取水監管系統構建關鍵技術體系綜述

郭 磊，黃本勝，邱 靜，黃鋒華，吉紅香

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635； 3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510635)

0 引 言

近年來，隨著最嚴格水資源管理制度的實施，如何進行有效的進行總量控制，提升用水效率，是需要解決的迫切問題。信息化建設可最大程度提升水資源管理的效率、科學性及實效性，是保障最嚴格水資源管理制度實施的重要基礎性工作，早在2006年，國家水利部開始啟動國家水資源管理系統前期工作[1,2]；2008年部署各省(區)水資源管理系統總體實施方案編制工作[3]；2011年中央提出實行最嚴格的水資源管理制度，把嚴格水資源管理作為加快轉變經濟發展方式的戰略舉措，明確要求“加強水量水質監測能力建設，為強化監督考核提供技術支撐”。2012年，為落實2011年中央一號文件精神，為實行最嚴格水資源管理制度的提供重要技術支撐和主要工作抓手，水利部經商財政部，啟動國家水資源監控能力建設項目[4-6]。水資源監控能力建設是水利信息化建設的龍頭工程[7]，2016年完成了全部一期建設任務，建成了取用水、水功能區、大江大河省界斷面等三大監控體系，水利部、流域和省等三級水資源監控管理信息平臺，實現了對全國75%以上河道外頒證取水許可水量的在線監測，80%以上國家重要江河湖泊水功能區的水質常規監測；已核準公布的全國重要地表水飲用水水源地基本實現水質在線監測；實現大江大河省界斷面水質監測全覆蓋，水量監測覆蓋率大幅提高；實現了水利部、流域和省(區市)三級信息平臺的水資源管理業務在線處理和互聯互通[8]。項目建設豐富了水資源監控管理信息、規范了水資源業務管理程序、提高了水資源業務管理效率、提升了水資源應急管理水平、增強了水資源考核技術支撐，對水資源管理工作意義重大。

取水戶監管系統作為國家水資源監控能力的重要組成部分，其建設的成效將直接關系到系統的切實可靠性[9]。根據近年來完成的近10宗取水戶監管系統建設項目中凝練的經驗總結，建立取水戶監管系統建設關鍵技術體系框架，最大程度保障系統運行的穩定性，盡可能避免取水監管系統建設中普遍存在的難以投入實際運用的問題，為系統確實發揮最嚴格水資源管理制度的支撐作用提供技術保障[10]。

1 技術體系內容概述

從技術層面而言，取水監管系統建設的主要建設內容包括三個方面，一是現場采集技術與設備，其次是通訊技術與設備，最后是中控系統軟件與硬件建設。其關鍵技術涵蓋上述三個方面及運維管理等共四部分內容[11]。當前，對取水監管系統而言，所面臨的最大問題就是對現場采集數據的使用上，因系統采集存在不穩定、計量偏差、數據爭議等情況，從實際管理情況來看，監管系統往往僅發揮靜態數據記錄及動態監測數據的輔助校核作用，沒有真實發揮其應有的信息化管理功能。

為此，針對影響取水監管系統穩定及數據準確性的主要方面：即在線計量安裝調試、軟件定制開發、運維管理等，對系統進行結構優化和功能完善，形成一套適應不同條件及管理需求的系統建設技術體系和框架，從而確保系統能夠落地運行使用并發揮效用。

具體而言，整套技術體系包括涉及現場采集技術、通訊及設備等的智能遙測終端適應性改造升級、計量設備優選策略、復雜條件計量建造及率定方法、適應多品牌計量集成接入關鍵技術；涉及中控系統軟件與硬件的基于邏輯鏈的數據異常智能診斷技術、基于深度適應的水資源監管系統研發及監管系統高效運維管理模式建造等七個方面，極大的完善了取水監管系統的開發建設與運行管理內容，為系統真正能夠投入到實際運用并發揮支撐效用提供了強有力的技術保障(圖1)。

圖1 取水監管系統構建技術體系Fig.1 Technologies for construction of water intake monitoring system

2 現場采集技術與設備

2.1 計量方案優選策略

不同取水戶，其取水條件(地理位置、取水量等)、取水方式、取水管線設計與布設上存有較大差距，為了最大限度保證計量精度和穩定運行要求，充分考慮現場安裝便利性，制定了一套針對不同條件的計量設備及方案智能優選策略，能夠在輸入現場基本參數后，給定優選的方案。具體如下：

(1)取水管徑小于DN300 mm時，宜采用電磁流量計；取水管徑大于DN600 mm，采用插入式超聲波流量計；DN300 mm～DN600 mm之間根據現場安裝條件來確定；

(2)流量計精度等級不宜低于±0.5%級，每臺計量設備需進行出廠校準；對同一批次產品，第三方法定機構檢定率不低于50%；

(3)盡量避免在管線流程最高點安裝計量；電磁流量計避免強磁場干擾；確保滿管安裝；超聲計量傳感器避免安裝在管道截面的6、12鐘方向；

(4)計量點的選擇要符合直管段要求；一般超聲波流量計對直管段的要求見表1和圖2所示。

表1 直管段長度要求Tab.1 Straight pipe length requirement

圖2 節流孔阻流件的直管要求Fig.2 Straight pipe length requirement for orifice

(5)安裝完畢后，需對計量數據進行合理性評價；一般采用穩定運行工況下15 d左右的數據進行評價，采用比對的數據來源包括水泵銘牌、設計取水流量、產品用水定額、水平衡測試等，另外采用便攜式高精度流量計進行同步測量，以確定其計量準確性。對于偏差較大的計量設備，可進行計量現場檢定，以確定計量儀表功能是否正常。

2.2 復雜條件計量建造及率定方法

針對取水計量安裝過程中，常見的計量安裝條件復雜，無符合計量安裝要求計量點，計量安裝無相關技術規范標準等諸多難題，通過對現場取排水流程的綜合分析，確定較優的計量裝及率定方法。具體包括：

(1)計量井建設。主要是針對取水管線大部分為地下埋管情況，在查閱相關圖紙后，確定滿足計量安裝要求的足夠長前后直管段點，外部條件空曠且外電接入較為便利的點，開挖計量專用井，進行計量的安裝。

(2)局部管線改造。對于部分管線中擾流件和彎道較多，且現場具備裁彎取直條件的，進行局部管線改造，摒棄彎道，新建直管線并安裝計量。另外，還可以采用延長管道和采用穩流器的方式來進行局部管線改造，達到提升計量精度的目的。

(3)支管計量。對于總管不具備計量安裝條件，但支管條件較好且管路清晰的，對全部支管進行計量安裝。

(4)物理實驗率定方法。對于現場無符合直管段要求且無法進行管線改造或改造較大的點。可根據其取排水流路特征，采用雙點(計量安裝點和計量校準點)同步測量及物理模型試驗率定的方法進行計量。方法示意見圖3所示。

圖3 雙點同步測量及物理模型率定方法Fig.3 Calibration methods by 2 points synchronous measurement and physical model

3 通訊技術與設備

3.1 智能遙測終端的適應性改造升級

智能遙測終端的主要作用是用于現場數據的采集存儲及傳輸，即從取水計量設備中讀取計量數據，進行實時顯示、數據存儲，并通過自身集成的SIM通訊模塊將數據通過通訊運營商的無線網絡傳輸至中心站(圖4)。可見，智能遙測終端是鏈接現場在線計量與系統的關鍵設備，其穩定性與精度等對系統運行有直接的影響。

目前常規智能遙測終端產品，可實現對常規485輸出信號的采集存儲與傳輸，標配也含有集成電路的相關輔助設計如低功耗、防雷、防潮、防震動、高防水等級、抗電磁干擾、高存儲容量等，屬通用性產品。其主要存在適用性問題，具體包括無法與目前國家水資源監控能力建設相關標準兼容、對于取水監測中常見的模擬信號無法實現高精度的接入、對監測數據的可追溯性不強等。為此，針對取水戶監控，對智能遙測終端產品進行了系統性的適應性定制升級改造。

圖4 取水監管系統數據流程Fig.4 Data flow of water intake monitoring system

(1) 規約性升級改造。根據國家水資源監控能力建設數據傳輸規約要求，即《水資源監測數據傳輸規約》(SZY206-2016)和《水文監測數據通信規約》(SL651-2014)要求，對智能遙測終端進行模塊升級改造，使其滿足對水量、雨量、水位等信息的標準化傳輸。規約性改造升級的主要內容是對應用功能的補全和功能碼的標準化,通過規約性升級改造，提高了系統穩定性，從現場監測到后臺系統集成的兼容性也得以提高。

(2) 模擬信號的高精度采集。在取水戶監管系統建設中發現，存在部分取水戶已自行安裝取水計量設備，且計量設備精度較高，運行穩定，如大部分水廠均采用了大口徑電磁流量計，但這些計量設備無數字輸出接口，僅提供4～20 mA或0～5 V輸出方式，接入模擬信號會導致智能遙測終端采集數據與流量計表頭數據存在不超過5%的數據差距，由此可能引發對系統計量數據的爭議。研發針對模擬信號輸出的功能模塊，采用12位高精度的AD轉換模塊，并集成智能數字積算儀對模擬量信號輸入進行高精度的轉換采集，減少模擬信號的傳輸誤差，表頭讀數與遙測終端監測數據偏差控制在小于1%。

(3)取水監測系統的定制要求。因取水量直接關系到水資源費的征收，是最為關注和敏感的監測數據。為了使得現場監測數據得到最大限度的保存，為爭議及問題的追溯提供原始數據，需對智能遙測終端性能進行完善，包括高頻采集、大容量硬盤存儲空間，可保存實時監測10年的數據量、數據采集時間的實時校準等，最大限度保證智能遙測終端采集數據與計量數據的一致性和可追溯性。

3.2 多品牌計量集成接入

取水戶監管系統建設中，不可避免存在取水戶已自行安裝有計量設備情況，對于當前運行狀態良好，運行維護周檢記錄完備的計量設備，為避免重復計量建設，在進行同步計量監測校驗后，對計量數據進行集成接入。

需要指出，不同品牌計量設備的是數字式數據格式及模式不同，需開發適應多品牌計量設備計量數據集成接入的底層程序，并嵌入到智能遙測終端中，能夠實現對現有取水戶絕大多數計量設備全覆蓋的數據無縫接入，一般常見的流量計品牌累計流量讀取指令見表2所示。

表2 常見計量儀表累計流量指令Tab.2 Instruction sets for common metering device

4 系統軟件與運維管理

4.1 計量監測數據異常診斷

因取水監管系統的數據流從計量傳感器到系統最終展示，需要經過傳感器監測→計量表頭程算→智能遙測終端→GPRS→接收機解析→程序統算→系統展示等7個中繼節點，任何一個節點出現異常，均對該節點后的數據產生影響，并引發最終監測成果不合理、與數據鏈前端數據不一致等多種問題，最終影響系統使用體驗和可信度。

為此，針對數據出現異常狀況，經過多年的經驗積累，建立了一套基于邏輯鏈數據異常智能診斷技術，該技術根據數據出現異常情況特點，由邏輯鏈頂端逐級排查，最終確定數據異常發生的節點，為進行高效數據異常處理提供核心支撐，也為智能程序化異常數據的處理提供了算法依據。三條數據異常智能診斷邏輯鏈條分別見圖5～圖7所示。

圖5 數據異常數據診斷邏輯鏈(無數據)Fig.5 Logic chain of abnormal data diagnosis (No Data)

圖6 數據異常數據診斷邏輯鏈(數據為0)Fig.6 Logic chain of abnormal data diagnosis (Value is 0)

圖7 數據異常數據診斷邏輯鏈(數據偏差)Fig.7 Logic chain of abnormal data diagnosis ( Data Deviation)

4.2 監管系統運維管理模式探討

高效的運維管理體系是確保取水監管系統長期穩定運行，發揮其正常效用的關鍵。取水監管系統涉及大量分散布置的電子硬件產品、室內中控硬件及軟件系統等，其相互的數據輸送受到外界干擾因素較多，特別其核心的法定計量產品需不間斷運行，還需進行周期性的檢定和保養，其計量數據直接關系到取水戶水資源費的繳納及區域取用水總量的統計考核，如何確保其計量精度及穩定運行，在遭遇故障后能夠高效及時處理等均至關重要。

為此，結合取水監管系統運維管理經驗，構建了一整套系統運維管理模式，主要包括3大部分內容，即運維服務管理體系、運維過程管理體系及組織保障體系。其中運維服務管理體系明確了運行維護內容和工作操作流程，包括對象目錄、日常巡檢、例行維護、故障響應等，為運維的主要工作內容。運維過程管理則對每次運維服務進行檔案管理，包括事件、處置策略、總結等，通過運維過程管理，可持續提高后續運維服務效率，減小系統故障率。組織保障體系主要由3部分組成，一是經驗豐富的維保技術團隊建設，另外是覆蓋全面的服務網點建設；最后是運維必要的設備和備件配備，組織保障體系是運維服務開展的基礎。運維管理主要控制指標見表3所示，管理模式見圖8所示。

5 結 語

(1)取水監管系統是支撐最嚴格水資源管理制度實施的重要技術手段，可大幅提升水資源管理的信息化水平，提高管理效率及科學性，系統的建設是必要和有意義的。

表3 運維管理控制指標Tab.3 Control measurements for operation and maintenance management

圖8 取水監管系統高效運維管理模式Fig.8 Efficient operation and maintenance management mode of water intake monitoring system

(2)為保障取水監管系統的建設和運行能夠切實發揮效用，對前端計量至運維管理的監管系統建設7個重要環節的技術要點進行總結，包括智能遙測終端適應性改造升級、計量設備優選策略、復雜條件計量建造及率定方法、適應多品牌計量集成接入技術、數據異常智能診斷技術、水資源監管系統定制研發及高效運維管理模式等。對進一步規范和完善取水監管系統建設提供了借鑒和參考。

(3)取水監管系統構建是復雜的系統工程，為確保系統的順利建設完成并發揮持久效用，需要在建設及運行過程中不斷地進行技術總結和分析，并結合系統開發技術的進步和更新，建設和完善相關的技術標準體系，為建設高效、穩定、可靠、準確及長效的系統提供保障。

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