酒泉市农村饮水工程计量设施及智能化管理系统应用

王春艳，李廷禄

酒泉市水利水电勘测设计院，甘肃酒泉 735000

近年来，国家大力推进民生工程，进一步推进乡村振兴战略进程，农村饮水工程建设初期标准不高，经过多年运行，管网漏损严重，造成水资源浪费[1-2]。而农村人口分布分散，上门收费难度大，饮水计量、收费智能化水平落后[3-4]。为解决农村饮水计量收费及农村饮水工程可持续发展问题，很多地区开始建立农村饮水计量智能化管理系统，实现远程、快捷、精准收集各项数据，有效控制了水资源浪费，取得了一定成效[5-7]。

1 酒泉市农村饮水安全工程的现状及存在的问题

1.1 工程现状

酒泉市农村饮水安全工程经过十几年的建设，实现了农村饮水安全从“量”到“质”的跨越式发展，尤其是2005年以来，国家加大对农村饮水安全工程建设的投入力度，农村饮水安全工程建设得到长足发展。农村饮水安全普及率达到98%，入户率100%。

1.2 存在的问题

（1）计量设施陈旧落后。农村饮水安全工程现有计量设备较为陈旧、落后，安装的水表均为机械式水表，且村口无计量设备，计量设施简陋，管理方式较为落后。

（2）水费收缴困难。户用水表计量不准确，有些水表无法计量或者损坏，没有信息化监控，无法有效及时感知设备异常，造成水费无法应收尽收，对于不交水费的用水户，不能及时停水，未形成有效的制约机制[8-9]。

（3）管网漏损严重，漏损率较高。村口没有安装计量装置，村内的户用表计量不准确，无法通过大表+小表以及平台计算出村内漏损，更无法定位支线漏水，管网漏损的问题无法得到有效解决，导致用户成本增加、水资源浪费。

（4）工程运行管理难度大，效率低下。农村饮水安全工程管网长，管道发生渗漏后不能及时发现，加大了用水户的用水成本，工程无法达到良性的发展趋势，增大了管理难度。

（5）信息化建设不足。农村饮水工程信息化建设与现代化管理工作的要求已不相适应，制约了项目管理水平的提高，各级水利行业主管部门也难以及时、准确和全面地掌握农村饮水安全工程的发展趋势[10-12]。

（6）用户用水满意度低。农村环境容易造成水表冬冻夏泡，加之用水户比较分散，用水问题不能得到及时解决，易给用户造成极大不方便，用户满意度低。

2 解决方案

结合项目区现状，为加快推进农村饮水安全水资源管理现代化进程，提出农村饮水安全工程水利信息化建设的总体目标：

（1）通过计量设施改造，实现用水户用水精准计量，水费应收尽收。

（2）通过更换具备无线通信和阀控的计量水表，实现微信、APP远程缴费、远程控制。

（3）建立信息化平台，实现计量设施数据的远程自动化采集，实现实时监控计量设施，以及用户用水数据的动态监测，为经营和决策提供数据化支撑。

（4）村口安装大表，通过大表+小表的方式计算损耗，通过平台分析定位漏损支线，有效减少漏损。统一定价，依靠云平台实现缴费，让老百姓喝放心水，交明白费。

（5）依靠科技手段，有效监控农村饮水安全工程的运行，节省人力和物力，使工程发挥应有的作用，更好地为老百姓服务。

（6）农村饮水安全工程的管控能力得到大幅提升，依靠现代化技术和管理经验，结合信息化建设，将工程进行有效管理，给居民提供及时周到的服务[13-14]。

3 总体框架

随着各地对农村饮水安全“一户一表”工程改造的推进，实现自来水智能化控制、自动化管理的需求越来越迫切。为了实现智能管控，最大化发挥人力资源的利用效益，以“大服务、全服务”的理念，为用户提供运行维护，开创平台运行全方位服务，基于物联网、云计算和大数据于一体，将计算机技术、移动数据遥信技术、数据网络技术、自控技术融为一体，对现场的各种设备进行远程采集、传输、诊断和分析，创建了自动化、信息化、智能化于一体的云平台。包括水源地监控系统、水厂监控系统、泵站监控系统、管网监控系统、用水分析系统、地理信息系统、收费计量和报警分析系统等组成。解决了依靠人工参与运维管控方式的弊端，通过信息化自动诊断和报警，节省了人力，提高了效率。

3.1 云平台架构

3.1.1 云计算架构 云计算服务类型分为3类，即基础设施即服务（LaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。基础设施，即服务向云计算提供虚拟化计算资源，如虚拟机、存储、网络和操作系统（图1）。

3.1.2 云服务架构 通过非关系型的数据库和关系型数据库结合，采用分布式缓存和存储技术，引入容器化技术实现运行环境隔离与动态服务管理，为水源、水厂、泵站、管网和末端用水计量提供各种可靠性服务，确保数据安全、访问快捷。

3.2 手机APP管理软件

手机App主要提供的是移动巡检功能，即巡检员手持移动巡检设备，在按照巡检任务执行巡检，并在移动端填写巡检情况，上传巡检记录，图片等相关的信息。其包括两部分内容：巡检任务执行和事件上报。同时移动端还支持记录巡检员执行巡检期间的行动轨迹，并将行动轨迹上传至巡检服务端。当巡检人员在巡检过程中发现某些风险隐患或者其他事件时，可以上报事件。

3.3 自动化远程抄表、数据共享

用水户水表井中安装物联网智能水表计量用水量，所有采集数据通过4G、NB-LOT无线上传至云平台。可根据行政村、仪表设备类型、仪表地址筛选用户，查询用水户实时和剩余用水量、累计用水量等信息[15-16]。用水户也可随时查询剩余用水量及水费余额，当用水户水费较少时，可设置自动提醒缴费通知，提醒用水户及时缴纳水费，以免影响用水。

3.4 分类、多维度数据统计分析

可按行政乡、镇、村的日、月、季、年用水量统计用水量，按单用水户的日、月、季、年水量统计用水量；用水量交费统计可以利用手机APP实现；按行政村统计漏损统计分析，即按照村口计量—用水户总计量进行分析。

3.5 智能收费、缴费，可远程控制水表阀门

远程通过手机APP可以实现用水户水表用水量、剩余水量数据查询，水表设备工作状态分析，行政用水分析，水表地理位置信息显示，水表报警信息查询，还可以通过手机APP进行远程充值、充值记录查询、水表阀门远程控制等功能。

3.6 管网漏损分析、大数据分析

通过村口大表数据和村内用户表数据，分析漏损率，对于支线安装表计，分析支线漏损率，并可通过数据分析定位漏损的支线。

依托大数据技术，有6个维度的分析模块：用水分析、数据监控、数据运行、运行分析、数据服务、航拍展示，每个模块可以从总体上清晰地了解运行情况。例如：有侧重整体各个乡镇/县用水从总量、各地区用量、人均用水量等多角度分析；有侧重于数据是否有异常分析，如通讯异常、3 d及多天通讯不上数据、用户用水徒增等。其他功能则是从用户关阀、欠费、老年用户特殊服务等方面进行分析，帮助决策者和管理者快速掌握总体运行和用水情况[17-19]。

3.7 水利“一张图”

可以将各管网的测量经纬度导入平台，展示出各管网走势和运行数据；村口大表可以在地图标注并可以和实际数据展示；每个表井的位置可以标注，点击表井会展示此表井的所有用户的运行数据。通过地图和用户数据结合的方式直观展示，方便现场维护定位，实现一张图可总览运行。

4 解决问题的关键技术

4.1 4G通信技术

4G信号强，覆盖农村，通过4G技术有效保证了设备通讯成功率，通过自动抄表节省大量人力物力。

4.2 水表实现滴水计量

多用户物联网超声水表利用超声相差测流技术实现水流的高精度、高灵敏度测量，实现滴水微流量的计量统计，解决供水管网的跑冒滴漏监测难题，计量传感器管路内部无任何机械转动及磨损结构，使多用户超声水表的计量更准确，使用寿命更长。

4.3 子母表+软件分段计算实现，降低漏损率

在干支线安装子母表，通过软件平台的分段计量和大数据的分析计算技术，有效定位漏损点，及时排查降低漏损率。

4.4 保障在恶劣环境中运行

超声水表利用动态压力平衡技术，解决了水表在水下受压渗水失效问题，使多用户超声水表可以长期浸水运行，完全适用于各种恶劣环境。水表默认30 d进行1次阀门防锈动作，防止阀门被水垢封住。动作时间可刷卡设定，根据不同地区水质进行调节。

4.5 远程网络支付（微信、支付宝）、远程控制阀门

水表支持远程支付，通过微信小程序、APP、网页系统远程下将充值水量发送至水表，方便快捷，解决老百姓的充值麻烦的问题。

4.6 大数据分类数据分析

利用大数据技术，将现场计量数据进行分类分析，从各个维度分析用水数据，能精准实现水资源用水管理，为管理决策提供数据支撑，通过数据有效决策。

4.7 实现分体刷卡，太阳能充电

刷卡终端安装在地上，基表安装在表井内，卡直接在地上终端刷卡，并且刷卡终端自带太阳能板，能够实现太阳能充电并且反补给井池内基表，延长终端、基表内的电池使用年限。

5 工程效果分析

新的管理模式依靠科技手段，通过云平台的大数据分析和异常数据推送，可以高效及时地对管辖范围的用户进行服务，减少人力和物力投入的情况下，使得农村供水管理得更加及时、快捷，真正管控并解决好村级供水运营中“降损、收费、服务、维护”问题，真正打通农村供水管理“最后一公里”。

5.1 高质量服务，老百姓满意

用户通过微信小程序网上缴费和网上查询用水，解决了用户的缴费问题，老百姓满意度高。

5.2 收费透明且信息化，漏损问题得到解决

政府制定统一的用水价格，采用智慧云平台统一管理收费，避免了价格不一和不透明的高水价问题。通过现代化的技术手段和信息化平台，让用户缴费更加便捷，并且能随时随地查询自己的用水信息，实现了老百姓缴明白费、喝放心水。

镇级中心的现场工作人员会定期巡线，发现村内管网破坏后会及时维修。通过后台大数据分析和村口表+支线大表+小表的方式定位漏损点，现场利用专业化设备查找和及时维修漏损点，依靠科技的手段减少漏损。

5.3 保障工程的长效运行，实现智能化管理

通过后台的大数据分析，及时处理定位设备通讯异常、报警、用水异常等情况，用心、精准服务老百姓，保证了设备稳定运行，为老百姓用水提供了有效保障。

实现现场设备自动抄表和数据分类管理，对数据的采集实现自动化，收费数据由软件后台自动计算，对用水进行分析，对异常进行报警，无须现场抄表、人工计算收费、人工报表等各种烦琐复杂的劳动，节省了人力和物力。