基于末端無線智能壓力監(jiān)測技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

厲澤輝LI Ze-hui

（杭州文拓智能科技有限公司，杭州 310012）

0 引言

供水系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，旨在滿足居民、商業(yè)和工業(yè)的日常用水需求。供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性也受到多重因素的影響，主要涵蓋了城市人口的增長、城市化進(jìn)程的加速、水資源的可持續(xù)性以及現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用。隨著城市化的推進(jìn)，人口不斷膨脹，對供水系統(tǒng)提出了更高質(zhì)量、更穩(wěn)定供水的要求。

供水系統(tǒng)作為現(xiàn)代城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其管道壓力問題在供水系統(tǒng)的運(yùn)行中至關(guān)重要，管道壓力直接影響水的順利輸送、合理分配以及最終用戶的用水體驗(yàn)[1]。因此，維護(hù)合適的管道壓力對于保障供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行和居民生活的舒適體驗(yàn)具有重要意義。

供水系統(tǒng)在快速城市化、不斷增長的人口壓力下，必須充分考慮水資源的可持續(xù)性，借助現(xiàn)代技術(shù)的創(chuàng)新，同時(shí)關(guān)注管道壓力的合理調(diào)控，以確保城市居民持續(xù)享受到穩(wěn)定、高質(zhì)量的供水服務(wù)，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。

目前，小區(qū)供水多數(shù)采用恒壓控制模式，即通過PID算法調(diào)節(jié)泵出口壓力為恒定保持不變。該控制模式僅能適應(yīng)小區(qū)用水波動(dòng)不大且水管網(wǎng)路壓降接近的情況下具有較好的用水體驗(yàn)，但是，實(shí)際生活中小區(qū)內(nèi)的水管網(wǎng)路各異，并用水具有分時(shí)段特性，造成低用水量時(shí)，管網(wǎng)上存在壓力富裕，不但造成能量浪費(fèi)，更會(huì)增加管道運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)與漏損，高用水量時(shí)，管網(wǎng)上壓力偏低，造成高層用戶水量偏小。

本文針對傳統(tǒng)供水缺乏狀態(tài)預(yù)測功能，依托大數(shù)據(jù)分析，采用末端壓力最優(yōu)為控制目標(biāo)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，周期性調(diào)整泵房供水壓力的控制策略，降低了供水能耗，增加了管路安全，為節(jié)水、節(jié)能提供一種新的解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供水系統(tǒng)遠(yuǎn)程壓力調(diào)控策略是由數(shù)據(jù)中心根據(jù)水管管網(wǎng)末端壓力，結(jié)合歷史用水情況，綜合判斷，下發(fā)壓力控制策略到二次加壓泵站的水泵機(jī)組控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將以小時(shí)為最小單位調(diào)整策略。整個(gè)系統(tǒng)包括：無線智能壓力表，數(shù)據(jù)云平臺(tái)，無線智能終端[2]。供水系統(tǒng)管道壓力監(jiān)測與調(diào)控流程圖如圖1 所示。

圖1 供水系統(tǒng)管道壓力監(jiān)測與調(diào)控流程圖

2 無線智能壓力表

2.1 末端安裝

傳統(tǒng)的壓力傳感裝置通常通過有線傳輸數(shù)據(jù)或人工讀數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)，然而，由于電源供應(yīng)或數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}，大多數(shù)傳感裝置被安裝在泵房或水源前端區(qū)域，這樣的布置方式在末端用水體驗(yàn)和用水壓力監(jiān)測等方面存在一些局限性。為了確保最為準(zhǔn)確的末端供水壓力監(jiān)測，需采用無線智能壓力表，直接安裝在供水管道的末端或者用水的最不利點(diǎn)，無線智能壓力表的應(yīng)用不僅消除了傳統(tǒng)布線所帶來的復(fù)雜性，還能夠有效減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，從而提供了更加準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)源。

2.2 實(shí)時(shí)壓力和溫度值監(jiān)測

實(shí)時(shí)壓力和溫度值監(jiān)測是通過內(nèi)置的高精度壓力傳感器和溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)的。精密傳感器具備高度準(zhǔn)確捕捉供水管道末端壓力和溫度變化的能力，可捕捉微小的壓力波動(dòng)，即便在供水系統(tǒng)高峰負(fù)荷或緊急情況下，也能準(zhǔn)確記錄壓力變化，與之相輔相成的內(nèi)置溫度傳感器則持續(xù)監(jiān)測管道內(nèi)溫度變化，并即時(shí)將這些數(shù)值呈現(xiàn)出來，以確保供水過程中溫度的適宜性和穩(wěn)定性。

3 無線智能終端

無線智能終端作為供水系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)中樞，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和接收、遠(yuǎn)程控制和指令調(diào)整、數(shù)據(jù)處理與分析、異常監(jiān)測與警報(bào)觸發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與歷史記錄以及報(bào)告生成與綜合信息展示等關(guān)鍵功能。它可以實(shí)時(shí)采集泵房內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)，并將其傳輸至云平臺(tái)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。通過云平臺(tái)遠(yuǎn)程控制和指令調(diào)整內(nèi)部設(shè)備，通過控制水泵的啟停和出水流量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能控制，提高水泵機(jī)組運(yùn)行的靈活性和效率。

4 云平臺(tái)數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程調(diào)控

4.1 歷史數(shù)據(jù)分析與關(guān)系模型功能

云平臺(tái)利用歷史數(shù)據(jù)分析，揭示供水系統(tǒng)中壓力與供水需求之間的潛在關(guān)系。通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，識(shí)別不同時(shí)間段、用水量等因素對泵房出水壓力和用水末端壓力的影響，建立精確的關(guān)系模型，具體包括數(shù)據(jù)收集整理，預(yù)處理，特征提取，關(guān)系模型構(gòu)建，驗(yàn)證優(yōu)化，實(shí)際應(yīng)用。云平臺(tái)通過從歷史數(shù)據(jù)中挖掘信息，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的壓力與供水需求預(yù)測，為供水系統(tǒng)提供重要支持。

4.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與供水需求預(yù)測

云平臺(tái)結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史關(guān)系模型，準(zhǔn)確地預(yù)測當(dāng)前的供水需求。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力和溫度的關(guān)鍵參數(shù)，能夠即時(shí)更新模型參數(shù)，更精確地應(yīng)對供水需求的變動(dòng)。此外，基于平臺(tái)的預(yù)測結(jié)果，下發(fā)指令給無線智能終端，可以實(shí)時(shí)調(diào)控供水策略，如水泵的操作和水壓調(diào)整，進(jìn)一步確保供水的穩(wěn)定性并降低能源浪費(fèi)。

4.3 智能調(diào)壓和供水控制

云平臺(tái)通過不斷監(jiān)測和收集末端用水壓力值和用水需求，實(shí)時(shí)下發(fā)指令到智能終端，調(diào)節(jié)泵房設(shè)備的工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)按時(shí)、按區(qū)、按需供水，保障用水末端用戶的用水體驗(yàn)。

系統(tǒng)根據(jù)末端壓力值和用水需求的不同變化，自動(dòng)控制泵房設(shè)備的啟停、調(diào)速和閥門開關(guān)等。當(dāng)末端壓力值低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)泵房設(shè)備或提高水泵運(yùn)行速度，并根據(jù)需求調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行速度或閥門的開關(guān)程度，以提高末端壓力。當(dāng)末端壓力值超過標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止泵房設(shè)備的運(yùn)行或降低水泵運(yùn)行速度，以避免壓力過高。

同時(shí)，系統(tǒng)還可以根據(jù)用水需求的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)泵房設(shè)備的工作狀態(tài)。當(dāng)用水需求較大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)增加泵房設(shè)備的運(yùn)行速度或閥門的開關(guān)程度，以增加供水流量。當(dāng)用水需求減少時(shí)，系統(tǒng)會(huì)降低泵房設(shè)備的運(yùn)行速度或閥門的開關(guān)程度，以減少供水流量。這樣可以有效地提供符合用戶需求的用水量，避免過量供水或供水不足的問題。云平臺(tái)及控制系統(tǒng)應(yīng)用功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 云平臺(tái)及控制系統(tǒng)應(yīng)用功能結(jié)構(gòu)圖

通過云平臺(tái)和供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)用水的精確控制，提高供水的穩(wěn)定性和可靠性，減少供水波動(dòng)對末端用戶的影響。同時(shí)，降低能耗和維護(hù)成本，提高供水系統(tǒng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性。

4.4 故障檢測和預(yù)警

故障檢測和預(yù)警系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對泵房設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測和分析。無線智能終端會(huì)采集泵房設(shè)備的各種運(yùn)行參數(shù)，如水泵的運(yùn)行電流、電壓、溫度、振動(dòng)等，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳云平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和比對。

云平臺(tái)通過建立泵房設(shè)備的運(yùn)行模型和故障特征庫，可以對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)設(shè)備的工作特征和故障模式進(jìn)行故障預(yù)測，一旦系統(tǒng)檢測到泵房設(shè)備出現(xiàn)異常或接近故障狀態(tài)，會(huì)立即發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

預(yù)警信息可以通過云平臺(tái)、手機(jī)APP、短信等方式發(fā)送給相關(guān)人員，包括維修人員、運(yùn)維管理人員等，以便及時(shí)采取修復(fù)措施。相關(guān)人員可以根據(jù)預(yù)警信息了解到故障的具體情況，提前準(zhǔn)備所需的備件和工具，并及時(shí)趕到現(xiàn)場進(jìn)行維修，這樣可以最大程度地減少故障修復(fù)的時(shí)間，避免供水中斷和影響供水水質(zhì)等問題的發(fā)生。

故障檢測和預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用可以提高泵房設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，減少故障對供水系統(tǒng)的影響。同時(shí)，還可以降低維修成本和人力資源的浪費(fèi)，提高運(yùn)維效率和供水管理的水平。

4.5 爆管偵測

供水水管由于管道突發(fā)性爆管引起的壓力變化值ΔP可以用以下公式簡易估算：

式中：ΔP：為爆管引起的壓力變化值，單位Pa；ρ：為流體密度，單位kg/m3；u：為負(fù)壓波在管道內(nèi)的傳播速度，單位m/s；vL：為爆管時(shí)管道流速，單位m/s；v0：為爆管前初始流速，單位m/s；g：為重力加速度，單位m/s2。

依據(jù)文獻(xiàn)[3]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，管道爆管后，其管道內(nèi)壓力波在傳播中逐漸衰減，而最終的穩(wěn)態(tài)壓降明顯較小。采用0.1Hz 的采樣頻率，能測到過渡期壓降，測點(diǎn)間距需在250～500m 范圍。

本文采用的無線智能壓力表具備最小4S 的采樣周期，能對測點(diǎn)500m 以內(nèi)的壓降過程進(jìn)行有效檢測，同時(shí)無線智能壓力表具備壓力突變前后10 個(gè)采樣周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，數(shù)據(jù)打包，快速通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)到數(shù)據(jù)平臺(tái)。

4.6 爆管控制策略

供水管網(wǎng)中爆管是一種常見事故。導(dǎo)致爆管的原因主要有幾種：①管道使用超過規(guī)定年限或沒有及時(shí)得到巡檢，引起管道破損，而導(dǎo)致管道爆管；②管道材質(zhì)、生產(chǎn)工藝等因素?zé)o法承受溫差變化，導(dǎo)致管道或附屬設(shè)施斷裂，而引起爆管；③其他的一些人為原因。

小區(qū)供水系統(tǒng)的爆管事故發(fā)生后，不僅造成飲用水資源的大量流失，影響人們正常的生產(chǎn)和生活，情況嚴(yán)重時(shí)甚至危及其他的管線設(shè)施，如造成停電、中斷通訊等突發(fā)性事件。因此消除事故的對策，以及爆管后的搶修工作也不容忽視。減少搶修時(shí)間縮小停水范圍可將因爆管而造成的損失降為最小。

平臺(tái)根據(jù)無線智能壓力表檢測的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)爆管數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比對、判斷，給出爆管預(yù)警。工作人員確定爆管信號(hào)后，平臺(tái)根據(jù)壓力數(shù)據(jù)，采用深度優(yōu)先的搜索算法進(jìn)行爆管事故分析，獲取最優(yōu)關(guān)閥方案，該算法不僅能應(yīng)用在單事故點(diǎn)，也能在供水管網(wǎng)系統(tǒng)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)事故點(diǎn)時(shí)給出最優(yōu)關(guān)閥方案。

平臺(tái)的該功能提供了爆管之后人力查閱圖紙的方法來確定搶修方案，不僅降低了工作量，提高準(zhǔn)確性，而且縮短了搶修時(shí)間，減少了由此造成的經(jīng)濟(jì)損失，節(jié)約了水資源。

5 結(jié)果與分析

5.1 調(diào)控效果對比

根據(jù)某高校2023 年6 月18 日至19 日的供水歷史數(shù)據(jù)（如圖3、圖4），通過末端壓力優(yōu)化的模擬，比較與現(xiàn)有出口恒壓控制的數(shù)據(jù)對比，現(xiàn)有末端壓力優(yōu)化可以較好地保證末端壓力的平穩(wěn)度。

圖3 出口恒壓控制

圖4 末端壓力優(yōu)化控制

5.2 數(shù)據(jù)分析

從模擬結(jié)果可見，在滿足用戶用水的需求下，采用末端壓力優(yōu)化方法能夠較好地穩(wěn)定二次供水末端壓力，使用戶有更好的用水體驗(yàn)，同時(shí)兼顧事故偵測和預(yù)警，減少事故發(fā)生及水資源浪費(fèi)。特別是在高層小區(qū)的供水中，末端壓力優(yōu)化更具急迫性和實(shí)用性。