区域多地热井集群多参数监测云端监管平台架构设计与分级权限管理研究

摘要

随着各地地热供暖项目规模化落地，单一区域往往分布数十乃至上百口中深层地热井及配套换热站，分散式独立监测系统数据孤立、无法实现区域地热资源统筹管控。为实现辖区地热井集群一体化数字化监管，本文采用微服务架构搭建区域地热多参数云端监管平台，平台包含设备接入服务、时序数据存储服务、智能预警、报表台账服务、运维工单服务、权限管理六大微服务模块，可同时接入上百口地热井的流量、水位、井筒温度、换热站温湿度、热泵运行时长、水泵能耗、通信状态全维度监测数据；平台采用多级精细化权限管理体系，区分省级监管部门、市级自然资源主管部门、区县监管专员、地热运营企业、站内运维人员五级权限，不同层级人员拥有差异化的数据查看、告警处置、工单审批权限，兼顾区域统筹监管、属地精细化管控与企业运维自主管理需求。以华北某地级市地热集群（78口地热井、32座换热站）开展平台为期两年落地应用，平台运行稳定，可实现区域地热集群全局态势可视化、异常告警分级推送、运维工单闭环处置、各类监管台账自动生成；分级权限体系权责清晰，杜绝越权查看涉密地热数据、越权处置告警工单问题，满足政府监管合规性与企业运维便捷性双重需求。本文阐述平台整体微服务架构、各微服务功能设计、分级权限逻辑、平台安全防护方案，为区域性地热集群全域监管平台标准化建设提供完整架构方案。

关键词：地热集群；云端监管平台；微服务架构；时序大数据；分级权限；运维工单闭环

1 引言

在地热资源开发规模化发展背景下，地级市、县域范围内往往形成地热井集群，分散式独立监测系统存在明显短板：各个地热井监测数据单独存储在各个井口终端，监管人员需要逐个登录设备后台查看数据，无法直观掌握整片地热储层集群的整体开采态势；各个站点异常告警独立推送，监管部门无法统筹研判区域群体性风险（如整片地热区块水位同步下降、大面积设备能耗飙升等区域性问题）；缺乏标准化运维工单流转体系，设备故障告警后，运维处置进度无法线上跟踪，隐患整改是否闭环难以核验；同时不同层级监管部门、运营企业、运维人员权责不同，需要精细化的权限隔离，区县监管专员只能管辖本区县地热站点，不能跨区县查看其他区域地热涉密监测数据，企业只能查看自有地热井数据，不能获取区域其他竞争对手地热井运行数据。

传统单体式监管软件架构性能差，接入地热井数量增多后容易出现系统卡顿、数据查询缓慢、系统崩溃等问题，无法适配地热集群规模化接入需求；老式平台权限设置粗糙，仅分为管理员和普通用户两级，无法满足多级行政监管体系权责划分要求。因此，采用可横向扩容的微服务架构搭建云端监管平台，配套五级精细化分级权限体系、工单闭环运维体系，成为区域地热集群数字化监管的必然选择。

本文基于云服务器部署微服务架构平台，将平台功能拆分为相互独立、可单独扩容的六大微服务模块，实现海量地热时序监测数据存储、全局态势可视化、智能分级预警、线上运维工单流转；设计五级角色权限矩阵，从数据访问、告警处置、工单审批、台账导出四个维度划分权限，搭配账号登录安全防护机制，保障平台数据权责清晰、安全合规。

2 平台整体微服务架构设计

平台部署在云端服务器，采用前后端分离+后端微服务架构，后端拆分六大独立微服务模块，模块之间通过内部接口通信，单个模块故障不会造成整个平台瘫痪，可根据地热井接入数量对存储、接入模块单独扩容，扩展性强。

2.1 设备接入微服务

作为所有地热井口、换热站监测终端的统一接入网关，兼容前文所述多制式4G/NB-IoT/有线以太网通信协议，适配不同厂家监测终端通信报文协议，完成终端设备注册、通信报文解析、终端在线状态监测、终端远程参数下发（修改采集频次、调整告警阈值等远程配置）功能。接入服务具备协议适配插件化能力，后续新增其他品牌监测设备时，仅需开发对应协议插件即可完成接入，平台主体架构无需改动。

2.2 时序大数据存储微服务

针对地热流量、水位、温度、能耗高频时序监测数据，采用时序数据库进行存储，相比传统关系型数据库，时序数据库对海量带时间戳的连续监测数据读写速度提升数十倍，支持多年历史监测曲线秒级查询。存储模块自动完成冷热数据分层：近三个月实时热数据高速存储，超过三个月的历史冷数据归档压缩存储，平衡查询速度与云端存储硬件成本。

2.3 智能预警微服务

对接存储服务的实时监测数据，内置流量超限、采灌失衡、水位沉降风险、井筒温度异常、设备高能耗故障、站内环境异常等多类型预警算法，按照告警严重程度划分为一般预警、重要告警、紧急高危告警三级，根据权限体系将告警消息推送给对应层级监管人员、企业运维负责人。预警支持自定义阈值配置，不同地热井可根据储层特性单独设置专属告警阈值。

2.4 报表台账微服务

按照自然资源局、税务局、发改部门不同报表格式需求，自动生成地热开采月度流量台账、水资源税核算报表、区域能耗双控报表、地热井设备运维年报、储层水位年度变化分析报告等标准化报表，支持Excel、PDF格式一键导出，直接用于行政上报、审计核查工作，替代传统人工整理台账的繁琐工作。

2.5 运维工单闭环微服务

当预警发出告警后，平台自动生成运维工单，派发给对应企业运维人员；运维人员现场处置完成后，在平台上传处置前后监测数据对比照片、处置说明；属地监管专员线上审核工单，确认隐患消除后审批办结工单；若超时未处置告警工单，工单自动升级推送至上级监管部门督办，形成“告警生成-工单派发-运维处置-线上审核-办结归档"全流程闭环工单体系。

2.6 分级权限与安全微服务

平台核心权限管理模块，维护五级角色权限矩阵，同时完成账号密码加密存储、登录IP白名单、异地登录短信验证、账号操作日志全记录等平台安全防护功能，所有人员在平台内的数据查看、工单审批、参数修改操作都会留存不可篡改操作日志，便于后期审计溯源。

3 五级分级权限管理体系设计

平台设置五级固定角色，权责明确，权限向下兼容、向上不可越级：

1. 省级监管管理员：拥有辖区内所有地热井全量数据查看、全局阈值配置、所有工单终审权限，统筹全省地热集群宏观管控；

2. 市级监管部门管理员：管理本市所有区县地热站点，可下发市级运维整改督办文件，审核区县上报的地热各类台账报表，不能跨市查看其他地市数据；

3. 区县监管专员：仅管辖本区县范围内地热井与换热站，处置本区县高危告警工单，审核辖区运维工单办结情况，导出本区县监管台账；

4. 地热运营企业管理员：仅可查看本企业名下所有地热井监测数据、接收企业专属告警工单、发起运维处置工单，无法查看区域内其他企业地热井任何数据；

5. 站点运维人员：仅负责单个换热站、地热井的工单执行，只能查看所辖站点实时监测数据，无阈值修改、工单审批、台账导出权限。

权限微服务采用“角色+站点绑定"模式，人员账号绑定所属角色与管辖站点集合，系统强制隔离非管辖站点的数据访问请求，从程序底层杜绝越权访问。平台记录每一条账号操作日志，包含操作人、操作时间、操作内容、登录IP，日志不可删除篡改，满足行政审计要求。

4 地级市地热集群平台落地应用效果

华北某地级市78口中深层地热井、32座换热站整体接入本微服务监管平台，连续两年平台稳定运行。平台全局态势大屏可直观展示全市地热井在线状态、总开采水量、总回灌水量、区域平均水位变化、整体能耗总量，监管部门宏观掌握区域地热储层整体运行态势；平台全年生成各类运维工单500余条，全部完成线上闭环审核办结，隐患整改超时工单自动升级督办，大幅提升了区域地热故障处置效率；平台每月自动导出水资源税、能耗双控标准化报表，节约监管人员整理台账80%以上的人工时间。五级权限体系运行权责清晰，未出现越权访问数据、违规审批工单问题，平台操作日志顺利通过自然资源部门年度审计，平台整体扩展性良好，后续新增地热井仅需在平台注册设备即可快速接入，无需改动平台架构。

5 平台优化拓展方向

第一，平台增加多参数融合风险研判子模块，整合流量、水位、温度多维度数据构建区域地层沉降综合风险模型，实现区域性地质灾害提前预判；第二，对接气象平台、国土地质灾害平台，实现气象寒潮、地质地层应力数据联动预警；第三，增加移动端小程序平台，监管人员、运维人员通过手机即可查看数据、接收告警、处置工单，摆脱电脑端限制。

6 结论

基于微服务架构的区域地热集群云端监管平台，通过六大独立微服务模块实现了海量地热多参数时序监测数据接入存储、全局态势可视化、智能分级预警、标准化台账自动生成、运维工单线上闭环全流程管理，微服务架构具备强的稳定性与横向扩容能力，能够适配区域地热井集群不断新增扩容的发展需求。配套五级精细化分级权限管理体系，严格划分省、市、区县监管部门、运营企业、一线运维人员的权责边界，从程序底层实现站点数据隔离、操作行为留痕审计，既满足了政府多层级行政统筹监管、属地精细化隐患督办、行政台账上报的监管需求，又保障了地热运营企业自有站点运维工单处置的便捷性。经过地级市地热集群两年规模化落地验证，平台架构成熟稳定、功能贴合地热监管业务流程、权限体系合规严谨，为全国各省市区域性地热井集群全域数字化监管平台建设提供了可复制、标准化的完整架构方案，是地热资源集群化、长效化、规范化开发的数字化基础设施。

地源热泵、浅层地源热泵监测系统全分类关键词

一、基础研究对象（地源热泵体系）

热泵系统类型

土壤源地埋管地源热泵、闭式地埋管热泵、地下水式水源热泵、水平埋管换热系统、竖直埋管换热系统、冷暖联供一体化热泵、商用综合体热泵系统、住宅小区浅层地热项目、超低能耗/零碳建筑配套热泵、存量老旧地源热泵改造项目、多能耦合复合热泵（光伏+地源/空气源+地源）

地层与热源核心概念

浅层地层（0~200m）、变温带（0~24m）、深部恒温增温层（＞24m）、岩土热物性、土壤导热系数、地下含水层渗流、黏土隔水夹层、黄土裂隙地层、上海软土富水地层、华北平原粉质黏土、土壤原始基准地温场、土壤冷热堆积、热失衡、冷堆积、热短路、地层温度单向偏移、岩土热承载力、年均地层温升/温降、地下水矿化度、地热循环介质

系统老化失效诱因

土壤热失衡诱发机组衰减、热泵压缩机老化磨损、板式换热器结垢堵塞、循环水泵扬程衰减、管路钙镁硅垢淤堵、PE埋管渗漏、管路气堵、砂堵、微生物结晶垢堵、冷热负荷差值超标、无常态化地温监测、全年连续满负荷运行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地层沉降道路开裂

二、京/沪/津/陕四省市浅层地热监测地方标准关键词

标准编号全称

DB11/T 1956-2022《地热动态监测规范》、DB11/T2412《地埋管地源热泵监测系统建设技术规范》、DG/TJ08-2324上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、DB12/T 608-2015天津《浅层地热能地质环境监测技术规程》、DB61/T 1193-2018陕西《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》、NB/T10278-2019国家浅层地热监测规范

四大标准统一强制共性条款

三类监测孔标准化布设（换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔）、厚度＞6m土层单独分层布设测点、测温传感器精度±0.2℃、监测孔回填介质与换热孔一致、井口配套检修井室、24小时不间断自动采集、本地+云端双备份存储、监测影像/时序数据作为竣工验收法定档案、Modbus-RTU标准通讯协议、年度地热监测报告强制归档、监测孔距换热区边缘≥10m

各地差异化标准专属关键词

北京地标：变温带2m加密测点、深部地层10m等间距布设、冷热平衡量化计算、地层温度时序曲线、数据直连市级地热监管平台、大面积埋管群全域热扰动评估、北方供暖季地层降温动态预警、管道插入式流量/水温双监测

上海地标：24m梯度分层测点（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、可插拔模块化多点测温探头、±0.1℃高精度数字传感强制要求、多层软土渗流耦合监测、市级统一地热大数据平台联网、浑浊地下水定向补光测温设备、信用惩戒数字化监管

天津地标：冷暖建筑面积分级配置监测孔（3000㎡/10000㎡面积阈值）、DN40 PE/镀锌测温保护管标准化、管内注水导热工艺、中小型商用热泵简化监测配置、野外分体式便携绞车、施工管材标准化图集

陕西地标：黄土裂隙地层防渗封堵工艺、高低温地层分层保护、浅层/中深层地热联合监测、黄土高原地层温升长期观测、监测孔多层防渗密封结构、区域采灌均衡管控、黄土塌陷隐患地层温度预警、地质环境年度核查配套监测资料

上海地标四代测温元件迭代划分

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃、易信号干扰）、第二代PT1000单点模拟探头、第三代数字多点分布式测温、第四代可插拔模块化多点测温元件（大型示范项目标配）

三、浅层地源热泵监测系统整机（北京鸿鸥成运HO系列）

成套监测主机系统

浅层地温远程监测系统、地源热泵一体化监测控制柜、多参数综合采集平台、野外低功耗NB-IoT无线RTU终端、屏幕式工业触控采集主机、浅层地热标准化监测成套设备、分布式光纤DTS测温系统

细分硬件配件

PT1000高精度温度传感器、±0.1℃/±0.2℃分层测温探头、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、316L/钛合金防腐测温保护管、DN40镀锌/PE监测测井管、防腐耐磨铠装测井线缆、±1cm高精度深度编码器、自动排线电动排线绞车、井下耐磨扶正器、野外太阳能光伏供电套件、大容量锂电池低功耗模块、管道插入式流量计、内嵌式超声水表（水资源税计量）、分层多点测温电缆、孔口密封保护组件、自动除雾加热镜头模块

配套专用分析软件

HO系列浅层地热监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、土壤热平衡自动测算模块、AI冷热失衡智能预警系统、多期地层温度叠加对比工具、标准化工程验收报告导出工具、多参数联动分析平台、支持二次开发对接地方地热监管大数据、离线单机数据分析软件

四、监测系统全流程应用功能关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度连续采集、变温带温度波动长期跟踪、深部恒温地层基准测温、原始背景地层温度对比、冷热堆积厚度量化测算、年均地层温升/温降统计、岩土热承载力评估、土壤热平衡分级判定（轻度/中度/重度失衡）

土壤热失衡智能预警调控

冷热负荷差值量化分析、地层单向温度偏移阈值自动报警、热短路空洞识别、提前预判机组能效衰减、辅助间歇轮换运行调控、多能源耦合补热/散热方案数据支撑、年度地层温度演化趋势建档

工程施工与竣工验收配套

监测孔成井施工质量核验、分层测温点位深度校准、监测孔回填工艺核验、新建地源热泵竣工资料编制、存量老旧热泵改造复测、节能建筑/超低能耗建筑评审、地热取水许可年度核查、水资源税计量数据归档

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、热泵机组用电能耗同步采集、埋管进出水温一体化采集、地下水水位动态监测、取灌水量同步计量、回灌失衡渗漏通道辅助勘察、光伏-地源热泵多能耦合全域监测、水质pH/电导率在线监测

环保、自然资源合规长效归档

浅层地热资源年度普查、矿山地质环境年度核查、CCER碳减排自动核算、地下水污染风险管控、不可篡改时序数据长期存储、政府地热监管平台实时联网、闭坑/复垦地质环境评估资料、浅层地热开发全生命周期数字档案

五、监测系统技术性能参数关键词

分层测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、钛合金耐酸碱高温防腐结构、500~3000米长线缆数字无损传输、无画面/数据衰减、360°云台同步定向补光、5级亮度可调光源、0.05mm级细微裂隙清晰识别、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能三供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、深度定位精度±1cm、本地SD卡循环存储、断网数据缓存、单口1000m监测孔30分钟完成全段扫描、Modbus-RTU标准化通讯协议、数据采集间隔10min/30min/24h分级设置

六、热平衡修复、老旧热泵提质改造配套关键词

间歇轮换运行调控、分区分时换热管控、错峰负荷调节、太阳能辅助补热/散热、空气源辅助散热、跨季节岩土储热BTES、管路物理清洗（高压脉冲/机械刮管/气举反循环）、化学酸洗缓蚀除垢、新增换热钻孔扩容、地层水力压裂改造、循环水泵变频节能改造、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、管路内衬防腐修复、存量热泵加装监测系统、PLC自控系统智能化升级、浅层地热一体化监测改造

七、工程落地使用单位、行业价值关键词

地热开发运维企业、热力公司、地质勘察设计院、自然资源局地热监管科室、第三方环境检测机构、高校岩土实验室、零碳园区建设单位、乡村供暖改造项目、浅层地热资源普查单位

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、削减勘察钻探工期成本、提前规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵稳定运行寿命、降低建筑冷暖能耗、国产化设备替代进口、同等性能采购成本降低40%、24小时全国驻场应急售后、年度免费传感器校准防腐维护、成套一体化多参数监测解决方案、智慧地热数字化管控、双碳目标能耗量化支撑、符合京沪津陕地方地热监测规范、满足自然资源厅年度评审归档要求