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0引言

2020年,國家政府提出“有條件的地區將城市管網向農村延伸,推進城鄉供水一體化”,提高農村供水保障水平已經成為我國“三農”領域的重點工作[1-3]。以往傳統的農村供水項目運行維護中,在管道維護方面存在著用水量不清、管網漏損不詳、水表故障處理耗時長等問題,而在管理方面也存在著人工成本高、抄表易錯、抄表效率低、大量水表管理難等一系列問題,成為了我國農村供水發展的瓶頸[4-6]。在現今信息網絡時代,基于“互聯網+”的智慧水務孕育而生,能夠實現對海量數據進行傳輸、存儲、處理和智能分析,以更加精細和動態的方式管理水務業務系統的整個服務流程,是提高水資源管理能力和確保居民用水安全的重要手段[7-9]。但鮮有智慧水務應用于農村大區域服務的案例。為全面提升大區域農村水務系統運行管理水平和科學決策能力,在天津市寶坻區全區域農村供水項目中積極應用云計算、大數據、物聯網、移動應用、智能控制等“新IT”技術,探索全區域的農村智慧水務體系,貫穿從水廠的供水量、水質、管網流量、漏失量等實時數據監控,到終端用戶的用水量等相關數據自動采集、監測的全鏈條管理,并實現了在實際工程中應用[10-11]。

1項目概況

天津市寶坻區農村供水項目分三期實施,共涉及23個鄉鎮、656個村莊、22萬戶、近50萬人口,管網全長約970萬m、60357座井室,整個供水項目實施完成后達到了寶坻區農村用水全覆蓋,實現24小時常壓供水,百姓隨時可以喝上放心的安全水。本項目是保障寶坻區城鄉經濟發展提高人民生活水平的重要基礎設施工程,通過全區供水系統的統一規劃管理實現由原來的定時供水向24小時供水的轉變,實現供水價格政策從水資源保護節約用水到優化資源配置,實現“同網、同質、同價”的管理提升,降低全區整體供水成本及運營費用,按照“一戶一表,計量收費”,建立起寶坻區農村用水從源頭到水龍頭的科學合理的管理體系。保障全區供水市場秩序的規范化、標準化。寶坻區農村供水項目以保障全區域農村飲用水和供水安全為中心,以解決供水設備智能化集成化水平低、大區域管理難等問題,結合互聯網先進技術,探索出“中心管理,分區運維,用戶一體管理,智慧管網”的一體化管理思路,形成了“1+5+2+N”模式,即應用“1+5”的集散型分區域管理模式,融合智能水表管理和管網管理2大系統,N個NB-IoT物聯網智能水表。

2“1+5”分區運營管理模式

結合寶坻供水項目區域廣、點位多、管線長的特點,本項目智慧水務系統以就近管理的思路,采取“1+5”集散型分區域管理模式,即在服務范圍內共設6個運維服務網點,南北各3個,其中設立在寶坻城區的指揮中心作為主管理中心,其余5個為分區域管理站點,均設置在鄉鎮交匯處,以方便協調管理和調度。

3系統設計

為了使運行管理更加便捷和高效,寶坻區農村供水項目智慧水務建設基于計算機和NB-IoT物聯網技術,對運行關鍵節點進行動態監管,采用“1+5”的集散型控制方式進行集中監控管理、分散控制和數據共享,其總體結構主要包括感知層、通信層、數據層和應用層4個部分,如圖2所示。感知層主要通過現場加裝的傳感器、監控攝像頭等信息化儀表,將各區域內的水表和管線的運行情況采集為具體數據,并能將這些數據通過通信層傳輸至數據層。通信層主要采用構建NB-IoT無線傳輸的方式進行數據傳輸,同時也將感知層的各個監測點位聯系起來。數據層主要收集由通信層傳輸來的感知層采集到的數據以形成各類數據庫,例如供水管網數據庫、營業抄收數據庫等,為應用層進行數據分析提供基礎參數。應用層作為智慧化運營的中樞,應用層提取并分析數據庫中保存的海量數據,同時做出“最優化”判斷,自動給出運行相關建議,如爆管預警、營收比分析等。根據項目的“1+5”的集散型分區域管理模式,智慧水務建設采用分布式結構,共分兩層,分別是主管理中控室(第一級)和分區域控室(第二級)。由中控室建立起內部網絡,實現各自區域范圍內相關設備和辦公系統設備的互聯。

4NB-IoT物聯網智能水表應用

為解決抄表難、成本高等問題,在本工程中首次引入了NB-IoT物聯網通訊技術與水表相結合的智能水表,它通過移動OneNte平臺、電信NB-IoT平臺,與服務端系統連接,實現智能計量、遠程監控、網絡充值(圖4-圖6)。其主要功能包括數據傳輸、手機APP互通、遠程控閥、自動喚醒機制等。具有安裝無需布線,通過無線通訊方式,覆蓋廣,抄表人員可實現遠程數據監控,同時計量精準、可靠性高、抄表方式快速、靈活的特點,滿足精細化管理的要求。

5NB-IoT智能水表管理系統

本項目結合寶坻大區域農村供水特點和NB-IoT智能水表,配套研發了一套管理系統軟件,其采用B/S結構設計,分為以下幾個功能版塊:首頁、初始設置、用戶管理、報裝管理、系統管理、射頻卡管理、水表遠程管理、收費管理、統計報表分析、告警管理(見圖7)。另外,根據不同層次用戶,特為用戶提供多路徑付費模式,該系統可支持營業廳現金支付(卡充值、遠程充值)、微信公眾號微信充值、充值機微信掃碼支付(卡充值)、充值機支付寶掃碼支付(卡充值)、支付寶生活繳費。

6管網管理系統

在傳統的養護流程中,“先爆管,后維修”是一種被動的運作方式,斷水時間長、維護壓力重、資源閑置高,無法避免決策孤立散亂、資料缺失或不完善和管網失衡隱患等管理弊端。為解決以上問題,在管網管理系統中采取了巡檢與維修的聯動調配模式,根據人員、物資、車輛和設備的運行與分布情況,科學合理地派送搶修任務單,統籌調度資源,實施專業化便捷化搶修維修流程,減少災情擴大損失和事故等待時間;專業搶修隊限時實施搶修維修任務,在線反饋現場施工和管理決策的書面、圖片或視頻等媒體記錄,為后期養護維護或其他作業提供現場還原;事故處理過程中及時收集、分類存檔資料,統計評估水質、水壓、水損、停水時間及影響范圍等管網狀態,提供預控預警和輔助導向數據,反饋搶修與供水之間的關聯信息,避免盲目關閥斷水或過度封路開挖;竣工結算階段,在線分段驗收和提交資料,事后統一審計、完善和補充,消除無人管理的空白時段,實現工程并網的無縫化銜接(見圖8)。管網管理系統為農村供水注入了新活力,通過管網智慧化管理與運維,建立轄區內供水管道的數據倉庫,實現水務信息的互聯共享,促進決策調度的優化配置,提高企業管理的服務水平。

7總結與展望

寶坻全區域農村供水項目在傳統農村供水工程的基礎上,加入了智慧水務內容,通過應用NB-IoT物聯網智能水表、NB-IoT用戶管理系統、管網管理系統等,將各類管理、運行數據整合在智慧水務系統中,消除了信息孤島,在保證寶坻全區域農村供水項目的安全、高效、便捷運行和管理的同時,減少了管網巡檢人員和抄表人員的數量,降低了工作強度,從而極大地削減了人工成本,形成了農村大區域供水的“寶坻模式”。該模式的探索與實踐為解決大區域農村供水問題提供了寶貴經驗。

作者:梁靜波 周超 杜儒林 孫長江 楊振奇 單位:中建六局水利水電建設集團有限公司