淺論水平衡測試數(shù)字化實(shí)現(xiàn)智慧用水管理

馮 明，金 晶

(1.成都千匯環(huán)保科技有限公司，成都，610200；2.成都市節(jié)約用水監(jiān)管事務(wù)中心，成都，610072)

黨的十八大以來，節(jié)水工作要貫徹落實(shí)“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的新時(shí)期治水方針，城市發(fā)展要堅(jiān)持“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”的原則要求，通過各種方法和手段來進(jìn)行水資源管理，推行節(jié)約用水。

本文探討在新時(shí)代城市節(jié)水新模式條件下，如何突破傳統(tǒng)水平衡測試的痼疾，用遠(yuǎn)程化、數(shù)字化和平臺化的“水平衡測試數(shù)字化”為城市非居民用水個體提供實(shí)時(shí)、便捷、準(zhǔn)確的內(nèi)部用水監(jiān)控體系。

1 水平衡測試的概念、意義和目的

水作為一種寶貴的資源，是有限的，是人類生活不可或缺的物質(zhì)和工業(yè)生產(chǎn)的原料和載體，是別的物質(zhì)無可替代的。用水單位內(nèi)部的用水節(jié)水管理必須要以科學(xué)有效的水量監(jiān)控為基礎(chǔ)，而水平衡測試為我們提供了水量監(jiān)控的技術(shù)手段。水平衡測試是指對用水單元和用水系統(tǒng)的水量進(jìn)行系統(tǒng)的測試、統(tǒng)計(jì)、分析得出水量平衡關(guān)系的過程[1]。水平衡測試是對用水單位進(jìn)行科學(xué)管理行之有效的方法，也是進(jìn)一步做好城市節(jié)約用水工作的基礎(chǔ)。它的意義在于，“通過測試能夠全面了解用水單位管網(wǎng)狀況，各部位(單元)用水現(xiàn)狀，畫出水平衡圖，依據(jù)測定的水量數(shù)據(jù)，找出水量平衡關(guān)系和合理用水程度，采取相應(yīng)的措施挖掘節(jié)水潛力，達(dá)到加強(qiáng)用水管理、提高合理用水水平的目的”[2]。

2 水平衡測試的內(nèi)容

水平衡測試是一項(xiàng)技術(shù)性的工作。必須要有嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和周密的計(jì)劃才能把這項(xiàng)工作做好。傳統(tǒng)的水平衡測試可分為準(zhǔn)備、實(shí)測、匯總、分析階段[3]，各階段主要內(nèi)容如圖1所示。

圖1 水平衡測試內(nèi)容

水平衡測試準(zhǔn)備階段的工作內(nèi)容包括方案流程的審核、表具的校驗(yàn)與完善、相關(guān)人員的配置與相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)、測試時(shí)間的落實(shí)、管網(wǎng)漏損測試與修復(fù)。其難度隨著單位規(guī)模的增大而增大。

靜態(tài)測試階段需要在不用水的時(shí)段進(jìn)行，作為大型企業(yè)和連續(xù)生產(chǎn)型企業(yè)很難做到，一般企事業(yè)單位需要在不用水的時(shí)段進(jìn)行，一般在凌晨0∶00-3∶00左右，在此時(shí)間段因氣候原因和夜間安全等原因測試難度也很大。

動態(tài)測試階段要做到準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確和一致。正式測試期間，極端氣候、爆管等突發(fā)狀況都會影響井下水表的讀取工作，而且井下讀表存在安全隱患。

水平衡測試有一定專業(yè)技術(shù)要求，大部分的用水單位會借助專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。一輪測試結(jié)束后，測試體系大多閑置，用水管理又回到了之前的狀態(tài)，如果按屬地節(jié)水主管部門的要求三年一次的水平衡測試要求，則間隔周期過長，傳統(tǒng)水平衡測試只能做時(shí)點(diǎn)性的單一監(jiān)測。如何把時(shí)點(diǎn)性的單一監(jiān)測轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)性的綜合監(jiān)控，數(shù)字化給了我們實(shí)現(xiàn)的可能。

3 “數(shù)字化”及“水平衡測試數(shù)字化”

數(shù)字化，即是將許多復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，再以這些數(shù)字、數(shù)據(jù)建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型，把他們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M(jìn)制代碼，引入計(jì)算機(jī)內(nèi)部，進(jìn)行統(tǒng)一處理，這就是數(shù)字化的基本過程[4]。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)定義為將人、流程、數(shù)據(jù)和事物結(jié)合在一起使得網(wǎng)絡(luò)連接變得更相關(guān)，更有價(jià)值。萬物互聯(lián)將信息轉(zhuǎn)化為行動，給企業(yè)、個人和國家創(chuàng)造新的功能，并帶來更加豐富的應(yīng)用場景和前所未有的經(jīng)濟(jì)發(fā)展機(jī)遇。

2021年，水利部發(fā)布實(shí)施了《城鎮(zhèn)用水單位智慧節(jié)水系統(tǒng)技術(shù)要求》(以下簡稱《技術(shù)要求》)，在國家層面首次明確了關(guān)于城鎮(zhèn)用水單位智慧節(jié)水系統(tǒng)的技術(shù)要求，為推進(jìn)城鎮(zhèn)用水單位節(jié)水工作的數(shù)字化、精細(xì)化、智慧化提供了有力支撐。

《技術(shù)要求》的實(shí)施將在用水戶層面切實(shí)促進(jìn)新一代信息技術(shù)與節(jié)水工作的進(jìn)一步融合，助力城鎮(zhèn)用水單位管理模式轉(zhuǎn)變和用水效率提升，也為節(jié)水主管部門推進(jìn)和指導(dǎo)城鎮(zhèn)用水單位，特別是重點(diǎn)用水單位和公共機(jī)構(gòu)的節(jié)水工作提供了技術(shù)支撐。

“水平衡測試數(shù)字化”是依據(jù)《技術(shù)要求》，在傳統(tǒng)水平衡測試基礎(chǔ)上，將測試使用的計(jì)量設(shè)施由原來的機(jī)械式水表升級為智能遠(yuǎn)傳數(shù)字化水表，通過有線或無線的數(shù)據(jù)傳遞方式將所有計(jì)量設(shè)施的水量數(shù)據(jù)匯集到數(shù)據(jù)庫平臺，平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、計(jì)算和分析，為用水戶提供水量數(shù)據(jù)保存、可視化數(shù)據(jù)分析和水量預(yù)警等一系列專業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

根據(jù)“十四五”節(jié)水型社會建設(shè)規(guī)劃第二項(xiàng)總體要求，加強(qiáng)重大技術(shù)研發(fā)力度。將節(jié)水基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新性研究納入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃等。圍繞用水精準(zhǔn)計(jì)量、水資源高效循環(huán)利用、節(jié)水灌溉控制、管網(wǎng)漏損監(jiān)測智能化、管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)數(shù)字化、污水資源化利用、海水淡化利用等領(lǐng)域，開展節(jié)水關(guān)鍵技術(shù)和重大裝備研發(fā)。加強(qiáng)大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、人工智能等新一代信息技術(shù)與節(jié)水技術(shù)、管理及產(chǎn)品深度融合。結(jié)合創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等，加強(qiáng)節(jié)水領(lǐng)域高水平、高層次科技隊(duì)伍建設(shè)，提高自主創(chuàng)新能力[5]。

4 構(gòu)建智慧用水管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水平衡測試數(shù)字化

新型智慧用水管理系統(tǒng)具備全面性、易用性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、安全性、實(shí)用性等特性。管理系統(tǒng)由感知層、傳輸層、設(shè)備接入層、數(shù)據(jù)資源層、智慧管理與應(yīng)用支撐層及應(yīng)用服務(wù)層等部分組成[6]。功能上以用水?dāng)?shù)據(jù)為核心，提煉資產(chǎn)信息、運(yùn)營指標(biāo)、評價(jià)狀態(tài)等。運(yùn)用多種可視化工具，搭建大數(shù)據(jù)的管理界面。該界面可實(shí)現(xiàn)如下展示：

(1)資產(chǎn)信息：管線信息、水表狀態(tài)、各類設(shè)備設(shè)施數(shù)量；

(2)運(yùn)營指標(biāo)：多種時(shí)間維度的用水統(tǒng)計(jì)、漏失水、突變用水展示；

(3)評價(jià)狀態(tài)：對分區(qū)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評價(jià)，漏失率、資產(chǎn)狀態(tài)、用水習(xí)慣評級等。

同時(shí)，為了積極應(yīng)對信息化進(jìn)程發(fā)展帶來的不可預(yù)知性，對系統(tǒng)保留可擴(kuò)展的余地。

4.1 全局信息

在成都千匯智慧管理平臺全局信息中可以清楚地了解到用戶的分布、單位使用情況、本年度與上年度用水量、地區(qū)用水量和分行業(yè)用水量的比重和具體數(shù)據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)可以明確地對單位的定額進(jìn)行系統(tǒng)化的分析，查看使用智慧管理平臺的單位用水定額是否合格，并對管理者和單位使用者進(jìn)行預(yù)報(bào)警。全局管理界面如圖2所示。

圖2 全局管理界面

4.2 年、月、日抄表臺賬

系統(tǒng)自動采集、記錄和計(jì)算水表的讀數(shù)和流量，在頁面上選擇日期和周期后可以顯示相應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并以表格模式導(dǎo)出。抄表臺賬界面如圖3所示。

圖3 抄表臺賬界面

在抄表臺賬界面，能夠通過表記信息，大致判斷用水情況。對于用水情況出現(xiàn)問題的，能夠直觀地看出問題。如圖4所示，二級表流量總和數(shù)值大于一級表流量數(shù)值，是異常的情況。

圖4 通過抄表臺賬判斷用水情況

4.3 圖表分析界面

主要包括分區(qū)用水圖表、分類用水圖表、月周期用水對比表、日周期用水對比表。分區(qū)用水圖表可以展示用水單位內(nèi)不同區(qū)域用水分布情況；分類用水圖表可以展示用水單位不同類型的用水占比情況，比如食堂用水、宿舍用水、綠化用水、景觀用水、清潔用水、衛(wèi)生間用水、鍋爐用水、消防用水等等。系統(tǒng)在選定時(shí)間周期和區(qū)域范圍后，自動計(jì)算該時(shí)間周期和區(qū)域內(nèi)上下級水表之間的不明水率，當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算出的不明水率超過設(shè)定閾值后，系統(tǒng)將發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示。圖表分析界面如圖5、圖6所示。

圖5 圖表分析界面

圖6 單水表用水分析

4.4 移動端

移動端在收到服務(wù)端報(bào)警信息后會向管理員發(fā)出報(bào)警，引起注意，做出相應(yīng)的處理措施。同時(shí)移動端具有PC端全部功能，可以查看各類信息，并具備GIS地圖功能，實(shí)現(xiàn)水表定位和位置導(dǎo)航功能。移動端界面如圖7所示。

圖7 移動端主要界面

5 數(shù)字化水平衡測試與傳統(tǒng)水平衡之間的優(yōu)劣勢比較

數(shù)字化以后的水平衡測試在發(fā)揮原有測試的功效以外，實(shí)現(xiàn)了更高的效率、更多的功能和場景。

5.1 減少人力投入

傳統(tǒng)人力抄表，效率低、數(shù)據(jù)易出錯、維護(hù)管理比較困難，且工程、人力成本都比較高，逐漸被取代。物聯(lián)網(wǎng)智慧水表搭配遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它解決了人力抄表等一系列問題，節(jié)約了人力成本。

5.2 降低測試誤差

傳統(tǒng)的機(jī)械式水表只能通過人工抄表，手寫形成計(jì)量臺賬，數(shù)據(jù)反饋和計(jì)算不及時(shí)，無法進(jìn)行即時(shí)性的統(tǒng)計(jì)和不明水分析，往往在管網(wǎng)漏水很長一段時(shí)間后才能發(fā)現(xiàn)情況；以水平衡測試數(shù)字化為基礎(chǔ)的智慧用水管理平臺通過遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常用水情況，實(shí)時(shí)對用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，迅速反映給水管網(wǎng)運(yùn)行情況，極大地節(jié)約了巡查維護(hù)成本，杜絕了異常用水造成的浪費(fèi)。

5.3 實(shí)現(xiàn)智慧用水管理

物聯(lián)網(wǎng)水表最主要的功能是能夠?qū)崿F(xiàn)水表遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳，通過內(nèi)置通訊模塊，將水表直接與抄表系統(tǒng)通過運(yùn)營商基站通信，從而實(shí)現(xiàn)水表和云平臺系統(tǒng)的信息交互。管理人員直接通過電腦或者手機(jī)端查看和管理水表即可，管理平臺提供包括遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程漏損管理、遠(yuǎn)程不明水率計(jì)算、用水報(bào)表打印等功能。

5.4 遠(yuǎn)程采集的數(shù)據(jù)更客觀、更準(zhǔn)確

物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)傳水表和抄表系統(tǒng)的結(jié)合運(yùn)用，能實(shí)時(shí)讀取水表的基礎(chǔ)用水信息，系統(tǒng)和水表計(jì)量數(shù)據(jù)保持一致，完全避免了人為錯抄、漏抄帶來的數(shù)據(jù)誤差，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

5.5 便于歷史數(shù)據(jù)的保存

水平衡測試數(shù)字化實(shí)現(xiàn)了被測單位用水?dāng)?shù)據(jù)的數(shù)字化，所有的數(shù)據(jù)都保存在云端，后期任何用水情況和給水管網(wǎng)的變化，平臺都會進(jìn)行數(shù)字化更新，被測單位的用水信息能得到完整、準(zhǔn)確和安全地保存，排除了人為擾動，實(shí)現(xiàn)了用水單位的持續(xù)管理。

表1 傳統(tǒng)水平衡測試與智慧化-數(shù)字化水平衡測試優(yōu)劣勢分析

通過智慧化管理-水平衡測試數(shù)字化能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)水平衡測試中誤差大、數(shù)據(jù)易失真、抄表困難、耗人耗時(shí)等缺點(diǎn)。用水智慧化管理平臺能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)抄表，自動形成用水臺賬，保障數(shù)據(jù)的真實(shí)性，解決采用人工抄表過程中可能遇到的諸多實(shí)質(zhì)性困難。用水單位通過智慧用水管理平臺能夠及時(shí)分析自身的用水情況，有效杜絕“跑冒滴漏”等現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也可降低人工抄表產(chǎn)生的成本問題。

6 新時(shí)代城市節(jié)水的數(shù)字化展望

城市節(jié)水要跟上新時(shí)代的要求和步伐，數(shù)字化是必由之路。城市用水量的控制和提效的前提條件是對從城市用水水量平衡到每個用水戶(包括居民和企事業(yè)單位)的水平衡的整體監(jiān)控，無論從空間和時(shí)間角度，這個數(shù)據(jù)量是巨大的。隨著城市大數(shù)據(jù)體系的形成和升級，城市水量和水情數(shù)據(jù)將是城市大數(shù)據(jù)體系中重要的組成部分。如果在這樣一個量大、復(fù)雜和要求高速的數(shù)據(jù)新時(shí)代背景下，我們依然使用傳統(tǒng)的水量水情監(jiān)測設(shè)備和數(shù)據(jù)信息傳輸通道，不管是對城市宏觀水資源數(shù)據(jù)的把控，還是對每個城市細(xì)胞的用水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測，都會產(chǎn)生較大的滯后效應(yīng)。

數(shù)字化城市節(jié)水會有以下幾個特征：第一、作為傳感器的末端水量水情檢測設(shè)施設(shè)備必須具備模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字遠(yuǎn)傳模塊；第二、所有傳感器必須由不同層次的系統(tǒng)化平臺完成統(tǒng)籌，數(shù)據(jù)絕不會是簡單的點(diǎn)對點(diǎn)傳輸和應(yīng)用，所有數(shù)據(jù)在平臺實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析和儲存；第三、水量水情數(shù)據(jù)通過平臺處理分析，最終結(jié)果將根據(jù)不同層次的需求，數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)會體現(xiàn)精確化、直觀化和實(shí)時(shí)化。第四、水量水情監(jiān)控將極大減少人為影響的擾動，預(yù)警功能將得到極大地體現(xiàn)，為精準(zhǔn)節(jié)水提供了準(zhǔn)確的方向。

面對城市節(jié)水?dāng)?shù)字化發(fā)展的前景，我們同樣要認(rèn)識到新形勢的發(fā)展路徑依然曲折，以上所提出的城市節(jié)水?dāng)?shù)字化場景仍然有局限性，末端傳感器的精確度、穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量還需要極大地提升，數(shù)據(jù)分析平臺的結(jié)構(gòu)和規(guī)模依然原始，數(shù)字化節(jié)水的市場接受度依然很低。但我們相信新時(shí)代、新模式和數(shù)字化的未來會促使城市節(jié)水能力大步前進(jìn)。