文｜上海隧道工程股份有限公司 劉立慧 王守強(qiáng)/上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司 沈君華/上海水務(wù)建設(shè)工程有限公司 蔣煒

一、智能供水管網(wǎng)監(jiān)管平臺建設(shè)的必要性

習(xí)近平總書記在黨的十九大報告中明確提出了網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)目標(biāo)，2018年中央一號文件明確提出了實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)林業(yè)水利工程，2020年在全國水利工作會上再次強(qiáng)調(diào)了“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”的水利發(fā)展總基調(diào)，要求借助于信息技術(shù)盡快補(bǔ)齊水利行業(yè)管理短板，抓好智慧水務(wù)頂層設(shè)計(jì)，構(gòu)建安全使用、智慧高效的城市水務(wù)信息大系統(tǒng)，以水利數(shù)字化驅(qū)動水利現(xiàn)代化。城市水務(wù)管理要以互聯(lián)網(wǎng)+“智慧水網(wǎng)”建設(shè)為核心，構(gòu)造以水務(wù)信息共享、跨職能業(yè)務(wù)協(xié)同、智能監(jiān)管為核心的智能供水管網(wǎng)。

二、智能供水管網(wǎng)監(jiān)管的現(xiàn)狀及問題分析

目前各大城市供水管網(wǎng)都面臨著一系列的問題：（1）水務(wù)管理部門的SCADA 管理系統(tǒng)與收費(fèi)系統(tǒng)、供水管網(wǎng)健康平臺都是獨(dú)立建設(shè)，數(shù)據(jù)不具備交互分析能力；（2）在終端很多設(shè)備在建設(shè)初期并未安裝傳感監(jiān)測，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，有些泵房中的設(shè)備老舊，數(shù)據(jù)傳輸無法聯(lián)網(wǎng)，需要大量的人力物力進(jìn)行后期檢查保養(yǎng)，不僅增加了運(yùn)維成本，有些故障也無法及時排除，降低了整體的管養(yǎng)效率；（3）缺少從供給側(cè)到需求側(cè)整體的管網(wǎng)智能化監(jiān)測的手段，解決煙囪式的孤島系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)和分析。因此需要為水務(wù)管理部門設(shè)計(jì)一個合理的、科學(xué)的監(jiān)管平臺，以提高供水的可靠性和安全性，利用大數(shù)據(jù)分析算法來降低管理成本，提升城市整體供水效率，為城市可持續(xù)發(fā)展提供有力的保障。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能供水管網(wǎng)平臺的設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目基于目前城市供水管理現(xiàn)狀，從供水源頭到用水終端建立一套實(shí)時監(jiān)測的管網(wǎng)運(yùn)管平臺，通過對各大泵房設(shè)備的實(shí)時監(jiān)控，利用動態(tài)規(guī)劃算法對城市供水狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計(jì)分析，優(yōu)化成本策略，提高供水效率；建立城市供水管網(wǎng)中各大管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中設(shè)施的安全性能評估，得到管網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)城市供水管網(wǎng)的智能化運(yùn)行。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

該系統(tǒng)服務(wù)的對象主要是供水公司和管道運(yùn)維保養(yǎng)單位以及水務(wù)管理部門，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。借助于物聯(lián)網(wǎng)采集技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、人工智能算法技術(shù)等信息技術(shù)主要為以上三家單位提供如下服務(wù)：

（1）水質(zhì)、水量過程監(jiān)督：系統(tǒng)的部署采用B/S 架構(gòu)，通過互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的環(huán)境傳感器和水壓、水位傳感器自動感知，實(shí)現(xiàn)供水公司對水量的實(shí)時監(jiān)測并上傳到智能分析平臺。

（2）管網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警：根據(jù)運(yùn)營過程中采集的參數(shù)，在故障發(fā)生前第一時間捕獲傳感器報警信息，并觸發(fā)報警告知運(yùn)維管道運(yùn)維保養(yǎng)單位，從而有效降低設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行激增的設(shè)備損耗，消除設(shè)備超荷可能會帶來的隱患，降低設(shè)備更新成本，提高設(shè)備保養(yǎng)、使用效率；加強(qiáng)供水管網(wǎng)中每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，減少跑冒滴漏可能會帶來的重大隱患，降低水管爆管的概率。

圖1 智能供水管網(wǎng)監(jiān)管內(nèi)容設(shè)計(jì)

（3）針對分區(qū)、分段的居民用水、行政事業(yè)用水、工業(yè)用水的時段和管網(wǎng)壓力，探索去中心化的自動運(yùn)營和中心化監(jiān)管運(yùn)營情況的模式，提升水務(wù)管理部門對城市供水管網(wǎng)的監(jiān)管能力，保障城市居民安全用水。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺的建設(shè)主要分為大屏展示、產(chǎn)銷差分析、爆管（漏損）事件分析、設(shè)備動態(tài)監(jiān)測、管網(wǎng)水質(zhì)情況預(yù)警，管網(wǎng)安全預(yù)警等功能。主要從三個層面來體現(xiàn)：

（1）建立了城市供水立體感知體系

在現(xiàn)有的SCADA 系統(tǒng)、產(chǎn)銷分析系統(tǒng)等基礎(chǔ)上，利用各種感知設(shè)備完善管網(wǎng)全網(wǎng)檢測-預(yù)警-維修等管理閉環(huán)，為智能監(jiān)管提供全面、質(zhì)量可靠的感知數(shù)據(jù)。

（2）建立了供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)匯集和治理常態(tài)

完成了供水公司、水務(wù)管理部門、管網(wǎng)保養(yǎng)維修單位之間的數(shù)據(jù)匯集和治理，形成輔助城市供水管網(wǎng)決策的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)支撐，形式水務(wù)治理新常態(tài)。

（3）建立了城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系

建立基于整個城市供水管網(wǎng)檢測-運(yùn)維的管理標(biāo)準(zhǔn)，為物聯(lián)網(wǎng)采集的設(shè)備數(shù)據(jù)、水務(wù)數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的規(guī)范和指導(dǎo)，降低區(qū)塊盲目建設(shè)和重復(fù)性建設(shè)，提升了水務(wù)數(shù)據(jù)的分析和共享效率。

四、智能供水管網(wǎng)平臺的實(shí)際應(yīng)用效果

本項(xiàng)目以管網(wǎng)整體運(yùn)維效果為最終目的，利用層次分析法對管網(wǎng)運(yùn)維過程中的風(fēng)險評估建立風(fēng)險預(yù)警模型，并建立四級預(yù)警指標(biāo)，通過對管齡、管材、接口等參數(shù)的分析得出管網(wǎng)存在的漏損、爆管風(fēng)險概率，為管網(wǎng)運(yùn)管單位提供可靠的評估結(jié)果，指導(dǎo)維修部門及時開展檢修，以降低管道爆裂可能帶來的風(fēng)險。通過蟻群算法對水資源和城市用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)，從而得到資源利用的最優(yōu)策略，實(shí)現(xiàn)城市智能供水管網(wǎng)成本控制和節(jié)能功效。

4.1 智能供水管網(wǎng)監(jiān)管大屏

為提高平臺監(jiān)管效率，在首頁以DMA分區(qū)管理的模式來有效控制整個城市供水系統(tǒng)水量，將DMA 分區(qū)將管網(wǎng)劃分為多個小型區(qū)域方便管理，每塊分區(qū)都有區(qū)塊名稱、供水量、售水量、無收益水量、無收益水量占比、壓力、不可避免漏損量、可消減水量占比、ILI 指標(biāo)等關(guān)鍵參數(shù)組成。并提供區(qū)塊分析和水量統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對各區(qū)使用水的情況進(jìn)行分析，以便每月規(guī)劃下月計(jì)劃水量。

圖2 智能供水管網(wǎng)監(jiān)管平臺分層模型

圖3 智能供水管網(wǎng)監(jiān)管大屏

4.2 水量平衡分析

水量平衡分析是通過計(jì)量或估算各類用水量項(xiàng)，量化所有的用水項(xiàng)和漏損量，確定供水水量的結(jié)構(gòu)組成，找出漏損水量的關(guān)鍵癥結(jié)，為確定消減產(chǎn)銷差的干預(yù)措施提供依據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)管理實(shí)際將水費(fèi)分為收益水費(fèi)和無收益水費(fèi)，其中收益水費(fèi)主要來自于水務(wù)管理單位的收費(fèi)計(jì)量用水和未計(jì)量用水，是已繳納水費(fèi)的總和；無收益水費(fèi)來自于產(chǎn)銷差分析水平衡表中的未收費(fèi)的合法用水和漏損用水；根據(jù)用水管理單元劃分區(qū)域查看“用水分布情況”與“無收益用水情況”。該模塊統(tǒng)計(jì)了總供水量、收費(fèi)計(jì)量用水量、收費(fèi)未計(jì)量用水量、未收費(fèi)計(jì)量用水量、未收費(fèi)未計(jì)量用水量、非法用水量、漏損計(jì)量、輸配水管漏水量、支管線漏損水量等。通過直觀的圖形表示水量平衡分析，如圖4水平衡統(tǒng)計(jì)分析。

4.3 供水管網(wǎng)關(guān)鍵指標(biāo)智能監(jiān)管

圖4 水平衡統(tǒng)計(jì)分析

通過取自SCADA 系統(tǒng)實(shí)時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在該平臺上記錄了水廠、管網(wǎng)的運(yùn)行情況，主要對管網(wǎng)的瞬時壓力進(jìn)行閾值判斷并預(yù)警，同時展示該位置的流量、余氯、濁度（余氯一般在0.5-3mg/L，高于或者低于都自動報警；渾濁度一般不高于3 度）。水務(wù)管理部門根據(jù)系統(tǒng)提示的報警數(shù)據(jù)辨識管道清洗和消毒狀態(tài)，告知供水公司關(guān)閉閥門并調(diào)整供水管道的開關(guān)，供水公司和管道保養(yǎng)單位及時檢測管道內(nèi)壁潔凈狀態(tài)。

圖5 供水管網(wǎng)關(guān)鍵指標(biāo)智能監(jiān)管

4.4 安全預(yù)警和事件分析

圖6所示的兩個位置點(diǎn)壓力，其中一處（9.535Mpa/h）已經(jīng)達(dá)到預(yù)警狀態(tài)，另一處尚處于（8.861Mpa/h）安全水平，通過平臺的實(shí)時報警來告知管理人員風(fēng)險點(diǎn)。管理人員隨時可以通過檢索管網(wǎng)測點(diǎn)和水廠測點(diǎn)，查詢當(dāng)前24 小時內(nèi)的變化情況。

基于事件信息的匯總，根據(jù)事件嚴(yán)重程度劃分為一般、中等、嚴(yán)重、重大四個等級，根據(jù)管理層級進(jìn)行事件預(yù)警。根據(jù)管網(wǎng)日常事件劃分為爆管、漏損、井蓋缺失等多個事件類型。通過構(gòu)建風(fēng)險指標(biāo)體系，將管材、管齡、管網(wǎng)業(yè)務(wù)指標(biāo)等數(shù)據(jù)進(jìn)行評級的劃分，利用層次分析法（AHP）進(jìn)行安全綜合風(fēng)險評估，結(jié)合GIS 以熱力圖呈現(xiàn)方式展示。由于爆管的危害性較大，會嚴(yán)重影響工商業(yè)和人們的生活，因此以爆管為例，系統(tǒng)中詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了爆管位置、爆管原因、管道材質(zhì)、埋深、管徑、修復(fù)情況、漏失水量等內(nèi)容，并根據(jù)不同區(qū)域爆管次數(shù)、不同材質(zhì)爆管次數(shù)、不同管徑爆管次數(shù)以及不同管齡爆管次數(shù)等維度形成深度分析圖表，最后匯聚成歷史事件處置知識庫。

圖6 安全閾值預(yù)警和事件分析

圖7 事件預(yù)警統(tǒng)計(jì)分析

五、結(jié)論與建議

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的城市智能供水管網(wǎng)監(jiān)管平臺融合了傳感器自動采集技術(shù)、水質(zhì)檢測技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)精準(zhǔn)預(yù)測管網(wǎng)漏損點(diǎn)，并及時預(yù)警供水設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行情況，通過對居民生活用水、工業(yè)用水、經(jīng)營服務(wù)用水、行政事業(yè)用水、特種行業(yè)用水等五種常用用水類型的分析統(tǒng)計(jì)匯總成每月、每年度產(chǎn)銷差分析，通過集約共享資源，提高了運(yùn)維水平而大大降低了水務(wù)管理部門的運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有資源最優(yōu)化配置，促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用實(shí)效效能最大化；通過跨平臺數(shù)據(jù)的整合，數(shù)據(jù)的分析，優(yōu)化了原有的業(yè)務(wù)流程，提升了供水產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同效率；通過設(shè)備性能分析提高了城市供水管網(wǎng)的安全性，構(gòu)建了健康、科學(xué)的城市智能供水管網(wǎng)監(jiān)管體系。從平臺建設(shè)角度來說，未來還應(yīng)與管理實(shí)際更加緊密結(jié)合，借助物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)采集技術(shù)，優(yōu)化線下數(shù)據(jù)采集，不斷完善城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)則和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為智慧城市的建設(shè)提供輔助性決策數(shù)據(jù)。