區(qū)域多地熱井集群多參數(shù)監(jiān)測云端監(jiān)管平臺架構設計與分級權限管理研究

摘要

隨著各地地熱供暖項目規(guī)?；涞兀瑔我粎^(qū)域往往分布數(shù)十乃至上百口中深層地熱井及配套換熱站，分散式獨立監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)孤立、無法實現(xiàn)區(qū)域地熱資源統(tǒng)籌管控。為實現(xiàn)轄區(qū)地熱井集群一體化數(shù)字化監(jiān)管，本文采用微服務架構搭建區(qū)域地熱多參數(shù)云端監(jiān)管平臺，平臺包含設備接入服務、時序數(shù)據(jù)存儲服務、智能預警、報表臺賬服務、運維工單服務、權限管理六大微服務模塊，可同時接入上百口地熱井的流量、水位、井筒溫度、換熱站溫濕度、熱泵運行時長、水泵能耗、通信狀態(tài)全維度監(jiān)測數(shù)據(jù)；平臺采用多級精細化權限管理體系，區(qū)分省級監(jiān)管部門、市級自然資源主管部門、區(qū)縣監(jiān)管專員、地熱運營企業(yè)、站內運維人員五級權限，不同層級人員擁有差異化的數(shù)據(jù)查看、告警處置、工單審批權限，兼顧區(qū)域統(tǒng)籌監(jiān)管、屬地精細化管控與企業(yè)運維自主管理需求。以華北某地級市地熱集群（78口地熱井、32座換熱站）開展平臺為期兩年落地應用，平臺運行穩(wěn)定，可實現(xiàn)區(qū)域地熱集群全局態(tài)勢可視化、異常告警分級推送、運維工單閉環(huán)處置、各類監(jiān)管臺賬自動生成；分級權限體系權責清晰，杜絕越權查看涉密地熱數(shù)據(jù)、越權處置告警工單問題，滿足政府監(jiān)管合規(guī)性與企業(yè)運維便捷性雙重需求。本文闡述平臺整體微服務架構、各微服務功能設計、分級權限邏輯、平臺安全防護方案，為區(qū)域性地熱集群全域監(jiān)管平臺標準化建設提供完整架構方案。

關鍵詞：地熱集群；云端監(jiān)管平臺；微服務架構；時序大數(shù)據(jù)；分級權限；運維工單閉環(huán)

1 引言

在地熱資源開發(fā)規(guī)模化發(fā)展背景下，地級市、縣域范圍內往往形成地熱井集群，分散式獨立監(jiān)測系統(tǒng)存在明顯短板：各個地熱井監(jiān)測數(shù)據(jù)單獨存儲在各個井口終端，監(jiān)管人員需要逐個登錄設備后臺查看數(shù)據(jù)，無法直觀掌握整片地熱儲層集群的整體開采態(tài)勢；各個站點異常告警獨立推送，監(jiān)管部門無法統(tǒng)籌研判區(qū)域群體性風險（如整片地熱區(qū)塊水位同步下降、大面積設備能耗飆升等區(qū)域性問題）；缺乏標準化運維工單流轉體系，設備故障告警后，運維處置進度無法線上跟蹤，隱患整改是否閉環(huán)難以核驗；同時不同層級監(jiān)管部門、運營企業(yè)、運維人員權責不同，需要精細化的權限隔離，區(qū)縣監(jiān)管專員只能管轄本區(qū)縣地熱站點，不能跨區(qū)縣查看其他區(qū)域地熱涉密監(jiān)測數(shù)據(jù)，企業(yè)只能查看自有地熱井數(shù)據(jù)，不能獲取區(qū)域其他競爭對手地熱井運行數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)單體式監(jiān)管軟件架構性能差，接入地熱井數(shù)量增多后容易出現(xiàn)系統(tǒng)卡頓、數(shù)據(jù)查詢緩慢、系統(tǒng)崩潰等問題，無法適配地熱集群規(guī)?；尤胄枨?；老式平臺權限設置粗糙，僅分為管理員和普通用戶兩級，無法滿足多級行政監(jiān)管體系權責劃分要求。因此，采用可橫向擴容的微服務架構搭建云端監(jiān)管平臺，配套五級精細化分級權限體系、工單閉環(huán)運維體系，成為區(qū)域地熱集群數(shù)字化監(jiān)管的必然選擇。

本文基于云服務器部署微服務架構平臺，將平臺功能拆分為相互獨立、可單獨擴容的六大微服務模塊，實現(xiàn)海量地熱時序監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、全局態(tài)勢可視化、智能分級預警、線上運維工單流轉；設計五級角色權限矩陣，從數(shù)據(jù)訪問、告警處置、工單審批、臺賬導出四個維度劃分權限，搭配賬號登錄安全防護機制，保障平臺數(shù)據(jù)權責清晰、安全合規(guī)。

2 平臺整體微服務架構設計

平臺部署在云端服務器，采用前后端分離+后端微服務架構，后端拆分六大獨立微服務模塊，模塊之間通過內部接口通信，單個模塊故障不會造成整個平臺癱瘓，可根據(jù)地熱井接入數(shù)量對存儲、接入模塊單獨擴容，擴展性強。

2.1 設備接入微服務

作為所有地熱井口、換熱站監(jiān)測終端的統(tǒng)一接入網關，兼容前文所述多制式4G/NB-IoT/有線以太網通信協(xié)議，適配不同廠家監(jiān)測終端通信報文協(xié)議，完成終端設備注冊、通信報文解析、終端在線狀態(tài)監(jiān)測、終端遠程參數(shù)下發(fā)（修改采集頻次、調整告警閾值等遠程配置）功能。接入服務具備協(xié)議適配插件化能力，后續(xù)新增其他品牌監(jiān)測設備時，僅需開發(fā)對應協(xié)議插件即可完成接入，平臺主體架構無需改動。

2.2 時序大數(shù)據(jù)存儲微服務

針對地熱流量、水位、溫度、能耗高頻時序監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用時序數(shù)據(jù)庫進行存儲，相比傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫，時序數(shù)據(jù)庫對海量帶時間戳的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)讀寫速度提升數(shù)十倍，支持多年歷史監(jiān)測曲線秒級查詢。存儲模塊自動完成冷熱數(shù)據(jù)分層：近三個月實時熱數(shù)據(jù)高速存儲，超過三個月的歷史冷數(shù)據(jù)歸檔壓縮存儲，平衡查詢速度與云端存儲硬件成本。

2.3 智能預警微服務

對接存儲服務的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，內置流量超限、采灌失衡、水位沉降風險、井筒溫度異常、設備高能耗故障、站內環(huán)境異常等多類型預警算法，按照告警嚴重程度劃分為一般預警、重要告警、緊急高危告警三級，根據(jù)權限體系將告警消息推送給對應層級監(jiān)管人員、企業(yè)運維負責人。預警支持自定義閾值配置，不同地熱井可根據(jù)儲層特性單獨設置專屬告警閾值。

2.4 報表臺賬微服務

按照自然資源局、稅務局、發(fā)改部門不同報表格式需求，自動生成地熱開采月度流量臺賬、水資源稅核算報表、區(qū)域能耗雙控報表、地熱井設備運維年報、儲層水位年度變化分析報告等標準化報表，支持Excel、PDF格式一鍵導出，直接用于行政上報、審計核查工作，替代傳統(tǒng)人工整理臺賬的繁瑣工作。

2.5 運維工單閉環(huán)微服務

當預警發(fā)出告警后，平臺自動生成運維工單，派發(fā)給對應企業(yè)運維人員；運維人員現(xiàn)場處置完成后，在平臺上傳處置前后監(jiān)測數(shù)據(jù)對比照片、處置說明；屬地監(jiān)管專員線上審核工單，確認隱患消除后審批辦結工單；若超時未處置告警工單，工單自動升級推送至上級監(jiān)管部門督辦，形成“告警生成-工單派發(fā)-運維處置-線上審核-辦結歸檔"全流程閉環(huán)工單體系。

2.6 分級權限與安全微服務

平臺核心權限管理模塊，維護五級角色權限矩陣，同時完成賬號密碼加密存儲、登錄IP白名單、異地登錄短信驗證、賬號操作日志全記錄等平臺安全防護功能，所有人員在平臺內的數(shù)據(jù)查看、工單審批、參數(shù)修改操作都會留存不可篡改操作日志，便于后期審計溯源。

3 五級分級權限管理體系設計

平臺設置五級固定角色，權責明確，權限向下兼容、向上不可越級：

1. 省級監(jiān)管管理員：擁有轄區(qū)內所有地熱井全量數(shù)據(jù)查看、全局閾值配置、所有工單終審權限，統(tǒng)籌全省地熱集群宏觀管控；

2. 市級監(jiān)管部門管理員：管理本市所有區(qū)縣地熱站點，可下發(fā)市級運維整改督辦文件，審核區(qū)縣上報的地熱各類臺賬報表，不能跨市查看其他地市數(shù)據(jù)；

3. 區(qū)縣監(jiān)管專員：僅管轄本區(qū)縣范圍內地熱井與換熱站，處置本區(qū)縣高危告警工單，審核轄區(qū)運維工單辦結情況，導出本區(qū)縣監(jiān)管臺賬；

4. 地熱運營企業(yè)管理員：僅可查看本企業(yè)名下所有地熱井監(jiān)測數(shù)據(jù)、接收企業(yè)專屬告警工單、發(fā)起運維處置工單，無法查看區(qū)域內其他企業(yè)地熱井任何數(shù)據(jù)；

5. 站點運維人員：僅負責單個換熱站、地熱井的工單執(zhí)行，只能查看所轄站點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，無閾值修改、工單審批、臺賬導出權限。

權限微服務采用“角色+站點綁定"模式，人員賬號綁定所屬角色與管轄站點集合，系統(tǒng)強制隔離非管轄站點的數(shù)據(jù)訪問請求，從程序底層杜絕越權訪問。平臺記錄每一條賬號操作日志，包含操作人、操作時間、操作內容、登錄IP，日志不可刪除篡改，滿足行政審計要求。

4 地級市地熱集群平臺落地應用效果

華北某地級市78口中深層地熱井、32座換熱站整體接入本微服務監(jiān)管平臺，連續(xù)兩年平臺穩(wěn)定運行。平臺全局態(tài)勢大屏可直觀展示全市地熱井在線狀態(tài)、總開采水量、總回灌水量、區(qū)域平均水位變化、整體能耗總量，監(jiān)管部門宏觀掌握區(qū)域地熱儲層整體運行態(tài)勢；平臺全年生成各類運維工單500余條，全部完成線上閉環(huán)審核辦結，隱患整改超時工單自動升級督辦，大幅提升了區(qū)域地熱故障處置效率；平臺每月自動導出水資源稅、能耗雙控標準化報表，節(jié)約監(jiān)管人員整理臺賬80%以上的人工時間。五級權限體系運行權責清晰，未出現(xiàn)越權訪問數(shù)據(jù)、違規(guī)審批工單問題，平臺操作日志順利通過自然資源部門年度審計，平臺整體擴展性良好，后續(xù)新增地熱井僅需在平臺注冊設備即可快速接入，無需改動平臺架構。

5 平臺優(yōu)化拓展方向

第一，平臺增加多參數(shù)融合風險研判子模塊，整合流量、水位、溫度多維度數(shù)據(jù)構建區(qū)域地層沉降綜合風險模型，實現(xiàn)區(qū)域性地質災害提前預判；第二，對接氣象平臺、國土地質災害平臺，實現(xiàn)氣象寒潮、地質地層應力數(shù)據(jù)聯(lián)動預警；第三，增加移動端小程序平臺，監(jiān)管人員、運維人員通過手機即可查看數(shù)據(jù)、接收告警、處置工單，擺脫電腦端限制。

6 結論

基于微服務架構的區(qū)域地熱集群云端監(jiān)管平臺，通過六大獨立微服務模塊實現(xiàn)了海量地熱多參數(shù)時序監(jiān)測數(shù)據(jù)接入存儲、全局態(tài)勢可視化、智能分級預警、標準化臺賬自動生成、運維工單線上閉環(huán)全流程管理，微服務架構具備強的穩(wěn)定性與橫向擴容能力，能夠適配區(qū)域地熱井集群不斷新增擴容的發(fā)展需求。配套五級精細化分級權限管理體系，嚴格劃分省、市、區(qū)縣監(jiān)管部門、運營企業(yè)、一線運維人員的權責邊界，從程序底層實現(xiàn)站點數(shù)據(jù)隔離、操作行為留痕審計，既滿足了政府多層級行政統(tǒng)籌監(jiān)管、屬地精細化隱患督辦、行政臺賬上報的監(jiān)管需求，又保障了地熱運營企業(yè)自有站點運維工單處置的便捷性。經過地級市地熱集群兩年規(guī)?；涞仳炞C，平臺架構成熟穩(wěn)定、功能貼合地熱監(jiān)管業(yè)務流程、權限體系合規(guī)嚴謹，為全國各省市區(qū)域性地熱井集群全域數(shù)字化監(jiān)管平臺建設提供了可復制、標準化的完整架構方案，是地熱資源集群化、長效化、規(guī)范化開發(fā)的數(shù)字化基礎設施。

地源熱泵、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統(tǒng)類型

土壤源地埋管地源熱泵、閉式地埋管熱泵、地下水式水源熱泵、水平埋管換熱系統(tǒng)、豎直埋管換熱系統(tǒng)、冷暖聯(lián)供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統(tǒng)、住宅小區(qū)淺層地熱項目、超低能耗/零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項目、多能耦合復合熱泵（光伏+地源/空氣源+地源）

地層與熱源核心概念

淺層地層（0~200m）、變溫帶（0~24m）、深部恒溫增溫層（＞24m）、巖土熱物性、土壤導熱系數(shù)、地下含水層滲流、黏土隔水夾層、黃土裂隙地層、上海軟土富水地層、華北平原粉質黏土、土壤原始基準地溫場、土壤冷熱堆積、熱失衡、冷堆積、熱短路、地層溫度單向偏移、巖土熱承載力、年均地層溫升/溫降、地下水礦化度、地熱循環(huán)介質

系統(tǒng)老化失效誘因

土壤熱失衡誘發(fā)機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結垢堵塞、循環(huán)水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結晶垢堵、冷熱負荷差值超標、無常態(tài)化地溫監(jiān)測、全年連續(xù)滿負荷運行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地熱監(jiān)測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態(tài)監(jiān)測規(guī)范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)建設技術規(guī)范》、DG/TJ08-2324上?！稖\層地熱能開發(fā)利用監(jiān)測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發(fā)利用地質環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監(jiān)測規(guī)范

四大標準統(tǒng)一強制共性條款

三類監(jiān)測孔標準化布設（換熱監(jiān)測孔、換熱影響監(jiān)測孔、常溫背景監(jiān)測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監(jiān)測孔回填介質與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時不間斷自動采集、本地+云端雙備份存儲、監(jiān)測影像/時序數(shù)據(jù)作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協(xié)議、年度地熱監(jiān)測報告強制歸檔、監(jiān)測孔距換熱區(qū)邊緣≥10m

各地差異化標準專屬關鍵詞

北京地標：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數(shù)據(jù)直連市級地熱監(jiān)管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態(tài)預警、管道插入式流量/水溫雙監(jiān)測

上海地標：24m梯度分層測點（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點測溫探頭、±0.1℃高精度數(shù)字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監(jiān)測、市級統(tǒng)一地熱大數(shù)據(jù)平臺聯(lián)網、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數(shù)字化監(jiān)管

天津地標：冷暖建筑面積分級配置監(jiān)測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標準化、管內注水導熱工藝、中小型商用熱泵簡化監(jiān)測配置、野外分體式便攜絞車、施工管材標準化圖集

陜西地標：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地熱聯(lián)合監(jiān)測、黃土高原地層溫升長期觀測、監(jiān)測孔多層防滲密封結構、區(qū)域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環(huán)境年度核查配套監(jiān)測資料

上海地標四代測溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點模擬、精度±0.5℃、易信號干擾）、第二代PT1000單點模擬探頭、第三代數(shù)字多點分布式測溫、第四代可插拔模塊化多點測溫元件（大型示范項目標配）

三、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監(jiān)測主機系統(tǒng)

淺層地溫遠程監(jiān)測系統(tǒng)、地源熱泵一體化監(jiān)測控制柜、多參數(shù)綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業(yè)觸控采集主機、淺層地熱標準化監(jiān)測成套設備、分布式光纖DTS測溫系統(tǒng)

細分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測溫探頭、可插拔模塊化多點測溫元件、φ42細徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監(jiān)測測井管、防腐耐磨鎧裝測井線纜、±1cm高精度深度編碼器、自動排線電動排線絞車、井下耐磨扶正器、野外太陽能光伏供電套件、大容量鋰電池低功耗模塊、管道插入式流量計、內嵌式超聲水表（水資源稅計量）、分層多點測溫電纜、孔口密封保護組件、自動除霧加熱鏡頭模塊

配套專用分析軟件

HO系列淺層地熱監(jiān)測分析軟件、地層溫度時序存儲系統(tǒng)、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預警系統(tǒng)、多期地層溫度疊加對比工具、標準化工程驗收報告導出工具、多參數(shù)聯(lián)動分析平臺、支持二次開發(fā)對接地方地熱監(jiān)管大數(shù)據(jù)、離線單機數(shù)據(jù)分析軟件

四、監(jiān)測系統(tǒng)全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態(tài)化監(jiān)測

分層地層溫度連續(xù)采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準測溫、原始背景地層溫度對比、冷熱堆積厚度量化測算、年均地層溫升/溫降統(tǒng)計、巖土熱承載力評估、土壤熱平衡分級判定（輕度/中度/重度失衡）

土壤熱失衡智能預警調控

冷熱負荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動報警、熱短路空洞識別、提前預判機組能效衰減、輔助間歇輪換運行調控、多能源耦合補熱/散熱方案數(shù)據(jù)支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監(jiān)測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監(jiān)測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復測、節(jié)能建筑/超低能耗建筑評審、地熱取水許可年度核查、水資源稅計量數(shù)據(jù)歸檔

多參數(shù)耦合聯(lián)動監(jiān)測

分層地溫采集、循環(huán)管路流量監(jiān)測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態(tài)監(jiān)測、取灌水量同步計量、回灌失衡滲漏通道輔助勘察、光伏-地源熱泵多能耦合全域監(jiān)測、水質pH/電導率在線監(jiān)測

環(huán)保、自然資源合規(guī)長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環(huán)境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數(shù)據(jù)長期存儲、政府地熱監(jiān)管平臺實時聯(lián)網、閉坑/復墾地質環(huán)境評估資料、淺層地熱開發(fā)全生命周期數(shù)字檔案

五、監(jiān)測系統(tǒng)技術性能參數(shù)關鍵詞

分層測點布設間距2m/10m、測溫精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、鈦合金耐酸堿高溫防腐結構、500~3000米長線纜數(shù)字無損傳輸、無畫面/數(shù)據(jù)衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調光源、0.05mm級細微裂隙清晰識別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽能三供電模式、全天候自動定時采集、NB-IoT低功耗無線傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環(huán)存儲、斷網數(shù)據(jù)緩存、單口1000m監(jiān)測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)采集間隔10min/30min/24h分級設置

六、熱平衡修復、老舊熱泵提質改造配套關鍵詞

間歇輪換運行調控、分區(qū)分時換熱管控、錯峰負荷調節(jié)、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節(jié)巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環(huán)）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環(huán)水泵變頻節(jié)能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內襯防腐修復、存量熱泵加裝監(jiān)測系統(tǒng)、PLC自控系統(tǒng)智能化升級、淺層地熱一體化監(jiān)測改造

七、工程落地使用單位、行業(yè)價值關鍵詞

地熱開發(fā)運維企業(yè)、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監(jiān)管科室、第三方環(huán)境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區(qū)建設單位、鄉(xiāng)村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監(jiān)測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規(guī)避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩(wěn)定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產化設備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應急售后、年度免費傳感器校準防腐維護、成套一體化多參數(shù)監(jiān)測解決方案、智慧地熱數(shù)字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監(jiān)測規(guī)范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求