物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在節(jié)水建設(shè)項目的應(yīng)用

馬劍波， 董 舒

(江蘇省秦淮河水利工程管理處， 江蘇 南京 210022)

中國特色社會主義進入新時代，更加注重經(jīng)濟社會與資源環(huán)境承載能力協(xié)調(diào)發(fā)展，對水安全保障提出了更高要求。黨的十九大報告中提出實施國家節(jié)水行動，將節(jié)約用水作為解決水資源短缺和改善水生態(tài)環(huán)境的重要舉措，我國節(jié)水工作面臨新的形勢和更高要求[1-3]。

當(dāng)前基于物聯(lián)網(wǎng)與模糊控制技術(shù)，設(shè)計了一種智能系統(tǒng)，結(jié)合節(jié)水機關(guān)創(chuàng)建實際需求，以傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)(即技術(shù)感知層、傳輸層和應(yīng)用層)為主體，融合無線通訊技術(shù)、傳感監(jiān)測技術(shù)以及人工智能，基于大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)，打造物聯(lián)網(wǎng)+智慧節(jié)水監(jiān)管平臺，實現(xiàn)微觀向宏觀、局部向整體、技術(shù)向制度的轉(zhuǎn)變。

1 節(jié)水理論與技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)是一種綜合型技術(shù)，涉及計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、地理信息技術(shù)和通信技術(shù)等，具有互聯(lián)性、感知性和智能性等特點[4]?；ヂ?lián)性主要體現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用上 ，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心，物聯(lián)網(wǎng)將有線和無線網(wǎng)絡(luò)同互聯(lián)網(wǎng)進行了有效結(jié)合，把所需要的信息通過網(wǎng)絡(luò)進行及時傳輸；感知性主要體現(xiàn)在傳感設(shè)備的應(yīng)用方面 ；物聯(lián)網(wǎng)具有智能處理和智能控制的能力，將傳感器和計算機實現(xiàn)連接，不僅將智能控制與傳感器進行結(jié)合，還運用了多種先進的技術(shù)[5]。

1.2 利用智能水表計量消耗量

目前的智能水表(圖1)，采用多種傳感設(shè)備(可實時測量單次用水量、單次用水時間、用水頻率、水壓等)，搭載無線通信模塊，使用ZigBee組網(wǎng)，對用水狀態(tài)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器進行用水?dāng)?shù)據(jù)分析處理；可以給水表配備高性能單片機實現(xiàn)邊緣計算數(shù)據(jù)分析，將結(jié)果傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

圖1 智能水表示意圖

1.3 水平衡與漏損分析

采用水平衡實時監(jiān)測技術(shù)，分析管道漏損風(fēng)險[6](圖2)：在進、出水管道分別安裝智能傳感器，用于測量管道水壓、進出水流速、進出水量等參數(shù)。每日用水量位于一定范圍內(nèi)，如果某日總進水量和每日消耗均值與總出水量的總和數(shù)據(jù)存在較大差異時，通過對水壓數(shù)據(jù)和流速數(shù)據(jù)的分析，即可快速判斷水平衡狀態(tài)是否正常，若水平衡出現(xiàn)異常，可通過傳感器的定位，快速鎖定出現(xiàn)異常的管道方位與編號，便于。同時對每日水狀態(tài)數(shù)據(jù)和用水?dāng)?shù)據(jù)進行挖掘分析，實現(xiàn)對管道漏損進行預(yù)測，防患于未然。

圖2 漏損分析示意圖

1.4 非常規(guī)水回收再利用系統(tǒng)運行監(jiān)測

非常規(guī)水指區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的地表水、地下水的水資源，主要有雨水、再生水(經(jīng)過再生處理的污水和廢水)等。對雨水、洗菜廢水、空調(diào)冷凝水以及洗手盆廢水均設(shè)有回收系統(tǒng)，經(jīng)專用管路流入專用回收池，再經(jīng)過砂石粗濾、微生態(tài)濾床處理，用于綠化噴灌以及衛(wèi)生間沖廁這類水質(zhì)要求較低的用水項目。其中，微生態(tài)濾床借助“人工濕地生態(tài)工程學(xué)”的原理，利用雙生物床進行自然過濾處理：一是利用水生植物吸收非常規(guī)水中含有的有機和無機雜質(zhì)；二是利用微生態(tài)基層介質(zhì)中生長的環(huán)境微生物，進一步降解可溶性物質(zhì)和吸附細(xì)碎固形物。

非常規(guī)水回收再利用系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對運行裝置的實時監(jiān)測：非常規(guī)水的補水情況、水泵的運行情況、水質(zhì)檢測、故障檢測等。當(dāng)非常規(guī)水無法滿足需求時，可利用自來水或河湖水源進行調(diào)劑；當(dāng)非常規(guī)水超出回收池蓄水容量時，需將處理后的非常態(tài)水引入排水管道(圖3)。

圖3 非常態(tài)水回收再利用系統(tǒng)

2 節(jié)水監(jiān)管平臺系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

節(jié)水監(jiān)管平臺以傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)為基礎(chǔ)(圖4)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程用水檢測、分析、統(tǒng)計和漏損報警等功能，同時還實時檢測非常規(guī)水生態(tài)過濾系統(tǒng)裝置運行情況。

圖4 智慧節(jié)水監(jiān)管平臺示意圖

感知層：感知層是物理網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集端。利用各類傳感器采集被測量對象(如水壓、水速、水量等)的模擬信號，并進行數(shù)字化處理，便于傳輸與處理。通過在給水管網(wǎng)中安裝多級計量表具，形成多級核算體系，實現(xiàn)給水管網(wǎng)的水平衡狀態(tài)監(jiān)測；在線監(jiān)測裝置各項參數(shù)，保障回收系統(tǒng)安全高效運行。

傳輸層：傳輸層是物聯(lián)網(wǎng)的中間環(huán)節(jié)，主要用于將感知層采集數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器。通過ZigBee組網(wǎng)，可以將眾多傳感采集的數(shù)據(jù)匯總至智能水表；漏損分析中，NB-IOT或者4G等無線通信技術(shù)是將智能水表的數(shù)據(jù)上傳至云端處理的關(guān)鍵保證；非常規(guī)水回收再利用系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸層是系統(tǒng)運行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能重要的一環(huán)。

應(yīng)用層：應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的頂層，分為3個部分：應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器和管理終端，分別進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和操作終端。通過數(shù)字化、智能化和可視化的方式，將傳統(tǒng)節(jié)水管理從模糊概念變成清晰數(shù)據(jù)，為管理人員提供更便捷、更科學(xué)的決策支持。系統(tǒng)平臺功能細(xì)化并劃分歸納見表1。

表1 系統(tǒng)平臺功能

(續(xù)表1)

2.2 網(wǎng)絡(luò)感知與控制層對用水情況進行獲取

網(wǎng)絡(luò)感知與控制層通過信息數(shù)據(jù)對系統(tǒng)用水實現(xiàn)量化分析，在監(jiān)測的控制區(qū)各個角落都分布有傳感信息的節(jié)點，可定時對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的用水情況進行監(jiān)測，并把采集的信息在節(jié)點進行初步處理，然后向數(shù)據(jù)的傳輸層傳遞[7]。對系統(tǒng)需水的信息感知和獲取可以通過取樣測試法、定位測定法和遙感技術(shù)等實現(xiàn)。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸層對獲取的取用水信息進行傳輸

數(shù)據(jù)傳輸層將從節(jié)點匯聚而來的用水信息數(shù)據(jù)，借助無線通信向網(wǎng)關(guān)傳送，并將路由協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議進行結(jié)合，把信息數(shù)據(jù)安全地向控制中心傳輸。由于節(jié)水信息的獲取時效性要求并不高，因而在傳輸中存在延時并不會對節(jié)水建設(shè)很大影響。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在節(jié)水建設(shè)項目的通信技術(shù)有多種，主要有 ZigBee 通信技術(shù)、分組無線的服務(wù)技術(shù)(GPRS)、無線局域網(wǎng)以及藍(lán)牙等。

2.4 數(shù)據(jù)終端處理層對節(jié)水的決策進行制定

數(shù)據(jù)終端的處理層就是傳輸信息終端和控制終端。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測中心處理收集的用水信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)向監(jiān)控平臺進行傳輸，這時用戶就根據(jù)獲得的實際用水信息數(shù)據(jù)以及決策信息控制節(jié)水設(shè)備開啟命令。同時，相應(yīng)控制終端將采集、傳輸來的信息數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中進行存儲，此時想了解具體節(jié)水項目的用水參數(shù)，就可以通過數(shù)據(jù)庫提取信息。另外，為了便于數(shù)據(jù)的讀取，控制終端還要設(shè)計出可顯示的界面，使人們能夠更直觀地進行操作和管理[8-9]。

3 總 結(jié)

針對當(dāng)前的社會需求，實現(xiàn)有效節(jié)水，開發(fā)了節(jié)水監(jiān)管平臺系統(tǒng)。通過大量的在線數(shù)據(jù)、可視化的用水網(wǎng)絡(luò)及有效的管理機制，建立健全了巡回檢查、設(shè)備維護、用水計量、漏損評估等用水管理制度，提供了節(jié)水計劃和年度用水計劃，加強目標(biāo)責(zé)任管理和考核的基礎(chǔ)依據(jù)，實現(xiàn)了科學(xué)管理、精細(xì)管理和高效管理。