基于末端無線智能壓力監(jiān)測技術在供水系統(tǒng)中的應用

厲澤輝LI Ze-hui

（杭州文拓智能科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

供水系統(tǒng)是城市基礎設施的關鍵組成部分，旨在滿足居民、商業(yè)和工業(yè)的日常用水需求。供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性也受到多重因素的影響，主要涵蓋了城市人口的增長、城市化進程的加速、水資源的可持續(xù)性以及現(xiàn)代技術的應用。隨著城市化的推進，人口不斷膨脹，對供水系統(tǒng)提出了更高質量、更穩(wěn)定供水的要求。

供水系統(tǒng)作為現(xiàn)代城市基礎設施的重要組成部分，其管道壓力問題在供水系統(tǒng)的運行中至關重要，管道壓力直接影響水的順利輸送、合理分配以及最終用戶的用水體驗[1]。因此，維護合適的管道壓力對于保障供水系統(tǒng)的正常運行和居民生活的舒適體驗具有重要意義。

供水系統(tǒng)在快速城市化、不斷增長的人口壓力下，必須充分考慮水資源的可持續(xù)性，借助現(xiàn)代技術的創(chuàng)新，同時關注管道壓力的合理調控，以確保城市居民持續(xù)享受到穩(wěn)定、高質量的供水服務，促進城市可持續(xù)發(fā)展。

目前，小區(qū)供水多數(shù)采用恒壓控制模式，即通過PID算法調節(jié)泵出口壓力為恒定保持不變。該控制模式僅能適應小區(qū)用水波動不大且水管網(wǎng)路壓降接近的情況下具有較好的用水體驗，但是，實際生活中小區(qū)內的水管網(wǎng)路各異，并用水具有分時段特性，造成低用水量時，管網(wǎng)上存在壓力富裕，不但造成能量浪費，更會增加管道運營風險與漏損，高用水量時，管網(wǎng)上壓力偏低，造成高層用戶水量偏小。

本文針對傳統(tǒng)供水缺乏狀態(tài)預測功能，依托大數(shù)據(jù)分析，采用末端壓力最優(yōu)為控制目標，并結合大數(shù)據(jù)分析，周期性調整泵房供水壓力的控制策略，降低了供水能耗，增加了管路安全，為節(jié)水、節(jié)能提供一種新的解決方案。

1 系統(tǒng)設計

供水系統(tǒng)遠程壓力調控策略是由數(shù)據(jù)中心根據(jù)水管管網(wǎng)末端壓力，結合歷史用水情況，綜合判斷，下發(fā)壓力控制策略到二次加壓泵站的水泵機組控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將以小時為最小單位調整策略。整個系統(tǒng)包括：無線智能壓力表，數(shù)據(jù)云平臺，無線智能終端[2]。供水系統(tǒng)管道壓力監(jiān)測與調控流程圖如圖1 所示。

圖1 供水系統(tǒng)管道壓力監(jiān)測與調控流程圖

2 無線智能壓力表

2.1 末端安裝

傳統(tǒng)的壓力傳感裝置通常通過有線傳輸數(shù)據(jù)或人工讀數(shù)的方式來實現(xiàn)，然而，由于電源供應或數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}，大多數(shù)傳感裝置被安裝在泵房或水源前端區(qū)域，這樣的布置方式在末端用水體驗和用水壓力監(jiān)測等方面存在一些局限性。為了確保最為準確的末端供水壓力監(jiān)測，需采用無線智能壓力表，直接安裝在供水管道的末端或者用水的最不利點，無線智能壓力表的應用不僅消除了傳統(tǒng)布線所帶來的復雜性，還能夠有效減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，從而提供了更加準確可靠的數(shù)據(jù)源。

2.2 實時壓力和溫度值監(jiān)測

實時壓力和溫度值監(jiān)測是通過內置的高精度壓力傳感器和溫度傳感器來實現(xiàn)的。精密傳感器具備高度準確捕捉供水管道末端壓力和溫度變化的能力，可捕捉微小的壓力波動，即便在供水系統(tǒng)高峰負荷或緊急情況下，也能準確記錄壓力變化，與之相輔相成的內置溫度傳感器則持續(xù)監(jiān)測管道內溫度變化，并即時將這些數(shù)值呈現(xiàn)出來，以確保供水過程中溫度的適宜性和穩(wěn)定性。

3 無線智能終端

無線智能終端作為供水系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)中樞，具有實時數(shù)據(jù)采集和接收、遠程控制和指令調整、數(shù)據(jù)處理與分析、異常監(jiān)測與警報觸發(fā)、數(shù)據(jù)存儲與歷史記錄以及報告生成與綜合信息展示等關鍵功能。它可以實時采集泵房內各設備的運行參數(shù)和數(shù)據(jù)，并將其傳輸至云平臺，確保數(shù)據(jù)的準確性和及時性。通過云平臺遠程控制和指令調整內部設備，通過控制水泵的啟停和出水流量調節(jié)，實現(xiàn)對供水系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和智能控制，提高水泵機組運行的靈活性和效率。

4 云平臺數(shù)據(jù)分析和遠程調控

4.1 歷史數(shù)據(jù)分析與關系模型功能

云平臺利用歷史數(shù)據(jù)分析，揭示供水系統(tǒng)中壓力與供水需求之間的潛在關系。通過大數(shù)據(jù)分析技術，識別不同時間段、用水量等因素對泵房出水壓力和用水末端壓力的影響，建立精確的關系模型，具體包括數(shù)據(jù)收集整理，預處理，特征提取，關系模型構建，驗證優(yōu)化，實際應用。云平臺通過從歷史數(shù)據(jù)中挖掘信息，實現(xiàn)準確的壓力與供水需求預測，為供水系統(tǒng)提供重要支持。

4.2 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與供水需求預測

云平臺結合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史關系模型，準確地預測當前的供水需求。通過實時監(jiān)測壓力和溫度的關鍵參數(shù)，能夠即時更新模型參數(shù)，更精確地應對供水需求的變動。此外，基于平臺的預測結果，下發(fā)指令給無線智能終端，可以實時調控供水策略，如水泵的操作和水壓調整，進一步確保供水的穩(wěn)定性并降低能源浪費。

4.3 智能調壓和供水控制

云平臺通過不斷監(jiān)測和收集末端用水壓力值和用水需求，實時下發(fā)指令到智能終端，調節(jié)泵房設備的工作狀態(tài)，以實現(xiàn)按時、按區(qū)、按需供水，保障用水末端用戶的用水體驗。

系統(tǒng)根據(jù)末端壓力值和用水需求的不同變化，自動控制泵房設備的啟停、調速和閥門開關等。當末端壓力值低于標準要求時，系統(tǒng)會自動啟動泵房設備或提高水泵運行速度，并根據(jù)需求調節(jié)水泵的運行速度或閥門的開關程度，以提高末端壓力。當末端壓力值超過標準要求時，系統(tǒng)會自動停止泵房設備的運行或降低水泵運行速度，以避免壓力過高。

同時，系統(tǒng)還可以根據(jù)用水需求的變化，自動調節(jié)泵房設備的工作狀態(tài)。當用水需求較大時，系統(tǒng)會增加泵房設備的運行速度或閥門的開關程度，以增加供水流量。當用水需求減少時，系統(tǒng)會降低泵房設備的運行速度或閥門的開關程度，以減少供水流量。這樣可以有效地提供符合用戶需求的用水量，避免過量供水或供水不足的問題。云平臺及控制系統(tǒng)應用功能結構如圖2 所示。

圖2 云平臺及控制系統(tǒng)應用功能結構圖

通過云平臺和供水控制系統(tǒng)的應用，可以實現(xiàn)用水的精確控制，提高供水的穩(wěn)定性和可靠性，減少供水波動對末端用戶的影響。同時，降低能耗和維護成本，提高供水系統(tǒng)的運行效率和經(jīng)濟性。

4.4 故障檢測和預警

故障檢測和預警系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析技術，對泵房設備的運行狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測和分析。無線智能終端會采集泵房設備的各種運行參數(shù)，如水泵的運行電流、電壓、溫度、振動等，并將這些數(shù)據(jù)實時上傳云平臺并進行實時分析和比對。

云平臺通過建立泵房設備的運行模型和故障特征庫，可以對設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并根據(jù)設備的工作特征和故障模式進行故障預測，一旦系統(tǒng)檢測到泵房設備出現(xiàn)異?；蚪咏收蠣顟B(tài)，會立即發(fā)出預警信號。

預警信息可以通過云平臺、手機APP、短信等方式發(fā)送給相關人員，包括維修人員、運維管理人員等，以便及時采取修復措施。相關人員可以根據(jù)預警信息了解到故障的具體情況，提前準備所需的備件和工具，并及時趕到現(xiàn)場進行維修，這樣可以最大程度地減少故障修復的時間，避免供水中斷和影響供水水質等問題的發(fā)生。

故障檢測和預警系統(tǒng)的應用可以提高泵房設備的可靠性和穩(wěn)定性，減少故障對供水系統(tǒng)的影響。同時，還可以降低維修成本和人力資源的浪費，提高運維效率和供水管理的水平。

4.5 爆管偵測

供水水管由于管道突發(fā)性爆管引起的壓力變化值ΔP可以用以下公式簡易估算：

式中：ΔP：為爆管引起的壓力變化值，單位Pa；ρ：為流體密度，單位kg/m3；u：為負壓波在管道內的傳播速度，單位m/s；vL：為爆管時管道流速，單位m/s；v0：為爆管前初始流速，單位m/s；g：為重力加速度，單位m/s2。

依據(jù)文獻[3]中的實驗數(shù)據(jù)，管道爆管后，其管道內壓力波在傳播中逐漸衰減，而最終的穩(wěn)態(tài)壓降明顯較小。采用0.1Hz 的采樣頻率，能測到過渡期壓降，測點間距需在250～500m 范圍。

本文采用的無線智能壓力表具備最小4S 的采樣周期，能對測點500m 以內的壓降過程進行有效檢測，同時無線智能壓力表具備壓力突變前后10 個采樣周期內的數(shù)據(jù)進行鎖存，數(shù)據(jù)打包，快速通過無線網(wǎng)絡發(fā)到數(shù)據(jù)平臺。

4.6 爆管控制策略

供水管網(wǎng)中爆管是一種常見事故。導致爆管的原因主要有幾種：①管道使用超過規(guī)定年限或沒有及時得到巡檢，引起管道破損，而導致管道爆管；②管道材質、生產工藝等因素無法承受溫差變化，導致管道或附屬設施斷裂，而引起爆管；③其他的一些人為原因。

小區(qū)供水系統(tǒng)的爆管事故發(fā)生后，不僅造成飲用水資源的大量流失，影響人們正常的生產和生活，情況嚴重時甚至危及其他的管線設施，如造成停電、中斷通訊等突發(fā)性事件。因此消除事故的對策，以及爆管后的搶修工作也不容忽視。減少搶修時間縮小停水范圍可將因爆管而造成的損失降為最小。

平臺根據(jù)無線智能壓力表檢測的異常數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)爆管數(shù)據(jù)模型進行比對、判斷，給出爆管預警。工作人員確定爆管信號后，平臺根據(jù)壓力數(shù)據(jù)，采用深度優(yōu)先的搜索算法進行爆管事故分析，獲取最優(yōu)關閥方案，該算法不僅能應用在單事故點，也能在供水管網(wǎng)系統(tǒng)同時出現(xiàn)多個事故點時給出最優(yōu)關閥方案。

平臺的該功能提供了爆管之后人力查閱圖紙的方法來確定搶修方案，不僅降低了工作量，提高準確性，而且縮短了搶修時間，減少了由此造成的經(jīng)濟損失，節(jié)約了水資源。

5 結果與分析

5.1 調控效果對比

根據(jù)某高校2023 年6 月18 日至19 日的供水歷史數(shù)據(jù)（如圖3、圖4），通過末端壓力優(yōu)化的模擬，比較與現(xiàn)有出口恒壓控制的數(shù)據(jù)對比，現(xiàn)有末端壓力優(yōu)化可以較好地保證末端壓力的平穩(wěn)度。

圖3 出口恒壓控制

圖4 末端壓力優(yōu)化控制

5.2 數(shù)據(jù)分析

從模擬結果可見，在滿足用戶用水的需求下，采用末端壓力優(yōu)化方法能夠較好地穩(wěn)定二次供水末端壓力，使用戶有更好的用水體驗，同時兼顧事故偵測和預警，減少事故發(fā)生及水資源浪費。特別是在高層小區(qū)的供水中，末端壓力優(yōu)化更具急迫性和實用性。