基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化水表在上海地區(qū)的應(yīng)用與思考

楊剛/上海城建水務(wù)工程有限公司

0 引言

在供水行業(yè)，供水企業(yè)在選擇水表尤其是智能水表時(shí)感到為難：水費(fèi)繳收、抄表準(zhǔn)確性、遠(yuǎn)傳水表的電池壽命、采取何種遠(yuǎn)傳方式、通信方式、是否安裝閥控、表具的管理等。還往往對(duì)表計(jì)選型、試用和更新以及是否應(yīng)大面積安裝智能化的表具；抄表數(shù)據(jù)增值服務(wù)等問(wèn)題感到困惑。上海市水務(wù)部門近年來(lái)為了進(jìn)一步推進(jìn)智能水表管理、建設(shè)和使用，著力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水表應(yīng)用項(xiàng)目，自2016年起配合三表集抄項(xiàng)目開始，在中心城區(qū)部分供水區(qū)域?qū)崿F(xiàn)水表流量信息實(shí)時(shí)采集、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、控制指令下發(fā)等遠(yuǎn)傳操作。通過(guò)對(duì)流量和狀態(tài)信息進(jìn)行及時(shí)分析和處理，已基本實(shí)現(xiàn)針對(duì)性、科學(xué)性的動(dòng)態(tài)精細(xì)化管理的應(yīng)用模式。

1 上海中心城區(qū)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水表應(yīng)用情況及特點(diǎn)分析

近年來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，民用智能化計(jì)量器具的發(fā)展速度較快，市場(chǎng)的需求也增加迅猛。2015年至今，上海中心城區(qū)范圍內(nèi)安裝的民用智能遠(yuǎn)傳水表達(dá)30多萬(wàn)臺(tái)，占其民用水表總數(shù)的7%左右。上海城投水務(wù)集團(tuán)從2015年起率先試用有線安裝方式的民用電子遠(yuǎn)傳水表，主要采集方式為光電直讀，自2016年起結(jié)合“三表集抄、三單合一”項(xiàng)目，在中心城區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用了自組網(wǎng)式的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表，其形式為機(jī)械式基表加裝電子裝置。電子裝置是獨(dú)立單元，與機(jī)械式基表完全分離，確保機(jī)械基表到期輪換時(shí)僅發(fā)生機(jī)械基表的輪換。2017年11月，多家生產(chǎn)廠家相繼推出了LoRa技術(shù)的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表以及NB-IoT技術(shù)的無(wú)線遠(yuǎn)傳水表，截至2018年底已在上海中心城區(qū)試裝30萬(wàn)臺(tái)左右，現(xiàn)實(shí)際安裝到位并已實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的有242 154臺(tái)，已安裝調(diào)測(cè)的遠(yuǎn)傳水表上線率為92.32 %。該產(chǎn)品的應(yīng)用特點(diǎn)為：濕式普通表，安裝尺寸標(biāo)準(zhǔn)；加裝遠(yuǎn)傳模塊，拆裝方便；濕式基表，計(jì)量準(zhǔn)確度高；防潮防水性能優(yōu)秀；環(huán)保型材料，節(jié)約能源；6年后基表更換，遠(yuǎn)傳模塊可繼續(xù)使用，節(jié)約成本優(yōu)勢(shì)明顯。

結(jié)合近三年來(lái)中心城區(qū)供水企業(yè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能水表的實(shí)際應(yīng)用情況，可以歸納幾個(gè)問(wèn)題和特點(diǎn)：一是電子模塊版本不斷升級(jí)變化：自2017年開始，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水表在上海市浦東新區(qū)的應(yīng)用過(guò)程中，由于相應(yīng)的模塊功能還不完善，不斷地在升級(jí)中，花費(fèi)大量的精力來(lái)相應(yīng)地對(duì)NB水表模塊進(jìn)行升級(jí)；二是接入?yún)f(xié)議持續(xù)增強(qiáng)補(bǔ)充：由于試點(diǎn)的上海市浦東新區(qū)采用統(tǒng)一的應(yīng)用協(xié)議接入，初期與接收平臺(tái)開發(fā)進(jìn)行了大量的溝通，確定智能水表的功能、數(shù)據(jù)與格式要求，同時(shí)后期進(jìn)行了協(xié)議完善，不斷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)；三是信號(hào)覆蓋盲點(diǎn)處理：在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，依然有些模塊沒有上傳信號(hào)，通過(guò)不斷地與電信公司溝通，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試信號(hào)，并對(duì)基站進(jìn)行調(diào)整，逐步把信號(hào)上傳成功率穩(wěn)定在99.5%；四是硬件工藝完善提高：水表模塊的防水要求很高，對(duì)于采樣的準(zhǔn)確度，電池的壽命要求均很高，所以著重對(duì)于防水工藝、傳感器、可更換電池密封處理方面進(jìn)行大量試驗(yàn)改進(jìn)。

2 對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能化水表產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的思考

智能水表產(chǎn)品技術(shù)是水表行業(yè)必須擁有的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是管網(wǎng)測(cè)控技術(shù)應(yīng)用中的重要智能終端表計(jì)技術(shù)，它包括了用水量的準(zhǔn)確計(jì)量、數(shù)據(jù)安全傳輸和網(wǎng)絡(luò)閥控等功能。水表產(chǎn)品當(dāng)今正處在機(jī)械水表和智能水表產(chǎn)品并存發(fā)展和使用階段，并正在向智能化電子式水表的階段轉(zhuǎn)變，如電磁和超聲水表。目前智能水表產(chǎn)品的基表部分設(shè)計(jì)要求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 測(cè)量準(zhǔn)確度與測(cè)量范圍

要努力使水表在較大的流量測(cè)量范圍內(nèi)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)較小的測(cè)量誤差，即要有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。條件成熟時(shí)，水表測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)逐漸向1級(jí)水平靠攏。流量測(cè)量范圍的差異，是區(qū)分智能水表產(chǎn)品與液體流量計(jì)產(chǎn)品的重要標(biāo)志，智能水表的流量測(cè)量范圍通常是液體流量計(jì)的數(shù)十倍。當(dāng)前，在2級(jí)準(zhǔn)確度條件下，智能水表產(chǎn)品要穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)并逐步超越流量測(cè)量范圍R250（針對(duì)大口徑水表）和R160（針對(duì)小口徑水表）的目標(biāo)。

2.2 長(zhǎng)期使用可靠性與穩(wěn)定性

通過(guò)測(cè)量重復(fù)性、測(cè)量再現(xiàn)性（僅改變時(shí)間）以及耐久性等試驗(yàn)方法來(lái)識(shí)別智能水表在這方面的性能特性。要使智能水表能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、可靠工作，必須對(duì)水表的傳感單元和信號(hào)處理部件進(jìn)行深入研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理選材、精心制造。

2.3 壓力損失與電源功耗

智能水表產(chǎn)品測(cè)量流道與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的優(yōu)劣分別與壓損和功耗指標(biāo)關(guān)系緊密，壓損指標(biāo)除了必須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低要求外，還應(yīng)顯著提升該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)水平，使其真正體現(xiàn)出這方面的優(yōu)越性；功耗問(wèn)題影響產(chǎn)品使用壽命和成本，除了選用高質(zhì)量的大容量電池外，軟硬件的低功耗設(shè)計(jì)非常重要。

2.4 適應(yīng)使用環(huán)境

應(yīng)充分考慮到水表工作環(huán)境的非標(biāo)性與惡劣性。水表工作時(shí)，很可能受到外部電磁場(chǎng)干擾、環(huán)境溫濕度的變化、機(jī)械振動(dòng)、測(cè)量管受力以及水的長(zhǎng)期浸泡影響等因素，因此智能水表在這方面要有足夠的超標(biāo)抗擾度和超標(biāo)承受能力。

相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械水表，智能水表的電子器件對(duì)產(chǎn)品的使用壽命、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性的影響較大，并有可能直接影響到其計(jì)量性能。由于民用三表是使用量最大的計(jì)量器具，為了資源節(jié)約，國(guó)際法制計(jì)量組織關(guān)于抽樣統(tǒng)計(jì)的國(guó)際建議已于2017年10月頒布，國(guó)內(nèi)電能表采用抽樣統(tǒng)計(jì)進(jìn)行狀態(tài)輪換已在上海率先開展試點(diǎn)。燃?xì)獗頎顟B(tài)輪換的有關(guān)方案也已提出，對(duì)智能水表實(shí)行抽樣統(tǒng)計(jì)和狀態(tài)輪換也有可能被提上議程。因此，在推廣智能水表的同時(shí)要從這一趨勢(shì)出發(fā)，對(duì)水表的長(zhǎng)壽命和計(jì)量性能提出新的更高的要求，開展對(duì)智能水表的壽命試驗(yàn)和驗(yàn)證。目前，國(guó)外除采用抽樣統(tǒng)計(jì)延長(zhǎng)輪換周期的方案外，也有采用更換智能表具部分電子模塊的方案（日本）。因此，還需要對(duì)企業(yè)制造智能水表使用的電子部件成本占水表總成本的比例進(jìn)行分析，為今后選擇最合理的延長(zhǎng)輪換期方案提供參考。

2.5 融入智慧水務(wù)

智能水表只有融入智慧水務(wù)與測(cè)控系統(tǒng)才能發(fā)揮其自身應(yīng)有的作用。因此，我國(guó)水表行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃的目標(biāo)是努力實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)+智能水表+智慧水務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)”的深度融合。發(fā)展新型智能水表的根本目的是促進(jìn)智慧水務(wù)新業(yè)務(wù)的推廣應(yīng)用，推動(dòng)“兩化融合（即信息化與工業(yè)化的融合）”戰(zhàn)略的深入實(shí)施。智慧供水是智慧水務(wù)業(yè)務(wù)中的最重要環(huán)節(jié)之一，包括了“供水”“用水”和“管水”等內(nèi)容。新業(yè)務(wù)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）自動(dòng)抄表與營(yíng)收、客服系統(tǒng)；

2）水務(wù)信息化管理系統(tǒng)（ERP）；

3）管網(wǎng)供水科學(xué)調(diào)度系統(tǒng)；

4）供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）與全球定位系統(tǒng)（GPS）；

5）供水管網(wǎng)滲漏水檢測(cè)與定位系統(tǒng)；

6）供水管網(wǎng)水質(zhì)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；

7）飲用水制水過(guò)程測(cè)控系統(tǒng)。

與此同時(shí)，還需要建立起供水管網(wǎng)智能終端測(cè)量特性的自檢與自校正系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)建模來(lái)保證其正常、可靠運(yùn)行。這方面內(nèi)容任務(wù)有：與智能水表（傳感器）測(cè)量準(zhǔn)確度有關(guān)的關(guān)鍵特性參數(shù)的自檢測(cè)與自校正，供電電池放電曲線的檢測(cè)與分析、電池電量剩余使用期的預(yù)測(cè)與報(bào)警，對(duì)無(wú)法進(jìn)行自校正的故障和其他異常情況向控制中心發(fā)出信息等，從而實(shí)現(xiàn)管理平臺(tái)系統(tǒng)的智慧發(fā)展模式。

另外，通過(guò)現(xiàn)代管理技術(shù)、電子商務(wù)及大數(shù)據(jù)的運(yùn)營(yíng)管理方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)智能水網(wǎng)供應(yīng)鏈的有效管理，包括基于自動(dòng)化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)感知、無(wú)線通信、大數(shù)據(jù)管理、中間件組件等技術(shù)，既能適用于特大城市范圍內(nèi)的系統(tǒng)管理，又能在功能上針對(duì)中、小區(qū)域提供特定的業(yè)務(wù)解決方案。

3 對(duì)編制上海市有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能化水表應(yīng)用技術(shù)規(guī)范的建議

目前，上海市水務(wù)集團(tuán)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智能水表應(yīng)用項(xiàng)目的推進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一些制約因素：一是產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、硬件不互通，數(shù)據(jù)平臺(tái)各自為戰(zhàn)；二是產(chǎn)品市場(chǎng)較為開放，存在不同產(chǎn)品售后運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜的問(wèn)題；三是價(jià)格因素導(dǎo)致后續(xù)維護(hù)不力。為此，目前急需有待改善的問(wèn)題是統(tǒng)一和規(guī)范相關(guān)的產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、價(jià)格應(yīng)與市場(chǎng)接軌，避免偏面追求低價(jià)帶來(lái)的不利因素等。

為此，當(dāng)務(wù)之急，要緊密結(jié)合相關(guān)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前實(shí)際需求，按照技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的新趨勢(shì)，積極推進(jìn)上海市水表新技術(shù)應(yīng)用以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范的制訂工作。首先急須在此背景下制定適合上海市實(shí)際情況、有利于維護(hù)供水、用水各方權(quán)益，有利于促進(jìn)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，彌補(bǔ)上海地區(qū)在計(jì)量表具系統(tǒng)應(yīng)用方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，為提升上海國(guó)際化大都市的計(jì)量管理水平和標(biāo)準(zhǔn)化水平提供保障。從上海市范圍內(nèi)的水務(wù)計(jì)量市場(chǎng)應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)看，影響遠(yuǎn)傳自動(dòng)抄表系統(tǒng)運(yùn)行效果的主要因素是自動(dòng)遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)的工程質(zhì)量，較大范圍內(nèi)缺乏工程實(shí)施的規(guī)范，一哄而起的市場(chǎng)局面。嚴(yán)重地透支了自動(dòng)遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)市場(chǎng)。水務(wù)計(jì)量裝備企業(yè)、系統(tǒng)集成商、供水運(yùn)營(yíng)商強(qiáng)烈呼吁：遠(yuǎn)傳水表自動(dòng)抄表系統(tǒng)的工程建設(shè)和驗(yàn)收應(yīng)具有統(tǒng)領(lǐng)本市計(jì)量表具實(shí)際應(yīng)用要求的技術(shù)規(guī)范。

建議在應(yīng)用技術(shù)規(guī)范的內(nèi)容中對(duì)工程施工、驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，對(duì)查勘、安裝和驗(yàn)收做出明確要求，包括對(duì)水表的安裝、集中器、采集器的安裝及系統(tǒng)的安裝與調(diào)試。水表安裝主要參考GB/T 778.2-2007封閉滿管道中水流量的測(cè)量飲用冷水水表和熱水水表第2部分：安裝要求。集中器、采集器安裝、綜合布線及系統(tǒng)調(diào)試主要參考CJ/T 188-2004戶用計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)條件、JG/T 162-2009住宅遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)專線傳輸。

4 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)代管理技術(shù)、電子商務(wù)及大數(shù)據(jù)的運(yùn)營(yíng)管理方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水資源供應(yīng)鏈的有效管理，系統(tǒng)集數(shù)據(jù)計(jì)量、自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理應(yīng)用軟件于一體。