崔 凱 高 堃 王 浩

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200)

水是事關(guān)國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素。黨的十九大報(bào)告中提出要實(shí)施國(guó)家節(jié)水行動(dòng)，推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)[1]。水利行業(yè)節(jié)水機(jī)關(guān)建設(shè)也在全國(guó)范圍內(nèi)逐步推行。在不斷推進(jìn)節(jié)水機(jī)關(guān)建設(shè)的過程中，存在著節(jié)水技術(shù)相對(duì)落后、節(jié)水器具使用率不高、節(jié)水監(jiān)管效率較低等問題[2-3]。

江都水利樞紐是江蘇治淮建設(shè)中一項(xiàng)綜合利用的重要工程，既是江蘇 “江水北調(diào)東引”的龍頭工程，又是國(guó)家南水北調(diào)東線工程的起點(diǎn)工程。工程主要由 4 座大型抽水站、12 座大中型水閘及其配套設(shè)施組成，具有泄洪、調(diào)水、排澇、通航、改善生態(tài)環(huán)境等綜合功能[4]。近年來，江都水利樞紐(以下簡(jiǎn)稱樞紐)，按照《江蘇省水利廳關(guān)于開展全省水利行業(yè)節(jié)水機(jī)關(guān)建設(shè)工作的通知》(蘇水節(jié)〔2019〕1 號(hào))要求，結(jié)合自身工作實(shí)際，積極開展節(jié)水機(jī)關(guān)建設(shè)工作[5-6]。從2019年5月開始，江都水利樞紐成立專門的組織機(jī)構(gòu)，制定完備的節(jié)水管理規(guī)章和制度，完善管網(wǎng)圖和計(jì)量網(wǎng)絡(luò)圖，通過新裝和改造水表，推廣使用節(jié)水設(shè)備和器具，新建使用雨水集蓄池，自主設(shè)計(jì)非常規(guī)水利用裝置，自主建立智慧節(jié)水監(jiān)管平臺(tái)等措施，對(duì)用水單位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理，對(duì)灰水、尾水、雨水等進(jìn)行回收利用。

在本次建設(shè)過程中，江都水利樞紐自主研發(fā)了“智慧節(jié)水監(jiān)管平臺(tái)”，通過數(shù)字化方式，將傳統(tǒng)的節(jié)水管理從模糊概念變成清晰數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全過程、全方位、全天候、全口徑的實(shí)時(shí)監(jiān)管，為管理人員提供更便捷、更科學(xué)的決策支持，從而達(dá)到科學(xué)、精細(xì)、高效管理的建設(shè)目標(biāo)，在節(jié)水機(jī)關(guān)創(chuàng)建中起到了至關(guān)重要的作用，促進(jìn)了節(jié)水技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，達(dá)到了顯著的節(jié)水示范宣傳效果。

1 智慧節(jié)水監(jiān)管平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

節(jié)水機(jī)關(guān)建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，而其中的用水計(jì)量是基礎(chǔ)，沒有完備的計(jì)量器具配置，就不能提供可靠的數(shù)據(jù)[7]。樞紐根據(jù)《水利部關(guān)于開展水利行業(yè)節(jié)水機(jī)關(guān)建設(shè)工作的通知》(水節(jié)約〔2019〕92號(hào))及《公共機(jī)構(gòu)能源資源計(jì)量器具配備和管理要求》(GB/T 29149—2012)的相關(guān)要求，先將節(jié)水機(jī)關(guān)劃分為9個(gè)用水單元：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、變電所、機(jī)關(guān)辦公樓、調(diào)度中心、展覽館、財(cái)務(wù)檔案樓，再按照用水單元和功能分別安裝配備相應(yīng)表計(jì)，改造安裝智能水表，滿足按用水單元、功能分區(qū)的計(jì)量要求，最后平臺(tái)對(duì)不同用水單元的日用水量、月用水量進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存、共享和分析，對(duì)重點(diǎn)用水設(shè)施、設(shè)備的管網(wǎng)自來水用水、雨水利用等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和報(bào)警管理，將人均用水量、綠化用水量、管網(wǎng)漏損率與相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、用水趨勢(shì)、報(bào)表等在平臺(tái)中集中展示，既直觀展示了用水?dāng)?shù)據(jù)，又高效地監(jiān)管了用水單元。

1.1 平臺(tái)總架構(gòu)

樞紐基于對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)的平臺(tái)架構(gòu)主要由感知層、物聯(lián)層、應(yīng)用層構(gòu)成，在物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)用水設(shè)施、設(shè)備、用水單元、雨水利用單元等的感知、傳輸、監(jiān)測(cè)、管理，具有全面感知、可靠傳遞、數(shù)據(jù)展示三大物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)特征。平臺(tái)總架構(gòu)見圖1。

圖1 平臺(tái)總架構(gòu)

平臺(tái)通過在供用水基礎(chǔ)管線上配置智能遠(yuǎn)程計(jì)量水表，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)用水參數(shù)，并借助傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)各用水單位的用水量在線監(jiān)測(cè)，并按給水管網(wǎng)流向?qū)Ω鹘ㄖ蛥^(qū)域用水等進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，便于給水維護(hù)和管理人員使用、分析等，提升工作效率。

平臺(tái)配置按物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為感知層、物聯(lián)層、應(yīng)用層。

a.應(yīng)用層:由操作員工作站及組態(tài)王軟件組成。

b.物聯(lián)層:以租用的20M寬帶為基礎(chǔ)，通過modbus TCP/IP協(xié)議將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從水廠服務(wù)器共享至組態(tài)王主機(jī)，噴滴灌控制器通過OPC接口直接與組態(tài)王主機(jī)進(jìn)行通信，新增的攝像機(jī)通過光纖互聯(lián)實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。

c.感知層:在給水管網(wǎng)通過安裝多級(jí)計(jì)量表計(jì)的方式，形成多級(jí)核算體系，并可用于給水管網(wǎng)的水平衡測(cè)試。在噴滴灌、雨水回收等節(jié)點(diǎn)安裝噴滴灌控制器、水位計(jì)、攝像機(jī)等傳感器用于監(jiān)測(cè)節(jié)水設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)[8]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

感知層的數(shù)據(jù)傳輸采用基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行萬物互聯(lián)。遠(yuǎn)傳水表根據(jù)設(shè)定的頻率將數(shù)據(jù)上傳至水廠服務(wù)器，組態(tài)王主機(jī)通過水廠服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)的modbus TCP/IP接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享分析。平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖2。

圖2 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.3 平臺(tái)軟件開發(fā)

平臺(tái)軟件部分采用“組態(tài)軟件-組態(tài)王”進(jìn)行開發(fā)，組態(tài)王具有豐富的人機(jī)界面，為運(yùn)行人員提供友善的接口，操作既方便又安全，既簡(jiǎn)單又可靠，既能發(fā)揮多窗口的特點(diǎn)，又能適合運(yùn)行人員的習(xí)慣。

1.4 平臺(tái)軟件主要功能

樞紐結(jié)合自身的實(shí)際情況，依據(jù)指導(dǎo)文件的核心要求及重點(diǎn)效用，對(duì)平臺(tái)軟件功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。主要軟件功能分析如下。

1.4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

組態(tài)王監(jiān)控軟件需通過租用的寬帶采集廠家云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，包括噴滴灌的狀態(tài)、水表數(shù)據(jù)、集水井水位等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

處理功能可以將各基本點(diǎn)進(jìn)行組合、運(yùn)算，提供功能強(qiáng)大且易學(xué)易用的語言開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算術(shù)、邏輯運(yùn)算，輕松計(jì)算出水量漏損。

平臺(tái)軟件開發(fā)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server，操作員工作站和云服務(wù)器各安裝一套，兩套數(shù)據(jù)庫(kù)定時(shí)同步。

1.4.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控

監(jiān)控功能提供豐富的人機(jī)界面，提供給運(yùn)行人員友善的操作界面，既方便又安全。節(jié)水自動(dòng)化管理平臺(tái)通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集用水管網(wǎng)各部位的數(shù)據(jù)，計(jì)算水量，提供區(qū)域/建筑的給水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、異常水耗識(shí)別，對(duì)24h內(nèi)用水狀況進(jìn)行曲線分析，管理人員可通過查看用水流量趨勢(shì)及日用水量分析用水合理性，實(shí)現(xiàn)不同類型的統(tǒng)計(jì)分析。用水趨勢(shì)分析界面見圖3。

圖3 用水趨勢(shì)分析界面

1.4.3 漏損分析

平臺(tái)漏損分析功能主要體現(xiàn)在可以通過對(duì)建筑用水量及用水模型的匹配分析，自動(dòng)進(jìn)行給水漏失分析和用水異常情況識(shí)別,輔以界面報(bào)警方式提醒相關(guān)人員,幫助管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)跑、冒、滴、漏現(xiàn)象,便于維護(hù)人員準(zhǔn)確定位漏點(diǎn)范圍及排除故障，為故障檢修爭(zhēng)取時(shí)間,最大限度地減少浪費(fèi)并強(qiáng)化供水保障能力。

1.4.4 水平衡分析功能

平臺(tái)提供給水管網(wǎng)平衡分析功能，在理清給水基礎(chǔ)管網(wǎng)信息的條件下，通過給定的給水總表、區(qū)域表、戶表的總分關(guān)系，對(duì)各區(qū)域用水量進(jìn)行實(shí)時(shí)水平衡分析。

1.4.5 雨水回用運(yùn)行監(jiān)控功能

雨水回用路徑是通過屋面、廣場(chǎng)地面等收集雨水引至集水井，中水利用則將迎賓館區(qū)域內(nèi)的洗菜用水通過集中再分離的方式引至集水井。雨水和中水經(jīng)凈化處理后，供沖廁、洗車、綠化、景觀等場(chǎng)景使用，替代傳統(tǒng)市政供水水源，節(jié)約水資源。雨水回用運(yùn)行監(jiān)控界面見圖4。

圖4 雨水回用運(yùn)行監(jiān)控界面

雨水回用運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)通過智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雨水池、蓄水池水位，監(jiān)測(cè)各個(gè)水泵的運(yùn)行狀態(tài)。通過加裝流量計(jì)，計(jì)量雨水、自來水補(bǔ)水量，并計(jì)量澆灌、綠化、洗車等各項(xiàng)使用量。通過與建筑的總用水量進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算傳統(tǒng)水源替代率。同時(shí),還具備噴滴灌遙控功能,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中控制的運(yùn)行管理模式。噴滴灌控制監(jiān)控界面見圖5。

1.4.6 運(yùn)行記錄功能

記錄的內(nèi)容包括水位曲線、操作記錄、故障記錄等，其時(shí)間區(qū)段的設(shè)置可由值班人員通過人機(jī)對(duì)話方式實(shí)現(xiàn)，極大地提高了值班人員管理的便捷性。

1.4.7 報(bào)警記錄功能

平臺(tái)具有相關(guān)參數(shù)的報(bào)警功能，在各界面上可彈出報(bào)警提示和簡(jiǎn)要報(bào)警說明，同時(shí)可在報(bào)警菜單內(nèi)查詢?cè)敿?xì)資料。

2 平臺(tái)應(yīng)用情況

目前，平臺(tái)已上線運(yùn)行，總體運(yùn)行良好，達(dá)到了以下效果：

a.數(shù)據(jù)顯示直觀化。通過平臺(tái)可以直觀地看出管網(wǎng)圖、管網(wǎng)漏損率、各水表壓力參數(shù)、各用水單元用水實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、日用水量、月用水量、用水趨勢(shì)、用水報(bào)表等，方便數(shù)據(jù)之間的比對(duì)，有利于分析各用水量變化是否符合要求，從整體上提升了節(jié)水管理的數(shù)字化水平和信息化水平。

b.監(jiān)管作業(yè)便捷化。平臺(tái)借助Web形式，使各級(jí)管理人員無論何時(shí)何地都可以輕松地對(duì)用水單位的用水情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析、管理和綜合決策。

c.節(jié)水管理智能化。依靠平臺(tái)數(shù)據(jù)展示功能，可以自動(dòng)進(jìn)行給水漏失分析和用水異常情況識(shí)別，輔以界面報(bào)警方式提醒管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，為故障檢修爭(zhēng)取時(shí)間并最大限度地減少浪費(fèi)，強(qiáng)化了供水保障能力，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水管理的自動(dòng)化、信息化、科學(xué)化[9-10]。

3 結(jié) 語

樞紐節(jié)水機(jī)關(guān)智慧節(jié)水監(jiān)管平臺(tái)的研發(fā)，極大地促進(jìn)了節(jié)水機(jī)關(guān)的建設(shè)，通過充分利用智慧節(jié)水監(jiān)管平臺(tái)，可實(shí)時(shí)監(jiān)管、科學(xué)分析、精細(xì)研判日常用水管理工作中存在的問題，迅速、科學(xué)地作出決策，真正發(fā)揮了平臺(tái)的智慧管理作用。通過有效運(yùn)用該平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水管理工作的高效性、快捷性和準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化了工作流程，推進(jìn)了節(jié)水技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。同時(shí)，也為其他學(xué)者研究智慧節(jié)水監(jiān)管平臺(tái)提供了參考，在節(jié)水機(jī)關(guān)建設(shè)中具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。今后需對(duì)水量統(tǒng)計(jì)報(bào)表、水平衡測(cè)試、水價(jià)累計(jì)征收等相關(guān)模塊內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)充，進(jìn)一步完善平臺(tái)。