基于物联网的农村供水运行与检测技术研究

张恒飞，成雪夫，田 昊，梅林辉

(长江信达软件技术(武汉)有限责任公司，湖北 武汉 430010)

我国农村人口比例较大，广大农村地区相对落后。新中国成立以来，特别是改革开放以来，我国高度重视农村饮水工程建设，并不断增加投入，先后开展了农村饮水生命工程、解困工程、巩固提升工程。至2018年底，共建成1100多万处供水工程，服务9.4亿农村人口，改善了农村群众生活卫生条件，提高了健康水平和生活质量。然而，农村供水工程点多面广线长，传统的自动化监控手段难以实施，供水运维难度大，问题不易发现，造成跑冒滴漏严重、管理成本高、供水保障率差、群众意见大等问题仍然较为普遍[1]。

1 国内外研究进展

物联网技术蓬勃发展，在灌溉和人饮等领域大量应用[2- 4]。在农村供水信息化方面，陇通输水东干农村供水工程安全监测及远程控制系统通过无线传输技术对系统输配水管道压力、流量情况进行监测，实现管道自动化管理[5]；马月坤等为了对农村供水管网进行有效布设和对供水管网资源进行优化配置，使其能够快速预警响应和高效处置[6]；绍兴市借助智慧管网大数据系统的平台，应用分区计量、夜间小流量分析、管网局部改造等多种措施，有效控制了农村供水管网的漏损率[7]。

在漏损检测方面，Brunon[8]证实了基于水力瞬变流理论分析长距离输水管道管网漏失的可靠性和有效性。Vitkovsky[9]等人在管道系统水力模型基础上，加入了遗传算法，利用压力预测与实测残差最小值计算漏失量变化。Nixon[10]等人提出基于水力瞬变流理论仅适用于简单系统中微小振幅波动情况下的管网漏失分析。同时，由于计算度较为复杂，水力瞬变流理论尚无用于农村供水管网的案例。

2 全链条覆盖的物联网监控体系

农村供水自动化测控体系利用无线物联网技术，结合计量设备、管道压力传感设备、水位计、水质传感器、视频监控等，实现从水源到龙头供水全生命周期的自动化安全运行，各级泵站实现自动化调度和无人值守，管网自动化监测，用水实时计量。自动化测控体系包括水源地监控、水厂监控、泵站监控、调蓄水池监控、管网监控、入户监控等部分。

(1)水源地监控。在水库、截潜等各类型水源地建设水质监测和视频监控设备。水质监测包括余氯、浊度、pH值、水温、电导率等指标。

(2)水厂监控。水厂监控实现工艺及水处理系统、供配电系统、水泵、机电设备的智能监控。监控指标包括取水流量、管道压力、管道流量、阀门开度、水池水位、水质监测、机组运行状态、视频监控等。水厂出厂水在线监测余氯、浊度、pH值、水温、电导率指标。

(3)泵站监控。泵站监控实现泵站机组、高低位水池、供水阀门等设备的监测控制，实现泵站智能联合调度运行，达到无人值守的目标。泵站监控指标包括泵站机组运行状态、管道压力、累计流量、高低位水池水位、阀门开关状态、电池电量、信号强度、视频监控等。

(4)调蓄水池监控。调蓄水池监控指标包括水池水位、供水阀门开关状态、电池电量、信号强度、视频监控等。

(5)管网监控。管网监控体系监测管网压力、流量等数据，并对采集数据进行分析，以支持管网跑冒爆管监测、管道日常巡查维修等业务功能。管网监控指标包括管道压力、累计流量、电池电量、信号强度等。

(6)入户监控。人饮工程入户监控采用无线远传水表，实现用水量记录及存储、电子显示及远程抄表，并按照约定用水量进行开关控制。入户监控监测指标包括水表当前读数、水表阀门状态、电池电量、信号强度等。

3 基于物联网的自动化运行控制

基于物联网的农村供水测控体系，其自动化运行控制需克服监测采集设备分散的问题，必须依靠强大的物联网平台作为中枢。例如，泵站与水池自动化运行控制是农村供水管网自动化运行的基本单元，其中前池和泵站在同一个位置，而高位水池位于远处高位。泵站前池进水阀和机组通过前池和高位水池的液位来控制启停，并通过水管道压力、流量实现水泵的自动化保护和报警。基于物联网的农村供水测控体系中，利用物联网平台来解决前池泵站与高位水池采集控制设备在物理上隔离的问题。

图1为泵站水池采集控制示意图，可见低位蓄水池与水泵在空间位置上邻近，可共用物联网采集控制设备，而高位水池由于空间位置上相隔较远，无法共用物联网采集设备。为了保证供水及时且安全，主要控制逻辑见表1。

图1 泵站水池采集控制示意图

表1 泵站水池主要控制逻辑

4 基于中短期数据的运行状态检测

管网运行监测数据整编的对象主要包括管网累计流量、管道压力、蓄水池水位等。由于广大农村地区信号不稳，造成物联网监测设备的数据易出现确失。管网运行监测数据是典型的时间序列数据，利用较小阶数的滑动平均法能够较好的对缺失数据进行插补。

滑动平均法(moving average)通过顺序逐期增减新旧数据求算移动平均值，获得时间序列数据的变化趋势，并据此进行预测。

(1)

在插补整编数据的基础上，同样利用滑动平均法，结合滑动窗口内残差的绝对值损失中位数及标准差，确定正常值的上下限，以此实现运行状态的检测。

(2)

实验中，取采集间隔为15min的某节点流量值，设定a=1.5，滑动窗口范围分别为4、16、48、96，即1、4、12、24h，结果如图2所示。

图2 滑动平均检测结果(窗口范围=4、16、48、96)

对比其检测效果可以发现，较小的滑动窗口对于噪声更加敏感，但对于由爆管可能引起的长时间大流量漏损呈现时间较短。而较大的滑动窗口对于噪声敏感度较低，对大流量漏损呈现时间较长，更利于发现实际性问题，降低误报概率。

5 全过程管控的信息化管理平台

基于物联网测控体系，建设管理平台，挖掘监测数据内涵，保证物联网测控体系能力充分发挥。信息化管理平台围绕农村供水运维市级需求，实现供水自动化监控管理、水费计收、工程管理、物资管理、节水用水管理等全过程管控。将监测数据和业务信息与电子地图结合，直观展示人饮供水、工程运行、收费反馈等形势，形成人饮一张图；聚合各类信息，建设按不同层级用户分别展示的人饮门户；通过移动APP，实现人饮智慧移动管理的全覆盖。

工程运维管理模块能直观地获取设备的运行状态、养护信息和维修信息，能够快速发现设备存在的隐患或者故障，发出预警信息给运维人员和管理人员，推动其进行相应的应急维护或定期养护操作。同时，能够记录运维管理人员对工程及自动化设备的巡检情况和检查结果，实现人饮工程运行维护的电子化和信息化管理。通过高水平的自动化测控体系和信息化管理系统的建设，加强管网运行状态的预测预警能力，减少供水系统故障发生率；在发生故障的情况下，可迅速诊断定位并响应处置，减少供水中断时间；在对管网及建筑物进行常规检修养护之前，可合理安排储水，避免供水中断，从而提升本地区的供水保障率。在水源地、干管、支管到入户的全线精准计量基础上，通过厘清管线拓扑结构，分级、分区计算水量损失，动态掌握局部及整体管网水损情况，对爆管等异常报警，提升水资源利用效率。

水费计收模块实现系统远程抄表，提供信息公布的网络平台和短信推送服务，并能支持IC卡水费预交、微信公众号等多种缴费方式，能够统计分析用水量、用水异常情况、水费收缴情况等信息。在精准计量和远程控制的基础上，通过在PC端和移动端部署该模块，充分发挥物联网智能水表的价值，提高管理人员对水费征收情况的统筹掌握，并在方便群众水费缴纳的同时，做到用水、收费信息公开透明。

6 结语

本文针对农村供水点多面广线长、供水保障率低、运行服务困难、漏损难于发现等问题，提出运用全覆盖的物联网监控作为解决问题的基础，给出适用于物联网监控特点的基本单元自动化运行控制策略。本文提出的基于中短期监测数据进行检测预警的方法，能够有效应对农村用水的季节性变化；相对自回归滑动平均、神经网络、支持向量机等算法，计算复杂度低、耗时短，具有较高实用价值。本文提出的解决方案已经在彭阳县“互联网+城乡供水”中实施，大幅提高了供水保障率，实现了农村供水运维工作“降本、减员、增效”。