定远县吴圩水厂管网监控系统构建与应用

2015-06-13李晓琴唐全胜余和俊李江华

中国水利 2015年15期

李晓琴，唐全胜，余和俊，胡孟，李江华

（1.中国水利水电科学研究院，100048，北京；2.安徽省定远县农村供水工程管理总站，233200，安徽）

供水水压是判断供水管网运行状况的主要指标之一，构建管网监控系统尤其是针对供水管网覆盖范围广、管线较长、管网漏损不易发现的供水工程非常必要，以便及时了解管网水压是否达到供水标准要求，发现管网跑冒漏现象尽快做出处理，同时减少管网漏损率。

定远县位于安徽省东部，地处江淮分水岭，属丘陵地区，是缺水易旱多发县。全县总人口近百万，其中农村人口83万。实施农村饮水安全工程规划以来，全县规划建设了15个“千吨万人”以上规模供水工程，形成了集中供水工程统一供水的格局。总设计供水规模16.6万m3/d（目前已具有11.2万m3/d的供水能力），实际供水人口95万，可覆盖全县22个乡镇279个村及社区。

吴圩水厂水源为湾孙水库和双河水库，一期设计供水规模10000m3/d，设计供水人口10.41万人，实际供水规模约为5000m3/d，供水范围覆盖吴圩、朱湾、蒋集3个乡镇42个村。该水厂采用一体化净水器，次氯酸钠溶液消毒。水厂规模较大、供水管网覆盖范围广、管线较长、管网漏损不易发现，亟须建立管网监控系统。

一、监控点选择与确定

系统建设中，采用图纸理论选点、现场勘查、用户协商相结合的方式选择管网压力监控点。

1.配水管网图纸选点

城市供水管网压力监测点布置的方法与模型较多，主要包括敏感性分析、聚类分析、遗传算法、回归分析等。但这些方法和模型对管网运行数据量和精确度要求较高，农村供水工程由于缺乏基础数据资料，很难利用以上方法进行设计。本项目结合地形、管网分布、建设环境等因素，主要采用压力敏感度经验法选择压力监测点。管网压力监测点主要分两类：管网中间点和管网末梢点。

①大管段交叉处（10个点）。大管段相交处管段流量比较大，对支管压力影响比较大，属于压力变化敏感区，因此需要在管网中间建立测压点。结合测压点，记录数据分析发生爆管等管网事故的影响因素及其与管道压力的关系，为减少事故提供有力辅助。DN315干管上设置监测点1个，DN200设置1个点，DN160设置4个点，DN110设置4个点。

②配水管网末梢的最不利点（7个点）。管网末梢（最远点）和地面高程的最高点（最低点）的压力，最具有代表性，反映用户最不利点供水压力情况。为保证管网供水安全及管网末梢与高差变化较大点有合理的供水压力，很有必要在这些位置设置测压点。

③主要用水区域/户监测点（2个点）。在用水户比较集中或用水量较大的情况下，管网压力变化也会比较大。

④管网测压点设置密度（5个点）。考虑供水管网较长的现状，供水覆盖范围及供水人口的代表性，长距离管网即便没有分水口，也在一定的间隔范围设置管网监测点。在平原地区建议每5～10 km2设置1点为宜，有特殊需要或经济技术条件容许，亦可适当增加管网测压点的分布密度，每3～5 km2设置 1 点。

管网爆管预警应先考虑主干管的监测点，再考虑反映供水压力情况的末梢监测点。因此，首先管网中间点大管段交叉处10个点有预警第一优先级；其次选择管网末梢最不利点7个和主要用水区域或大用户水压监测点2个；最后考虑管网测压点设置密度5个点，共24个监测点。

2.现场勘查选点

图纸选点后进行现场踏勘，查看是否满足现场施工要求。监测点现场踏勘内容主要包括以下建设环境内容：能否支持220V交流电，为现地采集单元、通信模块和压力传感器提供电源；周围是否有通信网络环境可以借用；施工方便程度，包括开挖深度、距离、开挖难度和周围环境等；用户协商，安装后为防止偷盗、便于管理，尽量安装在附近用户家，因此要同用户协商监控箱发生的电费和日常管理费用。通过现场勘查后，删去施工不方便的5个点，最终确定19个监测点。

二、系统总体设计

1.系统功能

管网压力监测系统，通过监测点处安装的压力传感器、信号转换模块、通信模块、电源模块等设备，基于无线通信方式实时采集配水管网监测点的压力值，对配水管网路由、管道信息与采集数据进行分图层可视化展示；通过数据分析进行压力突变、低值、高值、通信中断等报警，以界面闪烁、发送短信到指定管理人员手机上等方式报警；对水厂基本信息、采集数据进行分析、查询、图表生成、报表等信息管理（见图1）。

①管网监控——GIS工程信息管理。管网监控系统以卫星图片和当地标准地图作为显示背景，分图层展示供水工程关键设施，如：水厂与水源位置、主要供水设施等信息，同时查看各管网压力监测点的实时数据，对通信中断、管网报警等压力监测点以界面闪烁方式展示。

②管网压力异常报警。一是PC声光电方式的管网异常报警，根据预设压力值，如果某个压力监测点出现通信异常或数据异常，则将该监测点的图标变颜色或闪烁提示，或通过外接音响设备发出声音报警提示；二是短信方式主动推送报警，如果某个压力监测点出现通信异常或数据异常，主动以短信形式发送报警信息到相关责任人的手机上。

③数据分析及报表打印。一是统计分析与数据查询，提供监测点历史数据、历史曲线查询展示功能以及管网异常记录查询功能；二是报表打印，对查询结果提供时、日、周、月、年等时间段的报表、打印或导出excel等功能。

④系统管理。根据水厂的组织管理架构，实现系统分级、分权限管理。提供系统使用帮助、系统参数设置、系统用户权限设置等功能。

⑤其他功能。水源地水泵启停控制与对吴圩水厂两个水源地实现现场实景拍照和照片传输。

2.通信网络方案

县级监管中心利用现有的光纤网络，汇总水厂实时数据。水厂监控系统采集压力监控点数据信息，通信方式主要有以下几种：

图1 系统功能模块图

①单一GPRS通信。利用移动网络的GPRS数据服务，通过配置数据业务的SIM卡，使得在有GPRS信号覆盖的地区，能够传输现场采集数据。咨询定远移动公司报价：当前数据卡包月10元70M流量，满足当前系统采集数据信息量的需要。

②单一本地网络通信。如果监测点附近用户家庭有ADSL宽带上网条件，可用来上传现场采集数据。如果宽带接入点与采集点距离小于200 m并且无遮挡，还可以使用本地局部无线，进行宽带到采集点的通信中继。

③双通道通信。为提升通信可靠度，采集点可以采用以上两种通信方式的组合，一个通道优先级高，另一个通道备用。设备能够根据实际通信情况，自动进行通信通道的选择和切换。

综合考虑地形、建设投资等因素，结合农村地区家庭宽带较少的现状，监测点通信方式主要以无线方式为主，根据现场调研，目前最适合的通信方式是GPRS。

3.硬件建设

管网监测点硬件设备主要包括传感器、现地采集单元、供电模块和通信模块。由于管网监测设备需要安装在野外，因此需采用防护外壳、套管、固定杆件等一系列防护措施。本次硬件建设充分考虑其他传感器接入的扩展性，可低成本、低实施量扩展其他压力监测点或在同一监测点扩展流量等其他传感器的接入。同时，在硬件建设中，将多种模块集成在一个防护箱体中，接口设置通用，方便用户更换和维修。硬件设备组成如图2所示。

三、系统技术特点

1.采用地图引擎技术、Ajax技术与双层实时数据表，提高系统访问速度与数据实时性

图2 硬件建设组成图

采用地图引擎技术与Ajax技术，分图层可视化展示供水工程的地理分布、管网路由、管道信息、主要供水设施与采集的实时数据，并将地图信息按照不同区块、不同层级输出，当浏览器访问到对应的区块时才去加载对应图片，减少服务器端占用的内存空间，提高访问速度。

研发过程中采用内存表和数据库实时表两个层次，采集点的适配模块获得最新数据时，直接把实时数据送入系统内部的内存表中。内存表的更新，会触发相关事件，监听这些事件的处理程序能够接着异步进行后续处理，从而更新数据库实时表、历史数据表、监听报警引擎触等，提高数据实时性，在GPRS模块不受流量限制的前提下，采集速度可达数秒内1次实时数据。

2.优选性价比高的压力传感器，采用先进技术研发的管网监控系统，降低建设成本

选用防护等级较高、施工环境要求低（可埋入土或淹入水中）、性价比高的压力传感器，具备数据采集、数据展示、统计分析与报警功能的管网监控系统，系统性能可靠，整体建设成本低。与安徽省定远县2011年建成的同类产品相比，系统展示效果好、访问速度快，成本低10%以上。

3.组态软件支持远程异地维护

系统支持远程异地维护更新，当地出现操作或采集数据异常等问题时，能够即时支持远程异地维护，及时解答疑惑或指导当地运行管理人员进行维护，提高系统使用率。吴圩水厂管网监控系统建成至今7个月，运行正常。

4.系统支持多种接口，满足与区域监管系统快速对接的需求

在系统接口方面，除支持OPC规范之外，宜提供多种接口，如基于TCPSocketServer方式，为外部设备或软件系统提供通信接入支持，支持modbus协议到TCP协议的透明转换，基于HTTP协议，提供HTTP Server（端口不限于80）方式，为外部设备或软件系统提供XML格式规范输出，提高了系统的可扩展性。