酒泉市農村飲水工程計量設施及智能化管理系統應用

王春艷，李廷祿

酒泉市水利水電勘測設計院，甘肅酒泉 735000

近年來，國家大力推進民生工程，進一步推進鄉村振興戰略進程，農村飲水工程建設初期標準不高，經過多年運行，管網漏損嚴重，造成水資源浪費[1-2]。而農村人口分布分散，上門收費難度大，飲水計量、收費智能化水平落后[3-4]。為解決農村飲水計量收費及農村飲水工程可持續發展問題，很多地區開始建立農村飲水計量智能化管理系統，實現遠程、快捷、精準收集各項數據，有效控制了水資源浪費，取得了一定成效[5-7]。

1 酒泉市農村飲水安全工程的現狀及存在的問題

1.1 工程現狀

酒泉市農村飲水安全工程經過十幾年的建設，實現了農村飲水安全從“量”到“質”的跨越式發展，尤其是2005年以來，國家加大對農村飲水安全工程建設的投入力度，農村飲水安全工程建設得到長足發展。農村飲水安全普及率達到98%，入戶率100%。

1.2 存在的問題

（1）計量設施陳舊落后。農村飲水安全工程現有計量設備較為陳舊、落后，安裝的水表均為機械式水表，且村口無計量設備，計量設施簡陋，管理方式較為落后。

（2）水費收繳困難。戶用水表計量不準確，有些水表無法計量或者損壞，沒有信息化監控，無法有效及時感知設備異常，造成水費無法應收盡收，對于不交水費的用水戶，不能及時停水，未形成有效的制約機制[8-9]。

（3）管網漏損嚴重，漏損率較高。村口沒有安裝計量裝置，村內的戶用表計量不準確，無法通過大表+小表以及平臺計算出村內漏損，更無法定位支線漏水，管網漏損的問題無法得到有效解決，導致用戶成本增加、水資源浪費。

（4）工程運行管理難度大，效率低下。農村飲水安全工程管網長，管道發生滲漏后不能及時發現，加大了用水戶的用水成本，工程無法達到良性的發展趨勢，增大了管理難度。

（5）信息化建設不足。農村飲水工程信息化建設與現代化管理工作的要求已不相適應，制約了項目管理水平的提高，各級水利行業主管部門也難以及時、準確和全面地掌握農村飲水安全工程的發展趨勢[10-12]。

（6）用戶用水滿意度低。農村環境容易造成水表冬凍夏泡，加之用水戶比較分散，用水問題不能得到及時解決，易給用戶造成極大不方便，用戶滿意度低。

2 解決方案

結合項目區現狀，為加快推進農村飲水安全水資源管理現代化進程，提出農村飲水安全工程水利信息化建設的總體目標：

（1）通過計量設施改造，實現用水戶用水精準計量，水費應收盡收。

（2）通過更換具備無線通信和閥控的計量水表，實現微信、APP遠程繳費、遠程控制。

（3）建立信息化平臺，實現計量設施數據的遠程自動化采集，實現實時監控計量設施，以及用戶用水數據的動態監測，為經營和決策提供數據化支撐。

（4）村口安裝大表，通過大表+小表的方式計算損耗，通過平臺分析定位漏損支線，有效減少漏損。統一定價，依靠云平臺實現繳費，讓老百姓喝放心水，交明白費。

（5）依靠科技手段，有效監控農村飲水安全工程的運行，節省人力和物力，使工程發揮應有的作用，更好地為老百姓服務。

（6）農村飲水安全工程的管控能力得到大幅提升，依靠現代化技術和管理經驗，結合信息化建設，將工程進行有效管理，給居民提供及時周到的服務[13-14]。

3 總體框架

隨著各地對農村飲水安全“一戶一表”工程改造的推進，實現自來水智能化控制、自動化管理的需求越來越迫切。為了實現智能管控，最大化發揮人力資源的利用效益，以“大服務、全服務”的理念，為用戶提供運行維護，開創平臺運行全方位服務，基于物聯網、云計算和大數據于一體，將計算機技術、移動數據遙信技術、數據網絡技術、自控技術融為一體，對現場的各種設備進行遠程采集、傳輸、診斷和分析，創建了自動化、信息化、智能化于一體的云平臺。包括水源地監控系統、水廠監控系統、泵站監控系統、管網監控系統、用水分析系統、地理信息系統、收費計量和報警分析系統等組成。解決了依靠人工參與運維管控方式的弊端，通過信息化自動診斷和報警，節省了人力，提高了效率。

3.1 云平臺架構

3.1.1 云計算架構 云計算服務類型分為3類，即基礎設施即服務（LaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）。基礎設施，即服務向云計算提供虛擬化計算資源，如虛擬機、存儲、網絡和操作系統（圖1）。

3.1.2 云服務架構 通過非關系型的數據庫和關系型數據庫結合，采用分布式緩存和存儲技術，引入容器化技術實現運行環境隔離與動態服務管理，為水源、水廠、泵站、管網和末端用水計量提供各種可靠性服務，確保數據安全、訪問快捷。

3.2 手機APP管理軟件

手機App主要提供的是移動巡檢功能，即巡檢員手持移動巡檢設備，在按照巡檢任務執行巡檢，并在移動端填寫巡檢情況，上傳巡檢記錄，圖片等相關的信息。其包括兩部分內容：巡檢任務執行和事件上報。同時移動端還支持記錄巡檢員執行巡檢期間的行動軌跡，并將行動軌跡上傳至巡檢服務端。當巡檢人員在巡檢過程中發現某些風險隱患或者其他事件時，可以上報事件。

3.3 自動化遠程抄表、數據共享

用水戶水表井中安裝物聯網智能水表計量用水量，所有采集數據通過4G、NB-LOT無線上傳至云平臺。可根據行政村、儀表設備類型、儀表地址篩選用戶，查詢用水戶實時和剩余用水量、累計用水量等信息[15-16]。用水戶也可隨時查詢剩余用水量及水費余額，當用水戶水費較少時，可設置自動提醒繳費通知，提醒用水戶及時繳納水費，以免影響用水。

3.4 分類、多維度數據統計分析

可按行政鄉、鎮、村的日、月、季、年用水量統計用水量，按單用水戶的日、月、季、年水量統計用水量；用水量交費統計可以利用手機APP實現；按行政村統計漏損統計分析，即按照村口計量—用水戶總計量進行分析。

3.5 智能收費、繳費，可遠程控制水表閥門

遠程通過手機APP可以實現用水戶水表用水量、剩余水量數據查詢，水表設備工作狀態分析，行政用水分析，水表地理位置信息顯示，水表報警信息查詢，還可以通過手機APP進行遠程充值、充值記錄查詢、水表閥門遠程控制等功能。

3.6 管網漏損分析、大數據分析

通過村口大表數據和村內用戶表數據，分析漏損率，對于支線安裝表計，分析支線漏損率，并可通過數據分析定位漏損的支線。

依托大數據技術，有6個維度的分析模塊：用水分析、數據監控、數據運行、運行分析、數據服務、航拍展示，每個模塊可以從總體上清晰地了解運行情況。例如：有側重整體各個鄉鎮/縣用水從總量、各地區用量、人均用水量等多角度分析；有側重于數據是否有異常分析，如通訊異常、3 d及多天通訊不上數據、用戶用水徒增等。其他功能則是從用戶關閥、欠費、老年用戶特殊服務等方面進行分析，幫助決策者和管理者快速掌握總體運行和用水情況[17-19]。

3.7 水利“一張圖”

可以將各管網的測量經緯度導入平臺，展示出各管網走勢和運行數據；村口大表可以在地圖標注并可以和實際數據展示；每個表井的位置可以標注，點擊表井會展示此表井的所有用戶的運行數據。通過地圖和用戶數據結合的方式直觀展示，方便現場維護定位，實現一張圖可總覽運行。

4 解決問題的關鍵技術

4.1 4G通信技術

4G信號強，覆蓋農村，通過4G技術有效保證了設備通訊成功率，通過自動抄表節省大量人力物力。

4.2 水表實現滴水計量

多用戶物聯網超聲水表利用超聲相差測流技術實現水流的高精度、高靈敏度測量，實現滴水微流量的計量統計，解決供水管網的跑冒滴漏監測難題，計量傳感器管路內部無任何機械轉動及磨損結構，使多用戶超聲水表的計量更準確，使用壽命更長。

4.3 子母表+軟件分段計算實現，降低漏損率

在干支線安裝子母表，通過軟件平臺的分段計量和大數據的分析計算技術，有效定位漏損點，及時排查降低漏損率。

4.4 保障在惡劣環境中運行

超聲水表利用動態壓力平衡技術，解決了水表在水下受壓滲水失效問題，使多用戶超聲水表可以長期浸水運行，完全適用于各種惡劣環境。水表默認30 d進行1次閥門防銹動作，防止閥門被水垢封住。動作時間可刷卡設定，根據不同地區水質進行調節。

4.5 遠程網絡支付（微信、支付寶）、遠程控制閥門

水表支持遠程支付，通過微信小程序、APP、網頁系統遠程下將充值水量發送至水表，方便快捷，解決老百姓的充值麻煩的問題。

4.6 大數據分類數據分析

利用大數據技術，將現場計量數據進行分類分析，從各個維度分析用水數據，能精準實現水資源用水管理，為管理決策提供數據支撐，通過數據有效決策。

4.7 實現分體刷卡，太陽能充電

刷卡終端安裝在地上，基表安裝在表井內，卡直接在地上終端刷卡，并且刷卡終端自帶太陽能板，能夠實現太陽能充電并且反補給井池內基表，延長終端、基表內的電池使用年限。

5 工程效果分析

新的管理模式依靠科技手段，通過云平臺的大數據分析和異常數據推送，可以高效及時地對管轄范圍的用戶進行服務，減少人力和物力投入的情況下，使得農村供水管理得更加及時、快捷，真正管控并解決好村級供水運營中“降損、收費、服務、維護”問題，真正打通農村供水管理“最后一公里”。

5.1 高質量服務，老百姓滿意

用戶通過微信小程序網上繳費和網上查詢用水，解決了用戶的繳費問題，老百姓滿意度高。

5.2 收費透明且信息化，漏損問題得到解決

政府制定統一的用水價格，采用智慧云平臺統一管理收費，避免了價格不一和不透明的高水價問題。通過現代化的技術手段和信息化平臺，讓用戶繳費更加便捷，并且能隨時隨地查詢自己的用水信息，實現了老百姓繳明白費、喝放心水。

鎮級中心的現場工作人員會定期巡線，發現村內管網破壞后會及時維修。通過后臺大數據分析和村口表+支線大表+小表的方式定位漏損點，現場利用專業化設備查找和及時維修漏損點，依靠科技的手段減少漏損。

5.3 保障工程的長效運行，實現智能化管理

通過后臺的大數據分析，及時處理定位設備通訊異常、報警、用水異常等情況，用心、精準服務老百姓，保證了設備穩定運行，為老百姓用水提供了有效保障。

實現現場設備自動抄表和數據分類管理，對數據的采集實現自動化，收費數據由軟件后臺自動計算，對用水進行分析，對異常進行報警，無須現場抄表、人工計算收費、人工報表等各種煩瑣復雜的勞動，節省了人力和物力。