定遠縣吳圩水廠管網監控系統構建與應用

李曉琴，唐全勝 ，余和俊，胡 孟 ，李江華

（1.中國水利水電科學研究院，100048，北京；2.安徽省定遠縣農村供水工程管理總站，233200，安徽）

供水水壓是判斷供水管網運行狀況的主要指標之一，構建管網監控系統尤其是針對供水管網覆蓋范圍廣、管線較長、管網漏損不易發現的供水工程非常必要，以便及時了解管網水壓是否達到供水標準要求，發現管網跑冒漏現象盡快做出處理，同時減少管網漏損率。

定遠縣位于安徽省東部，地處江淮分水嶺，屬丘陵地區，是缺水易旱多發縣。全縣總人口近百萬，其中農村人口83萬。實施農村飲水安全工程規劃以來，全縣規劃建設了15個“千噸萬人”以上規模供水工程，形成了集中供水工程統一供水的格局。總設計供水規模16.6萬m3/d（目前已具有11.2萬m3/d的供水能力），實際供水人口95萬，可覆蓋全縣22個鄉鎮279個村及社區。

吳圩水廠水源為灣孫水庫和雙河水庫，一期設計供水規模10000m3/d，設計供水人口10.41萬人，實際供水規模約為5000m3/d，供水范圍覆蓋吳圩、朱灣、蔣集3個鄉鎮42個村。該水廠采用一體化凈水器，次氯酸鈉溶液消毒。水廠規模較大、供水管網覆蓋范圍廣、管線較長、管網漏損不易發現，亟須建立管網監控系統。

一、監控點選擇與確定

系統建設中，采用圖紙理論選點、現場勘查、用戶協商相結合的方式選擇管網壓力監控點。

1.配水管網圖紙選點

城市供水管網壓力監測點布置的方法與模型較多，主要包括敏感性分析、聚類分析、遺傳算法、回歸分析等。但這些方法和模型對管網運行數據量和精確度要求較高，農村供水工程由于缺乏基礎數據資料，很難利用以上方法進行設計。本項目結合地形、管網分布、建設環境等因素，主要采用壓力敏感度經驗法選擇壓力監測點。管網壓力監測點主要分兩類：管網中間點和管網末梢點。

①大管段交叉處（10個點）。大管段相交處管段流量比較大，對支管壓力影響比較大，屬于壓力變化敏感區，因此需要在管網中間建立測壓點。結合測壓點，記錄數據分析發生爆管等管網事故的影響因素及其與管道壓力的關系，為減少事故提供有力輔助。DN315干管上設置監測點1個，DN200設置1個點，DN160設置4個點，DN110設置4個點。

②配水管網末梢的最不利點（7個點）。管網末梢（最遠點）和地面高程的最高點（最低點）的壓力，最具有代表性，反映用戶最不利點供水壓力情況。為保證管網供水安全及管網末梢與高差變化較大點有合理的供水壓力，很有必要在這些位置設置測壓點。

③主要用水區域/戶監測點（2個點）。在用水戶比較集中或用水量較大的情況下，管網壓力變化也會比較大。

④管網測壓點設置密度 （5個點）。考慮供水管網較長的現狀，供水覆蓋范圍及供水人口的代表性，長距離管網即便沒有分水口，也在一定的間隔范圍設置管網監測點。在平原地區建議每5～10 km2設置1點為宜，有特殊需要或經濟技術條件容許，亦可適當增加管網測壓點的分布密度，每3～5 km2設置 1 點。

管網爆管預警應先考慮主干管的監測點，再考慮反映供水壓力情況的末梢監測點。因此，首先管網中間點大管段交叉處10個點有預警第一優先級；其次選擇管網末梢最不利點7個和主要用水區域或大用戶水壓監測點2個；最后考慮管網測壓點設置密度5個點，共24個監測點。

2.現場勘查選點

圖紙選點后進行現場踏勘，查看是否滿足現場施工要求。監測點現場踏勘內容主要包括以下建設環境內容：能否支持220V交流電，為現地采集單元、通信模塊和壓力傳感器提供電源；周圍是否有通信網絡環境可以借用；施工方便程度，包括開挖深度、距離、開挖難度和周圍環境等；用戶協商，安裝后為防止偷盜、便于管理，盡量安裝在附近用戶家，因此要同用戶協商監控箱發生的電費和日常管理費用。通過現場勘查后，刪去施工不方便的5個點，最終確定19個監測點。

二、系統總體設計

1.系統功能

管網壓力監測系統，通過監測點處安裝的壓力傳感器、信號轉換模塊、通信模塊、電源模塊等設備，基于無線通信方式實時采集配水管網監測點的壓力值，對配水管網路由、管道信息與采集數據進行分圖層可視化展示；通過數據分析進行壓力突變、低值、高值、通信中斷等報警，以界面閃爍、發送短信到指定管理人員手機上等方式報警；對水廠基本信息、采集數據進行分析、查詢、圖表生成、報表等信息管理（見圖1）。

①管網監控——GIS工程信息管理。管網監控系統以衛星圖片和當地標準地圖作為顯示背景，分圖層展示供水工程關鍵設施，如：水廠與水源位置、主要供水設施等信息，同時查看各管網壓力監測點的實時數據，對通信中斷、管網報警等壓力監測點以界面閃爍方式展示。

②管網壓力異常報警。一是PC聲光電方式的管網異常報警，根據預設壓力值，如果某個壓力監測點出現通信異常或數據異常，則將該監測點的圖標變顏色或閃爍提示，或通過外接音響設備發出聲音報警提示；二是短信方式主動推送報警，如果某個壓力監測點出現通信異常或數據異常，主動以短信形式發送報警信息到相關責任人的手機上。

③數據分析及報表打印。一是統計分析與數據查詢，提供監測點歷史數據、歷史曲線查詢展示功能以及管網異常記錄查詢功能；二是報表打印，對查詢結果提供時、日、周、月、年等時間段的報表、打印或導出excel等功能。

④系統管理。根據水廠的組織管理架構，實現系統分級、分權限管理。提供系統使用幫助、系統參數設置、系統用戶權限設置等功能。

⑤其他功能。水源地水泵啟停控制與對吳圩水廠兩個水源地實現現場實景拍照和照片傳輸。

2.通信網絡方案

縣級監管中心利用現有的光纖網絡，匯總水廠實時數據。水廠監控系統采集壓力監控點數據信息，通信方式主要有以下幾種：

圖1 系統功能模塊圖

①單一GPRS通信。利用移動網絡的GPRS數據服務，通過配置數據業務的SIM卡，使得在有GPRS信號覆蓋的地區，能夠傳輸現場采集數據。咨詢定遠移動公司報價：當前數據卡包月10元70M流量，滿足當前系統采集數據信息量的需要。

②單一本地網絡通信。如果監測點附近用戶家庭有ADSL寬帶上網條件，可用來上傳現場采集數據。如果寬帶接入點與采集點距離小于200 m并且無遮擋，還可以使用本地局部無線，進行寬帶到采集點的通信中繼。

③雙通道通信。為提升通信可靠度，采集點可以采用以上兩種通信方式的組合，一個通道優先級高，另一個通道備用。設備能夠根據實際通信情況，自動進行通信通道的選擇和切換。

綜合考慮地形、建設投資等因素，結合農村地區家庭寬帶較少的現狀，監測點通信方式主要以無線方式為主，根據現場調研，目前最適合的通信方式是GPRS。

3.硬件建設

管網監測點硬件設備主要包括傳感器、現地采集單元、供電模塊和通信模塊。由于管網監測設備需要安裝在野外，因此需采用防護外殼、套管、固定桿件等一系列防護措施。本次硬件建設充分考慮其他傳感器接入的擴展性，可低成本、低實施量擴展其他壓力監測點或在同一監測點擴展流量等其他傳感器的接入。同時，在硬件建設中，將多種模塊集成在一個防護箱體中，接口設置通用，方便用戶更換和維修。硬件設備組成如圖2所示。

三、系統技術特點

1.采用地圖引擎技術、Ajax技術與雙層實時數據表，提高系統訪問速度與數據實時性

圖2 硬件建設組成圖

采用地圖引擎技術與Ajax技術，分圖層可視化展示供水工程的地理分布、管網路由、管道信息、主要供水設施與采集的實時數據，并將地圖信息按照不同區塊、不同層級輸出，當瀏覽器訪問到對應的區塊時才去加載對應圖片，減少服務器端占用的內存空間，提高訪問速度。

研發過程中采用內存表和數據庫實時表兩個層次，采集點的適配模塊獲得最新數據時，直接把實時數據送入系統內部的內存表中。內存表的更新，會觸發相關事件，監聽這些事件的處理程序能夠接著異步進行后續處理，從而更新數據庫實時表、歷史數據表、監聽報警引擎觸等，提高數據實時性，在GPRS模塊不受流量限制的前提下，采集速度可達數秒內1次實時數據。

2.優選性價比高的壓力傳感器，采用先進技術研發的管網監控系統，降低建設成本

選用防護等級較高、施工環境要求低 （可埋入土或淹入水中）、性價比高的壓力傳感器，具備數據采集、數據展示、統計分析與報警功能的管網監控系統，系統性能可靠，整體建設成本低。與安徽省定遠縣2011年建成的同類產品相比，系統展示效果好、訪問速度快，成本低10%以上。

3.組態軟件支持遠程異地維護

系統支持遠程異地維護更新，當地出現操作或采集數據異常等問題時，能夠即時支持遠程異地維護，及時解答疑惑或指導當地運行管理人員進行維護，提高系統使用率。吳圩水廠管網監控系統建成至今7個月，運行正常。

4.系統支持多種接口，滿足與區域監管系統快速對接的需求

在系統接口方面，除支持OPC規范之外，宜提供多種接口，如基于TCPSocketServer方式，為外部設備或軟件系統提供通信接入支持，支持modbus協議到TCP協議的透明轉換，基于HTTP協議，提供HTTP Server（端口不限于80）方式，為外部設備或軟件系統提供XML格式規范輸出，提高了系統的可擴展性。

四、結 語

系統建成至今實施效果良好，效益明顯，能實時監測水廠管網關鍵點的供水壓力，及時發現管網壓力突變情況，便于第一時間做出應急處理，減少管網漏損；及時發現管網不利點供水壓力情況，確保用戶供水壓力；同時操作簡單，使用方便，支持遠程異地維護更新和訪問，降低了軟件運行維護管理費用。

建議盡快完善建立縣級農村供水工程自動化監控系統，并與水廠級自動化監控系統聯網，實現全縣供水工程運行管理的信息化與自動化，引領當地信息化建設，提升行業監管技術水平。

[1]張宏偉，張麗，梁建文.給水管網壓力監測點的布置方法 [J].中國給水排水，2003，19（3）.

[2]郭思元，劉遂慶，陳嶸.給水管網壓力監測點的優化布置 [J].中國給水排水，2004，20（12）.

[3]金溪，高金良，陳民利，等.供水管網在線測壓點布置的探討[J].黑龍江水利科技，2006（1）.

[4]中國水利水電科學研究院.定遠縣吳圩水廠供水管網壓力自動化監測系統實施方案[R].2014.