基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧水務(wù)及供水管網(wǎng)漏損檢測(cè)應(yīng)用方案

劉剛

（四川省涼山州鹽源縣自來(lái)水公司 四川省涼山州鹽源縣 615700）

1 水務(wù)信息化建設(shè)現(xiàn)狀

鹽源縣是一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)大縣，飲用水資源短缺是影響鹽源縣各行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的其中一個(gè)因素。水資源合理配置和高效利用體系尚未完善，水資源信息化建設(shè)是未來(lái)發(fā)展的必經(jīng)之路。加強(qiáng)水資源管理、開(kāi)展智慧水務(wù)信息化建設(shè)是實(shí)現(xiàn)水務(wù)現(xiàn)代化的重要保障措施。鹽源縣經(jīng)過(guò)多年的積極建設(shè)，水利基礎(chǔ)設(shè)施工作已經(jīng)取得了顯著成效，信息技術(shù)在部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、分析和應(yīng)用方面已經(jīng)初步發(fā)揮了一定作用。但目前水務(wù)信息化仍處于起步階段，現(xiàn)有信息化平臺(tái)有待于更新發(fā)展。面對(duì)大數(shù)據(jù)快速發(fā)展的新形勢(shì)，從水務(wù)業(yè)務(wù)需求和信息化發(fā)展要求出發(fā)，水務(wù)管理應(yīng)用體系仍存在一些突出問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)，主要表現(xiàn)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)配套不完善、多套設(shè)備及平臺(tái)之間無(wú)法統(tǒng)一管理、檢測(cè)體系不健全、基礎(chǔ)平臺(tái)支撐能力弱及功能不完善、水務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)程度低等方面。

2 智慧水務(wù)建設(shè)的必要性

傳統(tǒng)的水務(wù)管理手段已經(jīng)不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展的要求，無(wú)法滿(mǎn)足水資源可持續(xù)利用的要求?，F(xiàn)階段迫切需要開(kāi)展智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，提供高效的信息化智慧化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各部門(mén)統(tǒng)籌調(diào)度、優(yōu)化配置水資源，實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡。目前缺乏覆蓋全縣水務(wù)系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)的信息體系和監(jiān)控平臺(tái)，現(xiàn)有信息化系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單陳舊，公司和各水廠(chǎng)的信息化平臺(tái)處于落后分散的粗放管理狀態(tài)。無(wú)法便捷智能的對(duì)各區(qū)域進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，所以目前急需建立城市水務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理系統(tǒng)平臺(tái)，加快水務(wù)信息化建設(shè)步伐進(jìn)行水務(wù)管理，做好現(xiàn)有資源整合，以水務(wù)信息化服務(wù)水務(wù)現(xiàn)代化。

3 智慧水務(wù)建設(shè)的主要任務(wù)

通過(guò)搭建智慧水務(wù)平臺(tái)，建立水務(wù)數(shù)據(jù)的整合、水務(wù)業(yè)務(wù)全面打通、水務(wù)管理智能化、信息化的水務(wù)管理方式，強(qiáng)化鹽源縣水資源的可持續(xù)利用，提升用水效率，構(gòu)建起“ 智慧化、信息化、安全化、便捷化、可持續(xù)化”的現(xiàn)代化水務(wù)發(fā)展道路。

3.1 建立智慧水務(wù)綜合應(yīng)用平臺(tái)

建立集物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、地理信息、遙感技術(shù)等為一體的水務(wù)綜合智慧管理分析決策平臺(tái)，為水資源綜合開(kāi)發(fā)利用提供決策支持。

3.2 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，設(shè)定平臺(tái)需求與云框架，對(duì)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)、安全管理等展開(kāi)統(tǒng)一建設(shè)；構(gòu)建起數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)與業(yè)務(wù)兩大單元模塊，對(duì)營(yíng)收系統(tǒng)、基于NB-IoT 技術(shù)的智能化抄表系統(tǒng)、水廠(chǎng)的自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)、基于NB-IoT 技術(shù)的管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行整合；設(shè)置供水調(diào)度指揮中心及管網(wǎng)維修部門(mén)，配置相關(guān)工作人員；組建起視頻監(jiān)控系統(tǒng)、管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；建立智能客服系統(tǒng)。在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)施智慧化的水務(wù)一體化平臺(tái)建設(shè)，配置相配套的子系統(tǒng)，如門(mén)戶(hù)網(wǎng)站、網(wǎng)絡(luò)繳費(fèi)、微信公眾號(hào)、短信平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)等移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)等；整合現(xiàn)有功能系統(tǒng)，促進(jìn)其與智慧水務(wù)平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接；引入全覆蓋的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守；連接智能化客服熱線(xiàn)和網(wǎng)上客服，及時(shí)、準(zhǔn)確的響應(yīng)用戶(hù)需求。

圖1

圖2

圖3

圖4

3.3 關(guān)于實(shí)現(xiàn)智慧水務(wù)平臺(tái)的初步構(gòu)想

在基于智慧化的數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)基礎(chǔ)上，構(gòu)建營(yíng)收系統(tǒng)，配合基于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表和用水情況監(jiān)測(cè)，提供決策支持管網(wǎng)調(diào)度，再配合相應(yīng)的移動(dòng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)用戶(hù)足不出戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)、交費(fèi)、報(bào)修等便民功能。NB-IoT 智慧水務(wù)應(yīng)用于戶(hù)表讀抄，相比傳統(tǒng)的方式，可以有效避免漏抄、誤讀、漏報(bào)帶來(lái)的水費(fèi)損失，極大地提高抄表正確率及準(zhǔn)確率，減少工作量。

3.4 現(xiàn)有信息系統(tǒng)與評(píng)估

主要任務(wù)：梳理現(xiàn)有信息化系統(tǒng)，分析存在問(wèn)題。

現(xiàn)有信息系統(tǒng)包括營(yíng)收系統(tǒng)、手機(jī)抄表系統(tǒng)、IC 卡水表管理系統(tǒng)、部分基于GPRS 和物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT 技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、微信公眾號(hào)、水廠(chǎng)園區(qū)和水源地視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要問(wèn)題:尚未建設(shè)統(tǒng)一平臺(tái)對(duì)資源和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、統(tǒng)一管理，業(yè)務(wù)功能有所欠缺，缺少先進(jìn)便捷的營(yíng)收系統(tǒng)、缺少管網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理、漏損預(yù)警、智能調(diào)度、報(bào)裝流程管理、移動(dòng)應(yīng)用等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.5 核心問(wèn)題與初步建議

提升信息系統(tǒng)集成度，消除信息交互屏障。推動(dòng)核心業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)，包括營(yíng)收系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化(或改造)、漏損監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等信息化建設(shè)。建設(shè)或升級(jí)改造中應(yīng)考慮實(shí)際需求，不搞大而全的建設(shè)，分析需求，并根據(jù)實(shí)際需要，建設(shè)關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用。

4 基于NB-IoT技術(shù)DMA(分區(qū)計(jì)量）的供水管網(wǎng)漏損檢測(cè)的應(yīng)用

隨著城市化進(jìn)程推進(jìn)、老城區(qū)改造及人口增長(zhǎng)，供水管網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。但由于管道的使用年限、材質(zhì)、壓力不均及埋設(shè)環(huán)境等原因，導(dǎo)致供水管網(wǎng)產(chǎn)生漏損，不合理的產(chǎn)銷(xiāo)差造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。國(guó)務(wù)院在2015年發(fā)布“水十條”規(guī)定：2017年底全國(guó)公共供水管網(wǎng)漏損率控制在12%以?xún)?nèi)，到2020年底控制在10 %以?xún)?nèi)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)生，基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分區(qū)計(jì)量也必將發(fā)揮更大的作用。

4.1 分區(qū)計(jì)量（DMA）概念

分區(qū)計(jì)量技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代的英國(guó)。原理是將整個(gè)城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)劃分為若干個(gè)供水區(qū)域，進(jìn)行流量、壓力、水質(zhì)和漏點(diǎn)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)量化漏損水量空間分布監(jiān)測(cè)。目前已經(jīng)成為國(guó)際公認(rèn)的管網(wǎng)控漏的方法。[5]經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，英國(guó)對(duì)于供水管網(wǎng)漏損的控制已取得顯著效果。在我國(guó)，1999年上海將供水管網(wǎng)分為4 個(gè)計(jì)量區(qū)域，標(biāo)志著我國(guó)分區(qū)計(jì)量管理的起步，隨后在北京、天津、南昌等地試行。香港通過(guò)3000 公里的管網(wǎng)改造、1200 個(gè)DMA 的建設(shè)，輔以漏水檢測(cè)和修復(fù)以及壓力管理，實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)漏損率自2001年的26%下降至2017年的15%；江蘇工業(yè)園婁葑東區(qū)劃分為7 個(gè)一級(jí)分區(qū)，通過(guò)夜間最小流量監(jiān)測(cè)和管道漏損修復(fù)，3年內(nèi)供水管網(wǎng)漏損率從21%下降至10.7%；南京水司采用獨(dú)立計(jì)量分區(qū)(DMA)進(jìn)行漏損控制，通過(guò)對(duì)100 個(gè)DMA 分區(qū)進(jìn)行檢漏，修復(fù)漏損點(diǎn)483 處，節(jié)水量達(dá)960 m3/h，使產(chǎn)銷(xiāo)差降低了1.92%，供水管網(wǎng)漏損率下降了27.4%。[3]

5 分區(qū)計(jì)量管網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系建立方案初步構(gòu)想

根據(jù)城市供水具體情況及資金、人力和供水管網(wǎng)復(fù)雜性等情況劃分若干個(gè)計(jì)量分區(qū)，分區(qū)應(yīng)實(shí)行多級(jí)劃分，供水系統(tǒng)可分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)分區(qū)，甚至是更多級(jí)分區(qū)。一級(jí)分區(qū)是各大區(qū)域供水范圍，一般情況下供水范圍可以認(rèn)為是一個(gè)閉合的獨(dú)立分區(qū)；在一級(jí)分區(qū)內(nèi)依據(jù)已有主要供水管道，因地制宜再劃分成若干個(gè)二級(jí)分區(qū)。[3]每個(gè)計(jì)量分區(qū)設(shè)流量計(jì)（通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)或其它傳輸方式向監(jiān)控中心發(fā)送流量數(shù)據(jù)）根據(jù)流量變化檢測(cè)該計(jì)量分區(qū)的供水情況。如果該區(qū)域的流量發(fā)生急劇變化的時(shí)候監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始根據(jù)常規(guī)流量情況進(jìn)行分析并根據(jù)下一級(jí)分區(qū)的流量情況作出基本的漏損區(qū)域推斷（該檢測(cè)模式經(jīng)過(guò)擴(kuò)展還可檢測(cè)消防栓的漏損和人為惡意開(kāi)啟情況）。

5.1 根據(jù)分區(qū)計(jì)量（DMA）的數(shù)據(jù)及夜間最小流量分析漏損率

在建立各級(jí)計(jì)量分區(qū)后，可根據(jù)各計(jì)量分區(qū)流量數(shù)據(jù)計(jì)算管網(wǎng)漏損率及基于夜間最小流量分析漏損率和漏損位置推斷。

夜間最小流量分析的作用：根據(jù)漏損率和該區(qū)域用戶(hù)的用水量確定夜間最小流量值，在夜間特定時(shí)段（例如：凌晨2:00—4:00 基本為用水低谷時(shí)段）分析用水量，通過(guò)該時(shí)段的流量超出夜間最小流量數(shù)據(jù)且該區(qū)域無(wú)大量新增用戶(hù)和工廠(chǎng)等不規(guī)律用水戶(hù)夜間用水情況，分析各計(jì)量分區(qū)內(nèi)是否泄漏以及當(dāng)前泄漏水平，對(duì)漏損發(fā)生的位置做出快速推斷，為制定檢漏方案提供依據(jù)，還可以根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算作出漏損預(yù)警。

5.2 分區(qū)計(jì)量示意圖

如圖2所示。

從水源到生產(chǎn)階段，供水階段做分區(qū)計(jì)量監(jiān)測(cè)，做到水資源管理心中有數(shù)。及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏損問(wèn)題，減小漏損率，縮小產(chǎn)銷(xiāo)差。為優(yōu)化配置水資源，實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡做好服務(wù)。通過(guò)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)、分析，可掌握各區(qū)域的用水規(guī)律，為水量分配、管網(wǎng)改造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.3 基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的管網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)

示意圖如圖3所示。

在選定的區(qū)域內(nèi)安裝流量計(jì)，通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)向監(jiān)控平臺(tái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或定時(shí)及不定時(shí)流量數(shù)據(jù)，以供檢測(cè)平臺(tái)決策分析。采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，傳輸穩(wěn)定高效、耗電量低、適用于無(wú)電環(huán)境，隱蔽安裝，可一定程度防盜、防破壞。

5.4 基于數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的管網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備示意圖

如圖4所示。

在選定的區(qū)域內(nèi)安裝流量計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)向監(jiān)控平臺(tái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或定時(shí)及不定時(shí)流量數(shù)據(jù)，以供檢測(cè)平臺(tái)決策分析。采用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)：傳輸穩(wěn)定高效、可采用市電或太陽(yáng)能供電方式、可解決無(wú)線(xiàn)傳輸情況下井內(nèi)信號(hào)弱的問(wèn)題，采用太陽(yáng)能供電的情況下還可解決能耗問(wèn)題降低經(jīng)濟(jì)成本。缺點(diǎn)是外露的網(wǎng)關(guān)及太陽(yáng)能供電設(shè)備有遭破壞的可能性。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況和需求選擇不同的安裝模式。