基于IOT技术的城市智能供水管网监管平台的设计与应用

文｜上海隧道工程股份有限公司 刘立慧 王守强/上海城建市政工程（集团）有限公司 沈君华/上海水务建设工程有限公司 蒋炜

一、智能供水管网监管平台建设的必要性

习近平总书记在党的十九大报告中明确提出了网络强国建设目标，2018年中央一号文件明确提出了实施智慧农业林业水利工程，2020年在全国水利工作会上再次强调了“水利工程补短板，水利行业强监管”的水利发展总基调，要求借助于信息技术尽快补齐水利行业管理短板，抓好智慧水务顶层设计，构建安全使用、智慧高效的城市水务信息大系统，以水利数字化驱动水利现代化。城市水务管理要以互联网+“智慧水网”建设为核心，构造以水务信息共享、跨职能业务协同、智能监管为核心的智能供水管网。

二、智能供水管网监管的现状及问题分析

目前各大城市供水管网都面临着一系列的问题：（1）水务管理部门的SCADA 管理系统与收费系统、供水管网健康平台都是独立建设，数据不具备交互分析能力；（2）在终端很多设备在建设初期并未安装传感监测，无法进行远程监控，有些泵房中的设备老旧，数据传输无法联网，需要大量的人力物力进行后期检查保养，不仅增加了运维成本，有些故障也无法及时排除，降低了整体的管养效率；（3）缺少从供给侧到需求侧整体的管网智能化监测的手段，解决烟囱式的孤岛系统之间数据的流转和分析。因此需要为水务管理部门设计一个合理的、科学的监管平台，以提高供水的可靠性和安全性，利用大数据分析算法来降低管理成本，提升城市整体供水效率，为城市可持续发展提供有力的保障。

三、基于物联网技术的智能供水管网平台的设计方案

本项目基于目前城市供水管理现状，从供水源头到用水终端建立一套实时监测的管网运管平台，通过对各大泵房设备的实时监控，利用动态规划算法对城市供水状态进行实时统计分析，优化成本策略，提高供水效率；建立城市供水管网中各大管网节点中设施的安全性能评估，得到管网风险预警模型，实现城市供水管网的智能化运行。

3.1 系统设计概述

该系统服务的对象主要是供水公司和管道运维保养单位以及水务管理部门，系统架构如图1所示。借助于物联网采集技术、大数据分析技术、人工智能算法技术等信息技术主要为以上三家单位提供如下服务：

（1）水质、水量过程监督：系统的部署采用B/S 架构，通过互联网和移动互联网架构的环境传感器和水压、水位传感器自动感知，实现供水公司对水量的实时监测并上传到智能分析平台。

（2）管网风险预警：根据运营过程中采集的参数，在故障发生前第一时间捕获传感器报警信息，并触发报警告知运维管道运维保养单位，从而有效降低设备超负荷运行激增的设备损耗，消除设备超荷可能会带来的隐患，降低设备更新成本，提高设备保养、使用效率；加强供水管网中每个环节的质量控制，减少跑冒滴漏可能会带来的重大隐患，降低水管爆管的概率。

图1 智能供水管网监管内容设计

（3）针对分区、分段的居民用水、行政事业用水、工业用水的时段和管网压力，探索去中心化的自动运营和中心化监管运营情况的模式，提升水务管理部门对城市供水管网的监管能力，保障城市居民安全用水。

3.2 系统架构设计

系统平台的建设主要分为大屏展示、产销差分析、爆管（漏损）事件分析、设备动态监测、管网水质情况预警，管网安全预警等功能。主要从三个层面来体现：

（1）建立了城市供水立体感知体系

在现有的SCADA 系统、产销分析系统等基础上，利用各种感知设备完善管网全网检测-预警-维修等管理闭环，为智能监管提供全面、质量可靠的感知数据。

（2）建立了供水管网数据汇集和治理常态

完成了供水公司、水务管理部门、管网保养维修单位之间的数据汇集和治理，形成辅助城市供水管网决策的关键性数据支撑，形式水务治理新常态。

（3）建立了城市供水管网数据标准体系

建立基于整个城市供水管网检测-运维的管理标准，为物联网采集的设备数据、水务数据提供统一的规范和指导，降低区块盲目建设和重复性建设，提升了水务数据的分析和共享效率。

四、智能供水管网平台的实际应用效果

本项目以管网整体运维效果为最终目的，利用层次分析法对管网运维过程中的风险评估建立风险预警模型，并建立四级预警指标，通过对管龄、管材、接口等参数的分析得出管网存在的漏损、爆管风险概率，为管网运管单位提供可靠的评估结果，指导维修部门及时开展检修，以降低管道爆裂可能带来的风险。通过蚁群算法对水资源和城市用水数据进行调优，从而得到资源利用的最优策略，实现城市智能供水管网成本控制和节能功效。

4.1 智能供水管网监管大屏

为提高平台监管效率，在首页以DMA分区管理的模式来有效控制整个城市供水系统水量，将DMA 分区将管网划分为多个小型区域方便管理，每块分区都有区块名称、供水量、售水量、无收益水量、无收益水量占比、压力、不可避免漏损量、可消减水量占比、ILI 指标等关键参数组成。并提供区块分析和水量统计指标对各区使用水的情况进行分析，以便每月规划下月计划水量。

图2 智能供水管网监管平台分层模型

图3 智能供水管网监管大屏

4.2 水量平衡分析

水量平衡分析是通过计量或估算各类用水量项，量化所有的用水项和漏损量，确定供水水量的结构组成，找出漏损水量的关键症结，为确定消减产销差的干预措施提供依据。系统设计根据管理实际将水费分为收益水费和无收益水费，其中收益水费主要来自于水务管理单位的收费计量用水和未计量用水，是已缴纳水费的总和；无收益水费来自于产销差分析水平衡表中的未收费的合法用水和漏损用水；根据用水管理单元划分区域查看“用水分布情况”与“无收益用水情况”。该模块统计了总供水量、收费计量用水量、收费未计量用水量、未收费计量用水量、未收费未计量用水量、非法用水量、漏损计量、输配水管漏水量、支管线漏损水量等。通过直观的图形表示水量平衡分析，如图4水平衡统计分析。

4.3 供水管网关键指标智能监管

图4 水平衡统计分析

通过取自SCADA 系统实时的监测数据，在该平台上记录了水厂、管网的运行情况，主要对管网的瞬时压力进行阈值判断并预警，同时展示该位置的流量、余氯、浊度（余氯一般在0.5-3mg/L，高于或者低于都自动报警；浑浊度一般不高于3 度）。水务管理部门根据系统提示的报警数据辨识管道清洗和消毒状态，告知供水公司关闭阀门并调整供水管道的开关，供水公司和管道保养单位及时检测管道内壁洁净状态。

图5 供水管网关键指标智能监管

4.4 安全预警和事件分析

图6所示的两个位置点压力，其中一处（9.535Mpa/h）已经达到预警状态，另一处尚处于（8.861Mpa/h）安全水平，通过平台的实时报警来告知管理人员风险点。管理人员随时可以通过检索管网测点和水厂测点，查询当前24 小时内的变化情况。

基于事件信息的汇总，根据事件严重程度划分为一般、中等、严重、重大四个等级，根据管理层级进行事件预警。根据管网日常事件划分为爆管、漏损、井盖缺失等多个事件类型。通过构建风险指标体系，将管材、管龄、管网业务指标等数据进行评级的划分，利用层次分析法（AHP）进行安全综合风险评估，结合GIS 以热力图呈现方式展示。由于爆管的危害性较大，会严重影响工商业和人们的生活，因此以爆管为例，系统中详细统计了爆管位置、爆管原因、管道材质、埋深、管径、修复情况、漏失水量等内容，并根据不同区域爆管次数、不同材质爆管次数、不同管径爆管次数以及不同管龄爆管次数等维度形成深度分析图表，最后汇聚成历史事件处置知识库。

图6 安全阈值预警和事件分析

图7 事件预警统计分析

五、结论与建议

本项目所设计的城市智能供水管网监管平台融合了传感器自动采集技术、水质检测技术，通过大数据分析技术精准预测管网漏损点，并及时预警供水设备超负荷运行情况，通过对居民生活用水、工业用水、经营服务用水、行政事业用水、特种行业用水等五种常用用水类型的分析统计汇总成每月、每年度产销差分析，通过集约共享资源，提高了运维水平而大大降低了水务管理部门的运维成本，实现了现有资源最优化配置，促进基础设施和应用实效效能最大化；通过跨平台数据的整合，数据的分析，优化了原有的业务流程，提升了供水产业链协同效率；通过设备性能分析提高了城市供水管网的安全性，构建了健康、科学的城市智能供水管网监管体系。从平台建设角度来说，未来还应与管理实际更加紧密结合，借助物联网等数据采集技术，优化线下数据采集，不断完善城市供水管网数据规则和数据标准，为智慧城市的建设提供辅助性决策数据。