智慧节水监管平台助力节水机关建设

崔 凯 高 堃 王 浩

(江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

水是事关国计民生的基础性自然资源和战略性经济资源，是生态环境的控制性要素。党的十九大报告中提出要实施国家节水行动，推进节水型社会建设[1]。水利行业节水机关建设也在全国范围内逐步推行。在不断推进节水机关建设的过程中，存在着节水技术相对落后、节水器具使用率不高、节水监管效率较低等问题[2-3]。

江都水利枢纽是江苏治淮建设中一项综合利用的重要工程，既是江苏 “江水北调东引”的龙头工程，又是国家南水北调东线工程的起点工程。工程主要由 4 座大型抽水站、12 座大中型水闸及其配套设施组成，具有泄洪、调水、排涝、通航、改善生态环境等综合功能[4]。近年来，江都水利枢纽(以下简称枢纽)，按照《江苏省水利厅关于开展全省水利行业节水机关建设工作的通知》(苏水节〔2019〕1 号)要求，结合自身工作实际，积极开展节水机关建设工作[5-6]。从2019年5月开始，江都水利枢纽成立专门的组织机构，制定完备的节水管理规章和制度，完善管网图和计量网络图，通过新装和改造水表，推广使用节水设备和器具，新建使用雨水集蓄池，自主设计非常规水利用装置，自主建立智慧节水监管平台等措施，对用水单位进行实时监控和有效管理，对灰水、尾水、雨水等进行回收利用。

在本次建设过程中，江都水利枢纽自主研发了“智慧节水监管平台”，通过数字化方式，将传统的节水管理从模糊概念变成清晰数据，实现全过程、全方位、全天候、全口径的实时监管，为管理人员提供更便捷、更科学的决策支持，从而达到科学、精细、高效管理的建设目标，在节水机关创建中起到了至关重要的作用，促进了节水技术的创新和发展，达到了显著的节水示范宣传效果。

1 智慧节水监管平台总体设计

节水机关建设是一项系统性工程，而其中的用水计量是基础，没有完备的计量器具配置，就不能提供可靠的数据[7]。枢纽根据《水利部关于开展水利行业节水机关建设工作的通知》(水节约〔2019〕92号)及《公共机构能源资源计量器具配备和管理要求》(GB/T 29149—2012)的相关要求，先将节水机关划分为9个用水单元：江都第一抽水站管理所、江都第二抽水站管理所、江都第三抽水站管理所、江都第四抽水站管理所、变电所、机关办公楼、调度中心、展览馆、财务档案楼，再按照用水单元和功能分别安装配备相应表计，改造安装智能水表，满足按用水单元、功能分区的计量要求，最后平台对不同用水单元的日用水量、月用水量进行数据的保存、共享和分析，对重点用水设施、设备的管网自来水用水、雨水利用等进行远程监测、统计和报警管理，将人均用水量、绿化用水量、管网漏损率与相关指标进行对比，实现管网图、实时数据、用水趋势、报表等在平台中集中展示，既直观展示了用水数据，又高效地监管了用水单元。

1.1 平台总架构

枢纽基于对物联网技术的研究，设计的平台架构主要由感知层、物联层、应用层构成，在物联网的体系架构下实现对重点用水设施、设备、用水单元、雨水利用单元等的感知、传输、监测、管理，具有全面感知、可靠传递、数据展示三大物联网的本质特征。平台总架构见图1。

图1 平台总架构

平台通过在供用水基础管线上配置智能远程计量水表，实时在线监测用水参数，并借助传输网络将数据上传至数据中心，实现各用水单位的用水量在线监测，并按给水管网流向对各建筑和区域用水等进行数据统计，便于给水维护和管理人员使用、分析等，提升工作效率。

平台配置按物联网架构分为感知层、物联层、应用层。

a.应用层:由操作员工作站及组态王软件组成。

b.物联层:以租用的20M宽带为基础，通过modbus TCP/IP协议将监测数据从水厂服务器共享至组态王主机，喷滴灌控制器通过OPC接口直接与组态王主机进行通信，新增的摄像机通过光纤互联实现图像的显示。

c.感知层:在给水管网通过安装多级计量表计的方式，形成多级核算体系，并可用于给水管网的水平衡测试。在喷滴灌、雨水回收等节点安装喷滴灌控制器、水位计、摄像机等传感器用于监测节水设施的运行状态[8]。

1.2 网络架构

感知层的数据传输采用基于蜂窝的窄带物联网进行万物互联。远传水表根据设定的频率将数据上传至水厂服务器，组态王主机通过水厂服务器标准的modbus TCP/IP接口实现数据的共享分析。平台网络架构见图2。

图2 平台网络架构

1.3 平台软件开发

平台软件部分采用“组态软件-组态王”进行开发，组态王具有丰富的人机界面，为运行人员提供友善的接口，操作既方便又安全，既简单又可靠，既能发挥多窗口的特点，又能适合运行人员的习惯。

1.4 平台软件主要功能

枢纽结合自身的实际情况，依据指导文件的核心要求及重点效用，对平台软件功能进行设计和开发。主要软件功能分析如下。

1.4.1 数据采集与处理

组态王监控软件需通过租用的宽带采集厂家云服务器数据库中的数据，包括喷滴灌的状态、水表数据、集水井水位等实时数据。

处理功能可以将各基本点进行组合、运算，提供功能强大且易学易用的语言开发平台，实现复杂的算术、逻辑运算，轻松计算出水量漏损。

平台软件开发使用的数据库为SQL Server，操作员工作站和云服务器各安装一套，两套数据库定时同步。

1.4.2 实时监控

监控功能提供丰富的人机界面，提供给运行人员友善的操作界面，既方便又安全。节水自动化管理平台通过实时监控和采集用水管网各部位的数据，计算水量，提供区域/建筑的给水实时监测、数据统计分析、异常水耗识别，对24h内用水状况进行曲线分析，管理人员可通过查看用水流量趋势及日用水量分析用水合理性，实现不同类型的统计分析。用水趋势分析界面见图3。

图3 用水趋势分析界面

1.4.3 漏损分析

平台漏损分析功能主要体现在可以通过对建筑用水量及用水模型的匹配分析，自动进行给水漏失分析和用水异常情况识别,辅以界面报警方式提醒相关人员,帮助管理人员及时发现跑、冒、滴、漏现象,便于维护人员准确定位漏点范围及排除故障，为故障检修争取时间,最大限度地减少浪费并强化供水保障能力。

1.4.4 水平衡分析功能

平台提供给水管网平衡分析功能，在理清给水基础管网信息的条件下，通过给定的给水总表、区域表、户表的总分关系，对各区域用水量进行实时水平衡分析。

1.4.5 雨水回用运行监控功能

雨水回用路径是通过屋面、广场地面等收集雨水引至集水井，中水利用则将迎宾馆区域内的洗菜用水通过集中再分离的方式引至集水井。雨水和中水经净化处理后，供冲厕、洗车、绿化、景观等场景使用，替代传统市政供水水源，节约水资源。雨水回用运行监控界面见图4。

图4 雨水回用运行监控界面

雨水回用运行监控系统通过智能数据网关获取现场实时运行数据，实时监测雨水池、蓄水池水位，监测各个水泵的运行状态。通过加装流量计，计量雨水、自来水补水量，并计量浇灌、绿化、洗车等各项使用量。通过与建筑的总用水量进行对比，计算传统水源替代率。同时,还具备喷滴灌遥控功能,实现了远程集中控制的运行管理模式。喷滴灌控制监控界面见图5。

1.4.6 运行记录功能

记录的内容包括水位曲线、操作记录、故障记录等，其时间区段的设置可由值班人员通过人机对话方式实现，极大地提高了值班人员管理的便捷性。

1.4.7 报警记录功能

平台具有相关参数的报警功能，在各界面上可弹出报警提示和简要报警说明，同时可在报警菜单内查询详细资料。

2 平台应用情况

目前，平台已上线运行，总体运行良好，达到了以下效果：

a.数据显示直观化。通过平台可以直观地看出管网图、管网漏损率、各水表压力参数、各用水单元用水实时数据、日用水量、月用水量、用水趋势、用水报表等，方便数据之间的比对，有利于分析各用水量变化是否符合要求，从整体上提升了节水管理的数字化水平和信息化水平。

b.监管作业便捷化。平台借助Web形式，使各级管理人员无论何时何地都可以轻松地对用水单位的用水情况进行监测、统计、分析、管理和综合决策。

c.节水管理智能化。依靠平台数据展示功能，可以自动进行给水漏失分析和用水异常情况识别，辅以界面报警方式提醒管理人员及时发现跑、冒、滴、漏现象，为故障检修争取时间并最大限度地减少浪费，强化了供水保障能力，实现了节水管理的自动化、信息化、科学化[9-10]。

3 结 语

枢纽节水机关智慧节水监管平台的研发，极大地促进了节水机关的建设，通过充分利用智慧节水监管平台，可实时监管、科学分析、精细研判日常用水管理工作中存在的问题，迅速、科学地作出决策，真正发挥了平台的智慧管理作用。通过有效运用该平台，实现了节水管理工作的高效性、快捷性和准确性，简化了工作流程，推进了节水技术的创新与发展。同时，也为其他学者研究智慧节水监管平台提供了参考，在节水机关建设中具有很好的推广应用价值。今后需对水量统计报表、水平衡测试、水价累计征收等相关模块内容进行扩充，进一步完善平台。