城市供水管網信息化管理體系的構建及應用

王遙

摘要：本文分析了供水管網信息化管理系統的理論構建框架，并對設施層、感知層、傳輸層、處理層及平臺層等各層級應用的傳感器網絡、互聯網通訊、大數據分析和模型預測等信息化新技術進行闡述，總結了該系統在供水管網日常運維中的應用以及能夠解決的實際問題。旨在對現階段供水信息化管理領域的新技術和新理念進行探討，為供水管網的高效管理提供理論基礎。

關鍵詞：智慧水務;供水管網;信息化管理體系

引言：

隨著現代信息化技術的快速發展，物聯網、大數據及通訊技術在供水系統管理領域得到越來越廣泛的應用，實現了供水行業“監控、調度、資產、收費、客戶關系”等多維度一體化管理模式。因此，構建供水系統信息化管理體系，有助于科學合理地整合有效資源，提高管理者決策科學性，實現優質低耗的供水理念，達到良好的經濟效益和社會效益。分析了供水管網信息化管理系統的基本框架，闡述了應用于基礎設施、數據采集、數據傳輸、數據處理、決策應用各層級的信息化管理技術。探討了信息化管理體系在供水管網漏損監測、優化調度、水質保障中的應用，提出現階段制約信息化管理應用推廣的因素及未來發展趨勢。

1供水管網信息化管理系統構建

1.1基礎設施

設施層由供水管道網絡以及水泵、閥門等基礎設施組成，基礎設施是產生所需數據和信息的要素，這些數據和信息將被互聯網相關的軟件、硬件及設備進行收集、傳輸及處理分析，網絡儀器也可以通過分析產生新數據來預測系統運行狀況，指導物理設施的運行和維護。為方便管理和信息統計分析，近年來供水管網分區的技術理念應運而生。區域計量分區是一種應用于供水管網監測和控制的管理概念，通過DMA可提高供水管網的管理效率。一個DMA分區指的是整個供水管網中，具有明顯永久性邊界的一個子系統。通過安裝、開閉閥門以及安裝流量計，可以將復雜的供水管網劃分成幾個獨立計量的區域，從而實現各個區域內流量獨立監控，分析各個子區域內流量變化歷史數據可實現管網漏損狀況的評估，當發現某區域存在漏損時及時反饋，再使用相應的漏損監測技術確定漏損點。DMA理念的應用使得傳統的被動檢漏模式轉變為主動管理模式。同時DMA也有助于供水管網的壓力管理以及水質監控管理。隨著供水管網管理目標不斷提高，提出將DMA分區不斷細化成若干個子系統形成二級分區，管網分區級別越多則管理越精細。確定分區邊界是DMA的基礎，這對于一些規模較大、拓撲關系復雜的環狀管網而言是一項困難的任務，因此在初期DMA劃分通常是一個手動的經驗過程。近年來，隨著研究的發展，提出了一些新型的DMA自動分區方法。早期的DMA自動分區是根據社區的模塊化指數，通過一些優化算法進行;新型的DMA劃分則建立在以拓撲學為基礎的分區方法上。

1.2數據采集

傳感器網絡是一系列用于采集供水管網數據的傳感器，以及包括射頻識別、相機、M2M終端以及其他能從環境中采集數據的設備。RFID被廣泛應用于WSN節點，可以通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，通常用于供水管網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化為電信號等其他形式的信號傳輸，通常應用于采集供水管網的壓力、流量、噪聲等數據。水質實時監測是供水管網安全保障的重要環節，水質在線監測系統集成了采樣、分析、記錄等過程，可對供水管網監測點水質信息進行實時采集。常規的在線監測水質指標有溫度、pH、溶解氧、電導率和濁度，除此之外余氯、金屬離子等指標也被納入在線監測的范圍。根據監測原理不同，在線檢測儀采用的分析方法包括化學法、分光光度法及生物法等。在線儀表采集管網水質數據，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，實現了供水管網水質數據的可視化。全球衛星定位系統是一種結合衛星及通訊的技術，根據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、實時動態、實時差分等幾種設備分類和測量方式。利用GPS可準確測量供水管網中的管線、閥門、流量儀及水表等設施的坐標數據，該技術可為管網地理信息系統的搭建提供精準的位置信息。

1.3數據傳輸

將采集的數據傳送到應用云平臺需要利用通訊技術。根據傳輸范圍的差異可將常用通訊技術分為兩類，蜂窩技術如2G、3G、4G、5G以及全球移動通訊技術和GPRS技術都可應用于長距離的數據傳輸。在供水管網的運維管理中GSM常被應用于在線監控系統的報警，而GPRS常用于監控設備采集數據的傳輸，但GSM和GPRS技術所需的能耗較高，因此不能靈活地運用于傳感器網絡。NB-IOT技術是一種基于LTE蜂窩移動網絡的窄帶物聯網技術，其具有傳輸距離長、海量連接、功耗和成本較低的優勢，適用于環境監測數據和抄表數據信息傳輸等低速互聯網應用領域。一些小范圍的數據傳輸通訊技術，如ZiGbee、LoRa等也被應用于供水管網信息傳輸中，其優點是傳輸過程能耗低、速度快且安全性高，當數據傳輸網絡連接就位，從傳感器捕獲的數據會發送至云平臺。

2城市供水管網現狀分析

隨著經濟社會的發展，我國的城市規模不斷擴大，這就對供水管網的建設提出了更高的要求，但由于部分城市的供水管網建設時間較早，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改造。下面對城市供水管網的現狀進行了簡單的分析。

（1）水壓不足。特別是在部分老城區，基礎設施的建設時間比較早，目前來看，當時的設計已滿足不了現實的需要，存在管徑小等問題，再加上經過多年的運行后，普遍出現了結垢、沉積等情況，這些都會引發水壓不足，尤其是在供水的高峰時段，這一現象尤為明顯。

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

（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，還會危害到經過的各種建筑，甚至帶來無法預測的安全隱患。

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

（5）樹狀供水管網存在缺陷。目前，國內的很多地區都選擇的是樹狀的供水管網，其一般有著路徑短、成本低的優勢，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，還會出現水量超標的現象，使得其他管線的供水發生短缺。此外，有些地區沒有對運行中的供水管網進行定期的維護、檢修，使其運行質量有所下降，而隨著建設規模的持續擴大，最初建設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，在部分城市的建設過程中，未能及時的構建專業化、標準化的供水管網管理制度，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的正常運行。

3供水管網信息化管理系統應用

3.1漏損監測

（1）基于DMA分區與漏損監測儀的漏損監測監控

各DMA分區最小夜間流量的變化可用來分析區域內的流量異常。MNF是指在一定時間間隔內（如15min）最小的流量，其一般發生在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通常在一定范圍內波動，當其發生突然上升并持續數日超出制定的閾值時，則可能出現新增漏損點。傳統的MNF警戒閾值通過經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，但傳統方法設立的警戒閾值誤差較大，可用數據模型對流量數據進行處理來消除數據的隨機波動帶來的誤判。移動平均隔差法可降低數據的波動性使數據趨于平滑;灰色預測模型可實現少量原始數據的處理，減弱原始數據的波動性，并通過對新生成序列進行深入研究，挖掘原始數據進行預測。通過上述對采集的原始數據進行預處理可提高管網漏損預測的精度。

（2）基于數學模型的漏損監測

通過實時監控的壓力和流量數據建立數學模型，可以快速地診斷漏損發生點位。檢測供水管道內水壓及變化量，進而推導出管網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、漏水量之間的關系，從而達到定位漏損管段的目的?；诠芫W瞬態分析，認為管段發生破壞就會出現瞬時壓力波動，壓力波動會傳遞至最近的幾個壓力檢測點，可根據傳播路徑產生的時間差來診斷漏損點位，但由于管網節點數遠大于測壓點數，路徑難以確定，因此該方法的應用在復雜的實際管網中缺少應用?？山柚鷦討B水力模型模擬計算的壓力值與在線測壓點觀測值進行優化計算，尋找理論漏損點，但該法受限于水力模型的誤差、傳感器的數量和配置及傳感遙測數據的精確性和可靠性。

3.2優化調度

供水優化調度的目的是通過優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的優化調度方式可以在保證城市供水需求的情況下，通過合理設置增壓及減壓點或水泵的優化調度方案達到綠色低耗減少漏損的目標。供水優化調度模型的建立由決策變量、目標函數及約束條件組成。決策變量指輸入的變量數據，目標函數指優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。供水優化調度模型可通過遺傳算法等計算機算法進行求解。優化調度模型分為直接優化調度模型和二級優化調度模型，對于以水泵能耗為目標函數的優化模型，直接優化調度模型的決策變量為水泵的開停狀態，只對水泵開停的型號、臺數和開停時間進行優化;二級優化調度模型以水泵出口壓力及流量、清水池水位為中間變量，該模型優化精度高速度快，優化結果準確。

結束語：

信息化智慧管理系統能實現供水管網數據信息的采集、傳輸、存儲、分析以及管理決策輔助，其應用提高了供水管網運行維護效率及管理決策的科學性，實現了綠色低耗的管理目標。但國內關于信息化管理技術的應用尚未廣泛開展，一方面相關的互聯網技術在水務、環保行業的應用未完全開發，例如數據庫構建基礎不完善導致數據不精準不及時、各模塊之間數據沒有形成連通等，致使系統在運行時存在數據不完善以及數據孤島問題存在。另一方面，一些先進的信息化管理技術諸如數學模型、計算機算法的應用缺少在實際復雜管網中的應用實例，以及一些軟件的應用使用與維護成本較高。因此，開展信息化系統在實際管網中的應用研究，建立標準化的信息化管理體系，規范管理人員工作章程是供水行業未來發展方向。

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