数字化水务平台建设发展趋势与优势

马 悦

(宁波水表(集团)股份有限公司，浙江宁波315000)

近年来中国经济持续高速发展，有效推动了城市化进程不断加快，供水管网作为城市基础设施的重要组成部分，日益凸显出其安全运行管理对城市发展的重要性。供水管网运行管理水平的高低，涉及城市的资源、环境、能耗等众多方面的有效管控和利用，直接关系着城市的承载能力和运行效率。要保障城市水务设施高效、经济运行，必须及时、准确、全面、系统地掌握各类相关信息和数据，并力求做到精准化调控，而传统运管模式难以实现，必须借助于数字化水务公共服务平台，充分利用互联网思想架构，及时、有效汇集相关信息和数据，通过云计算、模拟仿真、大数据分析等技术手段，实现精准预判并及时反馈有效指令。

1 背景

近年来，“智慧水务”是水行业研究和讨论的热点。完美的智慧化，首先要具备透彻的状态感知，能够及时、准确、全面地获取各水务应用系统的相关信息数据，以确保管线及附属设施等基础数据的完整性和真实性、监测点状态数据的及时性和准确性、计量设备布设的合理性和生命周期管理的效率性等，在此基础上实现全面的信息互联，利用模型、数据分析、云计算等方法实现对生产、调度的科学指导。

但是截至目前，在行业实际应用中并没有建立特别显著和具有突出应用效果口碑的工程标准项目，绝大部分供水企业仍然是依靠人的经验管理实现管网调度和生产控制管理，分析认为核心问题在于“数据”未能得到真正的挖掘和价值体现。

一是对管网基础数据采集的精准度重视程度远远不够。GIS作为管网数据采集中心，很多供水企业均已对其进行项目建设，但这绝不是一项单纯的项目工程，而是一项长期的系统工程，其中部分数据因原始数据资料缺失可能导致普查数据结果出现很大的偏差，一定要通过后期的工程维修、巡检巡查、新改扩建工程等动态流程管理来实现数据的纠正及补充，最终不断提升管网数据的精准度，从而具备支撑计算和辅助计算的能力。

二是对管网中监测点位置的布设缺乏科学、合理的依据。管网中所有被采集数据——实时状态数据，应具有高度的可计算或指导计算结果纠偏的价值，在投资成本受限的情况下，应选择性价比最优方案，再根据布设原则有条件地增加。不同城镇的供水管网根据地形地貌、人口分布密度、大用水户用水量规律及管材管径设置等因素，都有其各自的运行特点，要科学布设参数采集点，应尽量优先选择管网中关键节点，包括供水不利点、末梢管段、瓶颈管段、长距离支线、用水量较低的断头管等，其数据对模型校核、水力计算都具有良好的支撑作用。

三是为了保证数据分析的全面性，需要将影响节点数据波动的变量参数一并记入统计分析，明确受其影响的节点数据波动的范围和原因，确保计算结果可信度高，才可保证所输出的数据具有指导实际运行的价值。

因此，为供水生产、调度提供科学有效的解决方案，首先要建立在完整、真实的数据基础之上，最终通过简洁、直观的全方位可视化界面，展示运行工况数据和大数据分析结果，聚焦问题、直击痛点。而具备这样系统性、可持续性和可拓展性服务能力的数字化平台，将是今后智慧水务应用发展的主要趋势，也只有通过数字化水务公共平台的系统分析服务，才能实现数据价值体现，让供水企业实现管理创新和数据转型目标，从而提升管理效率和经济效益。

2 数字化水务公共服务平台的建设

《水污染防治行动计划》(“水十条”)的出台，对防污染控制管理和漏损率提出了更为严苛的控制要求。近年来，水舆情事件频有发生，尤其是水质舆情事件本年度已攀升至总量的67%。水源地的污染防控，流域内突发排污异常事件、冬季低温水库底层水富氧化问题严重、夏季高温江河湖表层水富氧化问题严重等，对原水管理提出了更高的要求。管网中二次供水设施具备调蓄能力的箱式供水逐步被占地面积小、无二次污染的无负压设备取代，但无负压设备对进水口压力的要求较高，在用水高峰且时间集中期，极易因大量抽水导致管道负压而引发水质浑黄、有异味等污染事件发生；多水厂供水的水力分界线区域不明朗，混水区因压力调配不力导致的水锤等突发爆管事件，或因供水方式不同，重力流供水与压力供水临界处瞬时压力高频震荡引发的爆管事件等，均对供水管网安全运行管理提出了更高、更严格的管理要求。

如何挖掘现有数据，通过对供水量、售水量、实际用水量、分区计量、总分表差量等进行分析计算，在满足终端用户基本用水需求条件下，给出最合理的出厂服务压力以及管网各节点分配的流量和压力，使管网各个管段结合自身参数特点处于最经济的优化运行状态，是供水企业追求的终极目标。这就要借助于信息化手段，通过系统连续性的数据分析，实现科学控漏目标，并有效降低事故率，提高运行效率。

2.1 水务公共服务平台的建设理念

供水管网是一个庞大复杂的系统，同一供水系统中，管网建设年代各不相同，承担的却是相同的输配水任务和出厂服务压力。同时，城市地下土壤环境不同，管线材质种类繁多，敷设管线过程中的被动设计变更而导致的供水不利点的徒然增加，二次供水方式由箱式供水向无负压供水方式的大规模转变等，都是影响供水管网安全运行的重要因素，对生产调度也提出了更为严峻的考验。

随着城乡供水一体化建设的不断发展和供水普及率的不断提高，安全供水，供上优质水、放心水是所有供水企业努力的主要方向。建设综合水务公共服务平台，不仅可以通过水力计算满足优化生产、优化调度的需求，实现安全供水目标，还可以通过水质监测数据的采集，科学调整运行参数，实现优质供水目标，在有效提高经济效益的同时提高社会效益，是保障安全供水的十分重要且必要的信息化建设手段。笔者以宁波水表(集团)股份有限公司(以下简称宁水集团)水务公共服务平台项目的建设思路为例，说明平台对水务行业数据服务能力的发展优势。

2.2 水务公共服务平台的建设内容

平台供水管理系统主要具有基础数据管理、营销优化、调度优化、漏损控制和预测预警管理等功能。

2.2.1 调度与节能降耗

科学优化调度、降低运行能耗始终是水务行业信息化建设的主要方向。借助大数据、在线水力和水质模型、人工智能技术等构建供水数字化水务平台，通过准确的水量预测和高效的水泵组合运行控制，实现从原水输送到二次供水的全系统协同节能优化运行，提升供水生产和输配过程中的机泵效率，最大程度节约供水能耗，是未来的发展趋势。

近3年的年鉴数据显示，水厂电耗占供水系统总电量的80%左右，普遍存在机组泵站运行效率低下(约为50%～75%)的情况，一方面是因为设备本身陈旧老化，需要更新改造提升效率；另一方面则是泵站运行调度仍以传统人工经验为主，缺乏实用的优化调度预案和运管平台，机泵运行工况不够合理，变频调速不够优化，导致系统运行的大量无效能耗增加了制水成本。加之城市化进程的快速发展，供水管网的不断扩张，规划布局与管网自身结构缺乏优化节能考虑，单纯为满足管网末端用水量要求，水厂出厂压力过高，导致管网中大范围存在压力冗余情况，无形中增加了背景漏失量和暗漏漏量。

此外，随着城市中高层建筑不断增多，二次供水能耗在供水系统中的占比也逐年攀升。由于前期在设计过程中对节能运行不够重视且缺乏与整体管网运行管理的技术衔接，二次供水泵站普遍存在选型配置不合理、管理粗放和水泵低效运行等问题，使得经过改造的二次供水设施大多无法形成与市政管网的协同调度，无法达到削峰填谷、系统节能降耗的目标。结合宁水集团新一代多参数智能3.0水表的安装数据，对G镇的M水厂进行了数据分析，以建立的供水管网水力、水质模型为核心，构建可靠性保障和节能降耗运行的多目标优化调度模型，实现市政管网-二次供水设施的多级协同运行优化(图1)，充分利用水箱等设施的调蓄能力进行水厂供水的削峰填谷，降低系统整体运行能耗。

图1 供水管网多级协同优化技术原理Fig.1 Principle of multi-level collaborative optimization technology for water supply network

M水厂共有3台水泵，其功率分别为75，55和37 kW，年供水总量约为250×104m3，年制水电耗约为100×104kW·h。

(1)目标函数

单台水泵工作时，水泵效率的有功功率消耗：

(1)

式中K——换算系数；

QP——水泵的出水流量;

HP——水泵的出水扬程;

ηP——水泵在当前流量、扬程下的运行效率。

同时考虑水厂的制水成本，泵站的总供水费用：

(2)

式中pj——泵站j对应水厂的制水成本；

X(i)——该泵站第i台水泵的开关状态，水泵开启时取1，关闭时取0；

Fj(t)——j泵站第t时段的电费；

E(t)——t时段调度时间间隔，t一般指该调度时段的起始时刻。

(2)约束条件

① 最小服务水头约束

管网服务区域内各节点的自由水压不低于相应的最小服务水头：

Hi,t

其中Hi∈Ωn，Ωn为控制点集合，t为调度时刻。

② 泵站的出水量约束

minQj,t≤Qj,t≤maxQj,t

p=泵站1Λj,t=时段1ΛT

③ 管网中水池或水库的水位约束

为避免水池(库)出现放空和溢流的情况，需要设置水池(库)的最高、最低水位约束：

minVr,t≤Vr,t≤maxVr,t

④ 初始边界条件

要求在调度周期(一般为24 h)内，水池(库)的初始时段水位与末时段水位相等：

Vr,init=Vr,end

r=水池(库)1ΛR

建立以节点压力的实测值与模拟值之间的差值平方和最小，以及管段流量的实测值与模拟值之间差值平方和最小为目标的多目标校核模型。

式中Lmax——工况数；

N，M——分别为测压点和测流点的数目；

Hti，Hti，0——分别为第t种工况下第i个测压点的模型计算值和现场监测值；

Qtj，Qtj，0——分别为第t种工况下第j个测流点的模型计算值和现场监测值。

利用差异校核模型，使管网模型能够模拟实际的管网工况。在模型建立时，需要校核的参数通常包括节点流量、管径、管道粗糙系数、阀门开度和水泵特征曲线等，其中主要是对管道粗糙系数和节点流量的校核。随着供水企业信息中心的建立和营业收费管理系统的应用，节点流量的统计趋于准确，摩阻系数的校核就成了管网模型参数校核中的重点。管道粗糙系数与管材、管径和敷设年代都存在一定的关系，相对比较稳定，但也会随着时间而变化。由于供水管道大多都敷设在地下，数量众多，管道摩阻系数难以一一测量，所以主要考虑将其作为校核的对象。

对于大型供水管网，如果把所有管段全部作为决策变量，需要较多的个体数量和大量的计算时间，进化过程比较缓慢，难以达到实用效果。对此，可以运用全局灵敏度分析方法对供水管网模型中的管道摩阻进行灵敏度分析，分析摩阻的变化对监测点压力和流量的影响，然后选取灵敏度较大的管道进行校核，其他管道仍取经验值，从而显著缩短计算时间。

M水厂供水服务范围内地势平坦，没有高层建筑物且无二级泵站，故采取直接优化调度模型进行优化调度方案设计。以泵站在不同时段的流量和给水压力为决策变量, 计算求解各节点的流量和压力优化分配，实现降耗目标，见表1。

表1 M水厂供水电耗的变化Tab.1 Change of water supply power consumption of the M Waterworks

2.2.2 漏损控制分析

针对目前供水行业漏损控制实施分区计量缺少科学的计量分区划分方法、计量设备选型及布局不够优化、建立计量分区后所采集的数据缺乏智能分析手段等问题，宁水集团水务公共服务平台项目结合新一代多参数智能3.0水表，开展了计量分区多目标优化方法研究及方案设计，并拟开发漏损监测工程化应用软件，为供水分区计量与漏损控制提供智能化硬件设备以及与之匹配的先进、实用的科学分析软件工具。计量分区是从水厂通过复杂的管网系统到小区的层级体系(见图2)，而分区数量和规模是整体方案的技术难点，其关键问题之一是仅根据管线基础资料无法判断分区后对管网水力水质产生的影响。

图2 多级计量分区层级体系Fig.2 Hierarchical system of multi-level measurement district

根据管网水力模型工况模拟数据计算基础，结合分区方案应考虑的关键因素，转化为可量化计算的目标函数和约束条件，建立供水管网多目标分区问题的图论模型和数学模型。分区方法采用多层均衡细化算法(图3)，通过简化管网图得到节点分组，再逐层细化并调整分区边界上的节点，计算分区间连接管上安装的管件类型，最终得到大量分区方案。利用多目标优化方法，同时考虑水压、水质、分区结构和经济性指标，筛选得到一组分布在四维曲面上的帕累托解，灵活选择分区方案。

图3 管网分区多层均衡细化原理Fig.3 Principle of multi-layer balanced refinement of pipe network partition district

通过管网动态水力模型的智能分析，快速、准确地判断漏损区域是分区计量发挥实际效能的关键。基于压力、流量等长时间序列的持续监测数据，利用长短时记忆神经网络等算法工具，结合DMA分区情境下的管网水力学特征，利用夜间最小流量法识别出夜间流量过高、可能存在明显漏损的小区(图4)，最终通过节点压力的精细化调控管理，实现降低管网背景漏损的目标。

图4 DMA 小区最小夜间流量与物理漏损量的关系Fig.4 Relationship between minimum night flow and physical leakage of DMA residential area

3 结论

水的取、净、输、配、供是一个多参数、非线性特点的过程，既可能与水量有关，也可能和水质有关，科学指导生产运行并不能仅仅通过简单的监控系统实现。水务公共服务平台具有数据统筹分析的系统性、持续性和可拓展性等优势，能通过复杂的水量、水压、水质参数收集统计、多维分析，实现快速堵塞低能低效管理漏洞的目标，是水务智慧化、信息化发展的必要途径。