遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)在消火栓供水管理上的應(yīng)用

張建華

(上海市自來水市北有限公司，上海 201901)

1 消火栓管理的現(xiàn)狀與問題

隨著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的推進(jìn)，大型居住區(qū)紛紛建成，供水管網(wǎng)建設(shè)速度也不斷加快。消火栓作為城市安全保障設(shè)施的重要基礎(chǔ)也隨之大量增加，呈星羅棋布。寶山供水管理所供水管線長度為1 445.352 km，并以每年3%～5%的速度增加，而相應(yīng)的防火消防設(shè)施已達(dá)到近4 000 只，按目前增加速度來看，到2020 年管轄的消火栓數(shù)將達(dá)到5 000多只。日益增加的消火栓數(shù)量及管線長度逐漸成為日常供水管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)管理工作的難題，另外管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，被私自開啟造成無計(jì)量用水和漏損，水力停留時間長又影響管網(wǎng)的整體水質(zhì)。消火栓的基礎(chǔ)信息和資料不全，供水企業(yè)無法全面掌握具體相關(guān)數(shù)據(jù)和用水實(shí)際情況，也給管理和維護(hù)帶來很大的困惑和問題。

為解決以上問題，供水管理部門努力和相關(guān)部門加強(qiáng)溝通聯(lián)系，實(shí)施網(wǎng)格化管理機(jī)制，并把握好消火栓的規(guī)劃、建設(shè)、驗(yàn)收、運(yùn)行、維護(hù)。同時利用信息化技術(shù)和手段探索對城市消火栓管網(wǎng)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)測管理，建立“數(shù)字管網(wǎng)”的管理系統(tǒng)，以適應(yīng)當(dāng)前供水管網(wǎng)及消火栓的管理需要。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的功能與應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1 所示。

2.2 系統(tǒng)硬件

2.2.1 低功耗用水信息無線遠(yuǎn)傳記錄儀(RTU)

主要功能和參數(shù):2 路16 位模擬量采集并支持雙端差分信號，開關(guān)量采集，模擬量超限報(bào)警，開關(guān)量變化報(bào)警，GPRS 方式上報(bào)用戶;采樣數(shù)據(jù)定時存儲且存儲間隔可選［1］。

數(shù)據(jù)可周期性存儲，每個周期的存儲記錄條數(shù)不小于100 000 次，報(bào)知中心的IP 數(shù)據(jù)終端地址為2 個。所有系統(tǒng)參數(shù)可由設(shè)置軟件本地設(shè)置，部分參數(shù)也可通過GPRS 進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，這提高了設(shè)備檢修維護(hù)的工作效率。所有的密封接頭防水等級都采用IP68 防護(hù)等級的標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)水淹、水下浸泡的工作環(huán)境。

該RTU 采用電源休眠控制技術(shù)，具有待機(jī)時間長和低功耗的特點(diǎn)，電源采用四節(jié)鋰離子電池，標(biāo)準(zhǔn)配置的電池容量可以上報(bào)大于24 000 次，如半小時記錄和發(fā)送1 次數(shù)據(jù)的情況下，預(yù)計(jì)正常工作時間為2 年。RTU 內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of System

圖2 RTU 內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal Structure of RTU

具備多項(xiàng)智能連接和控制功能，可以遠(yuǎn)程修改參數(shù)、記錄頻度、傳送周期、報(bào)警上下限;可分類報(bào)警，具體為設(shè)備拆卸報(bào)警、溫度報(bào)警、電池欠電量報(bào)警和濕度報(bào)警;初定的傳送間隔為30 min/次，可根據(jù)用戶實(shí)際需求調(diào)整間隔時間，有特殊需要時還可以調(diào)節(jié)時間段的劃分，如白天多發(fā)送幾次，晚上少發(fā)送幾次等。當(dāng)設(shè)備本次的上報(bào)由于移動網(wǎng)絡(luò)等其他原因無法成功時，本次的采集數(shù)據(jù)會在下次上報(bào)時一起報(bào)到中心網(wǎng)站;若兩次發(fā)送都不成功，為了減少能耗，系統(tǒng)不采取不斷重發(fā)直到電池耗盡的傳統(tǒng)處理方式，而改用只重發(fā)三次，若仍失敗就觸發(fā)通信報(bào)警的節(jié)能補(bǔ)招方式。補(bǔ)招數(shù)據(jù)將在系統(tǒng)中自動排序，保證現(xiàn)場顯示的數(shù)據(jù)是最新數(shù)據(jù)，而不會出現(xiàn)由于補(bǔ)招，將老數(shù)據(jù)覆蓋最新數(shù)據(jù)的情況。

其他輔助功能:內(nèi)嵌看門狗，不死機(jī)，掉線自動恢復(fù);內(nèi)設(shè)工業(yè)時鐘，精確計(jì)時，能主動與監(jiān)控系統(tǒng)的時間同步。有自動定時上報(bào)和事件觸發(fā)上報(bào)兩種上報(bào)方式;內(nèi)置大容量FLASH 存儲器，數(shù)據(jù)自動記錄，支持歷史數(shù)據(jù)檢索。

顯示屏采用長期休眠短期喚醒機(jī)制，以減少不必要能量的消耗(顯示屏關(guān)閉的模式下，待機(jī)電流＜20 μA)，顯示屏可由磁棒點(diǎn)擊相應(yīng)的激活點(diǎn)來顯示當(dāng)前的測量值、電池電壓等，所有顯示都有中文指示，簡單易懂。

現(xiàn)場安裝具體實(shí)施方案:距離消防栓2 m 左右，開挖一個長50 cm、寬40 cm、深40 cm 的窖井坑，四面砌磚，窖井坑底部為泥土便于雨水滲透流出。窖井坑頂面為鐵制翻蓋式井蓋，將壓力采樣管接駁至窖井坑內(nèi)，安裝配套閥門開關(guān)及快速接頭?？焖俳宇^連接壓力傳感器設(shè)備，傳感器連接至低功耗無線遠(yuǎn)傳記錄儀，對管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并定時向中心監(jiān)測工作站發(fā)送壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)。在消防栓所在給水管網(wǎng)處建采樣管連接至低功耗無線壓力遠(yuǎn)傳記錄儀，記錄儀終端每10 min 采集一次，60 min 發(fā)送一次數(shù)據(jù)至中心機(jī)房監(jiān)測工作站。現(xiàn)場安裝示意如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場安裝Fig.3 Scene of Installation

2.2.2 監(jiān)控中心工作站

在供水監(jiān)控中心新建一臺監(jiān)測工作站用于數(shù)據(jù)采集、瀏覽、記錄、查詢等工作。工作站建有SQL Server 數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)實(shí)時數(shù)據(jù)存儲，為數(shù)據(jù)查詢、分析提供保證。工作站采取WEB 服務(wù)方式向所內(nèi)網(wǎng)用戶開放數(shù)據(jù)瀏覽、歷史曲線查詢等功能界面，用戶只需在局域網(wǎng)中打開IE 瀏覽器指定地址、登錄用戶名密碼即可瀏覽相應(yīng)權(quán)限范圍內(nèi)的所有信息。

2.3 監(jiān)控平臺及應(yīng)用軟件

監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用B/S 結(jié)構(gòu)，通過Internet 互聯(lián)網(wǎng)和GPRS 網(wǎng)絡(luò)接收管道壓力等數(shù)據(jù)，進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)分析、顯示、查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表打印和遠(yuǎn)程參數(shù)修改等功能，給用戶提供一個直觀、簡單的操作平臺［1］。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集數(shù)據(jù)，集中顯示各監(jiān)測點(diǎn)重要參數(shù)(如壓力、電池電壓、報(bào)警狀態(tài)、通信狀態(tài))。按區(qū)域、地塊劃分用戶，能單獨(dú)顯示各用戶子站的全部測量數(shù)據(jù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)及曲線;可以通過遠(yuǎn)程設(shè)置和修改表底數(shù)、IP 地址、端口、發(fā)送頻率等重要參數(shù)。圖形曲線使數(shù)據(jù)一目了然，能自動生成各用戶的壓力、溫度、濕度的并行歷史曲線，可查詢?nèi)我庥脩?、任意參?shù)、任意時段的歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)和曲線便于轉(zhuǎn)存和打印。實(shí)時顯示并記錄就地壓力測量系統(tǒng)的各種報(bào)警信息，如壓力的超限、儀表工作電源不正常、電池的電池欠壓、非法闖入、通信故障等報(bào)警信息?？蛇h(yuǎn)程修改對應(yīng)報(bào)警的設(shè)定值。根據(jù)不同部門和不同人員，可設(shè)置不同的操作權(quán)限，防止不同級別的操作人員越權(quán)操作。使用菜單驅(qū)動顯示，保證用戶指定一般技術(shù)人員就能編制，而不需要掌握機(jī)器語言和特殊編程語言，在系統(tǒng)中增加或改變一個點(diǎn)不再編譯系統(tǒng)。具有數(shù)據(jù)的存儲功能，可以將所有的實(shí)時參數(shù)保留1 年以上，所存儲的數(shù)據(jù)能夠以標(biāo)準(zhǔn)的方式獲取存儲的數(shù)據(jù)。

主要顯示畫面如圖4 ～圖8 所示。

圖4 數(shù)據(jù)總覽圖Fig.4 General Layout of Data

圖5 管網(wǎng)GISFig.5 Network of Geography Information System

圖6 壓力曲線Fig.6 Curve of Pressure

圖7 壓力日峰、谷值柱狀圖Fig.7 Histogram of Daily Pressure Peak and Valley

圖8 報(bào)警表Fig.8 Alarm Table

2.4 系統(tǒng)特點(diǎn)和實(shí)際使用情況

系統(tǒng)具有以下五方面的特點(diǎn):準(zhǔn)確性，計(jì)量數(shù)據(jù)報(bào)告的及時、準(zhǔn)確及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的無丟失;可靠性，全天候運(yùn)行、傳輸系統(tǒng)獨(dú)立完整、維護(hù)操作方便;先進(jìn)性，選用了全球最先進(jìn)的GPRS 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和成熟穩(wěn)定的智能化終端加上獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理控制技術(shù)，系統(tǒng)功能的擴(kuò)展性強(qiáng);實(shí)用性，對于現(xiàn)場沒有電源的監(jiān)測點(diǎn)，采用電池供電的壓力變送器由采集終端直接升壓驅(qū)動;五是互換性和拓展性，系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃，分步實(shí)施，隨時可以擴(kuò)充水質(zhì)等信息。

首批RTU 共計(jì)安裝120 個，對整個供水范圍內(nèi)涉及的吳淞、楊行、瀏河、羅涇、羅店、羅南、顧村、泰和地區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一壓力監(jiān)控，特別是在用水問題多發(fā)地區(qū)，需要重點(diǎn)監(jiān)控地區(qū)以及部分重要管段上加裝多個壓力傳輸設(shè)備，建立覆蓋全區(qū)域的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程消防栓實(shí)時監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、故障診斷、數(shù)據(jù)查詢等功能，成為城市防火、救災(zāi)體系中重要的技術(shù)保障手段之一［2］。

在日常養(yǎng)護(hù)巡檢工作中，利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)壓力變化實(shí)時監(jiān)測。壓力低于所設(shè)定的預(yù)警值時，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，專業(yè)人員得到異常數(shù)據(jù)后能在第一時間進(jìn)行處理分析。如2014 年春節(jié)前夕小年夜當(dāng)日，設(shè)置在寶山泰和地區(qū)的2 處RTU 發(fā)出預(yù)警，隨后接到泰和西路某弄四樓以上居民，多次來電反映家中發(fā)生無水、水小等用水問題。供水管理所相關(guān)人員接到居民來電反映后，第一時間查看了設(shè)置在小區(qū)周邊的傳輸數(shù)據(jù)記錄。將當(dāng)日的壓力數(shù)據(jù)與前幾日的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)當(dāng)日小區(qū)進(jìn)水管網(wǎng)壓力確實(shí)存在異常，較前幾日數(shù)值要小得多。養(yǎng)護(hù)人員趕赴現(xiàn)場進(jìn)行查勘后，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水DN300 管段存在漏點(diǎn)，導(dǎo)致壓力下降，加之春節(jié)期間用水量陡增，造成小區(qū)大面積水小、無水等用水問題。此次事件從系統(tǒng)發(fā)生預(yù)警到分析排摸原因，找到進(jìn)水管網(wǎng)漏點(diǎn)只用了半天時間，大大縮短了供水管理單位對突發(fā)事件的響應(yīng)時間，系統(tǒng)為本次事件提供了良好的技術(shù)支持。

另一方面，系統(tǒng)對異常壓力數(shù)值的預(yù)警也能幫助日常巡檢人員對偷盜消防用水，管網(wǎng)水量漏失等問題加以監(jiān)控。當(dāng)某一監(jiān)測點(diǎn)在一段時間內(nèi)多次發(fā)生規(guī)律性的壓力異常時，巡檢人員有理由懷疑該站點(diǎn)附近可能發(fā)生消防用水偷盜的情況，在發(fā)生異常數(shù)值站點(diǎn)附近加強(qiáng)巡檢，防止非法用水等濫用現(xiàn)象的發(fā)生，化被動為主動，防患于未然。

3 結(jié)論與建議

目前，計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程消火栓監(jiān)控管理系統(tǒng)還只應(yīng)用在壓力信息監(jiān)控方面，在今后日常供水工作中根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將會拓展新的應(yīng)用功能。如流量、流速、水質(zhì)等重要數(shù)據(jù)的采集以及將目前在線儀表水質(zhì)數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)一整合上傳，通過對所采集重要數(shù)據(jù)的綜合分析，對區(qū)域消火栓管道乃至供水管網(wǎng)建立詳細(xì)和完整的GIS 系統(tǒng)及實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控，以信息化手段進(jìn)一步加強(qiáng)供水管網(wǎng)管理的科學(xué)化，強(qiáng)化維護(hù)養(yǎng)護(hù)的及時性和針對性，并減少非計(jì)量使用消火栓，控制并嚴(yán)禁非法偷用，達(dá)到減少漏損控制供水管網(wǎng)產(chǎn)銷差，并確實(shí)保證消火栓的狀態(tài)完好，為城市安全運(yùn)行提供可靠的供水保障。同時，該系統(tǒng)安裝簡單、無需使用市電等市政配套設(shè)施、建設(shè)成本較低，建議在城市配水系統(tǒng)上推廣使用，為優(yōu)質(zhì)供水提供信息化保障。

［1］低功耗自來水管網(wǎng)壓力無線實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)——GPRS 數(shù)據(jù)采集設(shè)備與人機(jī)界面設(shè)備的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36(2):12-13.

［2］林雨陽.城市供水管網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與監(jiān)測點(diǎn)的優(yōu)化布置［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2013.