淺析智慧水務系統在農村飲水安全工程管理中的應用

唐林平， 石海

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司）

1 引言

農村飲水安全是三農工作的重要保障，當前農村水利設施配套相對薄弱，運維管養能力不足，生活污水與農業生產廢水的隨意排放使得農村水環境進一步惡化、水污染加劇，而水質檢測與污水處理技術應用滯后，農村飲水水質不達標、水量不充足、供水工程與設施運維成本過高、供水系統管理模式粗放等[1]，使得農村飲水安全面臨不利局面。

2 智慧水務系統在農村飲水安全工程管理中的應用價值

2.1 保證農村飲水水質達標

農村供水系統涉及水源地、水廠、供水管網、加壓泵站等諸多環節，智慧水務系統利用水質監測儀對不同環節的供水水質情況進行連續性精準監測，對比生活飲水衛生標準，快速且科學判定農村飲水水質的達標情況以及不達標指標，以便農村飲水安全工程的管理人員準確定位水質不達標的供水環節[2]，實現供水流程體系內的水質動態監測與水質狀況溯源分析，確保農村飲水水質達生活飲水衛生標準。

2.2 保證農村供水水量充足

智慧水務系統依托水位監測儀、流量監測儀等傳感設備設施對農村供水系統的運行狀態以及供水設備設施的工作狀態進行在線監測，通過對水位、流量等供水參數的連續性采集與歷史數據分析，及時發現農村供水系統中的水量不足異常[3]。例如，根據供水系統不同環節的水位、水壓、流量歷史數據定位供水管網泄漏部位，分析泄漏嚴重程度，測算供水系統的漏損量，以便農村飲水安全工程管理人員及時開展管線泄漏搶修。同時，智慧水務系統依托水利模型與壓力調控手段統籌調度農村地區的水資源分配，優化農村地區的飲水資源供給配置，確保農村供水水量充足。

2.3 提高農村飲水安全工程精細化監管

智慧水務系統可構建以電子地圖為底圖的供水設施一張圖管理平臺，在電子地圖之上疊加農村水利設施與供水環節的矢量數據，利用傳感器與通信網絡有效關聯水利設施的實時運行狀態、供水系統參數以及數據中心的數據庫，以便農村飲水安全工程管理人員利用智慧水務系統查詢水利設施的運行數據、供水系統工作參數等，并依托歷史數據進行過程線分析、過程面分析、異常數據分析、水位水量模擬、安防預警等，為水利設施運維管理與農村供水系統精細化管理提供平臺支持與輔助決策支持，改變傳統農村供水系統粗放式管理模式，實現對農村飲水安全工程的全方位、全天候、精細化監管。

2.4 降低農村飲水安全工程運行成本

智慧水務系統嵌入應用到農村飲水安全工程的水廠、水源地、供水管網、泵站等一系列環節中，對水源地的安全防護監管、對水廠生產工藝與流程監管、對供水管網運行過程監管、對泵站工作狀態監管等均體現了自動化、數字化、智能化成效，可以切實降低農村飲水安全工程的運行成本。例如，智慧水務系統深度關聯水廠生產與處理設備的運行狀態，實時采集工藝流程的運行數據，科學分析水廠的生產能耗，調整優化水泵機組的運行方案，從而提高水廠的生產效能。例如智慧水務系統中嵌入視頻監控系統，對水源地所在片區進行24 小時全天候監控，對于異常行為的目標自動識別、自動預警，提高水源地的水資源安全防護水平。

3 農村飲水安全工程管理中的智慧水務系統設計

3.1 總體架構設計

農村飲水安全工程管理中的智慧水務系統立足于以現代信息技術優化農村飲水安全工程管理流程，提高農村飲水安全工程管理的自動化、智能化、精細化、動態化水平。從農村飲水安全工程智慧水務系統的體系架構來看，其主要包括設備層、邊緣層、IT 設備層、應用層與服務層，其中設備層由布設在農村供水系統各環節的數據采集器與通信網絡構成，數據采集器包括超聲水表、遠傳壓力計、水質監測儀、水量監測儀等，用于連續采集泵站、供水管網、水廠等目標對象的運行參數；邊緣層是構建在設備層之上的物聯網層，其高度集成遠程控制、邊緣計算、設備聯動等智能應用，實現遠程數據采集的高性能穩定傳輸；IT 設施層包括存儲設備、計算設備、安全防護設備等，用于對遠程采集并傳輸的水務數據進行高效組織、管理與計算分析；應用層則面向具體的工程運營主體，包括自來水廠、供水管網維保單位、水源地管護單位等，為其提供業務性的應用功能，如水源地監管、水廠監管、供水管網監控等；服務層面向具體的工作人員，為其提供權限范圍內的數據與分析結果，如為高層決策者提供農村飲水安全工程管理成本統計結果，為業務維護員提供供水管網異常泄漏的位置數據與流量數據等。

3.2 網絡架構設計

農村飲水安全工程智慧水務系統的網絡架構包括數據采集端、網絡層、數據中心三部分，其中數據采集端用于對農村供水系統各個環節布設的傳感器設備進行關聯，實現對農村地區供水數據如水量、水質等的全天候、全方位監測與數據采集；網絡層依托無線或有線網絡構建數據傳輸通道，實現數據采集端采集數據至數據中心的高效、無損傳輸；數據中心用于對數據采集端采集并傳輸的水廠生產數據、泵站運行數據、供水管網工作參數等進行標準化、規范化組織與管理，利用關系型數據庫服務器與云存儲技術實現海量前端數據的高效存儲，并依托統計分析方法、人工智能算法等對供水數據進行挖掘分析。

3.3 功能模塊設計

3.3.1 水源地監管

水源地監管模塊是對農村水源地的水質情況進行動態監測，真實反映水源地的水質狀況。利用水質監測儀與通信網絡實時采集與傳輸水源地水質數據，以便數據中心對長時間序列下的水源地水質數據進行變化分析，保證水源地的水質達標。同時，在水源地及其周邊布設攝像頭，對水源地周邊環境進行全天候監測，對異常運動目標進行自動識別與預警，提高水源地的安全防護水平。

3.3.2 水廠監控

水廠監控模塊是對水廠的生產工藝、設備運行、資源調度等進行全方位監控，通過對水廠生產線的標準化監管推動水廠生產運行的流程化與標準化，有效降低水廠生產成本，提高水廠的生產效益。同時，在水廠監控模塊中引入智能用量預測，科學分析不同片區的供水用量，優化水廠生產方案，統籌調度水廠生產的達標飲水供給。

3.3.3 供水管網監控

供水管網監控是采用“一張圖”模式對管網線路、管網節點等進行網絡化、可視化管理，通過對供水管網線路走向、埋深、地理位置、管道內流量、流速、水位、水質等的監控與數據采集，構建供水管網三維可視化模型。在供水管網三維模型的基礎上，利用線損分析算法對供水管網的泄漏事故進行分析，為供水管網巡檢與維修人員提供精準的泄漏定位，減少供水管網泄漏造成的水資源流失與經濟損失。利用壓力表監控設備動態采集供水管網內的水壓情況，通過GIS 空間分析法對供水管網的水壓數據進行空間插值，可視化展示供水管網的水壓空間分布，以便農村飲水安全工程管理人員科學進行壓力調控，以免壓力過大導致供水管網爆裂。供水管網水質監測可幫助農村飲水安全工程管理人員量化分析供水管網內的水質情況與達標與否，為管理人員統計供水管網不同時間段的供水數據提供分析工具。

3.3.4 泵站監管

泵站監管模塊是對農村供水系統中的取水泵站、中途加壓泵站等進行實時監管，農村飲水安全工程管理人員可對泵站的運行情況進行動態監控，可視化展示泵站的空間分布。同時，管理人員可根據泵站的運行情況以及農村供水需要遠程控制泵站的運行狀態與運行參數，實現對泵站的全生命周期管理。泵站全生命周期內的運行分析可有效節約泵站運營的綜合成本，提高泵站在農村飲水安全管理工程中的運行成效。

3.3.5 綜合運營

綜合運營模塊是對上述功能模塊采集的數據進行集成的基礎上，支持農村飲水安全工程管理自動化、數字化、智能化的功能模塊。例如，將農村末端用戶用水數據作為訓練數據輸入到神經網絡模型中進行訓練與建模，精準預測未來某時間段農村末端用戶用水數據，有效指導農村飲水安全工程管理中的水資源調度與水廠生產設計。同時，根據末端用戶用水歷史數據挖掘分析農村用戶的用水高峰時段與低谷時段，從而科學管控泵站的出水或補水狀態以及泵站的運行參數，實現農村供水系統的有效調峰，緩解農村地區供水量不足、供水穩定性差等問題。

3.3.6 報警管理

利用大數據的技術手段，構建高精度的智能預警模型，實現對農村飲水生產、輸送等環節的設備運行情況自主檢測和診斷，快速識別各類異常事件并進行報警提醒，實現異常事件及時處置。用戶可對歷史報警信息進行快速查詢，便于追溯原因，同時系統支持用戶自定義報警方案，滿足用戶的個性化報警需求，從而全方位地保障供水安全。

3.3.7 安防管理

安防管理模塊對農村供水系統的水源地、水廠、供水管網、泵站等環節進行監管，依托視頻監控、門禁系統、電子圍欄等方式，確保控制和減少水源地、水廠、管網等供水環節中各種事故的發生率，降低各類重大異常事件的發生概率，保障農村飲水安全。

4 結語

智慧水務系統是高度集成傳感器技術、物聯網技術、自動控制技術、計算機技術，以水務為應用場景的智慧化管理平臺，將智慧水務系統引入到農村飲水安全工程管理中，可以有效克服農村水利設施分布零散、運維管理難度大、水質不達標等弊端，切實保證農村地區的飲水安全。