基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村供水運行與檢測技術(shù)研究

張恒飛，成雪夫，田 昊，梅林輝

(長江信達軟件技術(shù)(武漢)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

我國農(nóng)村人口比例較大，廣大農(nóng)村地區(qū)相對落后。新中國成立以來，特別是改革開放以來，我國高度重視農(nóng)村飲水工程建設(shè)，并不斷增加投入，先后開展了農(nóng)村飲水生命工程、解困工程、鞏固提升工程。至2018年底，共建成1100多萬處供水工程，服務(wù)9.4億農(nóng)村人口，改善了農(nóng)村群眾生活衛(wèi)生條件，提高了健康水平和生活質(zhì)量。然而，農(nóng)村供水工程點多面廣線長，傳統(tǒng)的自動化監(jiān)控手段難以實施，供水運維難度大，問題不易發(fā)現(xiàn)，造成跑冒滴漏嚴重、管理成本高、供水保障率差、群眾意見大等問題仍然較為普遍[1]。

1 國內(nèi)外研究進展

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，在灌溉和人飲等領(lǐng)域大量應(yīng)用[2- 4]。在農(nóng)村供水信息化方面，隴通輸水東干農(nóng)村供水工程安全監(jiān)測及遠程控制系統(tǒng)通過無線傳輸技術(shù)對系統(tǒng)輸配水管道壓力、流量情況進行監(jiān)測，實現(xiàn)管道自動化管理[5]；馬月坤等為了對農(nóng)村供水管網(wǎng)進行有效布設(shè)和對供水管網(wǎng)資源進行優(yōu)化配置，使其能夠快速預(yù)警響應(yīng)和高效處置[6]；紹興市借助智慧管網(wǎng)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的平臺，應(yīng)用分區(qū)計量、夜間小流量分析、管網(wǎng)局部改造等多種措施，有效控制了農(nóng)村供水管網(wǎng)的漏損率[7]。

在漏損檢測方面，Brunon[8]證實了基于水力瞬變流理論分析長距離輸水管道管網(wǎng)漏失的可靠性和有效性。Vitkovsky[9]等人在管道系統(tǒng)水力模型基礎(chǔ)上，加入了遺傳算法，利用壓力預(yù)測與實測殘差最小值計算漏失量變化。Nixon[10]等人提出基于水力瞬變流理論僅適用于簡單系統(tǒng)中微小振幅波動情況下的管網(wǎng)漏失分析。同時，由于計算度較為復(fù)雜，水力瞬變流理論尚無用于農(nóng)村供水管網(wǎng)的案例。

2 全鏈條覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控體系

農(nóng)村供水自動化測控體系利用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合計量設(shè)備、管道壓力傳感設(shè)備、水位計、水質(zhì)傳感器、視頻監(jiān)控等，實現(xiàn)從水源到龍頭供水全生命周期的自動化安全運行，各級泵站實現(xiàn)自動化調(diào)度和無人值守，管網(wǎng)自動化監(jiān)測，用水實時計量。自動化測控體系包括水源地監(jiān)控、水廠監(jiān)控、泵站監(jiān)控、調(diào)蓄水池監(jiān)控、管網(wǎng)監(jiān)控、入戶監(jiān)控等部分。

(1)水源地監(jiān)控。在水庫、截潛等各類型水源地建設(shè)水質(zhì)監(jiān)測和視頻監(jiān)控設(shè)備。水質(zhì)監(jiān)測包括余氯、濁度、pH值、水溫、電導(dǎo)率等指標。

(2)水廠監(jiān)控。水廠監(jiān)控實現(xiàn)工藝及水處理系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、水泵、機電設(shè)備的智能監(jiān)控。監(jiān)控指標包括取水流量、管道壓力、管道流量、閥門開度、水池水位、水質(zhì)監(jiān)測、機組運行狀態(tài)、視頻監(jiān)控等。水廠出廠水在線監(jiān)測余氯、濁度、pH值、水溫、電導(dǎo)率指標。

(3)泵站監(jiān)控。泵站監(jiān)控實現(xiàn)泵站機組、高低位水池、供水閥門等設(shè)備的監(jiān)測控制，實現(xiàn)泵站智能聯(lián)合調(diào)度運行，達到無人值守的目標。泵站監(jiān)控指標包括泵站機組運行狀態(tài)、管道壓力、累計流量、高低位水池水位、閥門開關(guān)狀態(tài)、電池電量、信號強度、視頻監(jiān)控等。

(4)調(diào)蓄水池監(jiān)控。調(diào)蓄水池監(jiān)控指標包括水池水位、供水閥門開關(guān)狀態(tài)、電池電量、信號強度、視頻監(jiān)控等。

(5)管網(wǎng)監(jiān)控。管網(wǎng)監(jiān)控體系監(jiān)測管網(wǎng)壓力、流量等數(shù)據(jù)，并對采集數(shù)據(jù)進行分析，以支持管網(wǎng)跑冒爆管監(jiān)測、管道日常巡查維修等業(yè)務(wù)功能。管網(wǎng)監(jiān)控指標包括管道壓力、累計流量、電池電量、信號強度等。

(6)入戶監(jiān)控。人飲工程入戶監(jiān)控采用無線遠傳水表，實現(xiàn)用水量記錄及存儲、電子顯示及遠程抄表，并按照約定用水量進行開關(guān)控制。入戶監(jiān)控監(jiān)測指標包括水表當(dāng)前讀數(shù)、水表閥門狀態(tài)、電池電量、信號強度等。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化運行控制

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)村供水測控體系，其自動化運行控制需克服監(jiān)測采集設(shè)備分散的問題，必須依靠強大的物聯(lián)網(wǎng)平臺作為中樞。例如，泵站與水池自動化運行控制是農(nóng)村供水管網(wǎng)自動化運行的基本單元，其中前池和泵站在同一個位置，而高位水池位于遠處高位。泵站前池進水閥和機組通過前池和高位水池的液位來控制啟停，并通過水管道壓力、流量實現(xiàn)水泵的自動化保護和報警?；谖锫?lián)網(wǎng)的農(nóng)村供水測控體系中，利用物聯(lián)網(wǎng)平臺來解決前池泵站與高位水池采集控制設(shè)備在物理上隔離的問題。

圖1為泵站水池采集控制示意圖，可見低位蓄水池與水泵在空間位置上鄰近，可共用物聯(lián)網(wǎng)采集控制設(shè)備，而高位水池由于空間位置上相隔較遠，無法共用物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備。為了保證供水及時且安全，主要控制邏輯見表1。

圖1 泵站水池采集控制示意圖

表1 泵站水池主要控制邏輯

4 基于中短期數(shù)據(jù)的運行狀態(tài)檢測

管網(wǎng)運行監(jiān)測數(shù)據(jù)整編的對象主要包括管網(wǎng)累計流量、管道壓力、蓄水池水位等。由于廣大農(nóng)村地區(qū)信號不穩(wěn)，造成物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)易出現(xiàn)確失。管網(wǎng)運行監(jiān)測數(shù)據(jù)是典型的時間序列數(shù)據(jù)，利用較小階數(shù)的滑動平均法能夠較好的對缺失數(shù)據(jù)進行插補。

滑動平均法(moving average)通過順序逐期增減新舊數(shù)據(jù)求算移動平均值，獲得時間序列數(shù)據(jù)的變化趨勢，并據(jù)此進行預(yù)測。

(1)

在插補整編數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，同樣利用滑動平均法，結(jié)合滑動窗口內(nèi)殘差的絕對值損失中位數(shù)及標準差，確定正常值的上下限，以此實現(xiàn)運行狀態(tài)的檢測。

(2)

實驗中，取采集間隔為15min的某節(jié)點流量值，設(shè)定a=1.5，滑動窗口范圍分別為4、16、48、96，即1、4、12、24h，結(jié)果如圖2所示。

圖2 滑動平均檢測結(jié)果(窗口范圍=4、16、48、96)

對比其檢測效果可以發(fā)現(xiàn)，較小的滑動窗口對于噪聲更加敏感，但對于由爆管可能引起的長時間大流量漏損呈現(xiàn)時間較短。而較大的滑動窗口對于噪聲敏感度較低，對大流量漏損呈現(xiàn)時間較長，更利于發(fā)現(xiàn)實際性問題，降低誤報概率。

5 全過程管控的信息化管理平臺

基于物聯(lián)網(wǎng)測控體系，建設(shè)管理平臺，挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)涵，保證物聯(lián)網(wǎng)測控體系能力充分發(fā)揮。信息化管理平臺圍繞農(nóng)村供水運維市級需求，實現(xiàn)供水自動化監(jiān)控管理、水費計收、工程管理、物資管理、節(jié)水用水管理等全過程管控。將監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)信息與電子地圖結(jié)合，直觀展示人飲供水、工程運行、收費反饋等形勢，形成人飲一張圖；聚合各類信息，建設(shè)按不同層級用戶分別展示的人飲門戶；通過移動APP，實現(xiàn)人飲智慧移動管理的全覆蓋。

工程運維管理模塊能直觀地獲取設(shè)備的運行狀態(tài)、養(yǎng)護信息和維修信息，能夠快速發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的隱患或者故障，發(fā)出預(yù)警信息給運維人員和管理人員，推動其進行相應(yīng)的應(yīng)急維護或定期養(yǎng)護操作。同時，能夠記錄運維管理人員對工程及自動化設(shè)備的巡檢情況和檢查結(jié)果，實現(xiàn)人飲工程運行維護的電子化和信息化管理。通過高水平的自動化測控體系和信息化管理系統(tǒng)的建設(shè)，加強管網(wǎng)運行狀態(tài)的預(yù)測預(yù)警能力，減少供水系統(tǒng)故障發(fā)生率；在發(fā)生故障的情況下，可迅速診斷定位并響應(yīng)處置，減少供水中斷時間；在對管網(wǎng)及建筑物進行常規(guī)檢修養(yǎng)護之前，可合理安排儲水，避免供水中斷，從而提升本地區(qū)的供水保障率。在水源地、干管、支管到入戶的全線精準計量基礎(chǔ)上，通過厘清管線拓撲結(jié)構(gòu)，分級、分區(qū)計算水量損失，動態(tài)掌握局部及整體管網(wǎng)水損情況，對爆管等異常報警，提升水資源利用效率。

水費計收模塊實現(xiàn)系統(tǒng)遠程抄表，提供信息公布的網(wǎng)絡(luò)平臺和短信推送服務(wù)，并能支持IC卡水費預(yù)交、微信公眾號等多種繳費方式，能夠統(tǒng)計分析用水量、用水異常情況、水費收繳情況等信息。在精準計量和遠程控制的基礎(chǔ)上，通過在PC端和移動端部署該模塊，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)智能水表的價值，提高管理人員對水費征收情況的統(tǒng)籌掌握，并在方便群眾水費繳納的同時，做到用水、收費信息公開透明。

6 結(jié)語

本文針對農(nóng)村供水點多面廣線長、供水保障率低、運行服務(wù)困難、漏損難于發(fā)現(xiàn)等問題，提出運用全覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控作為解決問題的基礎(chǔ)，給出適用于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控特點的基本單元自動化運行控制策略。本文提出的基于中短期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行檢測預(yù)警的方法，能夠有效應(yīng)對農(nóng)村用水的季節(jié)性變化；相對自回歸滑動平均、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等算法，計算復(fù)雜度低、耗時短，具有較高實用價值。本文提出的解決方案已經(jīng)在彭陽縣“互聯(lián)網(wǎng)+城鄉(xiāng)供水”中實施，大幅提高了供水保障率，實現(xiàn)了農(nóng)村供水運維工作“降本、減員、增效”。