厲澤輝LI Ze-hui

（杭州文拓智能科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

供水系統是城市基礎設施的關鍵組成部分，旨在滿足居民、商業(yè)和工業(yè)的日常用水需求。供水系統的穩(wěn)定性也受到多重因素的影響，主要涵蓋了城市人口的增長、城市化進程的加速、水資源的可持續(xù)性以及現代技術的應用。隨著城市化的推進，人口不斷膨脹，對供水系統提出了更高質量、更穩(wěn)定供水的要求。

供水系統作為現代城市基礎設施的重要組成部分，其管道壓力問題在供水系統的運行中至關重要，管道壓力直接影響水的順利輸送、合理分配以及最終用戶的用水體驗[1]。因此，維護合適的管道壓力對于保障供水系統的正常運行和居民生活的舒適體驗具有重要意義。

供水系統在快速城市化、不斷增長的人口壓力下，必須充分考慮水資源的可持續(xù)性，借助現代技術的創(chuàng)新，同時關注管道壓力的合理調控，以確保城市居民持續(xù)享受到穩(wěn)定、高質量的供水服務，促進城市可持續(xù)發(fā)展。

目前，小區(qū)供水多數采用恒壓控制模式，即通過PID算法調節(jié)泵出口壓力為恒定保持不變。該控制模式僅能適應小區(qū)用水波動不大且水管網路壓降接近的情況下具有較好的用水體驗，但是，實際生活中小區(qū)內的水管網路各異，并用水具有分時段特性，造成低用水量時，管網上存在壓力富裕，不但造成能量浪費，更會增加管道運營風險與漏損，高用水量時，管網上壓力偏低，造成高層用戶水量偏小。

本文針對傳統供水缺乏狀態(tài)預測功能，依托大數據分析，采用末端壓力最優(yōu)為控制目標，并結合大數據分析，周期性調整泵房供水壓力的控制策略，降低了供水能耗，增加了管路安全，為節(jié)水、節(jié)能提供一種新的解決方案。

1 系統設計

供水系統遠程壓力調控策略是由數據中心根據水管管網末端壓力，結合歷史用水情況，綜合判斷，下發(fā)壓力控制策略到二次加壓泵站的水泵機組控制系統，系統將以小時為最小單位調整策略。整個系統包括：無線智能壓力表，數據云平臺，無線智能終端[2]。供水系統管道壓力監(jiān)測與調控流程圖如圖1 所示。

圖1 供水系統管道壓力監(jiān)測與調控流程圖

2 無線智能壓力表

2.1 末端安裝

傳統的壓力傳感裝置通常通過有線傳輸數據或人工讀數的方式來實現，然而，由于電源供應或數據傳輸等問題，大多數傳感裝置被安裝在泵房或水源前端區(qū)域，這樣的布置方式在末端用水體驗和用水壓力監(jiān)測等方面存在一些局限性。為了確保最為準確的末端供水壓力監(jiān)測，需采用無線智能壓力表，直接安裝在供水管道的末端或者用水的最不利點，無線智能壓力表的應用不僅消除了傳統布線所帶來的復雜性，還能夠有效減少數據傳輸的延遲，從而提供了更加準確可靠的數據源。

2.2 實時壓力和溫度值監(jiān)測

實時壓力和溫度值監(jiān)測是通過內置的高精度壓力傳感器和溫度傳感器來實現的。精密傳感器具備高度準確捕捉供水管道末端壓力和溫度變化的能力，可捕捉微小的壓力波動，即便在供水系統高峰負荷或緊急情況下，也能準確記錄壓力變化，與之相輔相成的內置溫度傳感器則持續(xù)監(jiān)測管道內溫度變化，并即時將這些數值呈現出來，以確保供水過程中溫度的適宜性和穩(wěn)定性。

3 無線智能終端

無線智能終端作為供水系統的核心數據中樞，具有實時數據采集和接收、遠程控制和指令調整、數據處理與分析、異常監(jiān)測與警報觸發(fā)、數據存儲與歷史記錄以及報告生成與綜合信息展示等關鍵功能。它可以實時采集泵房內各設備的運行參數和數據，并將其傳輸至云平臺，確保數據的準確性和及時性。通過云平臺遠程控制和指令調整內部設備，通過控制水泵的啟停和出水流量調節(jié)，實現對供水系統的遠程監(jiān)控和智能控制，提高水泵機組運行的靈活性和效率。

4 云平臺數據分析和遠程調控

4.1 歷史數據分析與關系模型功能

云平臺利用歷史數據分析，揭示供水系統中壓力與供水需求之間的潛在關系。通過大數據分析技術，識別不同時間段、用水量等因素對泵房出水壓力和用水末端壓力的影響，建立精確的關系模型，具體包括數據收集整理，預處理，特征提取，關系模型構建，驗證優(yōu)化，實際應用。云平臺通過從歷史數據中挖掘信息，實現準確的壓力與供水需求預測，為供水系統提供重要支持。

4.2 實時監(jiān)測數據與供水需求預測

云平臺結合實時監(jiān)測數據和歷史關系模型，準確地預測當前的供水需求。通過實時監(jiān)測壓力和溫度的關鍵參數，能夠即時更新模型參數，更精確地應對供水需求的變動。此外，基于平臺的預測結果，下發(fā)指令給無線智能終端，可以實時調控供水策略，如水泵的操作和水壓調整，進一步確保供水的穩(wěn)定性并降低能源浪費。

4.3 智能調壓和供水控制

云平臺通過不斷監(jiān)測和收集末端用水壓力值和用水需求，實時下發(fā)指令到智能終端，調節(jié)泵房設備的工作狀態(tài)，以實現按時、按區(qū)、按需供水，保障用水末端用戶的用水體驗。

系統根據末端壓力值和用水需求的不同變化，自動控制泵房設備的啟停、調速和閥門開關等。當末端壓力值低于標準要求時，系統會自動啟動泵房設備或提高水泵運行速度，并根據需求調節(jié)水泵的運行速度或閥門的開關程度，以提高末端壓力。當末端壓力值超過標準要求時，系統會自動停止泵房設備的運行或降低水泵運行速度，以避免壓力過高。

同時，系統還可以根據用水需求的變化，自動調節(jié)泵房設備的工作狀態(tài)。當用水需求較大時，系統會增加泵房設備的運行速度或閥門的開關程度，以增加供水流量。當用水需求減少時，系統會降低泵房設備的運行速度或閥門的開關程度，以減少供水流量。這樣可以有效地提供符合用戶需求的用水量，避免過量供水或供水不足的問題。云平臺及控制系統應用功能結構如圖2 所示。

圖2 云平臺及控制系統應用功能結構圖

通過云平臺和供水控制系統的應用，可以實現用水的精確控制，提高供水的穩(wěn)定性和可靠性，減少供水波動對末端用戶的影響。同時，降低能耗和維護成本，提高供水系統的運行效率和經濟性。

4.4 故障檢測和預警

故障檢測和預警系統利用大數據分析技術，對泵房設備的運行狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測和分析。無線智能終端會采集泵房設備的各種運行參數，如水泵的運行電流、電壓、溫度、振動等，并將這些數據實時上傳云平臺并進行實時分析和比對。

云平臺通過建立泵房設備的運行模型和故障特征庫，可以對設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并根據設備的工作特征和故障模式進行故障預測，一旦系統檢測到泵房設備出現異常或接近故障狀態(tài)，會立即發(fā)出預警信號。

預警信息可以通過云平臺、手機APP、短信等方式發(fā)送給相關人員，包括維修人員、運維管理人員等，以便及時采取修復措施。相關人員可以根據預警信息了解到故障的具體情況，提前準備所需的備件和工具，并及時趕到現場進行維修，這樣可以最大程度地減少故障修復的時間，避免供水中斷和影響供水水質等問題的發(fā)生。

故障檢測和預警系統的應用可以提高泵房設備的可靠性和穩(wěn)定性，減少故障對供水系統的影響。同時，還可以降低維修成本和人力資源的浪費，提高運維效率和供水管理的水平。

4.5 爆管偵測

供水水管由于管道突發(fā)性爆管引起的壓力變化值ΔP可以用以下公式簡易估算：

式中：ΔP：為爆管引起的壓力變化值，單位Pa；ρ：為流體密度，單位kg/m3；u：為負壓波在管道內的傳播速度，單位m/s；vL：為爆管時管道流速，單位m/s；v0：為爆管前初始流速，單位m/s；g：為重力加速度，單位m/s2。

依據文獻[3]中的實驗數據，管道爆管后，其管道內壓力波在傳播中逐漸衰減，而最終的穩(wěn)態(tài)壓降明顯較小。采用0.1Hz 的采樣頻率，能測到過渡期壓降，測點間距需在250～500m 范圍。

本文采用的無線智能壓力表具備最小4S 的采樣周期，能對測點500m 以內的壓降過程進行有效檢測，同時無線智能壓力表具備壓力突變前后10 個采樣周期內的數據進行鎖存，數據打包，快速通過無線網絡發(fā)到數據平臺。

4.6 爆管控制策略

供水管網中爆管是一種常見事故。導致爆管的原因主要有幾種：①管道使用超過規(guī)定年限或沒有及時得到巡檢，引起管道破損，而導致管道爆管；②管道材質、生產工藝等因素無法承受溫差變化，導致管道或附屬設施斷裂，而引起爆管；③其他的一些人為原因。

小區(qū)供水系統的爆管事故發(fā)生后，不僅造成飲用水資源的大量流失，影響人們正常的生產和生活，情況嚴重時甚至危及其他的管線設施，如造成停電、中斷通訊等突發(fā)性事件。因此消除事故的對策，以及爆管后的搶修工作也不容忽視。減少搶修時間縮小停水范圍可將因爆管而造成的損失降為最小。

平臺根據無線智能壓力表檢測的異常數據進行分析，并根據爆管數據模型進行比對、判斷，給出爆管預警。工作人員確定爆管信號后，平臺根據壓力數據，采用深度優(yōu)先的搜索算法進行爆管事故分析，獲取最優(yōu)關閥方案，該算法不僅能應用在單事故點，也能在供水管網系統同時出現多個事故點時給出最優(yōu)關閥方案。

平臺的該功能提供了爆管之后人力查閱圖紙的方法來確定搶修方案，不僅降低了工作量，提高準確性，而且縮短了搶修時間，減少了由此造成的經濟損失，節(jié)約了水資源。

5 結果與分析

5.1 調控效果對比

根據某高校2023 年6 月18 日至19 日的供水歷史數據（如圖3、圖4），通過末端壓力優(yōu)化的模擬，比較與現有出口恒壓控制的數據對比，現有末端壓力優(yōu)化可以較好地保證末端壓力的平穩(wěn)度。

圖3 出口恒壓控制

圖4 末端壓力優(yōu)化控制

5.2 數據分析

從模擬結果可見，在滿足用戶用水的需求下，采用末端壓力優(yōu)化方法能夠較好地穩(wěn)定二次供水末端壓力，使用戶有更好的用水體驗，同時兼顧事故偵測和預警，減少事故發(fā)生及水資源浪費。特別是在高層小區(qū)的供水中，末端壓力優(yōu)化更具急迫性和實用性。