重要舉措[3]。在國內(nèi)，CPS作為支撐兩化深度融合的一套綜合技術(shù)體系，技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣發(fā)展迅速[4]。為加強(qiáng)對CPS這一概念的理解，《信息物理系統(tǒng)白皮書 (2017)》總結(jié)了一些國內(nèi)外專家學(xué)者的觀點(diǎn)和認(rèn)識[5]，見表1。

表1 各國機(jī)構(gòu)及專家對 CPS 的認(rèn)識

續(xù)表1 (Continue)

1.2 CPS技術(shù)架構(gòu)

按照層次性的不同，CPS可劃分為單元級、系統(tǒng)級、SoS級，其技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CPS的技術(shù)架構(gòu)

1.2.1單元級

單元級是具備可感知、可計(jì)算、可交互、可延展、自決策功能的CPS最小單元，一個智能部件、一個工業(yè)機(jī)器人或一個智能機(jī)床都可能是一個CPS最小單元。

1.2.2系統(tǒng)級

系統(tǒng)級是在單元級的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)組件之間的互通，并實(shí)現(xiàn)各組件的實(shí)時、動態(tài)信息控制，實(shí)現(xiàn)信息空間和物理空間的統(tǒng)一，同時對集成的計(jì)算、感知和控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

1.2.3SoS級

SoS級能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，挖掘其潛在價值，從而提供更強(qiáng)大的決策、洞察和優(yōu)化能力。

1.3 技術(shù)體系

針對不同層次的技術(shù)架構(gòu)和技術(shù)需求，將其分為總體技術(shù)、支撐技術(shù)和核心技術(shù)三類，如圖2所示。

圖2 CPS技術(shù)體系

可將上述體系進(jìn)一步歸納總結(jié)為四大核心技術(shù)要素，即“一硬、一軟、一網(wǎng)和一平臺”[6]。

其中“一硬”包括傳感器、智能感知和自動控制技術(shù)，如圖3所示。

圖3 多層循環(huán)控制

“一軟”指嵌入式軟件技術(shù)，包括NMD技術(shù)、CAX/MES/ERP軟件技術(shù)等。

“一網(wǎng)”包括現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、無線技術(shù)、SDN，如圖4所示。

圖4 CPS網(wǎng)狀互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

“一平臺”包括邊緣計(jì)算、霧計(jì)算、大數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 CPS平臺構(gòu)建計(jì)算技術(shù)

2 CPS在供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

2.1 供水管網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)

傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)主要由水源、水廠、輸水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)和用戶端組成。將供水管網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)分為9個主要組成部分[7]，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 供水管網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)框架研究

用于自動監(jiān)管供水管網(wǎng)的CPS會從傳感設(shè)備中產(chǎn)生大量異構(gòu)數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致錯誤的決策和報告，需要以有效的方式進(jìn)行分析和處理。一種以人為中心的CPS框架架構(gòu)，在智能化決策之后加入人為的決策分析，能提高整個系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定性。如圖7所示，它由相互連接的六層組成。

圖7 管網(wǎng)監(jiān)管物理信息系統(tǒng)的工作流程

2.2.1感知層

該層包括管道流量、壓力以及水質(zhì)的傳感器。這些傳感器分為靜態(tài)傳感器和動態(tài)傳感器。其中，靜態(tài)傳感器包括管道周圍環(huán)境溫度檢測傳感器以及閥門、水泵工作狀態(tài)傳感器等，動態(tài)傳感器包括管道內(nèi)部狀態(tài)持續(xù)檢測系統(tǒng)和節(jié)點(diǎn)地理位置檢測系統(tǒng)。傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)先在節(jié)點(diǎn)層級進(jìn)行簡化處理，再傳輸?shù)綄ｉT的數(shù)據(jù)處理器。

2.2.2處理層

在從傳感器獲取部分簡單簡化處理的數(shù)據(jù)后，處理層將實(shí)時執(zhí)行廣泛的數(shù)據(jù)處理，還可以存儲數(shù)據(jù)以供歷史參考。

2.2.3模型層

將處理層處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥Ｐ蛯?，在這個功能層上建立水力模型，包括壓力控制模型、漏失檢測模型和水量、水質(zhì)預(yù)測模型等。

2.2.4智能決策層

將模型計(jì)算結(jié)果傳輸給智能決策層后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的人工智能算法做出決策。這些決策是由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練模型得到的，使得以后的決策更加科學(xué)、合理。

2.2.5人工決策層

信息網(wǎng)絡(luò)的智能決策不立即傳遞到執(zhí)行層，會先將結(jié)果傳輸?shù)饺斯Q策層，通過相關(guān)人員做進(jìn)一步的評估和分析，這也是該框架最重要的部分。這種加入人為反饋以及負(fù)責(zé)手動維護(hù)系統(tǒng)的人類代理，使得框架決策以人為中心。如果人類認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳遞的是一個假警報，可能會否決該決策。人類決策的結(jié)果還會被系統(tǒng)記錄和監(jiān)控，并應(yīng)用于學(xué)習(xí)模型來訓(xùn)練整個智能決策系統(tǒng)。

2.2.6執(zhí)行層

執(zhí)行器包括能手動控制或自動控制的閥門和水泵等，用于控制管網(wǎng)的壓力、流量和優(yōu)化管網(wǎng)漏損，并將執(zhí)行結(jié)果傳遞給智能和人工決策層。

2.3 應(yīng)用研究

CPS應(yīng)用最廣泛的兩個模塊包括水質(zhì)監(jiān)管和漏損管理。

2.3.1水質(zhì)檢測系統(tǒng)

Chang等[8]提出了一種利用先進(jìn)的遙感和傳感器技術(shù)獲取大量數(shù)據(jù)，以捕獲管網(wǎng)沿線水質(zhì)參數(shù)的變化的監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備了網(wǎng)絡(luò)接口，建立了水質(zhì)污染預(yù)警平臺。雖然該系統(tǒng)仍處于初始階段，但部署了大量先進(jìn)的遙感技術(shù)用于實(shí)時測量，其實(shí)用成本是一個主要問題。Lambrou等[9]建立了一種低成本的水質(zhì)參數(shù)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用傳感器陣列來獲取與濁度、氧化還原電位、溫度、pH、電導(dǎo)率和管道內(nèi)流量相關(guān)的數(shù)據(jù)，還能通過ZigBee模塊提供傳感器讀數(shù)與處理中心的通信。Bhardwaj等[10]提出一種利用多傳感器陣列來實(shí)時測量供水管網(wǎng)中水質(zhì)參數(shù)的方法，該傳感框架能夠獲取與pH、溶解氧濃度、氧化還原電位、電導(dǎo)率和溫度等相關(guān)的數(shù)據(jù)并在系統(tǒng)中集成了一個軟件的計(jì)算框架(使用Python和模糊邏輯)，用于建模運(yùn)算和優(yōu)化決策。Wang等[11]設(shè)計(jì)了一種能夠檢測并預(yù)測水質(zhì)污染情況的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由水質(zhì)檢測傳感器、水力模型和能源收集平臺組成，其框架結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 CPS水質(zhì)檢測系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

在該系統(tǒng)中，水質(zhì)傳感器可以實(shí)時檢測管網(wǎng)水質(zhì)污染情況，并將水質(zhì)水力模型與傳感器的實(shí)時測量結(jié)果相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水污染情況的預(yù)測。預(yù)測模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和傳感器的實(shí)時測量數(shù)據(jù)將傳輸?shù)經(jīng)Q策模塊，這就能夠?qū)崿F(xiàn)在區(qū)域污染擴(kuò)散前做出相應(yīng)的決策，避免大范圍的污染。一般情況下，能通過關(guān)閉與受污染管道連接的特定節(jié)點(diǎn)處的閥門或關(guān)閉整個DMA分區(qū)入口的閥門來阻止污染的擴(kuò)散。系統(tǒng)還設(shè)置了能源收集系統(tǒng)，以減少傳感器的能耗。

2.3.2漏失監(jiān)測系統(tǒng)

Nasir等[12]提出了一種基于RFID的管道泄露檢測架構(gòu)，利用一個實(shí)驗(yàn)室中的小管網(wǎng)系統(tǒng)驗(yàn)證了其適用性，但該系統(tǒng)在實(shí)際供水系統(tǒng)中的可行性還需考究，因?yàn)榇蠖鄶?shù)供水管道都埋于地下，而RFID系統(tǒng)在地下環(huán)境中的信號強(qiáng)度較差。Lang[13]等提出了一種多分支管道泄漏定位的CPS框架，通過在管網(wǎng)系統(tǒng)中布置傳感器來獲取與管道內(nèi)部壓力、流量和溫度有關(guān)的數(shù)據(jù)，并利用Wi-Fi、ZigBee和3G通信技術(shù)建立傳感器網(wǎng)絡(luò)和基站之間的通信。由于管道內(nèi)部壓力變化頻繁且不平穩(wěn)，在數(shù)據(jù)處理的過程中，采用了一種小波數(shù)據(jù)包對壓力信號進(jìn)行分解和分析，來實(shí)現(xiàn)漏失的定位。他們在MATLAB和Flowmaster軟件環(huán)境中對該框架進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)漏失的檢測和定位。然而，該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果也尚未得到驗(yàn)證，但該系統(tǒng)的一些計(jì)算方法和工具已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中被用于分析平穩(wěn)性差的壓力波信號。

3 面臨的問題和未來發(fā)展分析

3.1 存在的問題和挑戰(zhàn)

3.1.1系統(tǒng)的魯棒性和適用性

部署CPS來監(jiān)控供水系統(tǒng)的主要問題之一是傳感裝置的魯棒性。在應(yīng)用于實(shí)際供水管網(wǎng)中時，傳感器長期暴露在惡劣的溫度和環(huán)境下，對設(shè)備的耐久性是一個挑戰(zhàn)。在多數(shù)情況下，當(dāng)傳感器位于水下或地下時容易出現(xiàn)問題。例如，在基于地面穿透雷達(dá)(GPR)探測技術(shù)的地下管道泄漏監(jiān)測中，這種系統(tǒng)受管道周圍土壤類型的影響極大。因?yàn)镚PR傳感技術(shù)是一種利用電磁波的傳播和散射來跟蹤物理現(xiàn)象的技術(shù)，在粘土環(huán)境中時，鐵管的腐蝕產(chǎn)物會增加射頻信號的衰減程度從而降低了反饋效率。

3.1.2系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本

城市供水系統(tǒng)是大型基礎(chǔ)設(shè)施，用于對系統(tǒng)進(jìn)行自主監(jiān)控的CPS會由數(shù)千個節(jié)點(diǎn)和設(shè)備(如傳感器和執(zhí)行器)組成，導(dǎo)致基礎(chǔ)配置非常復(fù)雜?，F(xiàn)代供水管網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)檢測、漏損檢測和定位、壓力檢測和管理、需求預(yù)測等功能，就需部署大量傳感器，這就增加了整個系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且提高了整個供水系統(tǒng)的電能消耗。

3.1.3數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)

CPS傳感設(shè)備通過無線通信技術(shù)進(jìn)行通信，以增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，但由于無線傳輸技術(shù)的特性，增大了安全風(fēng)險，很容易受各種外部入侵。外部入侵會直接干擾CPS的物理組件，例如攻擊傳感和控制元件導(dǎo)致供水系統(tǒng)異常。常見的攻擊包括竊聽、拒絕服務(wù)(DOS)攻擊、中間人攻擊、干擾攻擊(例如空中干擾)、共振攻擊、虛假數(shù)據(jù)注入(FDI)和數(shù)據(jù)包修改等。這些外部入侵能夠篡改控制邏輯、竊取傳輸數(shù)據(jù)，對供水系統(tǒng)和用戶的安全造成巨大的威脅。

3.2 改進(jìn)和發(fā)展

通過大量傳感器來感知供水管網(wǎng)的實(shí)際情況，將實(shí)際的物理狀態(tài)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式是CPS的主要特點(diǎn)，但大量傳感器的安裝、能耗和成本以及數(shù)據(jù)的安全性也是該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用時的主要缺點(diǎn)[14]。為此，需采用一些先進(jìn)的技術(shù)和手段，有針對性地優(yōu)化解決這些問題。

在傳感器能耗問題上，由于傳感器主要功耗在于通信功能，因此，可以利用一些優(yōu)化算法，如路由協(xié)議算法、博弈論法和傳感器數(shù)據(jù)聚合算法等來確定最佳傳輸路徑，達(dá)到降低功耗的目的；在傳感器魯棒性和穩(wěn)定性問題上，可以利用一些功能性較強(qiáng)的新型傳感器，如穿透性很強(qiáng)的毫米波傳感器，實(shí)現(xiàn)在地下和水下環(huán)境中的精確和多維數(shù)據(jù)傳感。隨著計(jì)算速度和解碼算法的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)和隱私保護(hù)是當(dāng)今智能監(jiān)管系統(tǒng)的難題之一，需要在以后的研究和應(yīng)用中不斷改進(jìn)和發(fā)展。

4 結(jié)論

盡管大量類似CPS的利用傳感器進(jìn)行實(shí)時感知的管網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，但對這種系統(tǒng)尚無明確的定義和完整的認(rèn)知。通過探討該系統(tǒng)在供水管網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，分析其在實(shí)際應(yīng)用中面臨的問題和挑戰(zhàn)，以及所面臨問題的解決思路與未來的研究和發(fā)展方向，有助于為供水管網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種新的方向和思路。