魯菁 曹夢川 楊濤 馬曉虎 *

(1.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院 寧夏銀川 750021; 2.廣東粵海水務(wù)投資有限公司 廣東深圳 518021)

供水管網(wǎng)（Water Distribution System）是指給水工程中向用戶輸水和配水的管道系統(tǒng)，由管道、配件和附屬設(shè)施組成，附屬設(shè)施有調(diào)節(jié)構(gòu)筑物（水池、水塔或水柱）和給水泵站等[1]。該系統(tǒng)的工作一般是持續(xù)進(jìn)行的，以保證用戶用水安全和穩(wěn)定，同時(shí)要求以動(dòng)力系統(tǒng)保證供水效果，并加入藥物對(duì)原水進(jìn)行沉淀、過濾、消毒殺菌。受到多種因素影響，現(xiàn)代城市供水管網(wǎng)的工作并不完善，供水穩(wěn)定性和藥耗、能耗不能得到充分控制，也使智能技術(shù)的作用得到更多關(guān)注。在此背景下，分析城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的建設(shè)需求、設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)

1.1 智能技術(shù)

城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)建設(shè)，關(guān)注重點(diǎn)在于系統(tǒng)作業(yè)的智能化，智能技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。例如：供水安全性方面的管理，一般而言，供水管網(wǎng)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶用水量是比較穩(wěn)定的，但在夏季用水高峰期、節(jié)假日，用水量可能出現(xiàn)增加，如果服務(wù)范圍內(nèi)有較多的租戶，也可能在春節(jié)前后出現(xiàn)用水量減少的情況。用水量的波動(dòng)影響供水管網(wǎng)的供水安全性，借助智能技術(shù)可實(shí)時(shí)跟蹤服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用水情況，統(tǒng)計(jì)其變化規(guī)律，為后續(xù)供水服務(wù)提供參考，保證供水穩(wěn)定[2]。

1.2 實(shí)時(shí)通信技術(shù)

實(shí)時(shí)通信技術(shù)的價(jià)值在于保證城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的工作針對(duì)性，來自用戶端的用水信息、來自管理端的管理信息，均需要以實(shí)時(shí)通信技術(shù)提供保證，以確保所有信息能夠在預(yù)定時(shí)間范圍內(nèi)完成交互，保證管理實(shí)時(shí)性和最終質(zhì)量。例如：某一區(qū)域用水量快速增加，該信息被傳感器傳輸至管理端，后者以智能系統(tǒng)快速予以響應(yīng)、下達(dá)調(diào)配指令，能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成水資源的配置，保證供水穩(wěn)定[3]。

1.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)可完成海量數(shù)據(jù)的快速處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析其內(nèi)在價(jià)值，作為城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的管理依據(jù)。例如：用藥管理，通過采集用藥后的水質(zhì)信息、生成大數(shù)據(jù)并記錄在城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)中，通過持續(xù)積累的數(shù)據(jù)保證采樣分析的全面性、客觀性，據(jù)此分析合理的管理參數(shù)，避免過量使用藥物或用藥不足等問題，提升城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的綜合服務(wù)效能[4]。

1.4 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)作業(yè)實(shí)時(shí)性的基本保障。用戶端的用水量信息、水質(zhì)信息、用水變化信息等，均依賴傳感器進(jìn)行感知和實(shí)時(shí)收集。

結(jié)合城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)工作需求，應(yīng)采用接觸式傳感器進(jìn)行作業(yè)，并以有線通信的形式保證通信質(zhì)量。傳感器的工作應(yīng)全天實(shí)時(shí)開展，且獨(dú)立進(jìn)行傳輸。此外，應(yīng)在管理端配置必要的轉(zhuǎn)換器和提純器，前者負(fù)責(zé)將傳感器收集的信息轉(zhuǎn)化為可被計(jì)算機(jī)讀取和識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，后者則濾除信號(hào)中的噪聲，以保證計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)的識(shí)別效果[5]。

1.5 其他輔助技術(shù)

城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)用，還依賴其他輔助技術(shù)提供幫助，包括可視化技術(shù)、嵌入技術(shù)、集成技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)等，這些技術(shù)并不是城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)建設(shè)的獨(dú)有技術(shù)，但能夠發(fā)揮輔助作用，以保證系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量與運(yùn)營能力[6]。可視化技術(shù)可用于用戶端、管理端，幫助用戶和管理者了解供水情況，嵌入技術(shù)則用于實(shí)現(xiàn)輔助功能，包括可視化模塊的嵌入、報(bào)警器嵌入等。集成技術(shù)的重要性相對(duì)突出，是保證系統(tǒng)各部分能夠統(tǒng)一履行智能的關(guān)鍵，在現(xiàn)有技術(shù)條件下已可實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場總線技術(shù)服務(wù)通信活動(dòng)，也保證城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)功能可以進(jìn)一步擴(kuò)展。

2 城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的具體需求

2.1 保障供水安全的需求

城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)建設(shè)作用突出，是保障供水安全的直接需求。通常城市供水管網(wǎng)的服務(wù)范圍較大，為保證靈活性，需要設(shè)置若干區(qū)域、小網(wǎng)格，單獨(dú)建立供水系統(tǒng)，如一個(gè)小區(qū)、若干居民樓等，其供水管網(wǎng)均帶有一定的獨(dú)立性，一些不可控的客觀因素影響供水安全。例如：節(jié)假日大量居民居家期間，用水量出現(xiàn)增長，如果依然按照常規(guī)參數(shù)供水，可能導(dǎo)致同一時(shí)間段內(nèi)居民用水需求不能得到充分滿足的情況[7]。借助城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)，居民用水量的變化可被系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知，并根據(jù)對(duì)應(yīng)信息，自動(dòng)進(jìn)行供水參數(shù)的調(diào)整，加大供水壓力提升水流單位時(shí)間的提供量，以滿足居民用水需要。這是常規(guī)供水管網(wǎng)不具備的功能，也是城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)建設(shè)的基本追求。

2.2 降低供水藥耗的需求

原水需要經(jīng)過處理后才能作為自來水提供給用戶，由于原水內(nèi)的成分比較復(fù)雜，需要投入藥物對(duì)其中的細(xì)菌、雜物進(jìn)行處理，再濾除沉淀物，將符合使用標(biāo)準(zhǔn)的自來水通過供水管網(wǎng)提供給用戶。在此過程中，如果使用的藥物過多，可能導(dǎo)致藥物殘留、威脅居民健康，也增加了工作成本。用藥較少則不能充分完成原水處理，也會(huì)導(dǎo)致居民飲水安全和身體健康問題。借助城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)，可對(duì)經(jīng)過處理的原水進(jìn)行信息收集，采集若干樣本，評(píng)估藥物殘留水平，如果殘留藥物過多，表明凈化用藥超過需要，可適當(dāng)予以控制、降低，在保證水質(zhì)的同時(shí)提升處理效果、飲水安全，也降低因不當(dāng)用藥導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)支出[8]。

2.3 降低供水能耗的需求

供水能耗即供水管網(wǎng)作業(yè)過程中產(chǎn)生的能源消耗，是不可避免的作業(yè)支出。從特點(diǎn)上看，供水能耗超出標(biāo)準(zhǔn)值的因素較多，這一部分因素是可以控制的包括參數(shù)過大、設(shè)備損壞等。城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的運(yùn)用，主要從參數(shù)調(diào)控方面發(fā)揮作用，減少供水系統(tǒng)的非必要支出，控制供水能耗。一般而言，用戶的用水需求存在階段性差異，夜間用水量較小，早間、午間和傍晚則較高，這要求以與之匹配的作業(yè)參數(shù)供水。出于保證用戶用水需求的目的，在其用水高峰期，供水壓力和參數(shù)都較大，通過智能調(diào)配系統(tǒng)了解用戶用水需求變化情況，可在用戶用水量顯著減少時(shí)，對(duì)供水壓力和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其下降，能夠在滿足用戶需要的情況下，削減供水能耗，保證系統(tǒng)作業(yè)綜合效益。

3 城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

3.1 高適用性

高適用性是城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則，是指系統(tǒng)應(yīng)能夠高度匹配本區(qū)域的管理需要，同時(shí)也是指系統(tǒng)在技術(shù)需求、建設(shè)方法等方面有較強(qiáng)的普適性，能夠在大部分地區(qū)運(yùn)用，減少重復(fù)設(shè)計(jì)的困擾。從技術(shù)角度上看，城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)所需要的各類技術(shù)已經(jīng)比較成熟，包括智能技術(shù)、傳感器（接觸式傳感器）技術(shù)、有線通信技術(shù)、嵌入技術(shù)、總線技術(shù)等，具體工作中可根據(jù)作業(yè)區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，原則上應(yīng)保證區(qū)域用水需要、能耗控制需要和藥耗控制需要得到兼顧，在各區(qū)域配置足夠的作業(yè)設(shè)備、通信設(shè)施，并建立能夠服務(wù)智能技術(shù)作業(yè)需要的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，如果工作負(fù)荷較大則為系統(tǒng)配置計(jì)算機(jī)群，以集成技術(shù)做各部分功能的統(tǒng)一管理，匹配當(dāng)?shù)毓┦龉芫W(wǎng)系統(tǒng)工作需要。

3.2 易維護(hù)性

易維護(hù)性是指城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能過于復(fù)雜，其物理結(jié)構(gòu)應(yīng)強(qiáng)調(diào)簡化，僅需能夠滿足供水需要即可，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用的技術(shù)和設(shè)備也應(yīng)較為常見、常用，適配性高，以便于在出現(xiàn)故障時(shí)快速進(jìn)行處理。如供水管線的地下部分，設(shè)計(jì)上應(yīng)強(qiáng)調(diào)簡練化，在新管讓舊管、后鋪?zhàn)屜蠕佋瓌t下，避免復(fù)雜的回轉(zhuǎn)、彎折、直銳角設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)彎處以直角或銳角設(shè)計(jì)為主，管道的材質(zhì)應(yīng)考慮耐用性、耐沖擊、耐水蝕，設(shè)備的選用以質(zhì)量為關(guān)注核心，在此基礎(chǔ)上重視易更換、易替代，非必要情況下不選用技術(shù)復(fù)雜、使用難度高的設(shè)備。系統(tǒng)建設(shè)區(qū)域應(yīng)便于周期進(jìn)行檢修、便于在出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行更換處理。

3.3 可擴(kuò)展性

可擴(kuò)展性是指城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮未來需要，在用水量增加、服務(wù)范圍增加的情況下，保證系統(tǒng)仍能滿足管理要求。如物理層面主要強(qiáng)調(diào)保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原則，即高適用性、易維護(hù)性，物理層面的設(shè)計(jì)在現(xiàn)有工作中得到了較高關(guān)注，實(shí)現(xiàn)難度不大。管理層面主要強(qiáng)調(diào)保證系統(tǒng)通信能力、遠(yuǎn)程管理能力具有進(jìn)一步擴(kuò)展的空間，強(qiáng)調(diào)引入CAN總線技術(shù)、做好管理平臺(tái)建設(shè)。設(shè)計(jì)上以可擴(kuò)展性較強(qiáng)的CAN總線技術(shù)提供獨(dú)立信道，以滿足不同區(qū)域用戶、不同工作模塊信息交互的需求，平臺(tái)設(shè)計(jì)上則關(guān)注提供較多的計(jì)算管理空間，以計(jì)算機(jī)群替代一般計(jì)算機(jī)，或以大容量計(jì)算機(jī)取代小容量計(jì)算機(jī)。此外，數(shù)據(jù)庫建設(shè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)也應(yīng)予以完善，以保證實(shí)時(shí)信息、大數(shù)據(jù)的處理質(zhì)量。

3.4 低成本性

低成本性是指城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要以其使用需要為基本出發(fā)點(diǎn)，在非必要情況下，不必選用價(jià)格高昂的新技術(shù)、新材料和新設(shè)備。如目前廣泛用于大數(shù)據(jù)管理的高速計(jì)算機(jī)、工業(yè)計(jì)算機(jī)，能夠完成每秒千萬億次計(jì)算，但此類設(shè)備價(jià)格昂貴，且在城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)中，無須使用性能如此優(yōu)越的工作設(shè)備，虛擬內(nèi)存達(dá)到8 GB 以上、磁盤空間在1 TB以上的普通計(jì)算機(jī)即可完成大部分計(jì)算作業(yè)，如果系統(tǒng)工作范圍較大，則以若干計(jì)算機(jī)結(jié)成計(jì)算機(jī)群保證信息處理效率。其他方面的配置也遵循此原則，以滿足系統(tǒng)作業(yè)需要為直接目標(biāo)，選用價(jià)格適中、便于使用、易于維護(hù)的設(shè)備和材料，用于城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)建設(shè)。

4 城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式

4.1 系統(tǒng)框架

城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依賴智能技術(shù)、實(shí)時(shí)通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及各類輔助技術(shù)，技術(shù)運(yùn)用的具體方式上文中已有論述，為保證其能夠有效發(fā)揮作用，則需要以集成技術(shù)為中心，使不同技術(shù)能夠在系統(tǒng)默認(rèn)程序管理下有效履責(zé)，系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

按照該框架，系統(tǒng)由4個(gè)部分構(gòu)成，即傳感器與通信部分、用戶端、管理端以及執(zhí)行單元。傳感器一律選用接觸式，實(shí)時(shí)進(jìn)行用戶端信息的收集，并以通信線路對(duì)收集所獲的信息做實(shí)時(shí)傳輸，提供給智能分析管理中心，由中心分析傳感器所提供的信息，如果信息無異常，將對(duì)應(yīng)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，并繼續(xù)組織常規(guī)作業(yè)。如果傳感器提供的信息存在異常，則由智能分析管理中心下達(dá)指令，由執(zhí)行單元進(jìn)行警報(bào)、處理，向用戶端提供與其需求匹配的服務(wù)，異常信息和處理信息也同步錄入數(shù)據(jù)庫中，作為大數(shù)據(jù)備用。

4.2 作業(yè)方式

從作業(yè)方式上看，按照?qǐng)D1所示系統(tǒng)，其工作全程是無人化的，只在智能分析管理中心由人員設(shè)定默認(rèn)工作程序，作為系統(tǒng)自動(dòng)化作業(yè)的支持。以供水壓力管理為例，對(duì)其作業(yè)方式進(jìn)行分析。默認(rèn)用戶在日間的用水量為A噸，具有穩(wěn)定性，以滿足A噸供水為目標(biāo)，設(shè)定系統(tǒng)供水作業(yè)壓力參數(shù)為X。實(shí)際工作中，用戶的用水量在A噸范圍內(nèi)上下波動(dòng)，尤其是晚間、早間，波動(dòng)往往較明顯，并圍繞A上下變化，表現(xiàn)如下：

[Amix;WA;08;YQ;A;HE;A7;Amax]

其中，Amix為用戶常規(guī)日間用水量的最小值，Amax為用戶常規(guī)日間用水量的最大值，其余為隨機(jī)用水參數(shù)值，在此范圍內(nèi)，系統(tǒng)供水作業(yè)壓力參數(shù)均為X?？衫么髷?shù)據(jù)技術(shù)，獲取Amix和Amax的參考值，并代入系統(tǒng)中，納入默認(rèn)程序的管理范圍內(nèi)，并做對(duì)應(yīng)的程序編寫，使系統(tǒng)可對(duì)用水量變化進(jìn)行靈敏感知和對(duì)應(yīng)操作。晚間用戶用水量減少，低于Amix，系統(tǒng)通過傳感器感知其問題，調(diào)整供水作業(yè)壓力參數(shù)，使其達(dá)到90%X或更低水平（根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的服務(wù)端參數(shù)具體確定）；反之，傍晚或晨間用戶用水量增加，高于Amax，系統(tǒng)通過傳感器感知其問題，調(diào)整供水作業(yè)壓力參數(shù)，使其達(dá)到110%X或更高水平（也根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的服務(wù)端參數(shù)具體確定），從而提升供水穩(wěn)定性、安全性。

4.3 模擬實(shí)驗(yàn)分析

借助模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，了解設(shè)計(jì)思路和方式是否可行。實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)建立，主要分為兩組，一組為常規(guī)實(shí)驗(yàn)，另一組為模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為沈陽市某區(qū)域，利用該區(qū)域供水部門提供的信息，了解其供水工作的一般情況，選取3 個(gè)重點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行分析，即供水安全性、供水藥耗、供水能耗。

第一組實(shí)驗(yàn)選取供水部門提供的參數(shù)，以計(jì)算機(jī)建立實(shí)驗(yàn)，模擬其工作情況，采用調(diào)整參數(shù)加速模擬（1∶6 000，模擬1 min為100 h），隨機(jī)在模擬過程中截取100個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)（每一個(gè)為6 s，即現(xiàn)實(shí)工作10 h），了解該指標(biāo)下供水安全性、供水藥耗、供水能耗。

第二實(shí)驗(yàn)選取供水部門提供的參數(shù)，以計(jì)算機(jī)模擬建立城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)，分析其工作情況，采用調(diào)整參數(shù)加速模擬（1∶6 000，模擬1 min為100 h），隨機(jī)在模擬過程中截取100個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)（每一個(gè)為6 s，即現(xiàn)實(shí)工作10 h），了解該指標(biāo)下供水安全性、供水藥耗、供水能耗。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果具體如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1結(jié)果上看，第二組采用城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)，未出現(xiàn)供水中斷問題，供水藥耗為17.7 mg/L，供水能耗為1/0.219（t/kg標(biāo)煤），均優(yōu)于第一組，表明城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)作用理想。

5 結(jié)語

綜上所述，城市供水管網(wǎng)智能調(diào)配系統(tǒng)具有其突出優(yōu)勢，應(yīng)在未來工作中予以重視，設(shè)法運(yùn)用。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)依賴于智能技術(shù)、實(shí)時(shí)通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、傳感器技術(shù)的提供支持，可保障供水安全、降低供水藥耗、降低供水能耗。具體設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)適用性、易維護(hù)性、可擴(kuò)展性和低成本化，以穩(wěn)定的框架和邏輯為系統(tǒng)工作提供支持。結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知智能調(diào)配系統(tǒng)降低了供水藥耗和能耗，也有效保證了供水安全，可在未來工作中嘗試運(yùn)用。