城市供水管網智能調配系統(tǒng)的分析及研究

魯菁 曹夢川 楊濤 馬曉虎 *

(1.寧夏職業(yè)技術學院 寧夏銀川 750021; 2.廣東粵海水務投資有限公司 廣東深圳 518021)

供水管網（Water Distribution System）是指給水工程中向用戶輸水和配水的管道系統(tǒng)，由管道、配件和附屬設施組成，附屬設施有調節(jié)構筑物（水池、水塔或水柱）和給水泵站等[1]。該系統(tǒng)的工作一般是持續(xù)進行的，以保證用戶用水安全和穩(wěn)定，同時要求以動力系統(tǒng)保證供水效果，并加入藥物對原水進行沉淀、過濾、消毒殺菌。受到多種因素影響，現代城市供水管網的工作并不完善，供水穩(wěn)定性和藥耗、能耗不能得到充分控制，也使智能技術的作用得到更多關注。在此背景下，分析城市供水管網智能調配系統(tǒng)的建設需求、設計思路和實現方法，具有一定的現實意義。

1 城市供水管網智能調配系統(tǒng)的相關技術

1.1 智能技術

城市供水管網智能調配系統(tǒng)建設，關注重點在于系統(tǒng)作業(yè)的智能化，智能技術是整個系統(tǒng)的核心。例如：供水安全性方面的管理，一般而言，供水管網服務區(qū)域內的用戶用水量是比較穩(wěn)定的，但在夏季用水高峰期、節(jié)假日，用水量可能出現增加，如果服務范圍內有較多的租戶，也可能在春節(jié)前后出現用水量減少的情況。用水量的波動影響供水管網的供水安全性，借助智能技術可實時跟蹤服務區(qū)域內的用水情況，統(tǒng)計其變化規(guī)律，為后續(xù)供水服務提供參考，保證供水穩(wěn)定[2]。

1.2 實時通信技術

實時通信技術的價值在于保證城市供水管網智能調配系統(tǒng)的工作針對性，來自用戶端的用水信息、來自管理端的管理信息，均需要以實時通信技術提供保證，以確保所有信息能夠在預定時間范圍內完成交互，保證管理實時性和最終質量。例如：某一區(qū)域用水量快速增加，該信息被傳感器傳輸至管理端，后者以智能系統(tǒng)快速予以響應、下達調配指令，能夠在較短時間內完成水資源的配置，保證供水穩(wěn)定[3]。

1.3 大數據技術

大數據技術可完成海量數據的快速處理，并根據數據特點分析其內在價值，作為城市供水管網智能調配系統(tǒng)的管理依據。例如：用藥管理，通過采集用藥后的水質信息、生成大數據并記錄在城市供水管網智能調配系統(tǒng)中，通過持續(xù)積累的數據保證采樣分析的全面性、客觀性，據此分析合理的管理參數，避免過量使用藥物或用藥不足等問題，提升城市供水管網智能調配系統(tǒng)的綜合服務效能[4]。

1.4 傳感器技術

傳感器技術是城市供水管網智能調配系統(tǒng)作業(yè)實時性的基本保障。用戶端的用水量信息、水質信息、用水變化信息等，均依賴傳感器進行感知和實時收集。

結合城市供水管網智能調配系統(tǒng)工作需求，應采用接觸式傳感器進行作業(yè)，并以有線通信的形式保證通信質量。傳感器的工作應全天實時開展，且獨立進行傳輸。此外，應在管理端配置必要的轉換器和提純器，前者負責將傳感器收集的信息轉化為可被計算機讀取和識別的數字信號，后者則濾除信號中的噪聲，以保證計算機對信號的識別效果[5]。

1.5 其他輔助技術

城市供水管網智能調配系統(tǒng)的建設、運用，還依賴其他輔助技術提供幫助，包括可視化技術、嵌入技術、集成技術、現場總線技術等，這些技術并不是城市供水管網智能調配系統(tǒng)建設的獨有技術，但能夠發(fā)揮輔助作用，以保證系統(tǒng)建設質量與運營能力[6]。可視化技術可用于用戶端、管理端，幫助用戶和管理者了解供水情況，嵌入技術則用于實現輔助功能，包括可視化模塊的嵌入、報警器嵌入等。集成技術的重要性相對突出，是保證系統(tǒng)各部分能夠統(tǒng)一履行智能的關鍵，在現有技術條件下已可實現。現場總線技術服務通信活動，也保證城市供水管網智能調配系統(tǒng)功能可以進一步擴展。

2 城市供水管網智能調配系統(tǒng)的具體需求

2.1 保障供水安全的需求

城市供水管網智能調配系統(tǒng)建設作用突出，是保障供水安全的直接需求。通常城市供水管網的服務范圍較大，為保證靈活性，需要設置若干區(qū)域、小網格，單獨建立供水系統(tǒng)，如一個小區(qū)、若干居民樓等，其供水管網均帶有一定的獨立性，一些不可控的客觀因素影響供水安全。例如：節(jié)假日大量居民居家期間，用水量出現增長，如果依然按照常規(guī)參數供水，可能導致同一時間段內居民用水需求不能得到充分滿足的情況[7]。借助城市供水管網智能調配系統(tǒng)，居民用水量的變化可被系統(tǒng)實時感知，并根據對應信息，自動進行供水參數的調整，加大供水壓力提升水流單位時間的提供量，以滿足居民用水需要。這是常規(guī)供水管網不具備的功能，也是城市供水管網智能調配系統(tǒng)建設的基本追求。

2.2 降低供水藥耗的需求

原水需要經過處理后才能作為自來水提供給用戶，由于原水內的成分比較復雜，需要投入藥物對其中的細菌、雜物進行處理，再濾除沉淀物，將符合使用標準的自來水通過供水管網提供給用戶。在此過程中，如果使用的藥物過多，可能導致藥物殘留、威脅居民健康，也增加了工作成本。用藥較少則不能充分完成原水處理，也會導致居民飲水安全和身體健康問題。借助城市供水管網智能調配系統(tǒng)，可對經過處理的原水進行信息收集，采集若干樣本，評估藥物殘留水平，如果殘留藥物過多，表明凈化用藥超過需要，可適當予以控制、降低，在保證水質的同時提升處理效果、飲水安全，也降低因不當用藥導致的經濟支出[8]。

2.3 降低供水能耗的需求

供水能耗即供水管網作業(yè)過程中產生的能源消耗，是不可避免的作業(yè)支出。從特點上看，供水能耗超出標準值的因素較多，這一部分因素是可以控制的包括參數過大、設備損壞等。城市供水管網智能調配系統(tǒng)的運用，主要從參數調控方面發(fā)揮作用，減少供水系統(tǒng)的非必要支出，控制供水能耗。一般而言，用戶的用水需求存在階段性差異，夜間用水量較小，早間、午間和傍晚則較高，這要求以與之匹配的作業(yè)參數供水。出于保證用戶用水需求的目的，在其用水高峰期，供水壓力和參數都較大，通過智能調配系統(tǒng)了解用戶用水需求變化情況，可在用戶用水量顯著減少時，對供水壓力和參數進行調整，使其下降，能夠在滿足用戶需要的情況下，削減供水能耗，保證系統(tǒng)作業(yè)綜合效益。

3 城市供水管網智能調配系統(tǒng)的設計原則

3.1 高適用性

高適用性是城市供水管網智能調配系統(tǒng)的基本設計原則，是指系統(tǒng)應能夠高度匹配本區(qū)域的管理需要，同時也是指系統(tǒng)在技術需求、建設方法等方面有較強的普適性，能夠在大部分地區(qū)運用，減少重復設計的困擾。從技術角度上看，城市供水管網智能調配系統(tǒng)所需要的各類技術已經比較成熟，包括智能技術、傳感器（接觸式傳感器）技術、有線通信技術、嵌入技術、總線技術等，具體工作中可根據作業(yè)區(qū)域特點進行設計，原則上應保證區(qū)域用水需要、能耗控制需要和藥耗控制需要得到兼顧，在各區(qū)域配置足夠的作業(yè)設備、通信設施，并建立能夠服務智能技術作業(yè)需要的計算機平臺，如果工作負荷較大則為系統(tǒng)配置計算機群，以集成技術做各部分功能的統(tǒng)一管理，匹配當地供述管網系統(tǒng)工作需要。

3.2 易維護性

易維護性是指城市供水管網智能調配系統(tǒng)的設計不能過于復雜，其物理結構應強調簡化，僅需能夠滿足供水需要即可，同時系統(tǒng)設計時選用的技術和設備也應較為常見、常用，適配性高，以便于在出現故障時快速進行處理。如供水管線的地下部分，設計上應強調簡練化，在新管讓舊管、后鋪讓先鋪原則下，避免復雜的回轉、彎折、直銳角設計，轉彎處以直角或銳角設計為主，管道的材質應考慮耐用性、耐沖擊、耐水蝕，設備的選用以質量為關注核心，在此基礎上重視易更換、易替代，非必要情況下不選用技術復雜、使用難度高的設備。系統(tǒng)建設區(qū)域應便于周期進行檢修、便于在出現故障時進行更換處理。

3.3 可擴展性

可擴展性是指城市供水管網智能調配系統(tǒng)的設計應考慮未來需要，在用水量增加、服務范圍增加的情況下，保證系統(tǒng)仍能滿足管理要求。如物理層面主要強調保證系統(tǒng)設計基本原則，即高適用性、易維護性，物理層面的設計在現有工作中得到了較高關注，實現難度不大。管理層面主要強調保證系統(tǒng)通信能力、遠程管理能力具有進一步擴展的空間，強調引入CAN總線技術、做好管理平臺建設。設計上以可擴展性較強的CAN總線技術提供獨立信道，以滿足不同區(qū)域用戶、不同工作模塊信息交互的需求，平臺設計上則關注提供較多的計算管理空間，以計算機群替代一般計算機，或以大容量計算機取代小容量計算機。此外，數據庫建設、實時數據處理系統(tǒng)設計也應予以完善，以保證實時信息、大數據的處理質量。

3.4 低成本性

低成本性是指城市供水管網智能調配系統(tǒng)的設計需要以其使用需要為基本出發(fā)點，在非必要情況下，不必選用價格高昂的新技術、新材料和新設備。如目前廣泛用于大數據管理的高速計算機、工業(yè)計算機，能夠完成每秒千萬億次計算，但此類設備價格昂貴，且在城市供水管網智能調配系統(tǒng)中，無須使用性能如此優(yōu)越的工作設備，虛擬內存達到8 GB 以上、磁盤空間在1 TB以上的普通計算機即可完成大部分計算作業(yè)，如果系統(tǒng)工作范圍較大，則以若干計算機結成計算機群保證信息處理效率。其他方面的配置也遵循此原則，以滿足系統(tǒng)作業(yè)需要為直接目標，選用價格適中、便于使用、易于維護的設備和材料，用于城市供水管網智能調配系統(tǒng)建設。

4 城市供水管網智能調配系統(tǒng)的實現方式

4.1 系統(tǒng)框架

城市供水管網智能調配系統(tǒng)的實現依賴智能技術、實時通信技術、大數據技術、傳感器技術以及各類輔助技術，技術運用的具體方式上文中已有論述，為保證其能夠有效發(fā)揮作用，則需要以集成技術為中心，使不同技術能夠在系統(tǒng)默認程序管理下有效履責，系統(tǒng)框架設計如圖1所示。

圖1 城市供水管網智能調配系統(tǒng)設計框架

按照該框架，系統(tǒng)由4個部分構成，即傳感器與通信部分、用戶端、管理端以及執(zhí)行單元。傳感器一律選用接觸式，實時進行用戶端信息的收集，并以通信線路對收集所獲的信息做實時傳輸，提供給智能分析管理中心，由中心分析傳感器所提供的信息，如果信息無異常，將對應信息存儲到數據庫，并繼續(xù)組織常規(guī)作業(yè)。如果傳感器提供的信息存在異常，則由智能分析管理中心下達指令，由執(zhí)行單元進行警報、處理，向用戶端提供與其需求匹配的服務，異常信息和處理信息也同步錄入數據庫中，作為大數據備用。

4.2 作業(yè)方式

從作業(yè)方式上看，按照圖1所示系統(tǒng)，其工作全程是無人化的，只在智能分析管理中心由人員設定默認工作程序，作為系統(tǒng)自動化作業(yè)的支持。以供水壓力管理為例，對其作業(yè)方式進行分析。默認用戶在日間的用水量為A噸，具有穩(wěn)定性，以滿足A噸供水為目標，設定系統(tǒng)供水作業(yè)壓力參數為X。實際工作中，用戶的用水量在A噸范圍內上下波動，尤其是晚間、早間，波動往往較明顯，并圍繞A上下變化，表現如下：

[Amix;WA;08;YQ;A;HE;A7;Amax]

其中，Amix為用戶常規(guī)日間用水量的最小值，Amax為用戶常規(guī)日間用水量的最大值，其余為隨機用水參數值，在此范圍內，系統(tǒng)供水作業(yè)壓力參數均為X。可利用大數據技術，獲取Amix和Amax的參考值，并代入系統(tǒng)中，納入默認程序的管理范圍內，并做對應的程序編寫，使系統(tǒng)可對用水量變化進行靈敏感知和對應操作。晚間用戶用水量減少，低于Amix，系統(tǒng)通過傳感器感知其問題，調整供水作業(yè)壓力參數，使其達到90%X或更低水平（根據實時獲取的服務端參數具體確定）；反之，傍晚或晨間用戶用水量增加，高于Amax，系統(tǒng)通過傳感器感知其問題，調整供水作業(yè)壓力參數，使其達到110%X或更高水平（也根據實時獲取的服務端參數具體確定），從而提升供水穩(wěn)定性、安全性。

4.3 模擬實驗分析

借助模擬實驗，對上述設計進行分析，了解設計思路和方式是否可行。實驗利用計算機建立，主要分為兩組，一組為常規(guī)實驗，另一組為模擬實驗。實驗對象為沈陽市某區(qū)域，利用該區(qū)域供水部門提供的信息，了解其供水工作的一般情況，選取3 個重點指標進行分析，即供水安全性、供水藥耗、供水能耗。

第一組實驗選取供水部門提供的參數，以計算機建立實驗，模擬其工作情況，采用調整參數加速模擬（1∶6 000，模擬1 min為100 h），隨機在模擬過程中截取100個數據指標（每一個為6 s，即現實工作10 h），了解該指標下供水安全性、供水藥耗、供水能耗。

第二實驗選取供水部門提供的參數，以計算機模擬建立城市供水管網智能調配系統(tǒng)，分析其工作情況，采用調整參數加速模擬（1∶6 000，模擬1 min為100 h），隨機在模擬過程中截取100個數據指標（每一個為6 s，即現實工作10 h），了解該指標下供水安全性、供水藥耗、供水能耗。

實驗結果具體如表1所示。

表1 實驗結果

從表1結果上看，第二組采用城市供水管網智能調配系統(tǒng)，未出現供水中斷問題，供水藥耗為17.7 mg/L，供水能耗為1/0.219（t/kg標煤），均優(yōu)于第一組，表明城市供水管網智能調配系統(tǒng)作用理想。

5 結語

綜上所述，城市供水管網智能調配系統(tǒng)具有其突出優(yōu)勢，應在未來工作中予以重視，設法運用。該系統(tǒng)實現依賴于智能技術、實時通信技術、大數據技術、傳感器技術的提供支持，可保障供水安全、降低供水藥耗、降低供水能耗。具體設計強調適用性、易維護性、可擴展性和低成本化，以穩(wěn)定的框架和邏輯為系統(tǒng)工作提供支持。結合模擬實驗結果，可知智能調配系統(tǒng)降低了供水藥耗和能耗，也有效保證了供水安全，可在未來工作中嘗試運用。