供水管網(wǎng)在線監(jiān)測及事故預警系統(tǒng)設計研究

李曉旭

(遼寧遼東水務經(jīng)營管理有限責任公司，遼寧 本溪 117000)

城市供水系統(tǒng)關系到城市的生存和發(fā)展，供水管網(wǎng)滲漏控制一直是眾多專家學者長期研究的重點，但長期以來一直像“疑難雜癥”一樣頑固不化。在環(huán)保呼聲日益高漲的今天，城市居民飲用水的安全衛(wèi)生已逐漸成為人們高度關注和敏感的社會話題。長期以來，水一直以來是我們維護公眾健康的主要考量因素，并且正迅速發(fā)展成為影響世界各國經(jīng)濟發(fā)展的一個重要制約因素。近年來，城市經(jīng)濟的快速發(fā)展與地下隧道管線站的建設使得規(guī)模過小、管理混亂的矛盾日益突出。內(nèi)澇、道路主體坍塌甚至地下管道污水泄漏和大爆炸等交通事故頻發(fā)，嚴重影響了城市居民人身財產(chǎn)安全以及城市健康正常運行。管網(wǎng)對居民飲用水的長期污染原因是由外部環(huán)境污染物的大量進入、內(nèi)部環(huán)境污染物的長期持續(xù)化學反應和供水管材破損造成的。外來管道污染物的大量進入主要原因是由于污水管道工程施工運行過程中管道運行不規(guī)范、管道污水泄漏等多種原因從而造成外來管道污水的大量流入。內(nèi)部空氣污染物的排氣持續(xù)催化反應一般是指排氣管網(wǎng)中持續(xù)發(fā)生的一系列復雜的氣體物理、化學和自然生物催化反應。管材的環(huán)境影響作用主要指鋼材管體的材質(zhì)破壞對管內(nèi)環(huán)境水質(zhì)的整體二次污染抑制作用。

1 在線監(jiān)測及事故預警系統(tǒng)硬件設計

本監(jiān)測系統(tǒng)技術研發(fā)的主要研究目標之一是構建成熟的地下供水運輸管網(wǎng)安全實時運行管控監(jiān)測管理系統(tǒng)，建立我國地下水運輸管網(wǎng)中的壓力、流量、聲波監(jiān)測信息實時運行監(jiān)測安全檢測管理系統(tǒng)。系統(tǒng)配套設備主要內(nèi)容包括：將控管理中心網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流的傳輸處理設備、調(diào)制解調(diào)器、監(jiān)控管理中心網(wǎng)絡通訊管理控制器、監(jiān)控管理中心和水質(zhì)環(huán)境分析監(jiān)測服務器。相關分析軟件選用國際先進的Sensor傳感器，分別安裝在城市監(jiān)控分析中心的scscada服務器和城市水質(zhì)監(jiān)測分析中心服務器上。哈希公司的1720系列產(chǎn)品是國內(nèi)公認的最成熟、最穩(wěn)定的智能在線污水濁度測量監(jiān)測儀，因此，我們可以選擇：hach的1 720 d作為濁度計。快速準確評估城市供水系統(tǒng)管網(wǎng)管道運行安全狀態(tài)，準確及時定位供水管網(wǎng)管道泄漏的所在位置和風險狀況，有效實現(xiàn)對供水管道管網(wǎng)泄漏可能引起的二次漏水事件以及風險范圍區(qū)域的快速動態(tài)識別和快速風險預警，大大降低城市供水系統(tǒng)管網(wǎng)管道漏損的概率，實現(xiàn)節(jié)水減損節(jié)能增效，實現(xiàn)智慧水務目標。地下管網(wǎng)室內(nèi)水質(zhì)的具體測量參數(shù)情況可以直接通過現(xiàn)場設備安裝的相關設備配件進行直接測量[1]。這也就是整個在線安全監(jiān)控管理系統(tǒng)的技術基礎。它對信息數(shù)據(jù)的傳輸準確性和信息系統(tǒng)正常運行的安全穩(wěn)定性等都具有不可決定性的直接影響。這部分監(jiān)測設備主要產(chǎn)品包括：在線管網(wǎng)水質(zhì)質(zhì)量監(jiān)測儀、管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)rtu、調(diào)制解調(diào)器和在線管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點在線數(shù)據(jù)采集傳輸線等設備。

2 在線監(jiān)測及事故預警系統(tǒng)軟件設計

2.1 建立在線監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于存儲與供水管網(wǎng)運行和監(jiān)控密切相關的各種信息。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫結構，監(jiān)測數(shù)據(jù)、預警信息、事件信息、地理信息和模型。數(shù)據(jù)等同于水質(zhì)質(zhì)量監(jiān)測點實時監(jiān)測整個管網(wǎng)局部水質(zhì)，根據(jù)局部管網(wǎng)中只有少數(shù)點的管網(wǎng)水質(zhì)，結合管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測模型實時計算局部整體管網(wǎng)水量，反映管網(wǎng)局部整個管網(wǎng)整體水質(zhì)從而可以達到實時監(jiān)控管網(wǎng)整體水質(zhì)的主要目的。在供水管網(wǎng)中至少設置一個水質(zhì)質(zhì)量監(jiān)測點的原則，就是用較少的水質(zhì)監(jiān)測點人數(shù)，及時反映較大比例企業(yè)供水的管網(wǎng)水質(zhì)質(zhì)量狀況。由于不同管網(wǎng)中分別設立的各個監(jiān)測點的主要功能不同，監(jiān)測點進行選擇的主要理論依據(jù)也不同[2]。監(jiān)測點主要分為大型工廠地區(qū)水質(zhì)監(jiān)測點、水質(zhì)易發(fā)生惡化污染地區(qū)用水監(jiān)測點、代表點三類。不同監(jiān)測類型的天氣監(jiān)測點可以采用不同的方式選擇監(jiān)測原則。因此，需要在企業(yè)工廠現(xiàn)場內(nèi)部設置一個監(jiān)測點，不僅可以直接主動測量企業(yè)工廠內(nèi)飲用水的生產(chǎn)質(zhì)量，還同時可以根據(jù)飲用水質(zhì)量的變化及時主動調(diào)整企業(yè)生產(chǎn)工藝，調(diào)整企業(yè)加氯的質(zhì)量，并直接負責指導企業(yè)生產(chǎn)。在一個工廠內(nèi)部設置一個在線質(zhì)量監(jiān)測點也同樣可以有效避免人工在線操作可能造成的質(zhì)量檢測結果誤差。

2.2 構建供水管網(wǎng)事故預警模塊

事故預警模塊用于存儲傳感器和視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)、傳感器地址等信息?？刂乒┧芫W(wǎng)中的微生物指標是事故預警模塊中最重要的一個環(huán)節(jié)，遵循供水管網(wǎng)的拓撲結構，采用化學物質(zhì)擴散方法中的pH值指標檢測，供水管網(wǎng)中降低化學物質(zhì)的計算，如式(1)所示：

(1)

式中：?表示化學物質(zhì)在管道擴散的速度；Ui表示時間參數(shù)與管長參數(shù)的相關參數(shù)；l表示供水系統(tǒng)中管網(wǎng)水質(zhì)惡化事故的概率；v表示在系統(tǒng)檢測時供水產(chǎn)生的阻力參數(shù)[3]。根據(jù)上公式對供水官網(wǎng)中化學物質(zhì)的計算，進一步監(jiān)測化學物質(zhì)流出節(jié)點的濃度。如式(2)所示：

(2)

式中：C表示供水管網(wǎng)中物質(zhì)的濃度；i表示外界的水流速度；w表示物質(zhì)混合發(fā)生的平均速度；Ui表示水中的有機化合物參數(shù)。構建供水管網(wǎng)事故預警模塊，實時監(jiān)測得出水質(zhì)誤差范圍，誤差達到允許范圍后，可將供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測預警系統(tǒng)應用于科研和工程。

2.3 設計系統(tǒng)登錄界面

供水系統(tǒng)的顯示界面采用簡單、生動的設計理念，主要用于顯示給水管網(wǎng)三維模型。實時顯示前端返回的視頻圖像、監(jiān)控數(shù)據(jù)以及全屏顯示和分辨率疊加、集成應用系統(tǒng)界面、圖像畫面等[4]。用戶可以通過簡單快捷的操作實現(xiàn)全屏、分區(qū)、分屏、橫屏、開窗、疊加、疊加等顯示等一系列功能，以及屏幕縮放和漫游，系統(tǒng)登錄界面，如下圖1所示。

圖1 供水管網(wǎng)監(jiān)測及事故預警系統(tǒng)

圖1中，城市供水安全監(jiān)測系統(tǒng)的登錄模塊，分別設有登錄和重置選項，登錄選項是為了驗證用戶以及管理員身份，進一步使用或管控該系統(tǒng)，而重置模塊設置的目的是，防止用戶在密碼輸入錯誤的情況，點擊重置按鈕就可以重新輸入[5]。

3 系統(tǒng)監(jiān)測模塊應用

3.1 預設置監(jiān)測指標

監(jiān)控報警系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)選擇某城市中需要實時監(jiān)控的位置，預設檢測指標，具體設置值如圖2所示。

在列表框中顯示監(jiān)控該指標的監(jiān)控點，然后為其配置參數(shù)選擇監(jiān)控點。系統(tǒng)選擇監(jiān)測指標余氯的原因是，余氯是微生物中關乎水質(zhì)量的關鍵物質(zhì)，其在一定程度上能夠帶來致癌產(chǎn)物，因此，監(jiān)測余氯在水中既不能數(shù)量過高，亦不能過低。根據(jù)余氯水質(zhì)指標的變化，系統(tǒng)將實時判斷該點水質(zhì)是否異常。

圖2 監(jiān)測指標限值設置

3.2 監(jiān)測余氯變化趨勢

為驗證文中系統(tǒng)監(jiān)測模塊對指標余氯的有效監(jiān)測，將上述設置的監(jiān)測指標點擊確定，展開對“人民站”監(jiān)測點的余氯變化趨勢監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖3所示。

圖3 人民路點余氯變化趨勢

觀察圖3余氯變化趨勢可知，監(jiān)測提示窗口對余氯超標率以及異常率，都采用不同的方式標記出數(shù)據(jù)。可以供我們直觀的觀測出監(jiān)測指標是否合格，超標多少。因此，得出文中系統(tǒng)的監(jiān)測模塊能夠非常直觀地了解水質(zhì)狀況。為供水管網(wǎng)在線監(jiān)測及事故預警系統(tǒng)，提供有效參考。

4 結語

在城市供水系統(tǒng)中，常常因為各種污染，造成水質(zhì)惡化事故，本文根據(jù)此問題設計了供水管網(wǎng)監(jiān)測預警系統(tǒng)，本系統(tǒng)對于常規(guī)的水質(zhì)惡化事故有著實時監(jiān)測報警功能，通過實驗測試得出，文中系統(tǒng)能夠直觀的了解水質(zhì)中余氯的超標率以及異常率?？晒└鞔笾行〕鞘嗅槍┧芫W(wǎng)水質(zhì)問題選用本系統(tǒng)，并為今后的監(jiān)測系統(tǒng)提供新思路。