郭 磊，黃本勝，邱 靜，黃鋒華，吉紅香

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635； 3.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣州 510635)

0 引 言

近年來，隨著最嚴格水資源管理制度的實施，如何進行有效的進行總量控制，提升用水效率，是需要解決的迫切問題。信息化建設可最大程度提升水資源管理的效率、科學性及實效性，是保障最嚴格水資源管理制度實施的重要基礎性工作，早在2006年，國家水利部開始啟動國家水資源管理系統(tǒng)前期工作[1,2]；2008年部署各省(區(qū))水資源管理系統(tǒng)總體實施方案編制工作[3]；2011年中央提出實行最嚴格的水資源管理制度，把嚴格水資源管理作為加快轉變經濟發(fā)展方式的戰(zhàn)略舉措，明確要求“加強水量水質監(jiān)測能力建設，為強化監(jiān)督考核提供技術支撐”。2012年，為落實2011年中央一號文件精神，為實行最嚴格水資源管理制度的提供重要技術支撐和主要工作抓手，水利部經商財政部，啟動國家水資源監(jiān)控能力建設項目[4-6]。水資源監(jiān)控能力建設是水利信息化建設的龍頭工程[7]，2016年完成了全部一期建設任務，建成了取用水、水功能區(qū)、大江大河省界斷面等三大監(jiān)控體系，水利部、流域和省等三級水資源監(jiān)控管理信息平臺，實現(xiàn)了對全國75%以上河道外頒證取水許可水量的在線監(jiān)測，80%以上國家重要江河湖泊水功能區(qū)的水質常規(guī)監(jiān)測；已核準公布的全國重要地表水飲用水水源地基本實現(xiàn)水質在線監(jiān)測；實現(xiàn)大江大河省界斷面水質監(jiān)測全覆蓋，水量監(jiān)測覆蓋率大幅提高；實現(xiàn)了水利部、流域和省(區(qū)市)三級信息平臺的水資源管理業(yè)務在線處理和互聯(lián)互通[8]。項目建設豐富了水資源監(jiān)控管理信息、規(guī)范了水資源業(yè)務管理程序、提高了水資源業(yè)務管理效率、提升了水資源應急管理水平、增強了水資源考核技術支撐，對水資源管理工作意義重大。

取水戶監(jiān)管系統(tǒng)作為國家水資源監(jiān)控能力的重要組成部分，其建設的成效將直接關系到系統(tǒng)的切實可靠性[9]。根據(jù)近年來完成的近10宗取水戶監(jiān)管系統(tǒng)建設項目中凝練的經驗總結，建立取水戶監(jiān)管系統(tǒng)建設關鍵技術體系框架，最大程度保障系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，盡可能避免取水監(jiān)管系統(tǒng)建設中普遍存在的難以投入實際運用的問題，為系統(tǒng)確實發(fā)揮最嚴格水資源管理制度的支撐作用提供技術保障[10]。

1 技術體系內容概述

從技術層面而言，取水監(jiān)管系統(tǒng)建設的主要建設內容包括三個方面，一是現(xiàn)場采集技術與設備，其次是通訊技術與設備，最后是中控系統(tǒng)軟件與硬件建設。其關鍵技術涵蓋上述三個方面及運維管理等共四部分內容[11]。當前，對取水監(jiān)管系統(tǒng)而言，所面臨的最大問題就是對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的使用上，因系統(tǒng)采集存在不穩(wěn)定、計量偏差、數(shù)據(jù)爭議等情況，從實際管理情況來看，監(jiān)管系統(tǒng)往往僅發(fā)揮靜態(tài)數(shù)據(jù)記錄及動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的輔助校核作用，沒有真實發(fā)揮其應有的信息化管理功能。

為此，針對影響取水監(jiān)管系統(tǒng)穩(wěn)定及數(shù)據(jù)準確性的主要方面：即在線計量安裝調試、軟件定制開發(fā)、運維管理等，對系統(tǒng)進行結構優(yōu)化和功能完善，形成一套適應不同條件及管理需求的系統(tǒng)建設技術體系和框架，從而確保系統(tǒng)能夠落地運行使用并發(fā)揮效用。

具體而言，整套技術體系包括涉及現(xiàn)場采集技術、通訊及設備等的智能遙測終端適應性改造升級、計量設備優(yōu)選策略、復雜條件計量建造及率定方法、適應多品牌計量集成接入關鍵技術；涉及中控系統(tǒng)軟件與硬件的基于邏輯鏈的數(shù)據(jù)異常智能診斷技術、基于深度適應的水資源監(jiān)管系統(tǒng)研發(fā)及監(jiān)管系統(tǒng)高效運維管理模式建造等七個方面，極大的完善了取水監(jiān)管系統(tǒng)的開發(fā)建設與運行管理內容，為系統(tǒng)真正能夠投入到實際運用并發(fā)揮支撐效用提供了強有力的技術保障(圖1)。

圖1 取水監(jiān)管系統(tǒng)構建技術體系Fig.1 Technologies for construction of water intake monitoring system

2 現(xiàn)場采集技術與設備

2.1 計量方案優(yōu)選策略

不同取水戶，其取水條件(地理位置、取水量等)、取水方式、取水管線設計與布設上存有較大差距，為了最大限度保證計量精度和穩(wěn)定運行要求，充分考慮現(xiàn)場安裝便利性，制定了一套針對不同條件的計量設備及方案智能優(yōu)選策略，能夠在輸入現(xiàn)場基本參數(shù)后，給定優(yōu)選的方案。具體如下：

(1)取水管徑小于DN300 mm時，宜采用電磁流量計；取水管徑大于DN600 mm，采用插入式超聲波流量計；DN300 mm～DN600 mm之間根據(jù)現(xiàn)場安裝條件來確定；

(2)流量計精度等級不宜低于±0.5%級，每臺計量設備需進行出廠校準；對同一批次產品，第三方法定機構檢定率不低于50%；

(3)盡量避免在管線流程最高點安裝計量；電磁流量計避免強磁場干擾；確保滿管安裝；超聲計量傳感器避免安裝在管道截面的6、12鐘方向；

(4)計量點的選擇要符合直管段要求；一般超聲波流量計對直管段的要求見表1和圖2所示。

表1 直管段長度要求Tab.1 Straight pipe length requirement

圖2 節(jié)流孔阻流件的直管要求Fig.2 Straight pipe length requirement for orifice

(5)安裝完畢后，需對計量數(shù)據(jù)進行合理性評價；一般采用穩(wěn)定運行工況下15 d左右的數(shù)據(jù)進行評價，采用比對的數(shù)據(jù)來源包括水泵銘牌、設計取水流量、產品用水定額、水平衡測試等，另外采用便攜式高精度流量計進行同步測量，以確定其計量準確性。對于偏差較大的計量設備，可進行計量現(xiàn)場檢定，以確定計量儀表功能是否正常。

2.2 復雜條件計量建造及率定方法

針對取水計量安裝過程中，常見的計量安裝條件復雜，無符合計量安裝要求計量點，計量安裝無相關技術規(guī)范標準等諸多難題，通過對現(xiàn)場取排水流程的綜合分析，確定較優(yōu)的計量裝及率定方法。具體包括：

(1)計量井建設。主要是針對取水管線大部分為地下埋管情況，在查閱相關圖紙后，確定滿足計量安裝要求的足夠長前后直管段點，外部條件空曠且外電接入較為便利的點，開挖計量專用井，進行計量的安裝。

(2)局部管線改造。對于部分管線中擾流件和彎道較多，且現(xiàn)場具備裁彎取直條件的，進行局部管線改造，摒棄彎道，新建直管線并安裝計量。另外，還可以采用延長管道和采用穩(wěn)流器的方式來進行局部管線改造，達到提升計量精度的目的。

(3)支管計量。對于總管不具備計量安裝條件，但支管條件較好且管路清晰的，對全部支管進行計量安裝。

(4)物理實驗率定方法。對于現(xiàn)場無符合直管段要求且無法進行管線改造或改造較大的點。可根據(jù)其取排水流路特征，采用雙點(計量安裝點和計量校準點)同步測量及物理模型試驗率定的方法進行計量。方法示意見圖3所示。

圖3 雙點同步測量及物理模型率定方法Fig.3 Calibration methods by 2 points synchronous measurement and physical model

3 通訊技術與設備

3.1 智能遙測終端的適應性改造升級

智能遙測終端的主要作用是用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集存儲及傳輸，即從取水計量設備中讀取計量數(shù)據(jù)，進行實時顯示、數(shù)據(jù)存儲，并通過自身集成的SIM通訊模塊將數(shù)據(jù)通過通訊運營商的無線網絡傳輸至中心站(圖4)?？梢姡悄苓b測終端是鏈接現(xiàn)場在線計量與系統(tǒng)的關鍵設備，其穩(wěn)定性與精度等對系統(tǒng)運行有直接的影響。

目前常規(guī)智能遙測終端產品，可實現(xiàn)對常規(guī)485輸出信號的采集存儲與傳輸，標配也含有集成電路的相關輔助設計如低功耗、防雷、防潮、防震動、高防水等級、抗電磁干擾、高存儲容量等，屬通用性產品。其主要存在適用性問題，具體包括無法與目前國家水資源監(jiān)控能力建設相關標準兼容、對于取水監(jiān)測中常見的模擬信號無法實現(xiàn)高精度的接入、對監(jiān)測數(shù)據(jù)的可追溯性不強等。為此，針對取水戶監(jiān)控，對智能遙測終端產品進行了系統(tǒng)性的適應性定制升級改造。

圖4 取水監(jiān)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程Fig.4 Data flow of water intake monitoring system

(1) 規(guī)約性升級改造。根據(jù)國家水資源監(jiān)控能力建設數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約要求，即《水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》(SZY206-2016)和《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》(SL651-2014)要求，對智能遙測終端進行模塊升級改造，使其滿足對水量、雨量、水位等信息的標準化傳輸。規(guī)約性改造升級的主要內容是對應用功能的補全和功能碼的標準化,通過規(guī)約性升級改造，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，從現(xiàn)場監(jiān)測到后臺系統(tǒng)集成的兼容性也得以提高。

(2) 模擬信號的高精度采集。在取水戶監(jiān)管系統(tǒng)建設中發(fā)現(xiàn)，存在部分取水戶已自行安裝取水計量設備，且計量設備精度較高，運行穩(wěn)定，如大部分水廠均采用了大口徑電磁流量計，但這些計量設備無數(shù)字輸出接口，僅提供4～20 mA或0～5 V輸出方式，接入模擬信號會導致智能遙測終端采集數(shù)據(jù)與流量計表頭數(shù)據(jù)存在不超過5%的數(shù)據(jù)差距，由此可能引發(fā)對系統(tǒng)計量數(shù)據(jù)的爭議。研發(fā)針對模擬信號輸出的功能模塊，采用12位高精度的AD轉換模塊，并集成智能數(shù)字積算儀對模擬量信號輸入進行高精度的轉換采集，減少模擬信號的傳輸誤差，表頭讀數(shù)與遙測終端監(jiān)測數(shù)據(jù)偏差控制在小于1%。

(3)取水監(jiān)測系統(tǒng)的定制要求。因取水量直接關系到水資源費的征收，是最為關注和敏感的監(jiān)測數(shù)據(jù)。為了使得現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得到最大限度的保存，為爭議及問題的追溯提供原始數(shù)據(jù)，需對智能遙測終端性能進行完善，包括高頻采集、大容量硬盤存儲空間，可保存實時監(jiān)測10年的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)采集時間的實時校準等，最大限度保證智能遙測終端采集數(shù)據(jù)與計量數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性。

3.2 多品牌計量集成接入

取水戶監(jiān)管系統(tǒng)建設中，不可避免存在取水戶已自行安裝有計量設備情況，對于當前運行狀態(tài)良好，運行維護周檢記錄完備的計量設備，為避免重復計量建設，在進行同步計量監(jiān)測校驗后，對計量數(shù)據(jù)進行集成接入。

需要指出，不同品牌計量設備的是數(shù)字式數(shù)據(jù)格式及模式不同，需開發(fā)適應多品牌計量設備計量數(shù)據(jù)集成接入的底層程序，并嵌入到智能遙測終端中，能夠實現(xiàn)對現(xiàn)有取水戶絕大多數(shù)計量設備全覆蓋的數(shù)據(jù)無縫接入，一般常見的流量計品牌累計流量讀取指令見表2所示。

表2 常見計量儀表累計流量指令Tab.2 Instruction sets for common metering device

4 系統(tǒng)軟件與運維管理

4.1 計量監(jiān)測數(shù)據(jù)異常診斷

因取水監(jiān)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流從計量傳感器到系統(tǒng)最終展示，需要經過傳感器監(jiān)測→計量表頭程算→智能遙測終端→GPRS→接收機解析→程序統(tǒng)算→系統(tǒng)展示等7個中繼節(jié)點，任何一個節(jié)點出現(xiàn)異常，均對該節(jié)點后的數(shù)據(jù)產生影響，并引發(fā)最終監(jiān)測成果不合理、與數(shù)據(jù)鏈前端數(shù)據(jù)不一致等多種問題，最終影響系統(tǒng)使用體驗和可信度。

為此，針對數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常狀況，經過多年的經驗積累，建立了一套基于邏輯鏈數(shù)據(jù)異常智能診斷技術，該技術根據(jù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況特點，由邏輯鏈頂端逐級排查，最終確定數(shù)據(jù)異常發(fā)生的節(jié)點，為進行高效數(shù)據(jù)異常處理提供核心支撐，也為智能程序化異常數(shù)據(jù)的處理提供了算法依據(jù)。三條數(shù)據(jù)異常智能診斷邏輯鏈條分別見圖5～圖7所示。

圖5 數(shù)據(jù)異常數(shù)據(jù)診斷邏輯鏈(無數(shù)據(jù))Fig.5 Logic chain of abnormal data diagnosis (No Data)

圖6 數(shù)據(jù)異常數(shù)據(jù)診斷邏輯鏈(數(shù)據(jù)為0)Fig.6 Logic chain of abnormal data diagnosis (Value is 0)

圖7 數(shù)據(jù)異常數(shù)據(jù)診斷邏輯鏈(數(shù)據(jù)偏差)Fig.7 Logic chain of abnormal data diagnosis ( Data Deviation)

4.2 監(jiān)管系統(tǒng)運維管理模式探討

高效的運維管理體系是確保取水監(jiān)管系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，發(fā)揮其正常效用的關鍵。取水監(jiān)管系統(tǒng)涉及大量分散布置的電子硬件產品、室內中控硬件及軟件系統(tǒng)等，其相互的數(shù)據(jù)輸送受到外界干擾因素較多，特別其核心的法定計量產品需不間斷運行，還需進行周期性的檢定和保養(yǎng)，其計量數(shù)據(jù)直接關系到取水戶水資源費的繳納及區(qū)域取用水總量的統(tǒng)計考核，如何確保其計量精度及穩(wěn)定運行，在遭遇故障后能夠高效及時處理等均至關重要。

為此，結合取水監(jiān)管系統(tǒng)運維管理經驗，構建了一整套系統(tǒng)運維管理模式，主要包括3大部分內容，即運維服務管理體系、運維過程管理體系及組織保障體系。其中運維服務管理體系明確了運行維護內容和工作操作流程，包括對象目錄、日常巡檢、例行維護、故障響應等，為運維的主要工作內容。運維過程管理則對每次運維服務進行檔案管理，包括事件、處置策略、總結等，通過運維過程管理，可持續(xù)提高后續(xù)運維服務效率，減小系統(tǒng)故障率。組織保障體系主要由3部分組成，一是經驗豐富的維保技術團隊建設，另外是覆蓋全面的服務網點建設；最后是運維必要的設備和備件配備，組織保障體系是運維服務開展的基礎。運維管理主要控制指標見表3所示，管理模式見圖8所示。

5 結 語

(1)取水監(jiān)管系統(tǒng)是支撐最嚴格水資源管理制度實施的重要技術手段，可大幅提升水資源管理的信息化水平，提高管理效率及科學性，系統(tǒng)的建設是必要和有意義的。

表3 運維管理控制指標Tab.3 Control measurements for operation and maintenance management

圖8 取水監(jiān)管系統(tǒng)高效運維管理模式Fig.8 Efficient operation and maintenance management mode of water intake monitoring system

(2)為保障取水監(jiān)管系統(tǒng)的建設和運行能夠切實發(fā)揮效用，對前端計量至運維管理的監(jiān)管系統(tǒng)建設7個重要環(huán)節(jié)的技術要點進行總結，包括智能遙測終端適應性改造升級、計量設備優(yōu)選策略、復雜條件計量建造及率定方法、適應多品牌計量集成接入技術、數(shù)據(jù)異常智能診斷技術、水資源監(jiān)管系統(tǒng)定制研發(fā)及高效運維管理模式等。對進一步規(guī)范和完善取水監(jiān)管系統(tǒng)建設提供了借鑒和參考。

(3)取水監(jiān)管系統(tǒng)構建是復雜的系統(tǒng)工程，為確保系統(tǒng)的順利建設完成并發(fā)揮持久效用，需要在建設及運行過程中不斷地進行技術總結和分析，并結合系統(tǒng)開發(fā)技術的進步和更新，建設和完善相關的技術標準體系，為建設高效、穩(wěn)定、可靠、準確及長效的系統(tǒng)提供保障。

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