城市供水管網(wǎng)信息化管理體系的構(gòu)建及應(yīng)用

王遙

摘要：本文分析了供水管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)的理論構(gòu)建框架，并對設(shè)施層、感知層、傳輸層、處理層及平臺層等各層級應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)通訊、大數(shù)據(jù)分析和模型預(yù)測等信息化新技術(shù)進行闡述，總結(jié)了該系統(tǒng)在供水管網(wǎng)日常運維中的應(yīng)用以及能夠解決的實際問題。旨在對現(xiàn)階段供水信息化管理領(lǐng)域的新技術(shù)和新理念進行探討，為供水管網(wǎng)的高效管理提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智慧水務(wù);供水管網(wǎng);信息化管理體系

引言：

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及通訊技術(shù)在供水系統(tǒng)管理領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)了供水行業(yè)“監(jiān)控、調(diào)度、資產(chǎn)、收費、客戶關(guān)系”等多維度一體化管理模式。因此，構(gòu)建供水系統(tǒng)信息化管理體系，有助于科學(xué)合理地整合有效資源，提高管理者決策科學(xué)性，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)低耗的供水理念，達到良好的經(jīng)濟效益和社會效益。分析了供水管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)的基本框架，闡述了應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、決策應(yīng)用各層級的信息化管理技術(shù)。探討了信息化管理體系在供水管網(wǎng)漏損監(jiān)測、優(yōu)化調(diào)度、水質(zhì)保障中的應(yīng)用，提出現(xiàn)階段制約信息化管理應(yīng)用推廣的因素及未來發(fā)展趨勢。

1供水管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)構(gòu)建

1.1基礎(chǔ)設(shè)施

設(shè)施層由供水管道網(wǎng)絡(luò)以及水泵、閥門等基礎(chǔ)設(shè)施組成，基礎(chǔ)設(shè)施是產(chǎn)生所需數(shù)據(jù)和信息的要素，這些數(shù)據(jù)和信息將被互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的軟件、硬件及設(shè)備進行收集、傳輸及處理分析，網(wǎng)絡(luò)儀器也可以通過分析產(chǎn)生新數(shù)據(jù)來預(yù)測系統(tǒng)運行狀況，指導(dǎo)物理設(shè)施的運行和維護。為方便管理和信息統(tǒng)計分析，近年來供水管網(wǎng)分區(qū)的技術(shù)理念應(yīng)運而生。區(qū)域計量分區(qū)是一種應(yīng)用于供水管網(wǎng)監(jiān)測和控制的管理概念，通過DMA可提高供水管網(wǎng)的管理效率。一個DMA分區(qū)指的是整個供水管網(wǎng)中，具有明顯永久性邊界的一個子系統(tǒng)。通過安裝、開閉閥門以及安裝流量計，可以將復(fù)雜的供水管網(wǎng)劃分成幾個獨立計量的區(qū)域，從而實現(xiàn)各個區(qū)域內(nèi)流量獨立監(jiān)控，分析各個子區(qū)域內(nèi)流量變化歷史數(shù)據(jù)可實現(xiàn)管網(wǎng)漏損狀況的評估，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某區(qū)域存在漏損時及時反饋，再使用相應(yīng)的漏損監(jiān)測技術(shù)確定漏損點。DMA理念的應(yīng)用使得傳統(tǒng)的被動檢漏模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃庸芾砟Ｊ?。同時DMA也有助于供水管網(wǎng)的壓力管理以及水質(zhì)監(jiān)控管理。隨著供水管網(wǎng)管理目標不斷提高，提出將DMA分區(qū)不斷細化成若干個子系統(tǒng)形成二級分區(qū)，管網(wǎng)分區(qū)級別越多則管理越精細。確定分區(qū)邊界是DMA的基礎(chǔ)，這對于一些規(guī)模較大、拓撲關(guān)系復(fù)雜的環(huán)狀管網(wǎng)而言是一項困難的任務(wù)，因此在初期DMA劃分通常是一個手動的經(jīng)驗過程。近年來，隨著研究的發(fā)展，提出了一些新型的DMA自動分區(qū)方法。早期的DMA自動分區(qū)是根據(jù)社區(qū)的模塊化指數(shù)，通過一些優(yōu)化算法進行;新型的DMA劃分則建立在以拓撲學(xué)為基礎(chǔ)的分區(qū)方法上。

1.2數(shù)據(jù)采集

傳感器網(wǎng)絡(luò)是一系列用于采集供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳感器，以及包括射頻識別、相機、M2M終端以及其他能從環(huán)境中采集數(shù)據(jù)的設(shè)備。RFID被廣泛應(yīng)用于WSN節(jié)點，可以通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，通常用于供水管網(wǎng)地下管線的快速定位。傳感器是一種檢測裝置，能將檢測到的信息轉(zhuǎn)化為電信號等其他形式的信號傳輸，通常應(yīng)用于采集供水管網(wǎng)的壓力、流量、噪聲等數(shù)據(jù)。水質(zhì)實時監(jiān)測是供水管網(wǎng)安全保障的重要環(huán)節(jié)，水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)集成了采樣、分析、記錄等過程，可對供水管網(wǎng)監(jiān)測點水質(zhì)信息進行實時采集。常規(guī)的在線監(jiān)測水質(zhì)指標有溫度、pH、溶解氧、電導(dǎo)率和濁度，除此之外余氯、金屬離子等指標也被納入在線監(jiān)測的范圍。根據(jù)監(jiān)測原理不同，在線檢測儀采用的分析方法包括化學(xué)法、分光光度法及生物法等。在線儀表采集管網(wǎng)水質(zhì)數(shù)據(jù)，并通過安裝在儀表上的無線傳輸模塊將信息傳遞到控制中心，實現(xiàn)了供水管網(wǎng)水質(zhì)數(shù)據(jù)的可視化。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一種結(jié)合衛(wèi)星及通訊的技術(shù)，根據(jù)GPS提供的坐標、坐標演變精度及方式的不同可以分為毫米級、厘米級、靜態(tài)、實時動態(tài)、實時差分等幾種設(shè)備分類和測量方式。利用GPS可準確測量供水管網(wǎng)中的管線、閥門、流量儀及水表等設(shè)施的坐標數(shù)據(jù)，該技術(shù)可為管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的搭建提供精準的位置信息。

1.3數(shù)據(jù)傳輸

將采集的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用云平臺需要利用通訊技術(shù)。根據(jù)傳輸范圍的差異可將常用通訊技術(shù)分為兩類，蜂窩技術(shù)如2G、3G、4G、5G以及全球移動通訊技術(shù)和GPRS技術(shù)都可應(yīng)用于長距離的數(shù)據(jù)傳輸。在供水管網(wǎng)的運維管理中GSM常被應(yīng)用于在線監(jiān)控系統(tǒng)的報警，而GPRS常用于監(jiān)控設(shè)備采集數(shù)據(jù)的傳輸，但GSM和GPRS技術(shù)所需的能耗較高，因此不能靈活地運用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。NB-IOT技術(shù)是一種基于LTE蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其具有傳輸距離長、海量連接、功耗和成本較低的優(yōu)勢，適用于環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和抄表數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)鹊退倩ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。一些小范圍的數(shù)據(jù)傳輸通訊技術(shù)，如ZiGbee、LoRa等也被應(yīng)用于供水管網(wǎng)信息傳輸中，其優(yōu)點是傳輸過程能耗低、速度快且安全性高，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)連接就位，從傳感器捕獲的數(shù)據(jù)會發(fā)送至云平臺。

2城市供水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國的城市規(guī)模不斷擴大，這就對供水管網(wǎng)的建設(shè)提出了更高的要求，但由于部分城市的供水管網(wǎng)建設(shè)時間較早，在使用中存在著這樣那樣的問題，這就需要進行針對性的技術(shù)改造。下面對城市供水管網(wǎng)的現(xiàn)狀進行了簡單的分析。

（1）水壓不足。特別是在部分老城區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)時間比較早，目前來看，當(dāng)時的設(shè)計已滿足不了現(xiàn)實的需要，存在管徑小等問題，再加上經(jīng)過多年的運行后，普遍出現(xiàn)了結(jié)垢、沉積等情況，這些都會引發(fā)水壓不足，尤其是在供水的高峰時段，這一現(xiàn)象尤為明顯。

（2）水質(zhì)的二次污染。由于維護不到位，很多供水管網(wǎng)都出現(xiàn)了腐蝕、結(jié)垢等情況，使得通過其中的水資源遭遇二次污染，水質(zhì)變得非常差，嚴重影響到了人們的正常生活，甚至還會引發(fā)安全事故。

（3）存在較為嚴重的滲漏情況。由于管道的銹蝕，或多或少的會發(fā)生滲漏等問題，這不僅會造成水資源的浪費，使得供水成本大大增加，還會危害到經(jīng)過的各種建筑，甚至帶來無法預(yù)測的安全隱患。

（4）具有較高的事故發(fā)生率。一方面是管網(wǎng)的材質(zhì)不達標，另一方面是現(xiàn)有管網(wǎng)的運行時間較長，這些都會引發(fā)安全事故，比如管線爆裂、滲漏等，難以滿足安全供水的基本要求。

（5）樹狀供水管網(wǎng)存在缺陷。目前，國內(nèi)的很多地區(qū)都選擇的是樹狀的供水管網(wǎng)，其一般有著路徑短、成本低的優(yōu)勢，短期來看是比較合適的，但長期來看又存在著比較明顯的缺陷，就是在局部區(qū)域的改造施工時，會將原來的管材更改為塑料管，供水壓力不變，但總水量卻是增加的，這就會造成比較嚴重的浪費。在具體的運行階段，還會出現(xiàn)水量超標的現(xiàn)象，使得其他管線的供水發(fā)生短缺。此外，有些地區(qū)沒有對運行中的供水管網(wǎng)進行定期的維護、檢修，使其運行質(zhì)量有所下降，而隨著建設(shè)規(guī)模的持續(xù)擴大，最初建設(shè)的管道存在資料缺失的情況，這就進一步加大了維護、改造的難度。而且，在部分城市的建設(shè)過程中，未能及時的構(gòu)建專業(yè)化、標準化的供水管網(wǎng)管理制度，不管是人力還是物力的投入都比較少，這也影響到了供水管網(wǎng)的正常運行。

3供水管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)應(yīng)用

3.1漏損監(jiān)測

（1）基于DMA分區(qū)與漏損監(jiān)測儀的漏損監(jiān)測監(jiān)控

各DMA分區(qū)最小夜間流量的變化可用來分析區(qū)域內(nèi)的流量異常。MNF是指在一定時間間隔內(nèi)（如15min）最小的流量，其一般發(fā)生在2：00-5：00，此時用戶用水量最小，MNF中漏失水量占主要比例。因此，通過分析MNF變化可間接判斷漏失情況。MNF通常在一定范圍內(nèi)波動，當(dāng)其發(fā)生突然上升并持續(xù)數(shù)日超出制定的閾值時，則可能出現(xiàn)新增漏損點。傳統(tǒng)的MNF警戒閾值通過經(jīng)驗法估算夜間合法用水量或通過夜間最小流量與日用水量的比值進行漏損估算，但傳統(tǒng)方法設(shè)立的警戒閾值誤差較大，可用數(shù)據(jù)模型對流量數(shù)據(jù)進行處理來消除數(shù)據(jù)的隨機波動帶來的誤判。移動平均隔差法可降低數(shù)據(jù)的波動性使數(shù)據(jù)趨于平滑;灰色預(yù)測模型可實現(xiàn)少量原始數(shù)據(jù)的處理，減弱原始數(shù)據(jù)的波動性，并通過對新生成序列進行深入研究，挖掘原始數(shù)據(jù)進行預(yù)測。通過上述對采集的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理可提高管網(wǎng)漏損預(yù)測的精度。

（2）基于數(shù)學(xué)模型的漏損監(jiān)測

通過實時監(jiān)控的壓力和流量數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，可以快速地診斷漏損發(fā)生點位。檢測供水管道內(nèi)水壓及變化量，進而推導(dǎo)出管網(wǎng)運行中流量變化與壓力變化的方程，可用來分析漏水點位置、漏水量之間的關(guān)系，從而達到定位漏損管段的目的?；诠芫W(wǎng)瞬態(tài)分析，認為管段發(fā)生破壞就會出現(xiàn)瞬時壓力波動，壓力波動會傳遞至最近的幾個壓力檢測點，可根據(jù)傳播路徑產(chǎn)生的時間差來診斷漏損點位，但由于管網(wǎng)節(jié)點數(shù)遠大于測壓點數(shù)，路徑難以確定，因此該方法的應(yīng)用在復(fù)雜的實際管網(wǎng)中缺少應(yīng)用?？山柚鷦討B(tài)水力模型模擬計算的壓力值與在線測壓點觀測值進行優(yōu)化計算，尋找理論漏損點，但該法受限于水力模型的誤差、傳感器的數(shù)量和配置及傳感遙測數(shù)據(jù)的精確性和可靠性。

3.2優(yōu)化調(diào)度

供水優(yōu)化調(diào)度的目的是通過優(yōu)化凈水廠出水壓力和流量，對水資源進行合理分配，從而降低供水過程運行能耗?？茖W(xué)的優(yōu)化調(diào)度方式可以在保證城市供水需求的情況下，通過合理設(shè)置增壓及減壓點或水泵的優(yōu)化調(diào)度方案達到綠色低耗減少漏損的目標。供水優(yōu)化調(diào)度模型的建立由決策變量、目標函數(shù)及約束條件組成。決策變量指輸入的變量數(shù)據(jù)，目標函數(shù)指優(yōu)化目標如泵站用電成本、總功率、制水總成本等，約束條件是指運行時需要滿足的條件。供水優(yōu)化調(diào)度模型可通過遺傳算法等計算機算法進行求解。優(yōu)化調(diào)度模型分為直接優(yōu)化調(diào)度模型和二級優(yōu)化調(diào)度模型，對于以水泵能耗為目標函數(shù)的優(yōu)化模型，直接優(yōu)化調(diào)度模型的決策變量為水泵的開停狀態(tài)，只對水泵開停的型號、臺數(shù)和開停時間進行優(yōu)化;二級優(yōu)化調(diào)度模型以水泵出口壓力及流量、清水池水位為中間變量，該模型優(yōu)化精度高速度快，優(yōu)化結(jié)果準確。

結(jié)束語：

信息化智慧管理系統(tǒng)能實現(xiàn)供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸、存儲、分析以及管理決策輔助，其應(yīng)用提高了供水管網(wǎng)運行維護效率及管理決策的科學(xué)性，實現(xiàn)了綠色低耗的管理目標。但國內(nèi)關(guān)于信息化管理技術(shù)的應(yīng)用尚未廣泛開展，一方面相關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水務(wù)、環(huán)保行業(yè)的應(yīng)用未完全開發(fā)，例如數(shù)據(jù)庫構(gòu)建基礎(chǔ)不完善導(dǎo)致數(shù)據(jù)不精準不及時、各模塊之間數(shù)據(jù)沒有形成連通等，致使系統(tǒng)在運行時存在數(shù)據(jù)不完善以及數(shù)據(jù)孤島問題存在。另一方面，一些先進的信息化管理技術(shù)諸如數(shù)學(xué)模型、計算機算法的應(yīng)用缺少在實際復(fù)雜管網(wǎng)中的應(yīng)用實例，以及一些軟件的應(yīng)用使用與維護成本較高。因此，開展信息化系統(tǒng)在實際管網(wǎng)中的應(yīng)用研究，建立標準化的信息化管理體系，規(guī)范管理人員工作章程是供水行業(yè)未來發(fā)展方向。

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