浅析智慧水务系统在农村饮水安全工程管理中的应用

唐林平， 石海

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司）

1 引言

农村饮水安全是三农工作的重要保障，当前农村水利设施配套相对薄弱，运维管养能力不足，生活污水与农业生产废水的随意排放使得农村水环境进一步恶化、水污染加剧，而水质检测与污水处理技术应用滞后，农村饮水水质不达标、水量不充足、供水工程与设施运维成本过高、供水系统管理模式粗放等[1]，使得农村饮水安全面临不利局面。

2 智慧水务系统在农村饮水安全工程管理中的应用价值

2.1 保证农村饮水水质达标

农村供水系统涉及水源地、水厂、供水管网、加压泵站等诸多环节，智慧水务系统利用水质监测仪对不同环节的供水水质情况进行连续性精准监测，对比生活饮水卫生标准，快速且科学判定农村饮水水质的达标情况以及不达标指标，以便农村饮水安全工程的管理人员准确定位水质不达标的供水环节[2]，实现供水流程体系内的水质动态监测与水质状况溯源分析，确保农村饮水水质达生活饮水卫生标准。

2.2 保证农村供水水量充足

智慧水务系统依托水位监测仪、流量监测仪等传感设备设施对农村供水系统的运行状态以及供水设备设施的工作状态进行在线监测，通过对水位、流量等供水参数的连续性采集与历史数据分析，及时发现农村供水系统中的水量不足异常[3]。例如，根据供水系统不同环节的水位、水压、流量历史数据定位供水管网泄漏部位，分析泄漏严重程度，测算供水系统的漏损量，以便农村饮水安全工程管理人员及时开展管线泄漏抢修。同时，智慧水务系统依托水利模型与压力调控手段统筹调度农村地区的水资源分配，优化农村地区的饮水资源供给配置，确保农村供水水量充足。

2.3 提高农村饮水安全工程精细化监管

智慧水务系统可构建以电子地图为底图的供水设施一张图管理平台，在电子地图之上叠加农村水利设施与供水环节的矢量数据，利用传感器与通信网络有效关联水利设施的实时运行状态、供水系统参数以及数据中心的数据库，以便农村饮水安全工程管理人员利用智慧水务系统查询水利设施的运行数据、供水系统工作参数等，并依托历史数据进行过程线分析、过程面分析、异常数据分析、水位水量模拟、安防预警等，为水利设施运维管理与农村供水系统精细化管理提供平台支持与辅助决策支持，改变传统农村供水系统粗放式管理模式，实现对农村饮水安全工程的全方位、全天候、精细化监管。

2.4 降低农村饮水安全工程运行成本

智慧水务系统嵌入应用到农村饮水安全工程的水厂、水源地、供水管网、泵站等一系列环节中，对水源地的安全防护监管、对水厂生产工艺与流程监管、对供水管网运行过程监管、对泵站工作状态监管等均体现了自动化、数字化、智能化成效，可以切实降低农村饮水安全工程的运行成本。例如，智慧水务系统深度关联水厂生产与处理设备的运行状态，实时采集工艺流程的运行数据，科学分析水厂的生产能耗，调整优化水泵机组的运行方案，从而提高水厂的生产效能。例如智慧水务系统中嵌入视频监控系统，对水源地所在片区进行24 小时全天候监控，对于异常行为的目标自动识别、自动预警，提高水源地的水资源安全防护水平。

3 农村饮水安全工程管理中的智慧水务系统设计

3.1 总体架构设计

农村饮水安全工程管理中的智慧水务系统立足于以现代信息技术优化农村饮水安全工程管理流程，提高农村饮水安全工程管理的自动化、智能化、精细化、动态化水平。从农村饮水安全工程智慧水务系统的体系架构来看，其主要包括设备层、边缘层、IT 设备层、应用层与服务层，其中设备层由布设在农村供水系统各环节的数据采集器与通信网络构成，数据采集器包括超声水表、远传压力计、水质监测仪、水量监测仪等，用于连续采集泵站、供水管网、水厂等目标对象的运行参数；边缘层是构建在设备层之上的物联网层，其高度集成远程控制、边缘计算、设备联动等智能应用，实现远程数据采集的高性能稳定传输；IT 设施层包括存储设备、计算设备、安全防护设备等，用于对远程采集并传输的水务数据进行高效组织、管理与计算分析；应用层则面向具体的工程运营主体，包括自来水厂、供水管网维保单位、水源地管护单位等，为其提供业务性的应用功能，如水源地监管、水厂监管、供水管网监控等；服务层面向具体的工作人员，为其提供权限范围内的数据与分析结果，如为高层决策者提供农村饮水安全工程管理成本统计结果，为业务维护员提供供水管网异常泄漏的位置数据与流量数据等。

3.2 网络架构设计

农村饮水安全工程智慧水务系统的网络架构包括数据采集端、网络层、数据中心三部分，其中数据采集端用于对农村供水系统各个环节布设的传感器设备进行关联，实现对农村地区供水数据如水量、水质等的全天候、全方位监测与数据采集；网络层依托无线或有线网络构建数据传输通道，实现数据采集端采集数据至数据中心的高效、无损传输；数据中心用于对数据采集端采集并传输的水厂生产数据、泵站运行数据、供水管网工作参数等进行标准化、规范化组织与管理，利用关系型数据库服务器与云存储技术实现海量前端数据的高效存储，并依托统计分析方法、人工智能算法等对供水数据进行挖掘分析。

3.3 功能模块设计

3.3.1 水源地监管

水源地监管模块是对农村水源地的水质情况进行动态监测，真实反映水源地的水质状况。利用水质监测仪与通信网络实时采集与传输水源地水质数据，以便数据中心对长时间序列下的水源地水质数据进行变化分析，保证水源地的水质达标。同时，在水源地及其周边布设摄像头，对水源地周边环境进行全天候监测，对异常运动目标进行自动识别与预警，提高水源地的安全防护水平。

3.3.2 水厂监控

水厂监控模块是对水厂的生产工艺、设备运行、资源调度等进行全方位监控，通过对水厂生产线的标准化监管推动水厂生产运行的流程化与标准化，有效降低水厂生产成本，提高水厂的生产效益。同时，在水厂监控模块中引入智能用量预测，科学分析不同片区的供水用量，优化水厂生产方案，统筹调度水厂生产的达标饮水供给。

3.3.3 供水管网监控

供水管网监控是采用“一张图”模式对管网线路、管网节点等进行网络化、可视化管理，通过对供水管网线路走向、埋深、地理位置、管道内流量、流速、水位、水质等的监控与数据采集，构建供水管网三维可视化模型。在供水管网三维模型的基础上，利用线损分析算法对供水管网的泄漏事故进行分析，为供水管网巡检与维修人员提供精准的泄漏定位，减少供水管网泄漏造成的水资源流失与经济损失。利用压力表监控设备动态采集供水管网内的水压情况，通过GIS 空间分析法对供水管网的水压数据进行空间插值，可视化展示供水管网的水压空间分布，以便农村饮水安全工程管理人员科学进行压力调控，以免压力过大导致供水管网爆裂。供水管网水质监测可帮助农村饮水安全工程管理人员量化分析供水管网内的水质情况与达标与否，为管理人员统计供水管网不同时间段的供水数据提供分析工具。

3.3.4 泵站监管

泵站监管模块是对农村供水系统中的取水泵站、中途加压泵站等进行实时监管，农村饮水安全工程管理人员可对泵站的运行情况进行动态监控，可视化展示泵站的空间分布。同时，管理人员可根据泵站的运行情况以及农村供水需要远程控制泵站的运行状态与运行参数，实现对泵站的全生命周期管理。泵站全生命周期内的运行分析可有效节约泵站运营的综合成本，提高泵站在农村饮水安全管理工程中的运行成效。

3.3.5 综合运营

综合运营模块是对上述功能模块采集的数据进行集成的基础上，支持农村饮水安全工程管理自动化、数字化、智能化的功能模块。例如，将农村末端用户用水数据作为训练数据输入到神经网络模型中进行训练与建模，精准预测未来某时间段农村末端用户用水数据，有效指导农村饮水安全工程管理中的水资源调度与水厂生产设计。同时，根据末端用户用水历史数据挖掘分析农村用户的用水高峰时段与低谷时段，从而科学管控泵站的出水或补水状态以及泵站的运行参数，实现农村供水系统的有效调峰，缓解农村地区供水量不足、供水稳定性差等问题。

3.3.6 报警管理

利用大数据的技术手段，构建高精度的智能预警模型，实现对农村饮水生产、输送等环节的设备运行情况自主检测和诊断，快速识别各类异常事件并进行报警提醒，实现异常事件及时处置。用户可对历史报警信息进行快速查询，便于追溯原因，同时系统支持用户自定义报警方案，满足用户的个性化报警需求，从而全方位地保障供水安全。

3.3.7 安防管理

安防管理模块对农村供水系统的水源地、水厂、供水管网、泵站等环节进行监管，依托视频监控、门禁系统、电子围栏等方式，确保控制和减少水源地、水厂、管网等供水环节中各种事故的发生率，降低各类重大异常事件的发生概率，保障农村饮水安全。

4 结语

智慧水务系统是高度集成传感器技术、物联网技术、自动控制技术、计算机技术，以水务为应用场景的智慧化管理平台，将智慧水务系统引入到农村饮水安全工程管理中，可以有效克服农村水利设施分布零散、运维管理难度大、水质不达标等弊端，切实保证农村地区的饮水安全。