城市供水管网智能调配系统的分析及研究

鲁菁 曹梦川 杨涛 马晓虎 *

(1.宁夏职业技术学院 宁夏银川 750021; 2.广东粤海水务投资有限公司 广东深圳 518021)

供水管网（Water Distribution System）是指给水工程中向用户输水和配水的管道系统，由管道、配件和附属设施组成，附属设施有调节构筑物（水池、水塔或水柱）和给水泵站等[1]。该系统的工作一般是持续进行的，以保证用户用水安全和稳定，同时要求以动力系统保证供水效果，并加入药物对原水进行沉淀、过滤、消毒杀菌。受到多种因素影响，现代城市供水管网的工作并不完善，供水稳定性和药耗、能耗不能得到充分控制，也使智能技术的作用得到更多关注。在此背景下，分析城市供水管网智能调配系统的建设需求、设计思路和实现方法，具有一定的现实意义。

1 城市供水管网智能调配系统的相关技术

1.1 智能技术

城市供水管网智能调配系统建设，关注重点在于系统作业的智能化，智能技术是整个系统的核心。例如：供水安全性方面的管理，一般而言，供水管网服务区域内的用户用水量是比较稳定的，但在夏季用水高峰期、节假日，用水量可能出现增加，如果服务范围内有较多的租户，也可能在春节前后出现用水量减少的情况。用水量的波动影响供水管网的供水安全性，借助智能技术可实时跟踪服务区域内的用水情况，统计其变化规律，为后续供水服务提供参考，保证供水稳定[2]。

1.2 实时通信技术

实时通信技术的价值在于保证城市供水管网智能调配系统的工作针对性，来自用户端的用水信息、来自管理端的管理信息，均需要以实时通信技术提供保证，以确保所有信息能够在预定时间范围内完成交互，保证管理实时性和最终质量。例如：某一区域用水量快速增加，该信息被传感器传输至管理端，后者以智能系统快速予以响应、下达调配指令，能够在较短时间内完成水资源的配置，保证供水稳定[3]。

1.3 大数据技术

大数据技术可完成海量数据的快速处理，并根据数据特点分析其内在价值，作为城市供水管网智能调配系统的管理依据。例如：用药管理，通过采集用药后的水质信息、生成大数据并记录在城市供水管网智能调配系统中，通过持续积累的数据保证采样分析的全面性、客观性，据此分析合理的管理参数，避免过量使用药物或用药不足等问题，提升城市供水管网智能调配系统的综合服务效能[4]。

1.4 传感器技术

传感器技术是城市供水管网智能调配系统作业实时性的基本保障。用户端的用水量信息、水质信息、用水变化信息等，均依赖传感器进行感知和实时收集。

结合城市供水管网智能调配系统工作需求，应采用接触式传感器进行作业，并以有线通信的形式保证通信质量。传感器的工作应全天实时开展，且独立进行传输。此外，应在管理端配置必要的转换器和提纯器，前者负责将传感器收集的信息转化为可被计算机读取和识别的数字信号，后者则滤除信号中的噪声，以保证计算机对信号的识别效果[5]。

1.5 其他辅助技术

城市供水管网智能调配系统的建设、运用，还依赖其他辅助技术提供帮助，包括可视化技术、嵌入技术、集成技术、现场总线技术等，这些技术并不是城市供水管网智能调配系统建设的独有技术，但能够发挥辅助作用，以保证系统建设质量与运营能力[6]。可视化技术可用于用户端、管理端，帮助用户和管理者了解供水情况，嵌入技术则用于实现辅助功能，包括可视化模块的嵌入、报警器嵌入等。集成技术的重要性相对突出，是保证系统各部分能够统一履行智能的关键，在现有技术条件下已可实现。现场总线技术服务通信活动，也保证城市供水管网智能调配系统功能可以进一步扩展。

2 城市供水管网智能调配系统的具体需求

2.1 保障供水安全的需求

城市供水管网智能调配系统建设作用突出，是保障供水安全的直接需求。通常城市供水管网的服务范围较大，为保证灵活性，需要设置若干区域、小网格，单独建立供水系统，如一个小区、若干居民楼等，其供水管网均带有一定的独立性，一些不可控的客观因素影响供水安全。例如：节假日大量居民居家期间，用水量出现增长，如果依然按照常规参数供水，可能导致同一时间段内居民用水需求不能得到充分满足的情况[7]。借助城市供水管网智能调配系统，居民用水量的变化可被系统实时感知，并根据对应信息，自动进行供水参数的调整，加大供水压力提升水流单位时间的提供量，以满足居民用水需要。这是常规供水管网不具备的功能，也是城市供水管网智能调配系统建设的基本追求。

2.2 降低供水药耗的需求

原水需要经过处理后才能作为自来水提供给用户，由于原水内的成分比较复杂，需要投入药物对其中的细菌、杂物进行处理，再滤除沉淀物，将符合使用标准的自来水通过供水管网提供给用户。在此过程中，如果使用的药物过多，可能导致药物残留、威胁居民健康，也增加了工作成本。用药较少则不能充分完成原水处理，也会导致居民饮水安全和身体健康问题。借助城市供水管网智能调配系统，可对经过处理的原水进行信息收集，采集若干样本，评估药物残留水平，如果残留药物过多，表明净化用药超过需要，可适当予以控制、降低，在保证水质的同时提升处理效果、饮水安全，也降低因不当用药导致的经济支出[8]。

2.3 降低供水能耗的需求

供水能耗即供水管网作业过程中产生的能源消耗，是不可避免的作业支出。从特点上看，供水能耗超出标准值的因素较多，这一部分因素是可以控制的包括参数过大、设备损坏等。城市供水管网智能调配系统的运用，主要从参数调控方面发挥作用，减少供水系统的非必要支出，控制供水能耗。一般而言，用户的用水需求存在阶段性差异，夜间用水量较小，早间、午间和傍晚则较高，这要求以与之匹配的作业参数供水。出于保证用户用水需求的目的，在其用水高峰期，供水压力和参数都较大，通过智能调配系统了解用户用水需求变化情况，可在用户用水量显著减少时，对供水压力和参数进行调整，使其下降，能够在满足用户需要的情况下，削减供水能耗，保证系统作业综合效益。

3 城市供水管网智能调配系统的设计原则

3.1 高适用性

高适用性是城市供水管网智能调配系统的基本设计原则，是指系统应能够高度匹配本区域的管理需要，同时也是指系统在技术需求、建设方法等方面有较强的普适性，能够在大部分地区运用，减少重复设计的困扰。从技术角度上看，城市供水管网智能调配系统所需要的各类技术已经比较成熟，包括智能技术、传感器（接触式传感器）技术、有线通信技术、嵌入技术、总线技术等，具体工作中可根据作业区域特点进行设计，原则上应保证区域用水需要、能耗控制需要和药耗控制需要得到兼顾，在各区域配置足够的作业设备、通信设施，并建立能够服务智能技术作业需要的计算机平台，如果工作负荷较大则为系统配置计算机群，以集成技术做各部分功能的统一管理，匹配当地供述管网系统工作需要。

3.2 易维护性

易维护性是指城市供水管网智能调配系统的设计不能过于复杂，其物理结构应强调简化，仅需能够满足供水需要即可，同时系统设计时选用的技术和设备也应较为常见、常用，适配性高，以便于在出现故障时快速进行处理。如供水管线的地下部分，设计上应强调简练化，在新管让旧管、后铺让先铺原则下，避免复杂的回转、弯折、直锐角设计，转弯处以直角或锐角设计为主，管道的材质应考虑耐用性、耐冲击、耐水蚀，设备的选用以质量为关注核心，在此基础上重视易更换、易替代，非必要情况下不选用技术复杂、使用难度高的设备。系统建设区域应便于周期进行检修、便于在出现故障时进行更换处理。

3.3 可扩展性

可扩展性是指城市供水管网智能调配系统的设计应考虑未来需要，在用水量增加、服务范围增加的情况下，保证系统仍能满足管理要求。如物理层面主要强调保证系统设计基本原则，即高适用性、易维护性，物理层面的设计在现有工作中得到了较高关注，实现难度不大。管理层面主要强调保证系统通信能力、远程管理能力具有进一步扩展的空间，强调引入CAN总线技术、做好管理平台建设。设计上以可扩展性较强的CAN总线技术提供独立信道，以满足不同区域用户、不同工作模块信息交互的需求，平台设计上则关注提供较多的计算管理空间，以计算机群替代一般计算机，或以大容量计算机取代小容量计算机。此外，数据库建设、实时数据处理系统设计也应予以完善，以保证实时信息、大数据的处理质量。

3.4 低成本性

低成本性是指城市供水管网智能调配系统的设计需要以其使用需要为基本出发点，在非必要情况下，不必选用价格高昂的新技术、新材料和新设备。如目前广泛用于大数据管理的高速计算机、工业计算机，能够完成每秒千万亿次计算，但此类设备价格昂贵，且在城市供水管网智能调配系统中，无须使用性能如此优越的工作设备，虚拟内存达到8 GB 以上、磁盘空间在1 TB以上的普通计算机即可完成大部分计算作业，如果系统工作范围较大，则以若干计算机结成计算机群保证信息处理效率。其他方面的配置也遵循此原则，以满足系统作业需要为直接目标，选用价格适中、便于使用、易于维护的设备和材料，用于城市供水管网智能调配系统建设。

4 城市供水管网智能调配系统的实现方式

4.1 系统框架

城市供水管网智能调配系统的实现依赖智能技术、实时通信技术、大数据技术、传感器技术以及各类辅助技术，技术运用的具体方式上文中已有论述，为保证其能够有效发挥作用，则需要以集成技术为中心，使不同技术能够在系统默认程序管理下有效履责，系统框架设计如图1所示。

图1 城市供水管网智能调配系统设计框架

按照该框架，系统由4个部分构成，即传感器与通信部分、用户端、管理端以及执行单元。传感器一律选用接触式，实时进行用户端信息的收集，并以通信线路对收集所获的信息做实时传输，提供给智能分析管理中心，由中心分析传感器所提供的信息，如果信息无异常，将对应信息存储到数据库，并继续组织常规作业。如果传感器提供的信息存在异常，则由智能分析管理中心下达指令，由执行单元进行警报、处理，向用户端提供与其需求匹配的服务，异常信息和处理信息也同步录入数据库中，作为大数据备用。

4.2 作业方式

从作业方式上看，按照图1所示系统，其工作全程是无人化的，只在智能分析管理中心由人员设定默认工作程序，作为系统自动化作业的支持。以供水压力管理为例，对其作业方式进行分析。默认用户在日间的用水量为A吨，具有稳定性，以满足A吨供水为目标，设定系统供水作业压力参数为X。实际工作中，用户的用水量在A吨范围内上下波动，尤其是晚间、早间，波动往往较明显，并围绕A上下变化，表现如下：

[Amix;WA;08;YQ;A;HE;A7;Amax]

其中，Amix为用户常规日间用水量的最小值，Amax为用户常规日间用水量的最大值，其余为随机用水参数值，在此范围内，系统供水作业压力参数均为X。可利用大数据技术，获取Amix和Amax的参考值，并代入系统中，纳入默认程序的管理范围内，并做对应的程序编写，使系统可对用水量变化进行灵敏感知和对应操作。晚间用户用水量减少，低于Amix，系统通过传感器感知其问题，调整供水作业压力参数，使其达到90%X或更低水平（根据实时获取的服务端参数具体确定）；反之，傍晚或晨间用户用水量增加，高于Amax，系统通过传感器感知其问题，调整供水作业压力参数，使其达到110%X或更高水平（也根据实时获取的服务端参数具体确定），从而提升供水稳定性、安全性。

4.3 模拟实验分析

借助模拟实验，对上述设计进行分析，了解设计思路和方式是否可行。实验利用计算机建立，主要分为两组，一组为常规实验，另一组为模拟实验。实验对象为沈阳市某区域，利用该区域供水部门提供的信息，了解其供水工作的一般情况，选取3 个重点指标进行分析，即供水安全性、供水药耗、供水能耗。

第一组实验选取供水部门提供的参数，以计算机建立实验，模拟其工作情况，采用调整参数加速模拟（1∶6 000，模拟1 min为100 h），随机在模拟过程中截取100个数据指标（每一个为6 s，即现实工作10 h），了解该指标下供水安全性、供水药耗、供水能耗。

第二实验选取供水部门提供的参数，以计算机模拟建立城市供水管网智能调配系统，分析其工作情况，采用调整参数加速模拟（1∶6 000，模拟1 min为100 h），随机在模拟过程中截取100个数据指标（每一个为6 s，即现实工作10 h），了解该指标下供水安全性、供水药耗、供水能耗。

实验结果具体如表1所示。

表1 实验结果

从表1结果上看，第二组采用城市供水管网智能调配系统，未出现供水中断问题，供水药耗为17.7 mg/L，供水能耗为1/0.219（t/kg标煤），均优于第一组，表明城市供水管网智能调配系统作用理想。

5 结语

综上所述，城市供水管网智能调配系统具有其突出优势，应在未来工作中予以重视，设法运用。该系统实现依赖于智能技术、实时通信技术、大数据技术、传感器技术的提供支持，可保障供水安全、降低供水药耗、降低供水能耗。具体设计强调适用性、易维护性、可扩展性和低成本化，以稳定的框架和逻辑为系统工作提供支持。结合模拟实验结果，可知智能调配系统降低了供水药耗和能耗，也有效保证了供水安全，可在未来工作中尝试运用。