崔 凱 高 堃 王 浩

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

水是事關(guān)國計民生的基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素。黨的十九大報告中提出要實施國家節(jié)水行動，推進(jìn)節(jié)水型社會建設(shè)[1]。水利行業(yè)節(jié)水機關(guān)建設(shè)也在全國范圍內(nèi)逐步推行。在不斷推進(jìn)節(jié)水機關(guān)建設(shè)的過程中，存在著節(jié)水技術(shù)相對落后、節(jié)水器具使用率不高、節(jié)水監(jiān)管效率較低等問題[2-3]。

江都水利樞紐是江蘇治淮建設(shè)中一項綜合利用的重要工程，既是江蘇 “江水北調(diào)東引”的龍頭工程，又是國家南水北調(diào)東線工程的起點工程。工程主要由 4 座大型抽水站、12 座大中型水閘及其配套設(shè)施組成，具有泄洪、調(diào)水、排澇、通航、改善生態(tài)環(huán)境等綜合功能[4]。近年來，江都水利樞紐(以下簡稱樞紐)，按照《江蘇省水利廳關(guān)于開展全省水利行業(yè)節(jié)水機關(guān)建設(shè)工作的通知》(蘇水節(jié)〔2019〕1 號)要求，結(jié)合自身工作實際，積極開展節(jié)水機關(guān)建設(shè)工作[5-6]。從2019年5月開始，江都水利樞紐成立專門的組織機構(gòu)，制定完備的節(jié)水管理規(guī)章和制度，完善管網(wǎng)圖和計量網(wǎng)絡(luò)圖，通過新裝和改造水表，推廣使用節(jié)水設(shè)備和器具，新建使用雨水集蓄池，自主設(shè)計非常規(guī)水利用裝置，自主建立智慧節(jié)水監(jiān)管平臺等措施，對用水單位進(jìn)行實時監(jiān)控和有效管理，對灰水、尾水、雨水等進(jìn)行回收利用。

在本次建設(shè)過程中，江都水利樞紐自主研發(fā)了“智慧節(jié)水監(jiān)管平臺”，通過數(shù)字化方式，將傳統(tǒng)的節(jié)水管理從模糊概念變成清晰數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全過程、全方位、全天候、全口徑的實時監(jiān)管，為管理人員提供更便捷、更科學(xué)的決策支持，從而達(dá)到科學(xué)、精細(xì)、高效管理的建設(shè)目標(biāo)，在節(jié)水機關(guān)創(chuàng)建中起到了至關(guān)重要的作用，促進(jìn)了節(jié)水技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，達(dá)到了顯著的節(jié)水示范宣傳效果。

1 智慧節(jié)水監(jiān)管平臺總體設(shè)計

節(jié)水機關(guān)建設(shè)是一項系統(tǒng)性工程，而其中的用水計量是基礎(chǔ)，沒有完備的計量器具配置，就不能提供可靠的數(shù)據(jù)[7]。樞紐根據(jù)《水利部關(guān)于開展水利行業(yè)節(jié)水機關(guān)建設(shè)工作的通知》(水節(jié)約〔2019〕92號)及《公共機構(gòu)能源資源計量器具配備和管理要求》(GB/T 29149—2012)的相關(guān)要求，先將節(jié)水機關(guān)劃分為9個用水單元：江都第一抽水站管理所、江都第二抽水站管理所、江都第三抽水站管理所、江都第四抽水站管理所、變電所、機關(guān)辦公樓、調(diào)度中心、展覽館、財務(wù)檔案樓，再按照用水單元和功能分別安裝配備相應(yīng)表計，改造安裝智能水表，滿足按用水單元、功能分區(qū)的計量要求，最后平臺對不同用水單元的日用水量、月用水量進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存、共享和分析，對重點用水設(shè)施、設(shè)備的管網(wǎng)自來水用水、雨水利用等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、統(tǒng)計和報警管理，將人均用水量、綠化用水量、管網(wǎng)漏損率與相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行對比，實現(xiàn)管網(wǎng)圖、實時數(shù)據(jù)、用水趨勢、報表等在平臺中集中展示，既直觀展示了用水?dāng)?shù)據(jù)，又高效地監(jiān)管了用水單元。

1.1 平臺總架構(gòu)

樞紐基于對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，設(shè)計的平臺架構(gòu)主要由感知層、物聯(lián)層、應(yīng)用層構(gòu)成，在物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)下實現(xiàn)對重點用水設(shè)施、設(shè)備、用水單元、雨水利用單元等的感知、傳輸、監(jiān)測、管理，具有全面感知、可靠傳遞、數(shù)據(jù)展示三大物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)特征。平臺總架構(gòu)見圖1。

圖1 平臺總架構(gòu)

平臺通過在供用水基礎(chǔ)管線上配置智能遠(yuǎn)程計量水表，實時在線監(jiān)測用水參數(shù)，并借助傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)各用水單位的用水量在線監(jiān)測，并按給水管網(wǎng)流向?qū)Ω鹘ㄖ蛥^(qū)域用水等進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，便于給水維護(hù)和管理人員使用、分析等，提升工作效率。

平臺配置按物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為感知層、物聯(lián)層、應(yīng)用層。

a.應(yīng)用層:由操作員工作站及組態(tài)王軟件組成。

b.物聯(lián)層:以租用的20M寬帶為基礎(chǔ)，通過modbus TCP/IP協(xié)議將監(jiān)測數(shù)據(jù)從水廠服務(wù)器共享至組態(tài)王主機，噴滴灌控制器通過OPC接口直接與組態(tài)王主機進(jìn)行通信，新增的攝像機通過光纖互聯(lián)實現(xiàn)圖像的顯示。

c.感知層:在給水管網(wǎng)通過安裝多級計量表計的方式，形成多級核算體系，并可用于給水管網(wǎng)的水平衡測試。在噴滴灌、雨水回收等節(jié)點安裝噴滴灌控制器、水位計、攝像機等傳感器用于監(jiān)測節(jié)水設(shè)施的運行狀態(tài)[8]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

感知層的數(shù)據(jù)傳輸采用基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行萬物互聯(lián)。遠(yuǎn)傳水表根據(jù)設(shè)定的頻率將數(shù)據(jù)上傳至水廠服務(wù)器，組態(tài)王主機通過水廠服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)的modbus TCP/IP接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享分析。平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。

圖2 平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.3 平臺軟件開發(fā)

平臺軟件部分采用“組態(tài)軟件-組態(tài)王”進(jìn)行開發(fā)，組態(tài)王具有豐富的人機界面，為運行人員提供友善的接口，操作既方便又安全，既簡單又可靠，既能發(fā)揮多窗口的特點，又能適合運行人員的習(xí)慣。

1.4 平臺軟件主要功能

樞紐結(jié)合自身的實際情況，依據(jù)指導(dǎo)文件的核心要求及重點效用，對平臺軟件功能進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。主要軟件功能分析如下。

1.4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

組態(tài)王監(jiān)控軟件需通過租用的寬帶采集廠家云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，包括噴滴灌的狀態(tài)、水表數(shù)據(jù)、集水井水位等實時數(shù)據(jù)。

處理功能可以將各基本點進(jìn)行組合、運算，提供功能強大且易學(xué)易用的語言開發(fā)平臺，實現(xiàn)復(fù)雜的算術(shù)、邏輯運算，輕松計算出水量漏損。

平臺軟件開發(fā)使用的數(shù)據(jù)庫為SQL Server，操作員工作站和云服務(wù)器各安裝一套，兩套數(shù)據(jù)庫定時同步。

1.4.2 實時監(jiān)控

監(jiān)控功能提供豐富的人機界面，提供給運行人員友善的操作界面，既方便又安全。節(jié)水自動化管理平臺通過實時監(jiān)控和采集用水管網(wǎng)各部位的數(shù)據(jù)，計算水量，提供區(qū)域/建筑的給水實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、異常水耗識別，對24h內(nèi)用水狀況進(jìn)行曲線分析，管理人員可通過查看用水流量趨勢及日用水量分析用水合理性，實現(xiàn)不同類型的統(tǒng)計分析。用水趨勢分析界面見圖3。

圖3 用水趨勢分析界面

1.4.3 漏損分析

平臺漏損分析功能主要體現(xiàn)在可以通過對建筑用水量及用水模型的匹配分析，自動進(jìn)行給水漏失分析和用水異常情況識別,輔以界面報警方式提醒相關(guān)人員,幫助管理人員及時發(fā)現(xiàn)跑、冒、滴、漏現(xiàn)象,便于維護(hù)人員準(zhǔn)確定位漏點范圍及排除故障，為故障檢修爭取時間,最大限度地減少浪費并強化供水保障能力。

1.4.4 水平衡分析功能

平臺提供給水管網(wǎng)平衡分析功能，在理清給水基礎(chǔ)管網(wǎng)信息的條件下，通過給定的給水總表、區(qū)域表、戶表的總分關(guān)系，對各區(qū)域用水量進(jìn)行實時水平衡分析。

1.4.5 雨水回用運行監(jiān)控功能

雨水回用路徑是通過屋面、廣場地面等收集雨水引至集水井，中水利用則將迎賓館區(qū)域內(nèi)的洗菜用水通過集中再分離的方式引至集水井。雨水和中水經(jīng)凈化處理后，供沖廁、洗車、綠化、景觀等場景使用，替代傳統(tǒng)市政供水水源，節(jié)約水資源。雨水回用運行監(jiān)控界面見圖4。

圖4 雨水回用運行監(jiān)控界面

雨水回用運行監(jiān)控系統(tǒng)通過智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)獲取現(xiàn)場實時運行數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測雨水池、蓄水池水位，監(jiān)測各個水泵的運行狀態(tài)。通過加裝流量計，計量雨水、自來水補水量，并計量澆灌、綠化、洗車等各項使用量。通過與建筑的總用水量進(jìn)行對比，計算傳統(tǒng)水源替代率。同時,還具備噴滴灌遙控功能,實現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中控制的運行管理模式。噴滴灌控制監(jiān)控界面見圖5。

1.4.6 運行記錄功能

記錄的內(nèi)容包括水位曲線、操作記錄、故障記錄等，其時間區(qū)段的設(shè)置可由值班人員通過人機對話方式實現(xiàn)，極大地提高了值班人員管理的便捷性。

1.4.7 報警記錄功能

平臺具有相關(guān)參數(shù)的報警功能，在各界面上可彈出報警提示和簡要報警說明，同時可在報警菜單內(nèi)查詢詳細(xì)資料。

2 平臺應(yīng)用情況

目前，平臺已上線運行，總體運行良好，達(dá)到了以下效果：

a.數(shù)據(jù)顯示直觀化。通過平臺可以直觀地看出管網(wǎng)圖、管網(wǎng)漏損率、各水表壓力參數(shù)、各用水單元用水實時數(shù)據(jù)、日用水量、月用水量、用水趨勢、用水報表等，方便數(shù)據(jù)之間的比對，有利于分析各用水量變化是否符合要求，從整體上提升了節(jié)水管理的數(shù)字化水平和信息化水平。

b.監(jiān)管作業(yè)便捷化。平臺借助Web形式，使各級管理人員無論何時何地都可以輕松地對用水單位的用水情況進(jìn)行監(jiān)測、統(tǒng)計、分析、管理和綜合決策。

c.節(jié)水管理智能化。依靠平臺數(shù)據(jù)展示功能，可以自動進(jìn)行給水漏失分析和用水異常情況識別，輔以界面報警方式提醒管理人員及時發(fā)現(xiàn)跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，為故障檢修爭取時間并最大限度地減少浪費，強化了供水保障能力，實現(xiàn)了節(jié)水管理的自動化、信息化、科學(xué)化[9-10]。

3 結(jié) 語

樞紐節(jié)水機關(guān)智慧節(jié)水監(jiān)管平臺的研發(fā)，極大地促進(jìn)了節(jié)水機關(guān)的建設(shè)，通過充分利用智慧節(jié)水監(jiān)管平臺，可實時監(jiān)管、科學(xué)分析、精細(xì)研判日常用水管理工作中存在的問題，迅速、科學(xué)地作出決策，真正發(fā)揮了平臺的智慧管理作用。通過有效運用該平臺，實現(xiàn)了節(jié)水管理工作的高效性、快捷性和準(zhǔn)確性，簡化了工作流程，推進(jìn)了節(jié)水技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。同時，也為其他學(xué)者研究智慧節(jié)水監(jiān)管平臺提供了參考，在節(jié)水機關(guān)建設(shè)中具有很好的推廣應(yīng)用價值。今后需對水量統(tǒng)計報表、水平衡測試、水價累計征收等相關(guān)模塊內(nèi)容進(jìn)行擴充，進(jìn)一步完善平臺。