基于物联网技术的智能化水表在上海地区的应用与思考

杨刚/上海城建水务工程有限公司

0 引言

在供水行业，供水企业在选择水表尤其是智能水表时感到为难：水费缴收、抄表准确性、远传水表的电池寿命、采取何种远传方式、通信方式、是否安装阀控、表具的管理等。还往往对表计选型、试用和更新以及是否应大面积安装智能化的表具；抄表数据增值服务等问题感到困惑。上海市水务部门近年来为了进一步推进智能水表管理、建设和使用，着力推进物联网技术的智能水表应用项目，自2016年起配合三表集抄项目开始，在中心城区部分供水区域实现水表流量信息实时采集、设备状态检测、控制指令下发等远传操作。通过对流量和状态信息进行及时分析和处理，已基本实现针对性、科学性的动态精细化管理的应用模式。

1 上海中心城区物联网技术的智能水表应用情况及特点分析

近年来，随着技术的进步，民用智能化计量器具的发展速度较快，市场的需求也增加迅猛。2015年至今，上海中心城区范围内安装的民用智能远传水表达30多万台，占其民用水表总数的7%左右。上海城投水务集团从2015年起率先试用有线安装方式的民用电子远传水表，主要采集方式为光电直读，自2016年起结合“三表集抄、三单合一”项目，在中心城区大规模推广应用了自组网式的无线远传水表，其形式为机械式基表加装电子装置。电子装置是独立单元，与机械式基表完全分离，确保机械基表到期轮换时仅发生机械基表的轮换。2017年11月，多家生产厂家相继推出了LoRa技术的无线远传水表以及NB-IoT技术的无线远传水表，截至2018年底已在上海中心城区试装30万台左右，现实际安装到位并已实现数据上传的有242 154台，已安装调测的远传水表上线率为92.32 %。该产品的应用特点为：湿式普通表，安装尺寸标准；加装远传模块，拆装方便；湿式基表，计量准确度高；防潮防水性能优秀；环保型材料，节约能源；6年后基表更换，远传模块可继续使用，节约成本优势明显。

结合近三年来中心城区供水企业基于物联网技术智能水表的实际应用情况，可以归纳几个问题和特点：一是电子模块版本不断升级变化：自2017年开始，物联网技术的智能水表在上海市浦东新区的应用过程中，由于相应的模块功能还不完善，不断地在升级中，花费大量的精力来相应地对NB水表模块进行升级；二是接入协议持续增强补充：由于试点的上海市浦东新区采用统一的应用协议接入，初期与接收平台开发进行了大量的沟通，确定智能水表的功能、数据与格式要求，同时后期进行了协议完善，不断进行了现场升级；三是信号覆盖盲点处理：在实际应用过程中，依然有些模块没有上传信号，通过不断地与电信公司沟通，现场测试信号，并对基站进行调整，逐步把信号上传成功率稳定在99.5%；四是硬件工艺完善提高：水表模块的防水要求很高，对于采样的准确度，电池的寿命要求均很高，所以着重对于防水工艺、传感器、可更换电池密封处理方面进行大量试验改进。

2 对基于物联网技术智能化水表产品设计要求的思考

智能水表产品技术是水表行业必须拥有的关键核心技术，也是管网测控技术应用中的重要智能终端表计技术，它包括了用水量的准确计量、数据安全传输和网络阀控等功能。水表产品当今正处在机械水表和智能水表产品并存发展和使用阶段，并正在向智能化电子式水表的阶段转变，如电磁和超声水表。目前智能水表产品的基表部分设计要求主要体现在以下几个方面。

2.1 测量准确度与测量范围

要努力使水表在较大的流量测量范围内稳定实现较小的测量误差，即要有较高的测量准确度。条件成熟时，水表测量准确度应逐渐向1级水平靠拢。流量测量范围的差异，是区分智能水表产品与液体流量计产品的重要标志，智能水表的流量测量范围通常是液体流量计的数十倍。当前，在2级准确度条件下，智能水表产品要稳定实现并逐步超越流量测量范围R250（针对大口径水表）和R160（针对小口径水表）的目标。

2.2 长期使用可靠性与稳定性

通过测量重复性、测量再现性（仅改变时间）以及耐久性等试验方法来识别智能水表在这方面的性能特性。要使智能水表能够长时间稳定、可靠工作，必须对水表的传感单元和信号处理部件进行深入研究，优化设计、合理选材、精心制造。

2.3 压力损失与电源功耗

智能水表产品测量流道与嵌入式系统设计水平的优劣分别与压损和功耗指标关系紧密，压损指标除了必须满足标准规定的最低要求外，还应显著提升该项技术指标水平，使其真正体现出这方面的优越性；功耗问题影响产品使用寿命和成本，除了选用高质量的大容量电池外，软硬件的低功耗设计非常重要。

2.4 适应使用环境

应充分考虑到水表工作环境的非标性与恶劣性。水表工作时，很可能受到外部电磁场干扰、环境温湿度的变化、机械振动、测量管受力以及水的长期浸泡影响等因素，因此智能水表在这方面要有足够的超标抗扰度和超标承受能力。

相对于传统的机械水表，智能水表的电子器件对产品的使用寿命、环境适应性和可靠性的影响较大，并有可能直接影响到其计量性能。由于民用三表是使用量最大的计量器具，为了资源节约，国际法制计量组织关于抽样统计的国际建议已于2017年10月颁布，国内电能表采用抽样统计进行状态轮换已在上海率先开展试点。燃气表状态轮换的有关方案也已提出，对智能水表实行抽样统计和状态轮换也有可能被提上议程。因此，在推广智能水表的同时要从这一趋势出发，对水表的长寿命和计量性能提出新的更高的要求，开展对智能水表的寿命试验和验证。目前，国外除采用抽样统计延长轮换周期的方案外，也有采用更换智能表具部分电子模块的方案（日本）。因此，还需要对企业制造智能水表使用的电子部件成本占水表总成本的比例进行分析，为今后选择最合理的延长轮换期方案提供参考。

2.5 融入智慧水务

智能水表只有融入智慧水务与测控系统才能发挥其自身应有的作用。因此，我国水表行业“十三五”发展规划的目标是努力实现“物联网+智能水表+智慧水务应用系统”的深度融合。发展新型智能水表的根本目的是促进智慧水务新业务的推广应用，推动“两化融合（即信息化与工业化的融合）”战略的深入实施。智慧供水是智慧水务业务中的最重要环节之一，包括了“供水”“用水”和“管水”等内容。新业务主要体现在以下几方面：

1）自动抄表与营收、客服系统；

2）水务信息化管理系统（ERP）；

3）管网供水科学调度系统；

4）供水管网地理信息系统（GIS）与全球定位系统（GPS）；

5）供水管网渗漏水检测与定位系统；

6）供水管网水质在线实时监测系统；

7）饮用水制水过程测控系统。

与此同时，还需要建立起供水管网智能终端测量特性的自检与自校正系统，利用大数据建模来保证其正常、可靠运行。这方面内容任务有：与智能水表（传感器）测量准确度有关的关键特性参数的自检测与自校正，供电电池放电曲线的检测与分析、电池电量剩余使用期的预测与报警，对无法进行自校正的故障和其他异常情况向控制中心发出信息等，从而实现管理平台系统的智慧发展模式。

另外，通过现代管理技术、电子商务及大数据的运营管理方式，实现对整个智能水网供应链的有效管理，包括基于自动化技术、物联网感知、无线通信、大数据管理、中间件组件等技术，既能适用于特大城市范围内的系统管理，又能在功能上针对中、小区域提供特定的业务解决方案。

3 对编制上海市有关物联网技术智能化水表应用技术规范的建议

目前，上海市水务集团在物联网技术智能水表应用项目的推进过程中发现了一些制约因素：一是产品的技术标准不统一、硬件不互通，数据平台各自为战；二是产品市场较为开放，存在不同产品售后运行维护复杂的问题；三是价格因素导致后续维护不力。为此，目前急需有待改善的问题是统一和规范相关的产品应用技术标准、价格应与市场接轨，避免偏面追求低价带来的不利因素等。

为此，当务之急，要紧密结合相关国家及行业标准和当前实际需求，按照技术进步和发展的新趋势，积极推进上海市水表新技术应用以及相关技术规范的制订工作。首先急须在此背景下制定适合上海市实际情况、有利于维护供水、用水各方权益，有利于促进市场经济和谐发展的相关应用技术规范，弥补上海地区在计量表具系统应用方面技术标准的缺失，为提升上海国际化大都市的计量管理水平和标准化水平提供保障。从上海市范围内的水务计量市场应用的统计规律来看，影响远传自动抄表系统运行效果的主要因素是自动远传抄表系统的工程质量，较大范围内缺乏工程实施的规范，一哄而起的市场局面。严重地透支了自动远传抄表系统市场。水务计量装备企业、系统集成商、供水运营商强烈呼吁：远传水表自动抄表系统的工程建设和验收应具有统领本市计量表具实际应用要求的技术规范。

建议在应用技术规范的内容中对工程施工、验收规范进行统一规定，对查勘、安装和验收做出明确要求，包括对水表的安装、集中器、采集器的安装及系统的安装与调试。水表安装主要参考GB/T 778.2-2007封闭满管道中水流量的测量饮用冷水水表和热水水表第2部分：安装要求。集中器、采集器安装、综合布线及系统调试主要参考CJ/T 188-2004户用计量仪表数据传输技术条件、JG/T 162-2009住宅远传抄表系统数据专线传输。

4 结语

基于物联网技术的智能水表远程抄表系统通过现代管理技术、电子商务及大数据的运营管理方式，可以实现对整个水资源供应链的有效管理，系统集数据计量、自动采集、实时监控和管理应用软件于一体。