城鄉供水一體化計算機監控系統探討

龍 興， 戴芳文， 鄧京楠

（湖南省建筑設計院有限公司，長沙410012）

0 引言

隨著我國城鎮化進程的大力推進，城鎮規模迅速擴大，城市、農村用水規模隨著經濟、社會的發展進一步增大，供水管網的規模和復雜程度隨之提升，各個水司的運營難度和成本也大幅提升。 安全、優質、高效供水服務的迫切需求和階梯水價政策的實施，對運營提出了更高要求。

目前國內的城鎮、農村供水系統存在較多的問題，主要包括：（1）由于城鄉供水設施地理位置分散，供水管網沒有聯通，沒有形成統一的供水系統，缺乏有效管理平臺；（2）管網系統的管理沒有信息化，管網數據采集不規范、不科學；事故應急預案、應急處理措施不完善；（3）城鄉供水管網沒有聯通，沒有形成科學統一調度系統，不能發揮已有供水設施規模效益，各單個供水設施能耗偏高；（4）廠區、管網的設備管理缺乏數據支持；（5）供水系統的可靠性、運營可維護性水平不高。

現代5G、物聯網、AI 智能、大數據、云計算等科技信息技術迅猛發展，其相關產品、技術日益成熟，運用這些技術手段能夠圓滿解決上述問題，也是城鄉供水系統邁向安全、優質、高效、綠色、環保供水新模式的可行之路。

計算機集中監控系統是現代信息化技術與水務管理相結合的產物，是一個能夠實時感知、智能分析、數據融合貫通的一體化智能管理平臺。

1 系統介紹

首先，計算機監控系統借助無線網絡和智能儀表構建水務物聯網，從而能夠實時感知供水系統的現場運行狀況，同時系統能夠對采集上來的各種運行數據進行實時處理和可視化展示，便于管理人員及時地分析和決策。 其次，計算機集中監控系統借助于云計算技術實現海量現場和業務數據的采集存儲和數據挖掘，從而提供有價值的輔助決策和預警信息。 第三，計算機集中監控系統能夠將水務管理各個環節的數據進行融合貫通，從而實現系統的高效整合與隨需而變。

2 系統方案

計算機監控系統有三級網絡構架（系統網絡拓撲圖見圖1），底層為現場站點采集系統，主要包括水源、水廠、泵站、管網等關鍵數據；第二層為數據交換層，通過光纖環網鏈路，實現各個子系統的數據交換；最頂層為計算機調度系統，實現整個城鄉供水系統的整體把控，實現統一管理、運營、調度。

圖1 系統網絡拓撲圖

2.1 數據采集的站點

根據水利流程不同階段的分界，系統采集的站點包括以下內容。

一級站點：源水泵站。 從源水泵站采集數據：水位、取水量、濁度、pH；水泵運行狀況（電壓、電流、電機溫度等）以及功耗等；調節閥的運行狀態。

二級站點：水廠。 從水廠采集的數據：原水流量、工藝設備狀態、進水壓力和水質指標；出廠水流量、壓力、水質指標等數據；清水池、送水泵房全部信息（包括水位、水質、水泵狀態、變配電系統狀態、水泵轉速、水泵前后壓力等信息）；關鍵設備的開停機狀態、故障狀態信息；電能數據、耗材數據以及統計分析后的人工成本數據等。

三級站點：加壓泵站、配水泵站、高位水池。 從加壓泵站和配水泵站采集的數據：水位、水泵運行狀態（電壓、電流、電機溫度等）以及功耗、壓力和流量、余氯、濁度。

四級站點：管網監測點。 從供水管網采集的數據：給水管網的壓力、流量、濁度、余氯等數據。

根據GB 5749－2006《生活飲用水衛生標準》中對重要水質參數（如pH（6.5 ～8.5）、濁度（＜3NTUmg／L）、余氯（＜250mg／L））指標的規定，設置供水水質監測的報警及預警系統，在水質達不到要求時，立即報警并進行檢修。 物位信號中，水位采用超聲波液位計，設置在供水水池檢查口；流量采用電磁流量計，設置在供水主管網；均要求優先保證數據的準確性及可靠性。

管網的監測主要通過在重要的節點（如T 型接口部位、鄉鎮供水入口處、供水管網穿越公路或橋梁隧道處）設置監控井，井內安裝流量、壓力、流速等智能監測儀表，通過無線通信的方式接收智能監測儀表的數據。 供水管網數據采集設計圖詳見圖2。

圖2 供水管網數據采集設計圖

2.2 計算機調度系統

通過在供水生產調度指揮中心部署冗余的SCADA 采集服務器，對實時數據進行采集，對數據進行分析、報警處理。 部署的工業數據服務器對海量過程數據進行存儲，為管理提供數據依據，可實現管理人員通過網頁對系統進行訪問。

2.3 數據庫系統

采用工業級數據庫系統，實現海量過程數據的存儲。 原始生產運行歷史數據作為系統統計、分析的基礎依據，同時為調度監測軟件、報表軟件、信息發布系統、報警系統提供后臺數據支持。歷史數據可以保存長達十年，確保數據的長時間存儲和安全。

2.4 設備管理

從設備管理的標準規范和企業的管理實際出發，融入現代化設備管理方法和技術手段，建立一個可實行規范化管理、可調整、可擴展的主要工藝設備和變配電設備的標準信息結構（數據庫），支持對設備從購置、安裝、使用、維護、檢修、更新直至報廢的整個生命周期進行全過程計算機現代化管理。系統的運行促進企業的設備管理模式從過去面向職能逐漸轉變到面向流程。 設備業務流程的處理都以電子工作流程的形式完成。 在固定規范的流程中，各相關單位通過各個節點的事務連接到一起，每個節點的狀態、處理時間都由系統進行監控、統計，有利于提高管理水平。

對于水廠的取水泵、配水泵、一次管網的調壓泵、二次供水泵房的加壓泵和排污泵及對應電動閥門等，實時監測和記錄設備啟停狀態、故障狀態、連續運行時間、連續停機時間，并對設備超長連續運行進行報警提醒。

對于流量計、壓力表、水位計等設備，根據采集數據的變化趨勢，結合泵的運行狀態，判斷設備的正常運行情況。 如啟動一次管網調壓泵，如果壓力表壓力變化不明顯或數據沒有變化，那肯定會存在泵運行異常，或采集儀表故障（這部分需結合現場操作經驗）。

系統記錄存儲所有設備的運轉數據（設備運行電壓、電流、轉速、壓力、溫度等）、操作事件（啟動、停止、上升、下降等操作，以及操作時所有跟設備運行相關的條件數據，如格柵前后液位差等）、報警事件（故障、超時等）。

2.5 生產調度管理系統

（1）生產運行監控

工藝站點瀏覽模塊是SCADA 系統網絡發布系統中的延伸。 該模塊是將數據采集監測系統中的工藝監測畫面以及數據通過WEB 瀏覽的方式展示給用戶，即可通過網頁瀏覽方式實時查看到當前的供水生產運行情況。

系統將各水廠、泵站、加壓泵房、管網壓力、管網水質、管網流量等類型站點的工藝畫面及實時數據進行發布，實時數據提供表格、柱狀圖、趨勢圖等多種瀏覽方式。 所有瀏覽方式均采用動態數據刷新技術，頁面數據隨時刷新，保證當前頁面瀏覽的是最新數據。

該模塊需要登錄的用戶用工藝圖瀏覽的權限才能進行查看。 沒有權限的用戶不能看到該模塊相應的菜單，且不能對相關的網頁進行瀏覽。 用戶通過相應的菜單打開對應的水廠或者泵站的工藝圖。 所顯示的工藝圖保持與SCADA 系統對應的工藝圖一致。

（2）GIS 地圖模型

監控畫面可嵌入在線或離線地圖，在地圖上標注水源、水廠、泵站、管網監測點、加壓泵房的地理位置，并顯示每個站點重要數據。

（3）管網在線監測系統

系統接入離線地圖，將所有管網水量、壓力、水質在線監測設備以及二次供水設備以坐標標注點的形式在地圖中進行顯示，直觀、智能顯示整個供水系統管網的運行狀態。

2.6 現狀及解決方案

目前，計算機軟件科技公司或設備廠商提供的一些城鄉供水一體化的計算機監控系統方案，由于缺乏供水工藝專業、電氣儀表等專業人才和運營管理實際經驗，對制水、供水工藝流程和工藝、變配電設備不了解，其方案難以切合實際；城鄉供水一體化的計算機監控系統在前期方案設計階段，由軟件科技公司、工藝專業、電氣儀表專業和運營管理人員共同合作，采用5G、物聯網、人工智能、大數據、云計算等科技信息技術，能夠制定出科學、技術先進、合理、高性價比的城鄉供水一體化計算機監控系統方案。

技術方案關鍵是建立完整的城鄉供水一體化系統計算機仿真模型。 根據城鄉分區供水計算機模型，實現不同的時段、不同區塊智能自動調節供水水量和供水壓力；通過歷史數據及計算機水力模型，發現管網壓力異常段，及時排查處理管網破損、泄漏等突發狀況，提高供水系統的可靠性；通過建立主要工藝設備、變配電設備技術檔案，分析統計主要工藝設備、變配電設備運行時間等歷史數據，科學合理地安排其維護、檢修，減少故障事故隱患。

3 系統實例應用

目前，國內部分主要城市城區已經建設供水一體化計算機監控系統，但在鄉鎮及城郊部分應用較少。 相對于城市供水系統，城鄉供水具有以下特點：廠區規模較小，水廠處理規模主要在0.1×104m3／d～1.0×104m3／d；受限于地理條件因素，各個水廠布局較分散；供水管網相對于城市供水系統較長，最多幾百公里。 此外，各個鄉鎮居民分散，用水量隨時間變化較大，夜間用水相對于白天較少。 這對城鄉供水系統的智能調控提出更高的要求。

處理規模在0.1×104m3／d ～0.2×104m3／d 的小型水廠，大多采用一體化凈水設備，占地小、投資小、可維護性高，同時由于各種一體化凈水設備的規格、參數、運行管理要求均不同，在建設階段需要對一體化設備提出詳細的技術要求，有利于實現統一、集中的計算機監控。

處理規模在0.5×104m3／d ～1.0×104m3／d 的小型水廠，大多采用傳統的絮凝沉淀和過濾工藝，相對一體化設備，廠區的自動控制系統會相對完善，完成度較高。

綜上，需要在建設前期階段要求采用統一的技術標準，為供水系統的統一管理提供條件。

城鄉供水中存在長距離輸水管網，對管網的運營及可維護性提出很高的要求。 根據目前國內水廠的實際情況，輸水管網的漏損率在10%～30%，長距離管網更甚，接近40%。 所以，對于城鄉供水的長距離輸水管網要充分利用計算機水力模型及大數據技術，根據輸水管網設置的相關數據采集點，精確、快速定位管網的破損或漏損位置，可將漏損率控制在10%以內。 一般管網漏損主要通過重要節點的監控井內儀表進行監測，通過接收智能監測儀表的數據，對數據進行綜合的智能分析比對，確定管網漏損的程度及位置。

對DMA 分區的供水系統，通過大數據及物聯網思維，將各個小型水廠的供水系統聯動，根據時間、地點、用戶特殊要求等方面智能調控供水分區，大大提高供水系統的可靠性，對社會具有很高的經濟效益。 本文以供水系統的水力模型為特點，輔以計算機智能控制系統，提出一種先進的城鄉供水一體化計算機集中監控系統。

下面以湖南某縣的城鄉供水系統為案例，綜合介紹城鄉供水一體化計算機監控系統方案。

該縣城目前有一座5.0×104m3／d 的自來水廠為城區供水，新建3 座1.0×104m3／d 的自來水廠為鄉鎮供水，供水管網長度約為450km，水司調控中心設置了中心控制室，采用城鄉供水一體化計算機監控系統統一管理、調度。 圖3 所示監控中心網絡構架圖為各個層面的站點數據采集，包括水源泵站、水廠、泵站、管網等。

系統平臺通過OPC 的方式從源水泵站和水廠的已有自控系統采集水廠出／入廠口流量、壓力、水質、液位和水廠工藝運行數據，通過逼真的動態流程圖展示工藝畫面（如取水泵房、加藥間、濾池、沉淀池、清水池、送水泵房等），并通過直觀的報表、曲線、柱狀圖等對數據進行展示和統計，對生產運行異常信息（泵故障等）進行警示性展示。

圖3 監控中心網絡構架圖

二次供水泵房及供水管網監測系統主要檢測水量、壓力、水泵運行狀態、水質參數等重要數據。系統平臺從水司增壓泵站已有自控系統或直接從現場設備采集供水泵站的生產運行數據，如泵站流量、壓力、水質、水位和加壓泵房工藝運行等數據。通過類似3D 的立體效果及半剖面圖的形式展示加壓泵房運行工藝，如液位顯示應可顯示出水位變化及動態水文效果，同時水以半透明效果展示，達到顯示水中設備狀態等效果。 對生產運行異常信息（泵故障等）進行警示性展示。 圖4 所示為BIM模型。

圖4 BIM 模型

（1）供水管網、水質監測系統

通過無線GPRS（5G）等方式從各供水管網重要監測節點監控設備實時采集壓力、水質等數據。 實時展示管網壓力和水質變化趨勢，統計壓力和水質的達標情況，對數據異常報警提醒。 對各供水管網監測點壓力進行對比，保證供水管網邊緣區域或交叉供水區域供水壓力，同時避免局部供水管網壓力過大造成安全隱患和水頭損失。

（2）供水管網流量監測系統

通過無線GPRS（5G）、云計算方式從各供水管網流量監測點監控設備實時采集各區域流量數據。實時監測流量變化趨勢，對流量異常進行報警提醒。 按日、月、年等統計各管理區域自來水的總量和貿易銷售實際的水量，以此來了解和掌握區域內需水量、供銷差、漏失量。 圖5 所示為管網監測示意圖。

圖5 管網監測

水廠的工藝數據模型及設備監控，與廠區自控系統相結合，共同調配水廠的供水狀態。 利用先進的設備運行管理系統，對設備的運行維護提供可靠的數據依據與工作指導。 設備運行管理主要包括設備運行日志、運行統計、運行分析等功能。 使用工業數據庫KingHistorian 自動記錄并存儲所有設備的運轉數據（設備運行電壓、電流、轉速、壓力、溫度等）、操作事件（啟動、停止、上升、下降等操作，以及操作時所有跟設備運行相關的條件數據，如格柵前后液位差等）及報警事件（故障、超時等）。 數據分析模塊基于工業數據庫存儲的內容完成設備運行分析，包括累計設備運行時間、報警提醒、設備運行啟停次數監視等功能，并將分析結果進行存儲和展示。

為直觀了解各個設備的運行情況，還應提供設備或儀表運行圖界面，提供各個設備運行狀態的圖形或動畫顯示，圖形及動畫應與現場采集設備的各項運行參數關聯，實時顯示設備的運行情況。 工藝流程畫面上通過顏色直觀的區分設備運行狀態和故障狀態，給管理人員如臨現場般的實時監控模式，擁有權限的操作人員還可以通過系統平臺實現設備的遠程監視與控制，極大方便了供水生產的日常生產與維護工作，提高供水業務的自動化與信息化水平。

系統還提供各種設備的維護提示，比如設定泵或者電機的累積工作時間，達到維護時間后，系統自動提示需要對設備進行維護，避免設備因超長時間服役引起的設備損壞，同時保證設備處于正常的工作狀態，為緊急情況下的搶險提供基礎保障。

（3）水力模型

根據給水系統的關鍵數據（如供水距離、管網長度、分時段供水水量、DMA 分區等數據），建立供水系統的水力模型（詳見圖6）。 通過計算機仿真，精確模擬供水管網突發故障的預警、報警、智能決策、檢查維修、事故報告等內容，為整個供水系統提供強有力的數據支持。

圖6 水力模型

通過以上先進的計算機監控系統，為水務公司的供水系統提供優質的運營、調度、調配、管理服務，大大降低了人工維護成本、管網及廠區生產的水力資源損失，經濟效益可觀。

4 結束語

本文提出了一套基于GIS 及SCADA 系統的城鄉供水一體化計算機監控系統的構架。 根據供水管網系統的水力模型，結合目前物聯網、智能系統、云計算等信息化手段實現城鄉供水的智能化監控系統。 城鄉供水一體化計算機監控系統的建立仍面對較多的困難，如已建成運營的供水管道很難建立準確的水力模型；目前已建自來水廠的現有控制系統無法實現所有關鍵設備參數的數據采集；至用戶的二次加壓泵房建設標準不統一等問題。 因此形成統一的智能監控系統，需要對現有非智能化設備進行比較大規模的系統改造，更換為智能變配電設備、智能儀表，系統化、統一化數據監控與采集系統；通過新型的供水管網檢修機器人采集現有供水管網信息，并建立透明、統一的水力模型，進而能夠實現以上新型的計算機統一監控系統。