遠程監測系統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 消火栓管理的現狀與問題

隨著城市經濟建設的推進，大型居住區紛紛建成，供水管網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 年管轄的消火栓數將達到5 000多只。日益增加的消火栓數量及管線長度逐漸成為日常供水管網養護管理工作的難題，另外管網拓撲結構復雜，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的整體水質。消火栓的基礎信息和資料不全，供水企業無法全面掌握具體相關數據和用水實際情況，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系，實施網格化管理機制，并把握好消火栓的規劃、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實施遠程監測管理，建立“數字管網”的管理系統，以適應當前供水管網及消火栓的管理需要。

2 遠程監測系統的功能與應用

2.1 系統組成

系統組成如圖1 所示。

2.2 系統硬件

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: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;采樣數據定時存儲且存儲間隔可選［1］。

數據可周期性存儲，每個周期的存儲記錄條數不小于100 000 次，報知中心的IP 數據終端地址為2 個。所有系統參數可由設置軟件本地設置，部分參數也可通過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，如半小時記錄和發送1 次數據的情況下，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、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，可根據用戶實際需求調整間隔時間，有特殊需要時還可以調節時間段的劃分，如白天多發送幾次，晚上少發送幾次等。當設備本次的上報由于移動網絡等其他原因無法成功時，本次的采集數據會在下次上報時一起報到中心網站;若兩次發送都不成功，為了減少能耗，系統不采取不斷重發直到電池耗盡的傳統處理方式，而改用只重發三次，若仍失敗就觸發通信報警的節能補招方式。補招數據將在系統中自動排序，保證現場顯示的數據是最新數據，而不會出現由于補招，將老數據覆蓋最新數據的情況。

其他輔助功能:內嵌看門狗，不死機，掉線自動恢復;內設工業時鐘，精確計時，能主動與監控系統的時間同步。有自動定時上報和事件觸發上報兩種上報方式;內置大容量FLASH 存儲器，數據自動記錄，支持歷史數據檢索。

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，對管網壓力數據進行實時監測，并定時向中心監測工作站發送壓力監測數據。在消防栓所在給水管網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 發送一次數據至中心機房監測工作站。現場安裝示意如圖3 所示。

圖3 現場安裝Fig.3 Scene of Installation

2.2.2 監控中心工作站

在供水監控中心新建一臺監測工作站用于數據采集、瀏覽、記錄、查詢等工作。工作站建有SQL Server 數據庫負責實時數據存儲，為數據查詢、分析提供保證。工作站采取WEB 服務方式向所內網用戶開放數據瀏覽、歷史曲線查詢等功能界面，用戶只需在局域網中打開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 監控平臺及應用軟件

監測系統軟件采用B/S 結構，通過Internet 互聯網和GPRS 網絡接收管道壓力等數據，進行壓力數據分析、顯示、查詢、統計、報表打印和遠程參數修改等功能，給用戶提供一個直觀、簡單的操作平臺［1］。

系統實現實時采集數據，集中顯示各監測點重要參數(如壓力、電池電壓、報警狀態、通信狀態)。按區域、地塊劃分用戶，能單獨顯示各用戶子站的全部測量數據的當前數據和歷史數據及曲線;可以通過遠程設置和修改表底數、IP 地址、端口、發送頻率等重要參數。圖形曲線使數據一目了然，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、任意時段的歷史數據，歷史數據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，在系統中增加或改變一個點不再編譯系統。具有數據的存儲功能，可以將所有的實時參數保留1 年以上，所存儲的數據能夠以標準的方式獲取存儲的數據。

主要顯示畫面如圖4 ～圖8 所示。

圖4 數據總覽圖Fig.4 General Layout of Data

圖5 管網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 系統特點和實際使用情況

系統具有以下五方面的特點:準確性，計量數據報告的及時、準確及運行狀態數據的無丟失;可靠性，全天候運行、傳輸系統獨立完整、維護操作方便;先進性，選用了全球最先進的GPRS 數據網絡技術和成熟穩定的智能化終端加上獨特的數據處理控制技術，系統功能的擴展性強;實用性，對于現場沒有電源的監測點，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，系統統一規劃，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、泰和地區進行統一壓力監控，特別是在用水問題多發地區，需要重點監控地區以及部分重要管段上加裝多個壓力傳輸設備，建立覆蓋全區域的計算機遠程消防栓實時監測與管理信息系統，實現遠程監控、數據分析、故障診斷、數據查詢等功能，成為城市防火、救災體系中重要的技術保障手段之一［2］。

在日常養護巡檢工作中，利用該系統可實現對管道內壓力變化實時監測。壓力低于所設定的預警值時，系統將發出警報，專業人員得到異常數據后能在第一時間進行處理分析。如2014 年春節前夕小年夜當日，設置在寶山泰和地區的2 處RTU 發出預警，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周邊的傳輸數據記錄。將當日的壓力數據與前幾日的數據進行對比后發現當日小區進水管網壓力確實存在異常，較前幾日數值要小得多。養護人員趕赴現場進行查勘后，發現進水DN300 管段存在漏點，導致壓力下降，加之春節期間用水量陡增，造成小區大面積水小、無水等用水問題。此次事件從系統發生預警到分析排摸原因，找到進水管網漏點只用了半天時間，大大縮短了供水管理單位對突發事件的響應時間，系統為本次事件提供了良好的技術支持。

另一方面，系統對異常壓力數值的預警也能幫助日常巡檢人員對偷盜消防用水，管網水量漏失等問題加以監控。當某一監測點在一段時間內多次發生規律性的壓力異常時，巡檢人員有理由懷疑該站點附近可能發生消防用水偷盜的情況，在發生異常數值站點附近加強巡檢，防止非法用水等濫用現象的發生，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控管理系統還只應用在壓力信息監控方面，在今后日常供水工作中根據實際應用經驗，將會拓展新的應用功能。如流量、流速、水質等重要數據的采集以及將目前在線儀表水質數據等進行統一整合上傳，通過對所采集重要數據的綜合分析，對區域消火栓管道乃至供水管網建立詳細和完整的GIS 系統及實時狀態監控，以信息化手段進一步加強供水管網管理的科學化，強化維護養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產銷差，并確實保證消火栓的狀態完好，為城市安全運行提供可靠的供水保障。同時，該系統安裝簡單、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上推廣使用，為優質供水提供信息化保障。

［1］低功耗自來水管網壓力無線實時監測系統——GPRS 數據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.城市供水管網實時監控系統的設計與監測點的優化布置［D］.廣州:華南理工大學，2013.