浅论水平衡测试数字化实现智慧用水管理

冯 明，金 晶

(1.成都千汇环保科技有限公司，成都，610200；2.成都市节约用水监管事务中心，成都，610072)

党的十八大以来，节水工作要贯彻落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期治水方针，城市发展要坚持“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的原则要求，通过各种方法和手段来进行水资源管理，推行节约用水。

本文探讨在新时代城市节水新模式条件下，如何突破传统水平衡测试的痼疾，用远程化、数字化和平台化的“水平衡测试数字化”为城市非居民用水个体提供实时、便捷、准确的内部用水监控体系。

1 水平衡测试的概念、意义和目的

水作为一种宝贵的资源，是有限的，是人类生活不可或缺的物质和工业生产的原料和载体，是别的物质无可替代的。用水单位内部的用水节水管理必须要以科学有效的水量监控为基础，而水平衡测试为我们提供了水量监控的技术手段。水平衡测试是指对用水单元和用水系统的水量进行系统的测试、统计、分析得出水量平衡关系的过程[1]。水平衡测试是对用水单位进行科学管理行之有效的方法，也是进一步做好城市节约用水工作的基础。它的意义在于，“通过测试能够全面了解用水单位管网状况，各部位(单元)用水现状，画出水平衡图，依据测定的水量数据，找出水量平衡关系和合理用水程度，采取相应的措施挖掘节水潜力，达到加强用水管理、提高合理用水水平的目的”[2]。

2 水平衡测试的内容

水平衡测试是一项技术性的工作。必须要有严肃认真的科学态度和周密的计划才能把这项工作做好。传统的水平衡测试可分为准备、实测、汇总、分析阶段[3]，各阶段主要内容如图1所示。

图1 水平衡测试内容

水平衡测试准备阶段的工作内容包括方案流程的审核、表具的校验与完善、相关人员的配置与相关技术培训、测试时间的落实、管网漏损测试与修复。其难度随着单位规模的增大而增大。

静态测试阶段需要在不用水的时段进行，作为大型企业和连续生产型企业很难做到，一般企事业单位需要在不用水的时段进行，一般在凌晨0∶00-3∶00左右，在此时间段因气候原因和夜间安全等原因测试难度也很大。

动态测试阶段要做到准时、准确和一致。正式测试期间，极端气候、爆管等突发状况都会影响井下水表的读取工作，而且井下读表存在安全隐患。

水平衡测试有一定专业技术要求，大部分的用水单位会借助专业机构进行。一轮测试结束后，测试体系大多闲置，用水管理又回到了之前的状态，如果按属地节水主管部门的要求三年一次的水平衡测试要求，则间隔周期过长，传统水平衡测试只能做时点性的单一监测。如何把时点性的单一监测转变为持续性的综合监控，数字化给了我们实现的可能。

3 “数字化”及“水平衡测试数字化”

数字化，即是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型，把他们转变为一系列二进制代码，引入计算机内部，进行统一处理，这就是数字化的基本过程[4]。

物联网(IoT)定义为将人、流程、数据和事物结合在一起使得网络连接变得更相关，更有价值。万物互联将信息转化为行动，给企业、个人和国家创造新的功能，并带来更加丰富的应用场景和前所未有的经济发展机遇。

2021年，水利部发布实施了《城镇用水单位智慧节水系统技术要求》(以下简称《技术要求》)，在国家层面首次明确了关于城镇用水单位智慧节水系统的技术要求，为推进城镇用水单位节水工作的数字化、精细化、智慧化提供了有力支撑。

《技术要求》的实施将在用水户层面切实促进新一代信息技术与节水工作的进一步融合，助力城镇用水单位管理模式转变和用水效率提升，也为节水主管部门推进和指导城镇用水单位，特别是重点用水单位和公共机构的节水工作提供了技术支撑。

“水平衡测试数字化”是依据《技术要求》，在传统水平衡测试基础上，将测试使用的计量设施由原来的机械式水表升级为智能远传数字化水表，通过有线或无线的数据传递方式将所有计量设施的水量数据汇集到数据库平台，平台对数据进行收集、计算和分析，为用水户提供水量数据保存、可视化数据分析和水量预警等一系列专业数据服务。

根据“十四五”节水型社会建设规划第二项总体要求，加强重大技术研发力度。将节水基础研究和应用技术创新性研究纳入国家中长期科技发展规划、生态环境科技创新专项规划等。围绕用水精准计量、水资源高效循环利用、节水灌溉控制、管网漏损监测智能化、管网运行维护数字化、污水资源化利用、海水淡化利用等领域，开展节水关键技术和重大装备研发。加强大数据、云技术、人工智能等新一代信息技术与节水技术、管理及产品深度融合。结合创新人才推进计划、国家重点研发计划等，加强节水领域高水平、高层次科技队伍建设，提高自主创新能力[5]。

4 构建智慧用水管理系统实现水平衡测试数字化

新型智慧用水管理系统具备全面性、易用性、稳定性、可扩展性、安全性、实用性等特性。管理系统由感知层、传输层、设备接入层、数据资源层、智慧管理与应用支撑层及应用服务层等部分组成[6]。功能上以用水数据为核心，提炼资产信息、运营指标、评价状态等。运用多种可视化工具，搭建大数据的管理界面。该界面可实现如下展示：

(1)资产信息：管线信息、水表状态、各类设备设施数量；

(2)运营指标：多种时间维度的用水统计、漏失水、突变用水展示；

(3)评价状态：对分区实现状态评价，漏失率、资产状态、用水习惯评级等。

同时，为了积极应对信息化进程发展带来的不可预知性，对系统保留可扩展的余地。

4.1 全局信息

在成都千汇智慧管理平台全局信息中可以清楚地了解到用户的分布、单位使用情况、本年度与上年度用水量、地区用水量和分行业用水量的比重和具体数据。同时系统可以明确地对单位的定额进行系统化的分析，查看使用智慧管理平台的单位用水定额是否合格，并对管理者和单位使用者进行预报警。全局管理界面如图2所示。

图2 全局管理界面

4.2 年、月、日抄表台账

系统自动采集、记录和计算水表的读数和流量，在页面上选择日期和周期后可以显示相应统计结果，并以表格模式导出。抄表台账界面如图3所示。

图3 抄表台账界面

在抄表台账界面，能够通过表记信息，大致判断用水情况。对于用水情况出现问题的，能够直观地看出问题。如图4所示，二级表流量总和数值大于一级表流量数值，是异常的情况。

图4 通过抄表台账判断用水情况

4.3 图表分析界面

主要包括分区用水图表、分类用水图表、月周期用水对比表、日周期用水对比表。分区用水图表可以展示用水单位内不同区域用水分布情况；分类用水图表可以展示用水单位不同类型的用水占比情况，比如食堂用水、宿舍用水、绿化用水、景观用水、清洁用水、卫生间用水、锅炉用水、消防用水等等。系统在选定时间周期和区域范围后，自动计算该时间周期和区域内上下级水表之间的不明水率，当系统计算出的不明水率超过设定阈值后，系统将发出相应的报警提示。图表分析界面如图5、图6所示。

图5 图表分析界面

图6 单水表用水分析

4.4 移动端

移动端在收到服务端报警信息后会向管理员发出报警，引起注意，做出相应的处理措施。同时移动端具有PC端全部功能，可以查看各类信息，并具备GIS地图功能，实现水表定位和位置导航功能。移动端界面如图7所示。

图7 移动端主要界面

5 数字化水平衡测试与传统水平衡之间的优劣势比较

数字化以后的水平衡测试在发挥原有测试的功效以外，实现了更高的效率、更多的功能和场景。

5.1 减少人力投入

传统人力抄表，效率低、数据易出错、维护管理比较困难，且工程、人力成本都比较高，逐渐被取代。物联网智慧水表搭配远程抄表系统应运而生，它解决了人力抄表等一系列问题，节约了人力成本。

5.2 降低测试误差

传统的机械式水表只能通过人工抄表，手写形成计量台账，数据反馈和计算不及时，无法进行即时性的统计和不明水分析，往往在管网漏水很长一段时间后才能发现情况；以水平衡测试数字化为基础的智慧用水管理平台通过远传数据能及时发现异常用水情况，实时对用水数据进行分析，迅速反映给水管网运行情况，极大地节约了巡查维护成本，杜绝了异常用水造成的浪费。

5.3 实现智慧用水管理

物联网水表最主要的功能是能够实现水表远程数据上传，通过内置通讯模块，将水表直接与抄表系统通过运营商基站通信，从而实现水表和云平台系统的信息交互。管理人员直接通过电脑或者手机端查看和管理水表即可，管理平台提供包括远程抄表、远程漏损管理、远程不明水率计算、用水报表打印等功能。

5.4 远程采集的数据更客观、更准确

物联网远传水表和抄表系统的结合运用，能实时读取水表的基础用水信息，系统和水表计量数据保持一致，完全避免了人为错抄、漏抄带来的数据误差，为用户提供更优质的服务。

5.5 便于历史数据的保存

水平衡测试数字化实现了被测单位用水数据的数字化，所有的数据都保存在云端，后期任何用水情况和给水管网的变化，平台都会进行数字化更新，被测单位的用水信息能得到完整、准确和安全地保存，排除了人为扰动，实现了用水单位的持续管理。

表1 传统水平衡测试与智慧化-数字化水平衡测试优劣势分析

通过智慧化管理-水平衡测试数字化能够有效弥补传统水平衡测试中误差大、数据易失真、抄表困难、耗人耗时等缺点。用水智慧化管理平台能够实现实时抄表，自动形成用水台账，保障数据的真实性，解决采用人工抄表过程中可能遇到的诸多实质性困难。用水单位通过智慧用水管理平台能够及时分析自身的用水情况，有效杜绝“跑冒滴漏”等现象的发生，同时也可降低人工抄表产生的成本问题。

6 新时代城市节水的数字化展望

城市节水要跟上新时代的要求和步伐，数字化是必由之路。城市用水量的控制和提效的前提条件是对从城市用水水量平衡到每个用水户(包括居民和企事业单位)的水平衡的整体监控，无论从空间和时间角度，这个数据量是巨大的。随着城市大数据体系的形成和升级，城市水量和水情数据将是城市大数据体系中重要的组成部分。如果在这样一个量大、复杂和要求高速的数据新时代背景下，我们依然使用传统的水量水情监测设备和数据信息传输通道，不管是对城市宏观水资源数据的把控，还是对每个城市细胞的用水数据监测，都会产生较大的滞后效应。

数字化城市节水会有以下几个特征：第一、作为传感器的末端水量水情检测设施设备必须具备模数转换模块和数字远传模块；第二、所有传感器必须由不同层次的系统化平台完成统筹，数据绝不会是简单的点对点传输和应用，所有数据在平台实现统计、计算、分析和储存；第三、水量水情数据通过平台处理分析，最终结果将根据不同层次的需求，数据的呈现会体现精确化、直观化和实时化。第四、水量水情监控将极大减少人为影响的扰动，预警功能将得到极大地体现，为精准节水提供了准确的方向。

面对城市节水数字化发展的前景，我们同样要认识到新形势的发展路径依然曲折，以上所提出的城市节水数字化场景仍然有局限性，末端传感器的精确度、稳定性和数据传输质量还需要极大地提升，数据分析平台的结构和规模依然原始，数字化节水的市场接受度依然很低。但我们相信新时代、新模式和数字化的未来会促使城市节水能力大步前进。