物聯網技術在節水建設項目的應用

馬劍波， 董 舒

(江蘇省秦淮河水利工程管理處， 江蘇 南京 210022)

中國特色社會主義進入新時代，更加注重經濟社會與資源環境承載能力協調發展，對水安全保障提出了更高要求。黨的十九大報告中提出實施國家節水行動，將節約用水作為解決水資源短缺和改善水生態環境的重要舉措，我國節水工作面臨新的形勢和更高要求[1-3]。

當前基于物聯網與模糊控制技術，設計了一種智能系統，結合節水機關創建實際需求，以傳統物聯網三層架構(即技術感知層、傳輸層和應用層)為主體，融合無線通訊技術、傳感監測技術以及人工智能，基于大數據、云計算等新一代信息技術，打造物聯網+智慧節水監管平臺，實現微觀向宏觀、局部向整體、技術向制度的轉變。

1 節水理論與技術

1.1 物聯網技術概述

物聯網是一種綜合型技術，涉及計算機技術、互聯網技術、地理信息技術和通信技術等，具有互聯性、感知性和智能性等特點[4]。互聯性主要體現在互聯網技術的應用上 ，互聯網技術是物聯網的核心，物聯網將有線和無線網絡同互聯網進行了有效結合，把所需要的信息通過網絡進行及時傳輸；感知性主要體現在傳感設備的應用方面 ；物聯網具有智能處理和智能控制的能力，將傳感器和計算機實現連接，不僅將智能控制與傳感器進行結合，還運用了多種先進的技術[5]。

1.2 利用智能水表計量消耗量

目前的智能水表(圖1)，采用多種傳感設備(可實時測量單次用水量、單次用水時間、用水頻率、水壓等)，搭載無線通信模塊，使用ZigBee組網，對用水狀態數據進行統計傳輸到后臺服務器進行用水數據分析處理；可以給水表配備高性能單片機實現邊緣計算數據分析，將結果傳輸到后臺服務器，實現實時監測。

圖1 智能水表示意圖

1.3 水平衡與漏損分析

采用水平衡實時監測技術，分析管道漏損風險[6](圖2)：在進、出水管道分別安裝智能傳感器，用于測量管道水壓、進出水流速、進出水量等參數。每日用水量位于一定范圍內，如果某日總進水量和每日消耗均值與總出水量的總和數據存在較大差異時，通過對水壓數據和流速數據的分析，即可快速判斷水平衡狀態是否正常，若水平衡出現異常，可通過傳感器的定位，快速鎖定出現異常的管道方位與編號，便于。同時對每日水狀態數據和用水數據進行挖掘分析，實現對管道漏損進行預測，防患于未然。

圖2 漏損分析示意圖

1.4 非常規水回收再利用系統運行監測

非常規水指區別于傳統意義上的地表水、地下水的水資源，主要有雨水、再生水(經過再生處理的污水和廢水)等。對雨水、洗菜廢水、空調冷凝水以及洗手盆廢水均設有回收系統，經專用管路流入專用回收池，再經過砂石粗濾、微生態濾床處理，用于綠化噴灌以及衛生間沖廁這類水質要求較低的用水項目。其中，微生態濾床借助“人工濕地生態工程學”的原理，利用雙生物床進行自然過濾處理：一是利用水生植物吸收非常規水中含有的有機和無機雜質；二是利用微生態基層介質中生長的環境微生物，進一步降解可溶性物質和吸附細碎固形物。

非常規水回收再利用系統的關鍵在于對運行裝置的實時監測：非常規水的補水情況、水泵的運行情況、水質檢測、故障檢測等。當非常規水無法滿足需求時，可利用自來水或河湖水源進行調劑；當非常規水超出回收池蓄水容量時，需將處理后的非常態水引入排水管道(圖3)。

圖3 非常態水回收再利用系統

2 節水監管平臺系統

2.1 系統總體設計

節水監管平臺以傳統物聯網三層架構為基礎(圖4)，實現了遠程用水檢測、分析、統計和漏損報警等功能，同時還實時檢測非常規水生態過濾系統裝置運行情況。

圖4 智慧節水監管平臺示意圖

感知層：感知層是物理網的數據采集端。利用各類傳感器采集被測量對象(如水壓、水速、水量等)的模擬信號，并進行數字化處理，便于傳輸與處理。通過在給水管網中安裝多級計量表具，形成多級核算體系，實現給水管網的水平衡狀態監測；在線監測裝置各項參數，保障回收系統安全高效運行。

傳輸層：傳輸層是物聯網的中間環節，主要用于將感知層采集數據傳輸至數據服務器。通過ZigBee組網，可以將眾多傳感采集的數據匯總至智能水表；漏損分析中，NB-IOT或者4G等無線通信技術是將智能水表的數據上傳至云端處理的關鍵保證；非常規水回收再利用系統，網絡傳輸層是系統運行狀態遠程監測功能重要的一環。

應用層：應用層是物聯網的頂層，分為3個部分：應用服務器、數據服務器和管理終端，分別進行數據處理、數據存儲和操作終端。通過數字化、智能化和可視化的方式，將傳統節水管理從模糊概念變成清晰數據，為管理人員提供更便捷、更科學的決策支持。系統平臺功能細化并劃分歸納見表1。

表1 系統平臺功能

(續表1)

2.2 網絡感知與控制層對用水情況進行獲取

網絡感知與控制層通過信息數據對系統用水實現量化分析，在監測的控制區各個角落都分布有傳感信息的節點，可定時對監測區域內的用水情況進行監測，并把采集的信息在節點進行初步處理，然后向數據的傳輸層傳遞[7]。對系統需水的信息感知和獲取可以通過取樣測試法、定位測定法和遙感技術等實現。

2.3 數據傳輸層對獲取的取用水信息進行傳輸

數據傳輸層將從節點匯聚而來的用水信息數據，借助無線通信向網關傳送，并將路由協議與網絡安全協議進行結合，把信息數據安全地向控制中心傳輸。由于節水信息的獲取時效性要求并不高，因而在傳輸中存在延時并不會對節水建設很大影響。物聯網技術應用在節水建設項目的通信技術有多種，主要有 ZigBee 通信技術、分組無線的服務技術(GPRS)、無線局域網以及藍牙等。

2.4 數據終端處理層對節水的決策進行制定

數據終端的處理層就是傳輸信息終端和控制終端。物聯網系統監測中心處理收集的用水信息數據，將數據向監控平臺進行傳輸，這時用戶就根據獲得的實際用水信息數據以及決策信息控制節水設備開啟命令。同時，相應控制終端將采集、傳輸來的信息數據在數據庫中進行存儲，此時想了解具體節水項目的用水參數，就可以通過數據庫提取信息。另外，為了便于數據的讀取，控制終端還要設計出可顯示的界面，使人們能夠更直觀地進行操作和管理[8-9]。

3 總 結

針對當前的社會需求，實現有效節水，開發了節水監管平臺系統。通過大量的在線數據、可視化的用水網絡及有效的管理機制，建立健全了巡回檢查、設備維護、用水計量、漏損評估等用水管理制度，提供了節水計劃和年度用水計劃，加強目標責任管理和考核的基礎依據，實現了科學管理、精細管理和高效管理。