遠程監(jiān)測系統(tǒng)在消火栓供水管理上的應用

張建華

(上海市自來水市北有限公司，上海 201901)

1 消火栓管理的現(xiàn)狀與問題

隨著城市經(jīng)濟建設的推進，大型居住區(qū)紛紛建成，供水管網(wǎng)建設速度也不斷加快。消火栓作為城市安全保障設施的重要基礎也隨之大量增加，呈星羅棋布。寶山供水管理所供水管線長度為1 445.352 km，并以每年3%～5%的速度增加，而相應的防火消防設施已達到近4 000 只，按目前增加速度來看，到2020 年管轄的消火栓數(shù)將達到5 000多只。日益增加的消火栓數(shù)量及管線長度逐漸成為日常供水管網(wǎng)養(yǎng)護管理工作的難題，另外管網(wǎng)拓撲結構復雜，被私自開啟造成無計量用水和漏損，水力停留時間長又影響管網(wǎng)的整體水質。消火栓的基礎信息和資料不全，供水企業(yè)無法全面掌握具體相關數(shù)據(jù)和用水實際情況，也給管理和維護帶來很大的困惑和問題。

為解決以上問題，供水管理部門努力和相關部門加強溝通聯(lián)系，實施網(wǎng)格化管理機制，并把握好消火栓的規(guī)劃、建設、驗收、運行、維護。同時利用信息化技術和手段探索對城市消火栓管網(wǎng)實施遠程監(jiān)測管理，建立“數(shù)字管網(wǎng)”的管理系統(tǒng)，以適應當前供水管網(wǎng)及消火栓的管理需要。

2 遠程監(jiān)測系統(tǒng)的功能與應用

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1 所示。

2.2 系統(tǒng)硬件

2.2.1 低功耗用水信息無線遠傳記錄儀(RTU)

主要功能和參數(shù):2 路16 位模擬量采集并支持雙端差分信號，開關量采集，模擬量超限報警，開關量變化報警，GPRS 方式上報用戶;采樣數(shù)據(jù)定時存儲且存儲間隔可選［1］。

數(shù)據(jù)可周期性存儲，每個周期的存儲記錄條數(shù)不小于100 000 次，報知中心的IP 數(shù)據(jù)終端地址為2 個。所有系統(tǒng)參數(shù)可由設置軟件本地設置，部分參數(shù)也可通過GPRS 進行遠程設置，這提高了設備檢修維護的工作效率。所有的密封接頭防水等級都采用IP68 防護等級的標準，以適應水淹、水下浸泡的工作環(huán)境。

該RTU 采用電源休眠控制技術，具有待機時間長和低功耗的特點，電源采用四節(jié)鋰離子電池，標準配置的電池容量可以上報大于24 000 次，如半小時記錄和發(fā)送1 次數(shù)據(jù)的情況下，預計正常工作時間為2 年。RTU 內容結構如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of System

圖2 RTU 內部結構Fig.2 Internal Structure of RTU

具備多項智能連接和控制功能，可以遠程修改參數(shù)、記錄頻度、傳送周期、報警上下限;可分類報警，具體為設備拆卸報警、溫度報警、電池欠電量報警和濕度報警;初定的傳送間隔為30 min/次，可根據(jù)用戶實際需求調整間隔時間，有特殊需要時還可以調節(jié)時間段的劃分，如白天多發(fā)送幾次，晚上少發(fā)送幾次等。當設備本次的上報由于移動網(wǎng)絡等其他原因無法成功時，本次的采集數(shù)據(jù)會在下次上報時一起報到中心網(wǎng)站;若兩次發(fā)送都不成功，為了減少能耗，系統(tǒng)不采取不斷重發(fā)直到電池耗盡的傳統(tǒng)處理方式，而改用只重發(fā)三次，若仍失敗就觸發(fā)通信報警的節(jié)能補招方式。補招數(shù)據(jù)將在系統(tǒng)中自動排序，保證現(xiàn)場顯示的數(shù)據(jù)是最新數(shù)據(jù)，而不會出現(xiàn)由于補招，將老數(shù)據(jù)覆蓋最新數(shù)據(jù)的情況。

其他輔助功能:內嵌看門狗，不死機，掉線自動恢復;內設工業(yè)時鐘，精確計時，能主動與監(jiān)控系統(tǒng)的時間同步。有自動定時上報和事件觸發(fā)上報兩種上報方式;內置大容量FLASH 存儲器，數(shù)據(jù)自動記錄，支持歷史數(shù)據(jù)檢索。

顯示屏采用長期休眠短期喚醒機制，以減少不必要能量的消耗(顯示屏關閉的模式下，待機電流＜20 μA)，顯示屏可由磁棒點擊相應的激活點來顯示當前的測量值、電池電壓等，所有顯示都有中文指示，簡單易懂。

現(xiàn)場安裝具體實施方案:距離消防栓2 m 左右，開挖一個長50 cm、寬40 cm、深40 cm 的窖井坑，四面砌磚，窖井坑底部為泥土便于雨水滲透流出。窖井坑頂面為鐵制翻蓋式井蓋，將壓力采樣管接駁至窖井坑內，安裝配套閥門開關及快速接頭。快速接頭連接壓力傳感器設備，傳感器連接至低功耗無線遠傳記錄儀，對管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并定時向中心監(jiān)測工作站發(fā)送壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)。在消防栓所在給水管網(wǎng)處建采樣管連接至低功耗無線壓力遠傳記錄儀，記錄儀終端每10 min 采集一次，60 min 發(fā)送一次數(shù)據(jù)至中心機房監(jiān)測工作站。現(xiàn)場安裝示意如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場安裝Fig.3 Scene of Installation

2.2.2 監(jiān)控中心工作站

在供水監(jiān)控中心新建一臺監(jiān)測工作站用于數(shù)據(jù)采集、瀏覽、記錄、查詢等工作。工作站建有SQL Server 數(shù)據(jù)庫負責實時數(shù)據(jù)存儲，為數(shù)據(jù)查詢、分析提供保證。工作站采取WEB 服務方式向所內網(wǎng)用戶開放數(shù)據(jù)瀏覽、歷史曲線查詢等功能界面，用戶只需在局域網(wǎng)中打開IE 瀏覽器指定地址、登錄用戶名密碼即可瀏覽相應權限范圍內的所有信息。

2.3 監(jiān)控平臺及應用軟件

監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用B/S 結構，通過Internet 互聯(lián)網(wǎng)和GPRS 網(wǎng)絡接收管道壓力等數(shù)據(jù)，進行壓力數(shù)據(jù)分析、顯示、查詢、統(tǒng)計、報表打印和遠程參數(shù)修改等功能，給用戶提供一個直觀、簡單的操作平臺［1］。

系統(tǒng)實現(xiàn)實時采集數(shù)據(jù)，集中顯示各監(jiān)測點重要參數(shù)(如壓力、電池電壓、報警狀態(tài)、通信狀態(tài))。按區(qū)域、地塊劃分用戶，能單獨顯示各用戶子站的全部測量數(shù)據(jù)的當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)及曲線;可以通過遠程設置和修改表底數(shù)、IP 地址、端口、發(fā)送頻率等重要參數(shù)。圖形曲線使數(shù)據(jù)一目了然，能自動生成各用戶的壓力、溫度、濕度的并行歷史曲線，可查詢任意用戶、任意參數(shù)、任意時段的歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)和曲線便于轉存和打印。實時顯示并記錄就地壓力測量系統(tǒng)的各種報警信息，如壓力的超限、儀表工作電源不正常、電池的電池欠壓、非法闖入、通信故障等報警信息。可遠程修改對應報警的設定值。根據(jù)不同部門和不同人員，可設置不同的操作權限，防止不同級別的操作人員越權操作。使用菜單驅動顯示，保證用戶指定一般技術人員就能編制，而不需要掌握機器語言和特殊編程語言，在系統(tǒng)中增加或改變一個點不再編譯系統(tǒng)。具有數(shù)據(jù)的存儲功能，可以將所有的實時參數(shù)保留1 年以上，所存儲的數(shù)據(jù)能夠以標準的方式獲取存儲的數(shù)據(jù)。

主要顯示畫面如圖4 ～圖8 所示。

圖4 數(shù)據(jù)總覽圖Fig.4 General Layout of Data

圖5 管網(wǎng)GISFig.5 Network of Geography Information System

圖6 壓力曲線Fig.6 Curve of Pressure

圖7 壓力日峰、谷值柱狀圖Fig.7 Histogram of Daily Pressure Peak and Valley

圖8 報警表Fig.8 Alarm Table

2.4 系統(tǒng)特點和實際使用情況

系統(tǒng)具有以下五方面的特點:準確性，計量數(shù)據(jù)報告的及時、準確及運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的無丟失;可靠性，全天候運行、傳輸系統(tǒng)獨立完整、維護操作方便;先進性，選用了全球最先進的GPRS 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術和成熟穩(wěn)定的智能化終端加上獨特的數(shù)據(jù)處理控制技術，系統(tǒng)功能的擴展性強;實用性，對于現(xiàn)場沒有電源的監(jiān)測點，采用電池供電的壓力變送器由采集終端直接升壓驅動;五是互換性和拓展性，系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施，隨時可以擴充水質等信息。

首批RTU 共計安裝120 個，對整個供水范圍內涉及的吳淞、楊行、瀏河、羅涇、羅店、羅南、顧村、泰和地區(qū)進行統(tǒng)一壓力監(jiān)控，特別是在用水問題多發(fā)地區(qū)，需要重點監(jiān)控地區(qū)以及部分重要管段上加裝多個壓力傳輸設備，建立覆蓋全區(qū)域的計算機遠程消防栓實時監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、故障診斷、數(shù)據(jù)查詢等功能，成為城市防火、救災體系中重要的技術保障手段之一［2］。

在日常養(yǎng)護巡檢工作中，利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)對管道內壓力變化實時監(jiān)測。壓力低于所設定的預警值時，系統(tǒng)將發(fā)出警報，專業(yè)人員得到異常數(shù)據(jù)后能在第一時間進行處理分析。如2014 年春節(jié)前夕小年夜當日，設置在寶山泰和地區(qū)的2 處RTU 發(fā)出預警，隨后接到泰和西路某弄四樓以上居民，多次來電反映家中發(fā)生無水、水小等用水問題。供水管理所相關人員接到居民來電反映后，第一時間查看了設置在小區(qū)周邊的傳輸數(shù)據(jù)記錄。將當日的壓力數(shù)據(jù)與前幾日的數(shù)據(jù)進行對比后發(fā)現(xiàn)當日小區(qū)進水管網(wǎng)壓力確實存在異常，較前幾日數(shù)值要小得多。養(yǎng)護人員趕赴現(xiàn)場進行查勘后，發(fā)現(xiàn)進水DN300 管段存在漏點，導致壓力下降，加之春節(jié)期間用水量陡增，造成小區(qū)大面積水小、無水等用水問題。此次事件從系統(tǒng)發(fā)生預警到分析排摸原因，找到進水管網(wǎng)漏點只用了半天時間，大大縮短了供水管理單位對突發(fā)事件的響應時間，系統(tǒng)為本次事件提供了良好的技術支持。

另一方面，系統(tǒng)對異常壓力數(shù)值的預警也能幫助日常巡檢人員對偷盜消防用水，管網(wǎng)水量漏失等問題加以監(jiān)控。當某一監(jiān)測點在一段時間內多次發(fā)生規(guī)律性的壓力異常時，巡檢人員有理由懷疑該站點附近可能發(fā)生消防用水偷盜的情況，在發(fā)生異常數(shù)值站點附近加強巡檢，防止非法用水等濫用現(xiàn)象的發(fā)生，化被動為主動，防患于未然。

3 結論與建議

目前，計算機遠程消火栓監(jiān)控管理系統(tǒng)還只應用在壓力信息監(jiān)控方面，在今后日常供水工作中根據(jù)實際應用經(jīng)驗，將會拓展新的應用功能。如流量、流速、水質等重要數(shù)據(jù)的采集以及將目前在線儀表水質數(shù)據(jù)等進行統(tǒng)一整合上傳，通過對所采集重要數(shù)據(jù)的綜合分析，對區(qū)域消火栓管道乃至供水管網(wǎng)建立詳細和完整的GIS 系統(tǒng)及實時狀態(tài)監(jiān)控，以信息化手段進一步加強供水管網(wǎng)管理的科學化，強化維護養(yǎng)護的及時性和針對性，并減少非計量使用消火栓，控制并嚴禁非法偷用，達到減少漏損控制供水管網(wǎng)產(chǎn)銷差，并確實保證消火栓的狀態(tài)完好，為城市安全運行提供可靠的供水保障。同時，該系統(tǒng)安裝簡單、無需使用市電等市政配套設施、建設成本較低，建議在城市配水系統(tǒng)上推廣使用，為優(yōu)質供水提供信息化保障。

［1］低功耗自來水管網(wǎng)壓力無線實時監(jiān)測系統(tǒng)——GPRS 數(shù)據(jù)采集設備與人機界面設備的應用［J］.電子技術應用，2010，36(2):12-13.

［2］林雨陽.城市供水管網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)的設計與監(jiān)測點的優(yōu)化布置［D］.廣州:華南理工大學，2013.