王遙

摘要：本文分析了供水管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)的理論構(gòu)建框架，并對(duì)設(shè)施層、感知層、傳輸層、處理層及平臺(tái)層等各層級(jí)應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)通訊、大數(shù)據(jù)分析和模型預(yù)測(cè)等信息化新技術(shù)進(jìn)行闡述，總結(jié)了該系統(tǒng)在供水管網(wǎng)日常運(yùn)維中的應(yīng)用以及能夠解決的實(shí)際問題。旨在對(duì)現(xiàn)階段供水信息化管理領(lǐng)域的新技術(shù)和新理念進(jìn)行探討，為供水管網(wǎng)的高效管理提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智慧水務(wù);供水管網(wǎng);信息化管理體系

引言：

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及通訊技術(shù)在供水系統(tǒng)管理領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了供水行業(yè)“監(jiān)控、調(diào)度、資產(chǎn)、收費(fèi)、客戶關(guān)系”等多維度一體化管理模式。因此，構(gòu)建供水系統(tǒng)信息化管理體系，有助于科學(xué)合理地整合有效資源，提高管理者決策科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)低耗的供水理念，達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。分析了供水管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)的基本框架，闡述了應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、決策應(yīng)用各層級(jí)的信息化管理技術(shù)。探討了信息化管理體系在供水管網(wǎng)漏損監(jiān)測(cè)、優(yōu)化調(diào)度、水質(zhì)保障中的應(yīng)用，提出現(xiàn)階段制約信息化管理應(yīng)用推廣的因素及未來發(fā)展趨勢(shì)。

1供水管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)構(gòu)建

1.1基礎(chǔ)設(shè)施

設(shè)施層由供水管道網(wǎng)絡(luò)以及水泵、閥門等基礎(chǔ)設(shè)施組成，基礎(chǔ)設(shè)施是產(chǎn)生所需數(shù)據(jù)和信息的要素，這些數(shù)據(jù)和信息將被互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的軟件、硬件及設(shè)備進(jìn)行收集、傳輸及處理分析，網(wǎng)絡(luò)儀器也可以通過分析產(chǎn)生新數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，指導(dǎo)物理設(shè)施的運(yùn)行和維護(hù)。為方便管理和信息統(tǒng)計(jì)分析，近年來供水管網(wǎng)分區(qū)的技術(shù)理念應(yīng)運(yùn)而生。區(qū)域計(jì)量分區(qū)是一種應(yīng)用于供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)和控制的管理概念，通過DMA可提高供水管網(wǎng)的管理效率。一個(gè)DMA分區(qū)指的是整個(gè)供水管網(wǎng)中，具有明顯永久性邊界的一個(gè)子系統(tǒng)。通過安裝、開閉閥門以及安裝流量計(jì)，可以將復(fù)雜的供水管網(wǎng)劃分成幾個(gè)獨(dú)立計(jì)量的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域內(nèi)流量獨(dú)立監(jiān)控，分析各個(gè)子區(qū)域內(nèi)流量變化歷史數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)漏損狀況的評(píng)估，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某區(qū)域存在漏損時(shí)及時(shí)反饋，再使用相應(yīng)的漏損監(jiān)測(cè)技術(shù)確定漏損點(diǎn)。DMA理念的應(yīng)用使得傳統(tǒng)的被動(dòng)檢漏模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)管理模式。同時(shí)DMA也有助于供水管網(wǎng)的壓力管理以及水質(zhì)監(jiān)控管理。隨著供水管網(wǎng)管理目標(biāo)不斷提高，提出將DMA分區(qū)不斷細(xì)化成若干個(gè)子系統(tǒng)形成二級(jí)分區(qū)，管網(wǎng)分區(qū)級(jí)別越多則管理越精細(xì)。確定分區(qū)邊界是DMA的基礎(chǔ)，這對(duì)于一些規(guī)模較大、拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜的環(huán)狀管網(wǎng)而言是一項(xiàng)困難的任務(wù)，因此在初期DMA劃分通常是一個(gè)手動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)過程。近年來，隨著研究的發(fā)展，提出了一些新型的DMA自動(dòng)分區(qū)方法。早期的DMA自動(dòng)分區(qū)是根據(jù)社區(qū)的模塊化指數(shù)，通過一些優(yōu)化算法進(jìn)行;新型的DMA劃分則建立在以拓?fù)鋵W(xué)為基礎(chǔ)的分區(qū)方法上。

1.2數(shù)據(jù)采集

傳感器網(wǎng)絡(luò)是一系列用于采集供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳感器，以及包括射頻識(shí)別、相機(jī)、M2M終端以及其他能從環(huán)境中采集數(shù)據(jù)的設(shè)備。RFID被廣泛應(yīng)用于WSN節(jié)點(diǎn)，可以通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，通常用于供水管網(wǎng)地下管線的快速定位。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能將檢測(cè)到的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)等其他形式的信號(hào)傳輸，通常應(yīng)用于采集供水管網(wǎng)的壓力、流量、噪聲等數(shù)據(jù)。水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是供水管網(wǎng)安全保障的重要環(huán)節(jié)，水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了采樣、分析、記錄等過程，可對(duì)供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。常規(guī)的在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)有溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率和濁度，除此之外余氯、金屬離子等指標(biāo)也被納入在線監(jiān)測(cè)的范圍。根據(jù)監(jiān)測(cè)原理不同，在線檢測(cè)儀采用的分析方法包括化學(xué)法、分光光度法及生物法等。在線儀表采集管網(wǎng)水質(zhì)數(shù)據(jù)，并通過安裝在儀表上的無線傳輸模塊將信息傳遞到控制中心，實(shí)現(xiàn)了供水管網(wǎng)水質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一種結(jié)合衛(wèi)星及通訊的技術(shù)，根據(jù)GPS提供的坐標(biāo)、坐標(biāo)演變精度及方式的不同可以分為毫米級(jí)、厘米級(jí)、靜態(tài)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)差分等幾種設(shè)備分類和測(cè)量方式。利用GPS可準(zhǔn)確測(cè)量供水管網(wǎng)中的管線、閥門、流量?jī)x及水表等設(shè)施的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，該技術(shù)可為管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的搭建提供精準(zhǔn)的位置信息。

1.3數(shù)據(jù)傳輸

將采集的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用云平臺(tái)需要利用通訊技術(shù)。根據(jù)傳輸范圍的差異可將常用通訊技術(shù)分為兩類，蜂窩技術(shù)如2G、3G、4G、5G以及全球移動(dòng)通訊技術(shù)和GPRS技術(shù)都可應(yīng)用于長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸。在供水管網(wǎng)的運(yùn)維管理中GSM常被應(yīng)用于在線監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警，而GPRS常用于監(jiān)控設(shè)備采集數(shù)據(jù)的傳輸，但GSM和GPRS技術(shù)所需的能耗較高，因此不能靈活地運(yùn)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。NB-IOT技術(shù)是一種基于LTE蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其具有傳輸距離長(zhǎng)、海量連接、功耗和成本較低的優(yōu)勢(shì)，適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和抄表數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)鹊退倩ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。一些小范圍的數(shù)據(jù)傳輸通訊技術(shù)，如ZiGbee、LoRa等也被應(yīng)用于供水管網(wǎng)信息傳輸中，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸過程能耗低、速度快且安全性高，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接就位，從傳感器捕獲的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)送至云平臺(tái)。

2城市供水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)的城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，這就對(duì)供水管網(wǎng)的建設(shè)提出了更高的要求，但由于部分城市的供水管網(wǎng)建設(shè)時(shí)間較早，在使用中存在著這樣那樣的問題，這就需要進(jìn)行針對(duì)性的技術(shù)改造。下面對(duì)城市供水管網(wǎng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。

（1）水壓不足。特別是在部分老城區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)時(shí)間比較早，目前來看，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)已滿足不了現(xiàn)實(shí)的需要，存在管徑小等問題，再加上經(jīng)過多年的運(yùn)行后，普遍出現(xiàn)了結(jié)垢、沉積等情況，這些都會(huì)引發(fā)水壓不足，尤其是在供水的高峰時(shí)段，這一現(xiàn)象尤為明顯。

（2）水質(zhì)的二次污染。由于維護(hù)不到位，很多供水管網(wǎng)都出現(xiàn)了腐蝕、結(jié)垢等情況，使得通過其中的水資源遭遇二次污染，水質(zhì)變得非常差，嚴(yán)重影響到了人們的正常生活，甚至還會(huì)引發(fā)安全事故。

（3）存在較為嚴(yán)重的滲漏情況。由于管道的銹蝕，或多或少的會(huì)發(fā)生滲漏等問題，這不僅會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，使得供水成本大大增加，還會(huì)危害到經(jīng)過的各種建筑，甚至帶來無法預(yù)測(cè)的安全隱患。

（4）具有較高的事故發(fā)生率。一方面是管網(wǎng)的材質(zhì)不達(dá)標(biāo)，另一方面是現(xiàn)有管網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，這些都會(huì)引發(fā)安全事故，比如管線爆裂、滲漏等，難以滿足安全供水的基本要求。

（5）樹狀供水管網(wǎng)存在缺陷。目前，國(guó)內(nèi)的很多地區(qū)都選擇的是樹狀的供水管網(wǎng)，其一般有著路徑短、成本低的優(yōu)勢(shì)，短期來看是比較合適的，但長(zhǎng)期來看又存在著比較明顯的缺陷，就是在局部區(qū)域的改造施工時(shí)，會(huì)將原來的管材更改為塑料管，供水壓力不變，但總水量卻是增加的，這就會(huì)造成比較嚴(yán)重的浪費(fèi)。在具體的運(yùn)行階段，還會(huì)出現(xiàn)水量超標(biāo)的現(xiàn)象，使得其他管線的供水發(fā)生短缺。此外，有些地區(qū)沒有對(duì)運(yùn)行中的供水管網(wǎng)進(jìn)行定期的維護(hù)、檢修，使其運(yùn)行質(zhì)量有所下降，而隨著建設(shè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，最初建設(shè)的管道存在資料缺失的情況，這就進(jìn)一步加大了維護(hù)、改造的難度。而且，在部分城市的建設(shè)過程中，未能及時(shí)的構(gòu)建專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的供水管網(wǎng)管理制度，不管是人力還是物力的投入都比較少，這也影響到了供水管網(wǎng)的正常運(yùn)行。

3供水管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)應(yīng)用

3.1漏損監(jiān)測(cè)

（1）基于DMA分區(qū)與漏損監(jiān)測(cè)儀的漏損監(jiān)測(cè)監(jiān)控

各DMA分區(qū)最小夜間流量的變化可用來分析區(qū)域內(nèi)的流量異常。MNF是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)（如15min）最小的流量，其一般發(fā)生在2：00-5：00，此時(shí)用戶用水量最小，MNF中漏失水量占主要比例。因此，通過分析MNF變化可間接判斷漏失情況。MNF通常在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)其發(fā)生突然上升并持續(xù)數(shù)日超出制定的閾值時(shí)，則可能出現(xiàn)新增漏損點(diǎn)。傳統(tǒng)的MNF警戒閾值通過經(jīng)驗(yàn)法估算夜間合法用水量或通過夜間最小流量與日用水量的比值進(jìn)行漏損估算，但傳統(tǒng)方法設(shè)立的警戒閾值誤差較大，可用數(shù)據(jù)模型對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來消除數(shù)據(jù)的隨機(jī)波動(dòng)帶來的誤判。移動(dòng)平均隔差法可降低數(shù)據(jù)的波動(dòng)性使數(shù)據(jù)趨于平滑;灰色預(yù)測(cè)模型可實(shí)現(xiàn)少量原始數(shù)據(jù)的處理，減弱原始數(shù)據(jù)的波動(dòng)性，并通過對(duì)新生成序列進(jìn)行深入研究，挖掘原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過上述對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理可提高管網(wǎng)漏損預(yù)測(cè)的精度。

（2）基于數(shù)學(xué)模型的漏損監(jiān)測(cè)

通過實(shí)時(shí)監(jiān)控的壓力和流量數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，可以快速地診斷漏損發(fā)生點(diǎn)位。檢測(cè)供水管道內(nèi)水壓及變化量，進(jìn)而推導(dǎo)出管網(wǎng)運(yùn)行中流量變化與壓力變化的方程，可用來分析漏水點(diǎn)位置、漏水量之間的關(guān)系，從而達(dá)到定位漏損管段的目的?；诠芫W(wǎng)瞬態(tài)分析，認(rèn)為管段發(fā)生破壞就會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)壓力波動(dòng)，壓力波動(dòng)會(huì)傳遞至最近的幾個(gè)壓力檢測(cè)點(diǎn)，可根據(jù)傳播路徑產(chǎn)生的時(shí)間差來診斷漏損點(diǎn)位，但由于管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于測(cè)壓點(diǎn)數(shù)，路徑難以確定，因此該方法的應(yīng)用在復(fù)雜的實(shí)際管網(wǎng)中缺少應(yīng)用。可借助動(dòng)態(tài)水力模型模擬計(jì)算的壓力值與在線測(cè)壓點(diǎn)觀測(cè)值進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，尋找理論漏損點(diǎn)，但該法受限于水力模型的誤差、傳感器的數(shù)量和配置及傳感遙測(cè)數(shù)據(jù)的精確性和可靠性。

3.2優(yōu)化調(diào)度

供水優(yōu)化調(diào)度的目的是通過優(yōu)化凈水廠出水壓力和流量，對(duì)水資源進(jìn)行合理分配，從而降低供水過程運(yùn)行能耗?？茖W(xué)的優(yōu)化調(diào)度方式可以在保證城市供水需求的情況下，通過合理設(shè)置增壓及減壓點(diǎn)或水泵的優(yōu)化調(diào)度方案達(dá)到綠色低耗減少漏損的目標(biāo)。供水優(yōu)化調(diào)度模型的建立由決策變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件組成。決策變量指輸入的變量數(shù)據(jù)，目標(biāo)函數(shù)指優(yōu)化目標(biāo)如泵站用電成本、總功率、制水總成本等，約束條件是指運(yùn)行時(shí)需要滿足的條件。供水優(yōu)化調(diào)度模型可通過遺傳算法等計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行求解。優(yōu)化調(diào)度模型分為直接優(yōu)化調(diào)度模型和二級(jí)優(yōu)化調(diào)度模型，對(duì)于以水泵能耗為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型，直接優(yōu)化調(diào)度模型的決策變量為水泵的開停狀態(tài)，只對(duì)水泵開停的型號(hào)、臺(tái)數(shù)和開停時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化;二級(jí)優(yōu)化調(diào)度模型以水泵出口壓力及流量、清水池水位為中間變量，該模型優(yōu)化精度高速度快，優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確。

結(jié)束語(yǔ)：

信息化智慧管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析以及管理決策輔助，其應(yīng)用提高了供水管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)效率及管理決策的科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)了綠色低耗的管理目標(biāo)。但國(guó)內(nèi)關(guān)于信息化管理技術(shù)的應(yīng)用尚未廣泛開展，一方面相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水務(wù)、環(huán)保行業(yè)的應(yīng)用未完全開發(fā)，例如數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建基礎(chǔ)不完善導(dǎo)致數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)不及時(shí)、各模塊之間數(shù)據(jù)沒有形成連通等，致使系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)存在數(shù)據(jù)不完善以及數(shù)據(jù)孤島問題存在。另一方面，一些先進(jìn)的信息化管理技術(shù)諸如數(shù)學(xué)模型、計(jì)算機(jī)算法的應(yīng)用缺少在實(shí)際復(fù)雜管網(wǎng)中的應(yīng)用實(shí)例，以及一些軟件的應(yīng)用使用與維護(hù)成本較高。因此，開展信息化系統(tǒng)在實(shí)際管網(wǎng)中的應(yīng)用研究，建立標(biāo)準(zhǔn)化的信息化管理體系，規(guī)范管理人員工作章程是供水行業(yè)未來發(fā)展方向。

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