城市供水管网信息化管理体系的构建及应用

王遥

摘要：本文分析了供水管网信息化管理系统的理论构建框架，并对设施层、感知层、传输层、处理层及平台层等各层级应用的传感器网络、互联网通讯、大数据分析和模型预测等信息化新技术进行阐述，总结了该系统在供水管网日常运维中的应用以及能够解决的实际问题。旨在对现阶段供水信息化管理领域的新技术和新理念进行探讨，为供水管网的高效管理提供理论基础。

关键词：智慧水务;供水管网;信息化管理体系

引言：

随着现代信息化技术的快速发展，物联网、大数据及通讯技术在供水系统管理领域得到越来越广泛的应用，实现了供水行业“监控、调度、资产、收费、客户关系”等多维度一体化管理模式。因此，构建供水系统信息化管理体系，有助于科学合理地整合有效资源，提高管理者决策科学性，实现优质低耗的供水理念，达到良好的经济效益和社会效益。分析了供水管网信息化管理系统的基本框架，阐述了应用于基础设施、数据采集、数据传输、数据处理、决策应用各层级的信息化管理技术。探讨了信息化管理体系在供水管网漏损监测、优化调度、水质保障中的应用，提出现阶段制约信息化管理应用推广的因素及未来发展趋势。

1供水管网信息化管理系统构建

1.1基础设施

设施层由供水管道网络以及水泵、阀门等基础设施组成，基础设施是产生所需数据和信息的要素，这些数据和信息将被互联网相关的软件、硬件及设备进行收集、传输及处理分析，网络仪器也可以通过分析产生新数据来预测系统运行状况，指导物理设施的运行和维护。为方便管理和信息统计分析，近年来供水管网分区的技术理念应运而生。区域计量分区是一种应用于供水管网监测和控制的管理概念，通过DMA可提高供水管网的管理效率。一个DMA分区指的是整个供水管网中，具有明显永久性边界的一个子系统。通过安装、开闭阀门以及安装流量计，可以将复杂的供水管网划分成几个独立计量的区域，从而实现各个区域内流量独立监控，分析各个子区域内流量变化历史数据可实现管网漏损状况的评估，当发现某区域存在漏损时及时反馈，再使用相应的漏损监测技术确定漏损点。DMA理念的应用使得传统的被动检漏模式转变为主动管理模式。同时DMA也有助于供水管网的压力管理以及水质监控管理。随着供水管网管理目标不断提高，提出将DMA分区不断细化成若干个子系统形成二级分区，管网分区级别越多则管理越精细。确定分区边界是DMA的基础，这对于一些规模较大、拓扑关系复杂的环状管网而言是一项困难的任务，因此在初期DMA划分通常是一个手动的经验过程。近年来，随着研究的发展，提出了一些新型的DMA自动分区方法。早期的DMA自动分区是根据社区的模块化指数，通过一些优化算法进行;新型的DMA划分则建立在以拓扑学为基础的分区方法上。

1.2数据采集

传感器网络是一系列用于采集供水管网数据的传感器，以及包括射频识别、相机、M2M终端以及其他能从环境中采集数据的设备。RFID被广泛应用于WSN节点，可以通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，通常用于供水管网地下管线的快速定位。传感器是一种检测装置，能将检测到的信息转化为电信号等其他形式的信号传输，通常应用于采集供水管网的压力、流量、噪声等数据。水质实时监测是供水管网安全保障的重要环节，水质在线监测系统集成了采样、分析、记录等过程，可对供水管网监测点水质信息进行实时采集。常规的在线监测水质指标有温度、pH、溶解氧、电导率和浊度，除此之外余氯、金属离子等指标也被纳入在线监测的范围。根据监测原理不同，在线检测仪采用的分析方法包括化学法、分光光度法及生物法等。在线仪表采集管网水质数据，并通过安装在仪表上的无线传输模块将信息传递到控制中心，实现了供水管网水质数据的可视化。全球卫星定位系统是一种结合卫星及通讯的技术，根据GPS提供的坐标、坐标演变精度及方式的不同可以分为毫米级、厘米级、静态、实时动态、实时差分等几种设备分类和测量方式。利用GPS可准确测量供水管网中的管线、阀门、流量仪及水表等设施的坐标数据，该技术可为管网地理信息系统的搭建提供精准的位置信息。

1.3数据传输

将采集的数据传送到应用云平台需要利用通讯技术。根据传输范围的差异可将常用通讯技术分为两类，蜂窝技术如2G、3G、4G、5G以及全球移动通讯技术和GPRS技术都可应用于长距离的数据传输。在供水管网的运维管理中GSM常被应用于在线监控系统的报警，而GPRS常用于监控设备采集数据的传输，但GSM和GPRS技术所需的能耗较高，因此不能灵活地运用于传感器网络。NB-IOT技术是一种基于LTE蜂窝移动网络的窄带物联网技术，其具有传输距离长、海量连接、功耗和成本较低的优势，适用于环境监测数据和抄表数据信息传输等低速互联网应用领域。一些小范围的数据传输通讯技术，如ZiGbee、LoRa等也被应用于供水管网信息传输中，其优点是传输过程能耗低、速度快且安全性高，当数据传输网络连接就位，从传感器捕获的数据会发送至云平台。

2城市供水管网现状分析

隨着经济社会的发展，我国的城市规模不断扩大，这就对供水管网的建设提出了更高的要求，但由于部分城市的供水管网建设时间较早，在使用中存在着这样那样的问题，这就需要进行针对性的技术改造。下面对城市供水管网的现状进行了简单的分析。

（1）水压不足。特别是在部分老城区，基础设施的建设时间比较早，目前来看，当时的设计已满足不了现实的需要，存在管径小等问题，再加上经过多年的运行后，普遍出现了结垢、沉积等情况，这些都会引发水压不足，尤其是在供水的高峰时段，这一现象尤为明显。

（2）水质的二次污染。由于维护不到位，很多供水管网都出现了腐蚀、结垢等情况，使得通过其中的水资源遭遇二次污染，水质变得非常差，严重影响到了人们的正常生活，甚至还会引发安全事故。

（3）存在较为严重的渗漏情况。由于管道的锈蚀，或多或少的会发生渗漏等问题，这不仅会造成水资源的浪费，使得供水成本大大增加，还会危害到经过的各种建筑，甚至带来无法预测的安全隐患。

（4）具有较高的事故发生率。一方面是管网的材质不达标，另一方面是现有管网的运行时间较长，这些都会引发安全事故，比如管线爆裂、渗漏等，难以满足安全供水的基本要求。

（5）树状供水管网存在缺陷。目前，国内的很多地区都选择的是树状的供水管网，其一般有着路径短、成本低的优势，短期来看是比较合适的，但长期来看又存在着比较明显的缺陷，就是在局部区域的改造施工时，会将原来的管材更改为塑料管，供水压力不变，但总水量却是增加的，这就会造成比较严重的浪费。在具体的运行阶段，还会出现水量超标的现象，使得其他管线的供水发生短缺。此外，有些地区没有对运行中的供水管网进行定期的维护、检修，使其运行质量有所下降，而随着建设规模的持续扩大，最初建设的管道存在资料缺失的情况，这就进一步加大了维护、改造的难度。而且，在部分城市的建设过程中，未能及时的构建专业化、标准化的供水管网管理制度，不管是人力还是物力的投入都比较少，这也影响到了供水管网的正常运行。

3供水管网信息化管理系统应用

3.1漏损监测

（1）基于DMA分区与漏损监测仪的漏损监测监控

各DMA分区最小夜间流量的变化可用来分析区域内的流量异常。MNF是指在一定时间间隔内（如15min）最小的流量，其一般发生在2：00-5：00，此时用户用水量最小，MNF中漏失水量占主要比例。因此，通过分析MNF变化可间接判断漏失情况。MNF通常在一定范围内波动，当其发生突然上升并持续数日超出制定的阈值时，则可能出现新增漏损点。传统的MNF警戒阈值通过经验法估算夜间合法用水量或通过夜间最小流量与日用水量的比值进行漏损估算，但传统方法设立的警戒阈值误差较大，可用数据模型对流量数据进行处理来消除数据的随机波动带来的误判。移动平均隔差法可降低数据的波动性使数据趋于平滑;灰色预测模型可实现少量原始数据的处理，减弱原始数据的波动性，并通过对新生成序列进行深入研究，挖掘原始数据进行预测。通过上述对采集的原始数据进行预处理可提高管网漏损预测的精度。

（2）基于数学模型的漏損监测

通过实时监控的压力和流量数据建立数学模型，可以快速地诊断漏损发生点位。检测供水管道内水压及变化量，进而推导出管网运行中流量变化与压力变化的方程，可用来分析漏水点位置、漏水量之间的关系，从而达到定位漏损管段的目的。基于管网瞬态分析，认为管段发生破坏就会出现瞬时压力波动，压力波动会传递至最近的几个压力检测点，可根据传播路径产生的时间差来诊断漏损点位，但由于管网节点数远大于测压点数，路径难以确定，因此该方法的应用在复杂的实际管网中缺少应用。可借助动态水力模型模拟计算的压力值与在线测压点观测值进行优化计算，寻找理论漏损点，但该法受限于水力模型的误差、传感器的数量和配置及传感遥测数据的精确性和可靠性。

3.2优化调度

供水优化调度的目的是通过优化净水厂出水压力和流量，对水资源进行合理分配，从而降低供水过程运行能耗。科学的优化调度方式可以在保证城市供水需求的情况下，通过合理设置增压及减压点或水泵的优化调度方案达到绿色低耗减少漏损的目标。供水优化调度模型的建立由决策变量、目标函数及约束条件组成。决策变量指输入的变量数据，目标函数指优化目标如泵站用电成本、总功率、制水总成本等，约束条件是指运行时需要满足的条件。供水优化调度模型可通过遗传算法等计算机算法进行求解。优化调度模型分为直接优化调度模型和二级优化调度模型，对于以水泵能耗为目标函数的优化模型，直接优化调度模型的决策变量为水泵的开停状态，只对水泵开停的型号、台数和开停时间进行优化;二级优化调度模型以水泵出口压力及流量、清水池水位为中间变量，该模型优化精度高速度快，优化结果准确。

结束语：

信息化智慧管理系统能实现供水管网数据信息的采集、传输、存储、分析以及管理决策辅助，其应用提高了供水管网运行维护效率及管理决策的科学性，实现了绿色低耗的管理目标。但国内关于信息化管理技术的应用尚未广泛开展，一方面相关的互联网技术在水务、环保行业的应用未完全开发，例如数据库构建基础不完善导致数据不精准不及时、各模块之间数据没有形成连通等，致使系统在运行时存在数据不完善以及数据孤岛问题存在。另一方面，一些先进的信息化管理技术诸如数学模型、计算机算法的应用缺少在实际复杂管网中的应用实例，以及一些软件的应用使用与维护成本较高。因此，开展信息化系统在实际管网中的应用研究，建立标准化的信息化管理体系，规范管理人员工作章程是供水行业未来发展方向。

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