小口徑智能水表在城鄉(xiāng)供水一體化工程中的應(yīng)用

郭國(guó)富

（阜南縣水利局，安徽 阜陽(yáng) 236300）

0 引言

城鄉(xiāng)供水一體化是指以縣域?yàn)閱挝唬y(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌建設(shè)，以城市供水管網(wǎng)延伸和規(guī)模化供水工程為主，小型集中式供水工程為輔，分散式供水工程為補(bǔ)充的供水工程體系，實(shí)現(xiàn)全民覆蓋，城鄉(xiāng)共享優(yōu)質(zhì)供水服務(wù)的供水保障模式。城鄉(xiāng)供水一體化既是保障農(nóng)村供水安全的有效途徑之一，也是農(nóng)村供水未來發(fā)展的重要趨勢(shì)。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，正推動(dòng)水利基礎(chǔ)設(shè)施和城鄉(xiāng)供水工程系統(tǒng)與新一代信息技術(shù)的緊密融合。為了能夠有效保障農(nóng)村供水，解決供水需求增加與水資源短缺的矛盾，小口徑智能水表在推進(jìn)城鄉(xiāng)供水?dāng)?shù)字化管理中發(fā)揮著重要作用，解決了當(dāng)前城鄉(xiāng)供水一體化用水管理薄弱的問題。

在城鄉(xiāng)供水工程和管理領(lǐng)域中，小口徑智能儀表的應(yīng)用已成為提高監(jiān)測(cè)效率和工程管理的關(guān)鍵。其通過提供精確的計(jì)量和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工程調(diào)度和供水保障這一目標(biāo)。隨著城鄉(xiāng)供水工程和水利信息化的迫切需要，小口徑智能表的使用占比增加，并且由于其種類繁多且數(shù)量龐大的特點(diǎn)，使得抄讀和維護(hù)工作量增加。與大口徑智能儀表相比，小口徑智能儀表的類型更多，選型范圍更廣，需進(jìn)行細(xì)致的選型和應(yīng)用分析，以確保計(jì)量的精準(zhǔn)、抄讀的準(zhǔn)確和數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，已逐步開發(fā)出多種類型的智能表，如光電直讀式、攝像式、脈沖式和電子式，以應(yīng)對(duì)各種監(jiān)測(cè)和計(jì)量挑戰(zhàn)。此外，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展，如有線式、LoRa 和NB-IoT，也在持續(xù)改進(jìn)這些設(shè)備的性能。本文深入探討小口徑智能表在城鄉(xiāng)供水工程中的應(yīng)用，分析其不同類型的功能和優(yōu)勢(shì)，并提出實(shí)際應(yīng)用中的選型建議。

1 小口徑智能儀表的主要類型及選型

根據(jù)《封閉滿管道中水流量的測(cè)量—飲用冷水水表和熱水水表》（GBT778.1/2/3-2007），該標(biāo)準(zhǔn)把水表分成機(jī)械式水表、帶電子裝置式水表和電子式水表三種類型。隨著計(jì)量技術(shù)、傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、壓損小、數(shù)據(jù)同步及時(shí)等特點(diǎn)的智能表將會(huì)成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，逐步替代傳統(tǒng)水表。

1.1 常見的幾種小口徑水表類型

小口徑智能儀表從數(shù)據(jù)讀取（采集）上可分為光電直讀式、攝像式、脈沖式和電子式四種，單從數(shù)據(jù)讀取的方式上分別有以下特點(diǎn)。

1.1.1 光電直讀式水表

光電直流式電表融合了機(jī)械計(jì)數(shù)和光電技術(shù)，主要通過光電直讀技術(shù)讀取水表的字輪數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)由多個(gè)用戶端水表、一個(gè)集中抄表器和一個(gè)抄表管理系統(tǒng)組成。每個(gè)用戶端水表配備了微控制器和數(shù)個(gè)字輪單元。其中每個(gè)字輪單元由機(jī)械字輪和若干光發(fā)射接收對(duì)構(gòu)成。這些光發(fā)射接收對(duì)通過獨(dú)特的正交碼序列信號(hào)相連，有效減少環(huán)境干擾和鄰近干擾的影響。

光電直讀式水表系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于其高度精確的計(jì)量能力和低功耗設(shè)計(jì)。特別是在不需持續(xù)供電的情況下，也能在抄表或調(diào)節(jié)閥門時(shí)正常工作。此外，其支持遠(yuǎn)程抄表功能，顯著提升了抄表效率。

但是，若水表電子部分的制造工藝不夠精細(xì)，或者電子元件老化，可能會(huì)導(dǎo)致密封性能下降，如灌膠密封或熱脹冷縮，引發(fā)水表電子部分的故障，影響抄表準(zhǔn)確性。此外，當(dāng)前市場(chǎng)上的直讀表大多在個(gè)位、十位、百位上直接讀取信號(hào)，而千位數(shù)的計(jì)算則依賴后臺(tái)軟件，這在實(shí)際使用中可能引發(fā)問題。其次，氣泡干擾和環(huán)境光線也影響著讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

1.1.2 攝像式水表

攝像式儀表與光電直讀儀表一樣不改變基表計(jì)量性能，只是在數(shù)據(jù)讀取上采用攝像式圖片上傳。主要通過對(duì)圖像進(jìn)行二值化、去噪處理后，再進(jìn)行識(shí)別和校對(duì)上傳過程，具體見圖1。優(yōu)點(diǎn)是上傳圖片直觀、易安裝，分體攝像式可以直接安裝在現(xiàn)有普通機(jī)械水表上。缺點(diǎn)是如果照片質(zhì)量不高會(huì)造成數(shù)據(jù)解析困難，攝像式讀取數(shù)據(jù)對(duì)于新水表尚可，對(duì)于周檢水表就存在一定風(fēng)險(xiǎn)。通常的故障是計(jì)數(shù)器與玻璃罩之間密封不嚴(yán)，引起計(jì)數(shù)器與玻璃罩之間起霧，拍攝的圖片模糊，造成數(shù)據(jù)無法抄讀。攝像式水表工作環(huán)境要求字盤無污染。

圖1 圖像識(shí)別算法流程圖

1.1.3 脈沖式水表

脈沖式水表的應(yīng)用已經(jīng)成為一種主流技術(shù)。這種水表通過表盤磁針和干簧管產(chǎn)生并持續(xù)發(fā)出脈沖信號(hào)，然后通過采集器收集這些信號(hào)，進(jìn)行累加、存儲(chǔ)，并最終上傳數(shù)據(jù)。由于其技術(shù)的成熟和便于推廣應(yīng)用，目前在城鄉(xiāng)供水工程已得到廣泛采用。

從技術(shù)角度分析，在不受外力干擾的條件下，這種方法計(jì)數(shù)準(zhǔn)確且可靠。但在受到磁力攻擊時(shí)，由于脈沖信號(hào)在累加過程中容易受到干擾，如線路通訊中斷、斷電現(xiàn)象或核心部件的永磁體受磁干擾，可能導(dǎo)致脈沖信號(hào)丟失，進(jìn)而引發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。這不僅影響了水資源的準(zhǔn)確計(jì)量，也可能對(duì)水資源調(diào)配造成誤判。此外，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，需要人工抄讀水表并重新輸入數(shù)據(jù)到采集器進(jìn)行初始化，增加了維護(hù)工作的難度和不可預(yù)測(cè)性。

1.1.4 電子式水表

電子式水表的機(jī)械部分只有一個(gè)葉輪，沒有齒輪葉輪上端帶磁性，通過葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)來電子計(jì)數(shù)，顯示部件為液晶數(shù)字顯示。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無齒輪傳動(dòng)、摩擦阻力小；缺點(diǎn)是要克服磁力干擾，管道中鐵銹容易吸附在磁性材料上，始動(dòng)流量要克服磁力。另外因?yàn)橹挥幸壕э@示部分沒有數(shù)字計(jì)數(shù)器，在顯示屏損壞或電子部件損壞時(shí)給水量計(jì)量和收費(fèi)帶來麻煩，容易產(chǎn)生糾紛。如果是遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的話，數(shù)據(jù)可以傳到后臺(tái)，在計(jì)量?jī)x表?yè)p壞時(shí)，后臺(tái)應(yīng)有水量數(shù)據(jù)記錄，但這些數(shù)據(jù)都是滯后的。

1.2 智能水表數(shù)據(jù)傳輸方式

數(shù)據(jù)傳輸有三種方式：有線式、LoRa 式和NBloT 式。

1.2.1 有線式水表

目前使用的有線水表主要是光電直讀類型。優(yōu)點(diǎn)是每只水表平時(shí)不用電，只在抄讀數(shù)據(jù)時(shí)用電，單表不存在更換電池問題，所以只要每只水表電子部分正常，傳輸導(dǎo)線良好，抄表率還是很高的，數(shù)據(jù)上傳費(fèi)用也低；缺點(diǎn)是如果電子部件性能不穩(wěn)定會(huì)影響抄表率，有線光電直讀水表在新樓盤布設(shè)容易，在老舊小區(qū)安裝中存在一定困難。另外還有有線脈沖、有線攝像式水表。

目前城鄉(xiāng)供水工程智能表大部分都是采用LoRa和NB-loT 無線傳輸技術(shù)。傳輸方式如表2 所示。

表1 數(shù)據(jù)讀取（采集）方式對(duì)比表

表2 數(shù)據(jù)傳輸方式表

1.2.2 LoRa 式

大部分廠家生產(chǎn)的無線遠(yuǎn)傳水表都是以LoRa 式傳送信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是成本低，水表之間信號(hào)可以自組網(wǎng)，通過采集器、集中器發(fā)送信號(hào)；缺點(diǎn)是信號(hào)不穩(wěn)定，如果采集器安裝位置不合適，會(huì)影響數(shù)據(jù)采集。有些廠家在安裝完LoRa 水表后，由于信號(hào)不穩(wěn)定需要不斷加裝采集器造成二次成本。許多廠家的水表安裝在水表間或樓道墻壁上，信號(hào)還可以；如果安裝在水表井里，信號(hào)會(huì)受到環(huán)境影響，需要加裝集中器。理論效果和實(shí)際安裝的效果有很大差距，若安裝無線遠(yuǎn)傳水表，要到使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地考察，并采取試裝的方式來驗(yàn)證效果。

1.2.3 NB-IoT 式

LoRa 能夠解決信號(hào)穩(wěn)定傳輸?shù)膯栴}無疑是一種好的選擇中，但由于種種條件限制，LoRa 在現(xiàn)階段信號(hào)還達(dá)不到理想狀態(tài)。在這種情況下NB-loT 應(yīng)運(yùn)而生，以其優(yōu)點(diǎn)成為今后遠(yuǎn)傳水表的發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)階段NB-IOT 受資費(fèi)高、信號(hào)不能全覆蓋的影響尚未普及，但是隨著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來會(huì)有所改善。

隨著科技的發(fā)展，新的計(jì)數(shù)方式、傳輸方式不斷涌現(xiàn)，有效提升了計(jì)量技術(shù)水平和計(jì)量管理水平。近年來智能水表正逐漸代替普通機(jī)械水表，但是這種替代，嚴(yán)格的說只是遠(yuǎn)程抄讀替代了現(xiàn)場(chǎng)人工抄讀，基表的計(jì)量方式并沒有改變，很大程度上還是普通機(jī)械水表。電表、氣表由于安裝條件的先天優(yōu)越性，輸送介質(zhì)對(duì)電子部件影響很小，使智能電表、氣表發(fā)展及應(yīng)用迅速。但由于水表的安裝環(huán)境及輸送介質(zhì)的不同，造成了智能儀表應(yīng)用中存在的問題較多。

1.3 兩種小口徑智能儀表類型的選型

1）根據(jù)數(shù)據(jù)采集方式：首選光電直讀水表；試裝NB 水表，可以采取幾家對(duì)比試用，降低風(fēng)險(xiǎn)，關(guān)注電子及超聲水表。

2）根據(jù)信號(hào)傳輸方式：首選有線連接集中器上傳模式，使用場(chǎng)景信號(hào)傳輸穩(wěn)定可采用LoRa 方式，條件允許可以安裝NB-loT 信號(hào)傳輸水表。

2 基于應(yīng)用場(chǎng)景的選型原則

2.1 有線和無線的選擇

1）戶表集中（小區(qū)和新建住宅）安裝以有線為主。

2）戶表較分散（例如別墅、偏遠(yuǎn)地段），則可以用無線方式（NB-loT）為主。

2.2 新建住宅和老區(qū)改造的選型

1）新建住宅布線方便，建議以有線為主，也可選擇單元無線。

2）老區(qū)改造復(fù)雜，建議以無線為主，有條件也可選擇單元無線。

2.3 不同環(huán)境的選型

1）高層住宅：有線遠(yuǎn)傳表安裝在高層管道井內(nèi)，通過M-BUS 有線方式連接，通過主采集機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

2）多層住宅：NB-loT 單表無線單元一般安裝在戶外使用，適合分散型住戶或者老舊小區(qū)改造。如果室內(nèi)安裝，應(yīng)選擇信號(hào)較好的小區(qū)高層用戶管道井。

3 小口徑智能水表安裝技術(shù)要點(diǎn)

1）前后直管段要求。在設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)考慮此因素，避免前后直管段不符合要求影響計(jì)量精度，造成本身水表計(jì)量性能沒問題，卻因安裝條件不符合規(guī)定導(dǎo)致計(jì)量不穩(wěn)定的情況。就像高層水表慢轉(zhuǎn)、空轉(zhuǎn)問題，是管道設(shè)置不合理、壓力不穩(wěn)定、管道內(nèi)有空氣等多種原因造成的，而這種現(xiàn)象通過水表反映出來，但通過查找分析原因后才發(fā)現(xiàn)不是水表的原因。因此，建議設(shè)計(jì)、施工和安裝時(shí)盡可能按照計(jì)量器具安裝規(guī)范進(jìn)行，避免在設(shè)計(jì)、施工和安裝過程中埋下影響計(jì)量穩(wěn)定性和精確性的隱患。

2）有線水表的接線應(yīng)牢固，電纜接頭的連接方式用端子壓接或者錫焊焊接，最好采用錫焊焊接方式。接頭要整齊，不能有毛刺，兩個(gè)接頭不能短路，并用錫焊焊接牢固，確定接觸良好并且牢固可靠。

3）無線NB 水表應(yīng)先測(cè)試信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)滿足后進(jìn)行安裝，并進(jìn)行持續(xù)信號(hào)觀測(cè)。

4）定期進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)核，核查計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)是否一致，達(dá)到抄讀便捷、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著水資源管理和監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，小口徑智能儀表在這一領(lǐng)域的應(yīng)用日益凸顯其重要性。本文全面分析了光電直讀式、攝像式、脈沖式和電子式等不同類型的智能水表，在城鄉(xiāng)供水工程中的應(yīng)用及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為城鄉(xiāng)供水工程建設(shè)和管理提供了有效的技術(shù)支持。隨著信息技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，智能水表將在城鄉(xiāng)供水工程中發(fā)揮更大的作用