李曉琴，唐全勝 ，余和俊，胡 孟 ，李江華

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100048，北京；2.安徽省定遠(yuǎn)縣農(nóng)村供水工程管理總站，233200，安徽）

供水水壓是判斷供水管網(wǎng)運行狀況的主要指標(biāo)之一，構(gòu)建管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)尤其是針對供水管網(wǎng)覆蓋范圍廣、管線較長、管網(wǎng)漏損不易發(fā)現(xiàn)的供水工程非常必要，以便及時了解管網(wǎng)水壓是否達(dá)到供水標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)跑冒漏現(xiàn)象盡快做出處理，同時減少管網(wǎng)漏損率。

定遠(yuǎn)縣位于安徽省東部，地處江淮分水嶺，屬丘陵地區(qū)，是缺水易旱多發(fā)縣。全縣總?cè)丝诮偃f，其中農(nóng)村人口83萬。實施農(nóng)村飲水安全工程規(guī)劃以來，全縣規(guī)劃建設(shè)了15個“千噸萬人”以上規(guī)模供水工程，形成了集中供水工程統(tǒng)一供水的格局。總設(shè)計供水規(guī)模16.6萬m3/d（目前已具有11.2萬m3/d的供水能力），實際供水人口95萬，可覆蓋全縣22個鄉(xiāng)鎮(zhèn)279個村及社區(qū)。

吳圩水廠水源為灣孫水庫和雙河水庫，一期設(shè)計供水規(guī)模10000m3/d，設(shè)計供水人口10.41萬人，實際供水規(guī)模約為5000m3/d，供水范圍覆蓋吳圩、朱灣、蔣集3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)42個村。該水廠采用一體化凈水器，次氯酸鈉溶液消毒。水廠規(guī)模較大、供水管網(wǎng)覆蓋范圍廣、管線較長、管網(wǎng)漏損不易發(fā)現(xiàn)，亟須建立管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

一、監(jiān)控點選擇與確定

系統(tǒng)建設(shè)中，采用圖紙理論選點、現(xiàn)場勘查、用戶協(xié)商相結(jié)合的方式選擇管網(wǎng)壓力監(jiān)控點。

1.配水管網(wǎng)圖紙選點

城市供水管網(wǎng)壓力監(jiān)測點布置的方法與模型較多，主要包括敏感性分析、聚類分析、遺傳算法、回歸分析等。但這些方法和模型對管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)量和精確度要求較高，農(nóng)村供水工程由于缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，很難利用以上方法進行設(shè)計。本項目結(jié)合地形、管網(wǎng)分布、建設(shè)環(huán)境等因素，主要采用壓力敏感度經(jīng)驗法選擇壓力監(jiān)測點。管網(wǎng)壓力監(jiān)測點主要分兩類：管網(wǎng)中間點和管網(wǎng)末梢點。

①大管段交叉處（10個點）。大管段相交處管段流量比較大，對支管壓力影響比較大，屬于壓力變化敏感區(qū)，因此需要在管網(wǎng)中間建立測壓點。結(jié)合測壓點，記錄數(shù)據(jù)分析發(fā)生爆管等管網(wǎng)事故的影響因素及其與管道壓力的關(guān)系，為減少事故提供有力輔助。DN315干管上設(shè)置監(jiān)測點1個，DN200設(shè)置1個點，DN160設(shè)置4個點，DN110設(shè)置4個點。

②配水管網(wǎng)末梢的最不利點（7個點）。管網(wǎng)末梢（最遠(yuǎn)點）和地面高程的最高點（最低點）的壓力，最具有代表性，反映用戶最不利點供水壓力情況。為保證管網(wǎng)供水安全及管網(wǎng)末梢與高差變化較大點有合理的供水壓力，很有必要在這些位置設(shè)置測壓點。

③主要用水區(qū)域/戶監(jiān)測點（2個點）。在用水戶比較集中或用水量較大的情況下，管網(wǎng)壓力變化也會比較大。

④管網(wǎng)測壓點設(shè)置密度 （5個點）?？紤]供水管網(wǎng)較長的現(xiàn)狀，供水覆蓋范圍及供水人口的代表性，長距離管網(wǎng)即便沒有分水口，也在一定的間隔范圍設(shè)置管網(wǎng)監(jiān)測點。在平原地區(qū)建議每5～10 km2設(shè)置1點為宜，有特殊需要或經(jīng)濟技術(shù)條件容許，亦可適當(dāng)增加管網(wǎng)測壓點的分布密度，每3～5 km2設(shè)置 1 點。

管網(wǎng)爆管預(yù)警應(yīng)先考慮主干管的監(jiān)測點，再考慮反映供水壓力情況的末梢監(jiān)測點。因此，首先管網(wǎng)中間點大管段交叉處10個點有預(yù)警第一優(yōu)先級；其次選擇管網(wǎng)末梢最不利點7個和主要用水區(qū)域或大用戶水壓監(jiān)測點2個；最后考慮管網(wǎng)測壓點設(shè)置密度5個點，共24個監(jiān)測點。

2.現(xiàn)場勘查選點

圖紙選點后進行現(xiàn)場踏勘，查看是否滿足現(xiàn)場施工要求。監(jiān)測點現(xiàn)場踏勘內(nèi)容主要包括以下建設(shè)環(huán)境內(nèi)容：能否支持220V交流電，為現(xiàn)地采集單元、通信模塊和壓力傳感器提供電源；周圍是否有通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以借用；施工方便程度，包括開挖深度、距離、開挖難度和周圍環(huán)境等；用戶協(xié)商，安裝后為防止偷盜、便于管理，盡量安裝在附近用戶家，因此要同用戶協(xié)商監(jiān)控箱發(fā)生的電費和日常管理費用。通過現(xiàn)場勘查后，刪去施工不方便的5個點，最終確定19個監(jiān)測點。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

1.系統(tǒng)功能

管網(wǎng)壓力監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測點處安裝的壓力傳感器、信號轉(zhuǎn)換模塊、通信模塊、電源模塊等設(shè)備，基于無線通信方式實時采集配水管網(wǎng)監(jiān)測點的壓力值，對配水管網(wǎng)路由、管道信息與采集數(shù)據(jù)進行分圖層可視化展示；通過數(shù)據(jù)分析進行壓力突變、低值、高值、通信中斷等報警，以界面閃爍、發(fā)送短信到指定管理人員手機上等方式報警；對水廠基本信息、采集數(shù)據(jù)進行分析、查詢、圖表生成、報表等信息管理（見圖1）。

①管網(wǎng)監(jiān)控——GIS工程信息管理。管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)以衛(wèi)星圖片和當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)地圖作為顯示背景，分圖層展示供水工程關(guān)鍵設(shè)施，如：水廠與水源位置、主要供水設(shè)施等信息，同時查看各管網(wǎng)壓力監(jiān)測點的實時數(shù)據(jù)，對通信中斷、管網(wǎng)報警等壓力監(jiān)測點以界面閃爍方式展示。

②管網(wǎng)壓力異常報警。一是PC聲光電方式的管網(wǎng)異常報警，根據(jù)預(yù)設(shè)壓力值，如果某個壓力監(jiān)測點出現(xiàn)通信異常或數(shù)據(jù)異常，則將該監(jiān)測點的圖標(biāo)變顏色或閃爍提示，或通過外接音響設(shè)備發(fā)出聲音報警提示；二是短信方式主動推送報警，如果某個壓力監(jiān)測點出現(xiàn)通信異?；驍?shù)據(jù)異常，主動以短信形式發(fā)送報警信息到相關(guān)責(zé)任人的手機上。

③數(shù)據(jù)分析及報表打印。一是統(tǒng)計分析與數(shù)據(jù)查詢，提供監(jiān)測點歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線查詢展示功能以及管網(wǎng)異常記錄查詢功能；二是報表打印，對查詢結(jié)果提供時、日、周、月、年等時間段的報表、打印或?qū)С鰁xcel等功能。

④系統(tǒng)管理。根據(jù)水廠的組織管理架構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)分級、分權(quán)限管理。提供系統(tǒng)使用幫助、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)用戶權(quán)限設(shè)置等功能。

⑤其他功能。水源地水泵啟?？刂婆c對吳圩水廠兩個水源地實現(xiàn)現(xiàn)場實景拍照和照片傳輸。

2.通信網(wǎng)絡(luò)方案

縣級監(jiān)管中心利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)，匯總水廠實時數(shù)據(jù)。水廠監(jiān)控系統(tǒng)采集壓力監(jiān)控點數(shù)據(jù)信息，通信方式主要有以下幾種：

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

①單一GPRS通信。利用移動網(wǎng)絡(luò)的GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)，通過配置數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的SIM卡，使得在有GPRS信號覆蓋的地區(qū)，能夠傳輸現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。咨詢定遠(yuǎn)移動公司報價：當(dāng)前數(shù)據(jù)卡包月10元70M流量，滿足當(dāng)前系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)信息量的需要。

②單一本地網(wǎng)絡(luò)通信。如果監(jiān)測點附近用戶家庭有ADSL寬帶上網(wǎng)條件，可用來上傳現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。如果寬帶接入點與采集點距離小于200 m并且無遮擋，還可以使用本地局部無線，進行寬帶到采集點的通信中繼。

③雙通道通信。為提升通信可靠度，采集點可以采用以上兩種通信方式的組合，一個通道優(yōu)先級高，另一個通道備用。設(shè)備能夠根據(jù)實際通信情況，自動進行通信通道的選擇和切換。

綜合考慮地形、建設(shè)投資等因素，結(jié)合農(nóng)村地區(qū)家庭寬帶較少的現(xiàn)狀，監(jiān)測點通信方式主要以無線方式為主，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，目前最適合的通信方式是GPRS。

3.硬件建設(shè)

管網(wǎng)監(jiān)測點硬件設(shè)備主要包括傳感器、現(xiàn)地采集單元、供電模塊和通信模塊。由于管網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備需要安裝在野外，因此需采用防護外殼、套管、固定桿件等一系列防護措施。本次硬件建設(shè)充分考慮其他傳感器接入的擴展性，可低成本、低實施量擴展其他壓力監(jiān)測點或在同一監(jiān)測點擴展流量等其他傳感器的接入。同時，在硬件建設(shè)中，將多種模塊集成在一個防護箱體中，接口設(shè)置通用，方便用戶更換和維修。硬件設(shè)備組成如圖2所示。

三、系統(tǒng)技術(shù)特點

1.采用地圖引擎技術(shù)、Ajax技術(shù)與雙層實時數(shù)據(jù)表，提高系統(tǒng)訪問速度與數(shù)據(jù)實時性

圖2 硬件建設(shè)組成圖

采用地圖引擎技術(shù)與Ajax技術(shù)，分圖層可視化展示供水工程的地理分布、管網(wǎng)路由、管道信息、主要供水設(shè)施與采集的實時數(shù)據(jù)，并將地圖信息按照不同區(qū)塊、不同層級輸出，當(dāng)瀏覽器訪問到對應(yīng)的區(qū)塊時才去加載對應(yīng)圖片，減少服務(wù)器端占用的內(nèi)存空間，提高訪問速度。

研發(fā)過程中采用內(nèi)存表和數(shù)據(jù)庫實時表兩個層次，采集點的適配模塊獲得最新數(shù)據(jù)時，直接把實時數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)內(nèi)部的內(nèi)存表中。內(nèi)存表的更新，會觸發(fā)相關(guān)事件，監(jiān)聽這些事件的處理程序能夠接著異步進行后續(xù)處理，從而更新數(shù)據(jù)庫實時表、歷史數(shù)據(jù)表、監(jiān)聽報警引擎觸等，提高數(shù)據(jù)實時性，在GPRS模塊不受流量限制的前提下，采集速度可達(dá)數(shù)秒內(nèi)1次實時數(shù)據(jù)。

2.優(yōu)選性價比高的壓力傳感器，采用先進技術(shù)研發(fā)的管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，降低建設(shè)成本

選用防護等級較高、施工環(huán)境要求低 （可埋入土或淹入水中）、性價比高的壓力傳感器，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計分析與報警功能的管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)性能可靠，整體建設(shè)成本低。與安徽省定遠(yuǎn)縣2011年建成的同類產(chǎn)品相比，系統(tǒng)展示效果好、訪問速度快，成本低10%以上。

3.組態(tài)軟件支持遠(yuǎn)程異地維護

系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程異地維護更新，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)操作或采集數(shù)據(jù)異常等問題時，能夠即時支持遠(yuǎn)程異地維護，及時解答疑惑或指導(dǎo)當(dāng)?shù)剡\行管理人員進行維護，提高系統(tǒng)使用率。吳圩水廠管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)建成至今7個月，運行正常。

4.系統(tǒng)支持多種接口，滿足與區(qū)域監(jiān)管系統(tǒng)快速對接的需求

在系統(tǒng)接口方面，除支持OPC規(guī)范之外，宜提供多種接口，如基于TCPSocketServer方式，為外部設(shè)備或軟件系統(tǒng)提供通信接入支持，支持modbus協(xié)議到TCP協(xié)議的透明轉(zhuǎn)換，基于HTTP協(xié)議，提供HTTP Server（端口不限于80）方式，為外部設(shè)備或軟件系統(tǒng)提供XML格式規(guī)范輸出，提高了系統(tǒng)的可擴展性。

四、結(jié) 語

系統(tǒng)建成至今實施效果良好，效益明顯，能實時監(jiān)測水廠管網(wǎng)關(guān)鍵點的供水壓力，及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)壓力突變情況，便于第一時間做出應(yīng)急處理，減少管網(wǎng)漏損；及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)不利點供水壓力情況，確保用戶供水壓力；同時操作簡單，使用方便，支持遠(yuǎn)程異地維護更新和訪問，降低了軟件運行維護管理費用。

建議盡快完善建立縣級農(nóng)村供水工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)，并與水廠級自動化監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)全縣供水工程運行管理的信息化與自動化，引領(lǐng)當(dāng)?shù)匦畔⒒ㄔO(shè)，提升行業(yè)監(jiān)管技術(shù)水平。

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[4]中國水利水電科學(xué)研究院.定遠(yuǎn)縣吳圩水廠供水管網(wǎng)壓力自動化監(jiān)測系統(tǒng)實施方案[R].2014.