唐林平， 石海

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司）

1 引言

農(nóng)村飲水安全是三農(nóng)工作的重要保障，當(dāng)前農(nóng)村水利設(shè)施配套相對薄弱，運維管養(yǎng)能力不足，生活污水與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水的隨意排放使得農(nóng)村水環(huán)境進(jìn)一步惡化、水污染加劇，而水質(zhì)檢測與污水處理技術(shù)應(yīng)用滯后，農(nóng)村飲水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、水量不充足、供水工程與設(shè)施運維成本過高、供水系統(tǒng)管理模式粗放等[1]，使得農(nóng)村飲水安全面臨不利局面。

2 智慧水務(wù)系統(tǒng)在農(nóng)村飲水安全工程管理中的應(yīng)用價值

2.1 保證農(nóng)村飲水水質(zhì)達(dá)標(biāo)

農(nóng)村供水系統(tǒng)涉及水源地、水廠、供水管網(wǎng)、加壓泵站等諸多環(huán)節(jié)，智慧水務(wù)系統(tǒng)利用水質(zhì)監(jiān)測儀對不同環(huán)節(jié)的供水水質(zhì)情況進(jìn)行連續(xù)性精準(zhǔn)監(jiān)測，對比生活飲水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，快速且科學(xué)判定農(nóng)村飲水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)情況以及不達(dá)標(biāo)指標(biāo)，以便農(nóng)村飲水安全工程的管理人員準(zhǔn)確定位水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的供水環(huán)節(jié)[2]，實現(xiàn)供水流程體系內(nèi)的水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測與水質(zhì)狀況溯源分析，確保農(nóng)村飲水水質(zhì)達(dá)生活飲水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 保證農(nóng)村供水水量充足

智慧水務(wù)系統(tǒng)依托水位監(jiān)測儀、流量監(jiān)測儀等傳感設(shè)備設(shè)施對農(nóng)村供水系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及供水設(shè)備設(shè)施的工作狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，通過對水位、流量等供水參數(shù)的連續(xù)性采集與歷史數(shù)據(jù)分析，及時發(fā)現(xiàn)農(nóng)村供水系統(tǒng)中的水量不足異常[3]。例如，根據(jù)供水系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)的水位、水壓、流量歷史數(shù)據(jù)定位供水管網(wǎng)泄漏部位，分析泄漏嚴(yán)重程度，測算供水系統(tǒng)的漏損量，以便農(nóng)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(wù)系統(tǒng)依托水利模型與壓力調(diào)控手段統(tǒng)籌調(diào)度農(nóng)村地區(qū)的水資源分配，優(yōu)化農(nóng)村地區(qū)的飲水資源供給配置，確保農(nóng)村供水水量充足。

2.3 提高農(nóng)村飲水安全工程精細(xì)化監(jiān)管

智慧水務(wù)系統(tǒng)可構(gòu)建以電子地圖為底圖的供水設(shè)施一張圖管理平臺，在電子地圖之上疊加農(nóng)村水利設(shè)施與供水環(huán)節(jié)的矢量數(shù)據(jù)，利用傳感器與通信網(wǎng)絡(luò)有效關(guān)聯(lián)水利設(shè)施的實時運行狀態(tài)、供水系統(tǒng)參數(shù)以及數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫，以便農(nóng)村飲水安全工程管理人員利用智慧水務(wù)系統(tǒng)查詢水利設(shè)施的運行數(shù)據(jù)、供水系統(tǒng)工作參數(shù)等，并依托歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行過程線分析、過程面分析、異常數(shù)據(jù)分析、水位水量模擬、安防預(yù)警等，為水利設(shè)施運維管理與農(nóng)村供水系統(tǒng)精細(xì)化管理提供平臺支持與輔助決策支持，改變傳統(tǒng)農(nóng)村供水系統(tǒng)粗放式管理模式，實現(xiàn)對農(nóng)村飲水安全工程的全方位、全天候、精細(xì)化監(jiān)管。

2.4 降低農(nóng)村飲水安全工程運行成本

智慧水務(wù)系統(tǒng)嵌入應(yīng)用到農(nóng)村飲水安全工程的水廠、水源地、供水管網(wǎng)、泵站等一系列環(huán)節(jié)中，對水源地的安全防護監(jiān)管、對水廠生產(chǎn)工藝與流程監(jiān)管、對供水管網(wǎng)運行過程監(jiān)管、對泵站工作狀態(tài)監(jiān)管等均體現(xiàn)了自動化、數(shù)字化、智能化成效，可以切實降低農(nóng)村飲水安全工程的運行成本。例如，智慧水務(wù)系統(tǒng)深度關(guān)聯(lián)水廠生產(chǎn)與處理設(shè)備的運行狀態(tài)，實時采集工藝流程的運行數(shù)據(jù)，科學(xué)分析水廠的生產(chǎn)能耗，調(diào)整優(yōu)化水泵機組的運行方案，從而提高水廠的生產(chǎn)效能。例如智慧水務(wù)系統(tǒng)中嵌入視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對水源地所在片區(qū)進(jìn)行24 小時全天候監(jiān)控，對于異常行為的目標(biāo)自動識別、自動預(yù)警，提高水源地的水資源安全防護水平。

3 農(nóng)村飲水安全工程管理中的智慧水務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計

農(nóng)村飲水安全工程管理中的智慧水務(wù)系統(tǒng)立足于以現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)化農(nóng)村飲水安全工程管理流程，提高農(nóng)村飲水安全工程管理的自動化、智能化、精細(xì)化、動態(tài)化水平。從農(nóng)村飲水安全工程智慧水務(wù)系統(tǒng)的體系架構(gòu)來看，其主要包括設(shè)備層、邊緣層、IT 設(shè)備層、應(yīng)用層與服務(wù)層，其中設(shè)備層由布設(shè)在農(nóng)村供水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集器與通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集器包括超聲水表、遠(yuǎn)傳壓力計、水質(zhì)監(jiān)測儀、水量監(jiān)測儀等，用于連續(xù)采集泵站、供水管網(wǎng)、水廠等目標(biāo)對象的運行參數(shù)；邊緣層是構(gòu)建在設(shè)備層之上的物聯(lián)網(wǎng)層，其高度集成遠(yuǎn)程控制、邊緣計算、設(shè)備聯(lián)動等智能應(yīng)用，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的高性能穩(wěn)定傳輸；IT 設(shè)施層包括存儲設(shè)備、計算設(shè)備、安全防護設(shè)備等，用于對遠(yuǎn)程采集并傳輸?shù)乃畡?wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效組織、管理與計算分析；應(yīng)用層則面向具體的工程運營主體，包括自來水廠、供水管網(wǎng)維保單位、水源地管護單位等，為其提供業(yè)務(wù)性的應(yīng)用功能，如水源地監(jiān)管、水廠監(jiān)管、供水管網(wǎng)監(jiān)控等；服務(wù)層面向具體的工作人員，為其提供權(quán)限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，如為高層決策者提供農(nóng)村飲水安全工程管理成本統(tǒng)計結(jié)果，為業(yè)務(wù)維護員提供供水管網(wǎng)異常泄漏的位置數(shù)據(jù)與流量數(shù)據(jù)等。

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

農(nóng)村飲水安全工程智慧水務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集端、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)中心三部分，其中數(shù)據(jù)采集端用于對農(nóng)村供水系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)布設(shè)的傳感器設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對農(nóng)村地區(qū)供水?dāng)?shù)據(jù)如水量、水質(zhì)等的全天候、全方位監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)層依托無線或有線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集端采集數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)中心的高效、無損傳輸；數(shù)據(jù)中心用于對數(shù)據(jù)采集端采集并傳輸?shù)乃畯S生產(chǎn)數(shù)據(jù)、泵站運行數(shù)據(jù)、供水管網(wǎng)工作參數(shù)等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化組織與管理，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與云存儲技術(shù)實現(xiàn)海量前端數(shù)據(jù)的高效存儲，并依托統(tǒng)計分析方法、人工智能算法等對供水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析。

3.3 功能模塊設(shè)計

3.3.1 水源地監(jiān)管

水源地監(jiān)管模塊是對農(nóng)村水源地的水質(zhì)情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，真實反映水源地的水質(zhì)狀況。利用水質(zhì)監(jiān)測儀與通信網(wǎng)絡(luò)實時采集與傳輸水源地水質(zhì)數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)中心對長時間序列下的水源地水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行變化分析，保證水源地的水質(zhì)達(dá)標(biāo)。同時，在水源地及其周邊布設(shè)攝像頭，對水源地周邊環(huán)境進(jìn)行全天候監(jiān)測，對異常運動目標(biāo)進(jìn)行自動識別與預(yù)警，提高水源地的安全防護水平。

3.3.2 水廠監(jiān)控

水廠監(jiān)控模塊是對水廠的生產(chǎn)工藝、設(shè)備運行、資源調(diào)度等進(jìn)行全方位監(jiān)控，通過對水廠生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)管推動水廠生產(chǎn)運行的流程化與標(biāo)準(zhǔn)化，有效降低水廠生產(chǎn)成本，提高水廠的生產(chǎn)效益。同時，在水廠監(jiān)控模塊中引入智能用量預(yù)測，科學(xué)分析不同片區(qū)的供水用量，優(yōu)化水廠生產(chǎn)方案，統(tǒng)籌調(diào)度水廠生產(chǎn)的達(dá)標(biāo)飲水供給。

3.3.3 供水管網(wǎng)監(jiān)控

供水管網(wǎng)監(jiān)控是采用“一張圖”模式對管網(wǎng)線路、管網(wǎng)節(jié)點等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、可視化管理，通過對供水管網(wǎng)線路走向、埋深、地理位置、管道內(nèi)流量、流速、水位、水質(zhì)等的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建供水管網(wǎng)三維可視化模型。在供水管網(wǎng)三維模型的基礎(chǔ)上，利用線損分析算法對供水管網(wǎng)的泄漏事故進(jìn)行分析，為供水管網(wǎng)巡檢與維修人員提供精準(zhǔn)的泄漏定位，減少供水管網(wǎng)泄漏造成的水資源流失與經(jīng)濟損失。利用壓力表監(jiān)控設(shè)備動態(tài)采集供水管網(wǎng)內(nèi)的水壓情況，通過GIS 空間分析法對供水管網(wǎng)的水壓數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，可視化展示供水管網(wǎng)的水壓空間分布，以便農(nóng)村飲水安全工程管理人員科學(xué)進(jìn)行壓力調(diào)控，以免壓力過大導(dǎo)致供水管網(wǎng)爆裂。供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測可幫助農(nóng)村飲水安全工程管理人員量化分析供水管網(wǎng)內(nèi)的水質(zhì)情況與達(dá)標(biāo)與否，為管理人員統(tǒng)計供水管網(wǎng)不同時間段的供水?dāng)?shù)據(jù)提供分析工具。

3.3.4 泵站監(jiān)管

泵站監(jiān)管模塊是對農(nóng)村供水系統(tǒng)中的取水泵站、中途加壓泵站等進(jìn)行實時監(jiān)管，農(nóng)村飲水安全工程管理人員可對泵站的運行情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，可視化展示泵站的空間分布。同時，管理人員可根據(jù)泵站的運行情況以及農(nóng)村供水需要遠(yuǎn)程控制泵站的運行狀態(tài)與運行參數(shù)，實現(xiàn)對泵站的全生命周期管理。泵站全生命周期內(nèi)的運行分析可有效節(jié)約泵站運營的綜合成本，提高泵站在農(nóng)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(shù)據(jù)進(jìn)行集成的基礎(chǔ)上，支持農(nóng)村飲水安全工程管理自動化、數(shù)字化、智能化的功能模塊。例如，將農(nóng)村末端用戶用水?dāng)?shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行訓(xùn)練與建模，精準(zhǔn)預(yù)測未來某時間段農(nóng)村末端用戶用水?dāng)?shù)據(jù)，有效指導(dǎo)農(nóng)村飲水安全工程管理中的水資源調(diào)度與水廠生產(chǎn)設(shè)計。同時，根據(jù)末端用戶用水歷史數(shù)據(jù)挖掘分析農(nóng)村用戶的用水高峰時段與低谷時段，從而科學(xué)管控泵站的出水或補水狀態(tài)以及泵站的運行參數(shù)，實現(xiàn)農(nóng)村供水系統(tǒng)的有效調(diào)峰，緩解農(nóng)村地區(qū)供水量不足、供水穩(wěn)定性差等問題。

3.3.6 報警管理

利用大數(shù)據(jù)的技術(shù)手段，構(gòu)建高精度的智能預(yù)警模型，實現(xiàn)對農(nóng)村飲水生產(chǎn)、輸送等環(huán)節(jié)的設(shè)備運行情況自主檢測和診斷，快速識別各類異常事件并進(jìn)行報警提醒，實現(xiàn)異常事件及時處置。用戶可對歷史報警信息進(jìn)行快速查詢，便于追溯原因，同時系統(tǒng)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(nóng)村供水系統(tǒng)的水源地、水廠、供水管網(wǎng)、泵站等環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)管，依托視頻監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、電子圍欄等方式，確?？刂坪蜏p少水源地、水廠、管網(wǎng)等供水環(huán)節(jié)中各種事故的發(fā)生率，降低各類重大異常事件的發(fā)生概率，保障農(nóng)村飲水安全。

4 結(jié)語

智慧水務(wù)系統(tǒng)是高度集成傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)，以水務(wù)為應(yīng)用場景的智慧化管理平臺，將智慧水務(wù)系統(tǒng)引入到農(nóng)村飲水安全工程管理中，可以有效克服農(nóng)村水利設(shè)施分布零散、運維管理難度大、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)等弊端，切實保證農(nóng)村地區(qū)的飲水安全。