數字化水務平臺建設發展趨勢與優勢

馬 悅

(寧波水表(集團)股份有限公司，浙江寧波315000)

近年來中國經濟持續高速發展，有效推動了城市化進程不斷加快，供水管網作為城市基礎設施的重要組成部分，日益凸顯出其安全運行管理對城市發展的重要性。供水管網運行管理水平的高低，涉及城市的資源、環境、能耗等眾多方面的有效管控和利用，直接關系著城市的承載能力和運行效率。要保障城市水務設施高效、經濟運行，必須及時、準確、全面、系統地掌握各類相關信息和數據，并力求做到精準化調控，而傳統運管模式難以實現，必須借助于數字化水務公共服務平臺，充分利用互聯網思想架構，及時、有效匯集相關信息和數據，通過云計算、模擬仿真、大數據分析等技術手段，實現精準預判并及時反饋有效指令。

1 背景

近年來，“智慧水務”是水行業研究和討論的熱點。完美的智慧化，首先要具備透徹的狀態感知，能夠及時、準確、全面地獲取各水務應用系統的相關信息數據，以確保管線及附屬設施等基礎數據的完整性和真實性、監測點狀態數據的及時性和準確性、計量設備布設的合理性和生命周期管理的效率性等，在此基礎上實現全面的信息互聯，利用模型、數據分析、云計算等方法實現對生產、調度的科學指導。

但是截至目前，在行業實際應用中并沒有建立特別顯著和具有突出應用效果口碑的工程標準項目，絕大部分供水企業仍然是依靠人的經驗管理實現管網調度和生產控制管理，分析認為核心問題在于“數據”未能得到真正的挖掘和價值體現。

一是對管網基礎數據采集的精準度重視程度遠遠不夠。GIS作為管網數據采集中心，很多供水企業均已對其進行項目建設，但這絕不是一項單純的項目工程，而是一項長期的系統工程，其中部分數據因原始數據資料缺失可能導致普查數據結果出現很大的偏差，一定要通過后期的工程維修、巡檢巡查、新改擴建工程等動態流程管理來實現數據的糾正及補充，最終不斷提升管網數據的精準度，從而具備支撐計算和輔助計算的能力。

二是對管網中監測點位置的布設缺乏科學、合理的依據。管網中所有被采集數據——實時狀態數據，應具有高度的可計算或指導計算結果糾偏的價值，在投資成本受限的情況下，應選擇性價比最優方案，再根據布設原則有條件地增加。不同城鎮的供水管網根據地形地貌、人口分布密度、大用水戶用水量規律及管材管徑設置等因素，都有其各自的運行特點，要科學布設參數采集點，應盡量優先選擇管網中關鍵節點，包括供水不利點、末梢管段、瓶頸管段、長距離支線、用水量較低的斷頭管等，其數據對模型校核、水力計算都具有良好的支撐作用。

三是為了保證數據分析的全面性，需要將影響節點數據波動的變量參數一并記入統計分析，明確受其影響的節點數據波動的范圍和原因，確保計算結果可信度高，才可保證所輸出的數據具有指導實際運行的價值。

因此，為供水生產、調度提供科學有效的解決方案，首先要建立在完整、真實的數據基礎之上，最終通過簡潔、直觀的全方位可視化界面，展示運行工況數據和大數據分析結果，聚焦問題、直擊痛點。而具備這樣系統性、可持續性和可拓展性服務能力的數字化平臺，將是今后智慧水務應用發展的主要趨勢，也只有通過數字化水務公共平臺的系統分析服務，才能實現數據價值體現，讓供水企業實現管理創新和數據轉型目標，從而提升管理效率和經濟效益。

2 數字化水務公共服務平臺的建設

《水污染防治行動計劃》(“水十條”)的出臺，對防污染控制管理和漏損率提出了更為嚴苛的控制要求。近年來，水輿情事件頻有發生，尤其是水質輿情事件本年度已攀升至總量的67%。水源地的污染防控，流域內突發排污異常事件、冬季低溫水庫底層水富氧化問題嚴重、夏季高溫江河湖表層水富氧化問題嚴重等，對原水管理提出了更高的要求。管網中二次供水設施具備調蓄能力的箱式供水逐步被占地面積小、無二次污染的無負壓設備取代，但無負壓設備對進水口壓力的要求較高，在用水高峰且時間集中期，極易因大量抽水導致管道負壓而引發水質渾黃、有異味等污染事件發生；多水廠供水的水力分界線區域不明朗，混水區因壓力調配不力導致的水錘等突發爆管事件，或因供水方式不同，重力流供水與壓力供水臨界處瞬時壓力高頻震蕩引發的爆管事件等，均對供水管網安全運行管理提出了更高、更嚴格的管理要求。

如何挖掘現有數據，通過對供水量、售水量、實際用水量、分區計量、總分表差量等進行分析計算，在滿足終端用戶基本用水需求條件下，給出最合理的出廠服務壓力以及管網各節點分配的流量和壓力，使管網各個管段結合自身參數特點處于最經濟的優化運行狀態，是供水企業追求的終極目標。這就要借助于信息化手段，通過系統連續性的數據分析，實現科學控漏目標，并有效降低事故率，提高運行效率。

2.1 水務公共服務平臺的建設理念

供水管網是一個龐大復雜的系統，同一供水系統中，管網建設年代各不相同，承擔的卻是相同的輸配水任務和出廠服務壓力。同時，城市地下土壤環境不同，管線材質種類繁多，敷設管線過程中的被動設計變更而導致的供水不利點的徒然增加，二次供水方式由箱式供水向無負壓供水方式的大規模轉變等，都是影響供水管網安全運行的重要因素，對生產調度也提出了更為嚴峻的考驗。

隨著城鄉供水一體化建設的不斷發展和供水普及率的不斷提高，安全供水，供上優質水、放心水是所有供水企業努力的主要方向。建設綜合水務公共服務平臺，不僅可以通過水力計算滿足優化生產、優化調度的需求，實現安全供水目標，還可以通過水質監測數據的采集，科學調整運行參數，實現優質供水目標，在有效提高經濟效益的同時提高社會效益，是保障安全供水的十分重要且必要的信息化建設手段。筆者以寧波水表(集團)股份有限公司(以下簡稱寧水集團)水務公共服務平臺項目的建設思路為例，說明平臺對水務行業數據服務能力的發展優勢。

2.2 水務公共服務平臺的建設內容

平臺供水管理系統主要具有基礎數據管理、營銷優化、調度優化、漏損控制和預測預警管理等功能。

2.2.1 調度與節能降耗

科學優化調度、降低運行能耗始終是水務行業信息化建設的主要方向。借助大數據、在線水力和水質模型、人工智能技術等構建供水數字化水務平臺，通過準確的水量預測和高效的水泵組合運行控制，實現從原水輸送到二次供水的全系統協同節能優化運行，提升供水生產和輸配過程中的機泵效率，最大程度節約供水能耗，是未來的發展趨勢。

近3年的年鑒數據顯示，水廠電耗占供水系統總電量的80%左右，普遍存在機組泵站運行效率低下(約為50%～75%)的情況，一方面是因為設備本身陳舊老化，需要更新改造提升效率；另一方面則是泵站運行調度仍以傳統人工經驗為主，缺乏實用的優化調度預案和運管平臺，機泵運行工況不夠合理，變頻調速不夠優化，導致系統運行的大量無效能耗增加了制水成本。加之城市化進程的快速發展，供水管網的不斷擴張，規劃布局與管網自身結構缺乏優化節能考慮，單純為滿足管網末端用水量要求，水廠出廠壓力過高，導致管網中大范圍存在壓力冗余情況，無形中增加了背景漏失量和暗漏漏量。

此外，隨著城市中高層建筑不斷增多，二次供水能耗在供水系統中的占比也逐年攀升。由于前期在設計過程中對節能運行不夠重視且缺乏與整體管網運行管理的技術銜接，二次供水泵站普遍存在選型配置不合理、管理粗放和水泵低效運行等問題，使得經過改造的二次供水設施大多無法形成與市政管網的協同調度，無法達到削峰填谷、系統節能降耗的目標。結合寧水集團新一代多參數智能3.0水表的安裝數據，對G鎮的M水廠進行了數據分析，以建立的供水管網水力、水質模型為核心，構建可靠性保障和節能降耗運行的多目標優化調度模型，實現市政管網-二次供水設施的多級協同運行優化(圖1)，充分利用水箱等設施的調蓄能力進行水廠供水的削峰填谷，降低系統整體運行能耗。

圖1 供水管網多級協同優化技術原理Fig.1 Principle of multi-level collaborative optimization technology for water supply network

M水廠共有3臺水泵，其功率分別為75，55和37 kW，年供水總量約為250×104m3，年制水電耗約為100×104kW·h。

(1)目標函數

單臺水泵工作時，水泵效率的有功功率消耗：

(1)

式中K——換算系數；

QP——水泵的出水流量;

HP——水泵的出水揚程;

ηP——水泵在當前流量、揚程下的運行效率。

同時考慮水廠的制水成本，泵站的總供水費用：

(2)

式中pj——泵站j對應水廠的制水成本；

X(i)——該泵站第i臺水泵的開關狀態，水泵開啟時取1，關閉時取0；

Fj(t)——j泵站第t時段的電費；

E(t)——t時段調度時間間隔，t一般指該調度時段的起始時刻。

(2)約束條件

① 最小服務水頭約束

管網服務區域內各節點的自由水壓不低于相應的最小服務水頭：

Hi,t

其中Hi∈Ωn，Ωn為控制點集合，t為調度時刻。

② 泵站的出水量約束

minQj,t≤Qj,t≤maxQj,t

p=泵站1Λj,t=時段1ΛT

③ 管網中水池或水庫的水位約束

為避免水池(庫)出現放空和溢流的情況，需要設置水池(庫)的最高、最低水位約束：

minVr,t≤Vr,t≤maxVr,t

④ 初始邊界條件

要求在調度周期(一般為24 h)內，水池(庫)的初始時段水位與末時段水位相等：

Vr,init=Vr,end

r=水池(庫)1ΛR

建立以節點壓力的實測值與模擬值之間的差值平方和最小，以及管段流量的實測值與模擬值之間差值平方和最小為目標的多目標校核模型。

式中Lmax——工況數；

N，M——分別為測壓點和測流點的數目；

Hti，Hti，0——分別為第t種工況下第i個測壓點的模型計算值和現場監測值；

Qtj，Qtj，0——分別為第t種工況下第j個測流點的模型計算值和現場監測值。

利用差異校核模型，使管網模型能夠模擬實際的管網工況。在模型建立時，需要校核的參數通常包括節點流量、管徑、管道粗糙系數、閥門開度和水泵特征曲線等，其中主要是對管道粗糙系數和節點流量的校核。隨著供水企業信息中心的建立和營業收費管理系統的應用，節點流量的統計趨于準確，摩阻系數的校核就成了管網模型參數校核中的重點。管道粗糙系數與管材、管徑和敷設年代都存在一定的關系，相對比較穩定，但也會隨著時間而變化。由于供水管道大多都敷設在地下，數量眾多，管道摩阻系數難以一一測量，所以主要考慮將其作為校核的對象。

對于大型供水管網，如果把所有管段全部作為決策變量，需要較多的個體數量和大量的計算時間，進化過程比較緩慢，難以達到實用效果。對此，可以運用全局靈敏度分析方法對供水管網模型中的管道摩阻進行靈敏度分析，分析摩阻的變化對監測點壓力和流量的影響，然后選取靈敏度較大的管道進行校核，其他管道仍取經驗值，從而顯著縮短計算時間。

M水廠供水服務范圍內地勢平坦，沒有高層建筑物且無二級泵站，故采取直接優化調度模型進行優化調度方案設計。以泵站在不同時段的流量和給水壓力為決策變量, 計算求解各節點的流量和壓力優化分配，實現降耗目標，見表1。

表1 M水廠供水電耗的變化Tab.1 Change of water supply power consumption of the M Waterworks

2.2.2 漏損控制分析

針對目前供水行業漏損控制實施分區計量缺少科學的計量分區劃分方法、計量設備選型及布局不夠優化、建立計量分區后所采集的數據缺乏智能分析手段等問題，寧水集團水務公共服務平臺項目結合新一代多參數智能3.0水表，開展了計量分區多目標優化方法研究及方案設計，并擬開發漏損監測工程化應用軟件，為供水分區計量與漏損控制提供智能化硬件設備以及與之匹配的先進、實用的科學分析軟件工具。計量分區是從水廠通過復雜的管網系統到小區的層級體系(見圖2)，而分區數量和規模是整體方案的技術難點，其關鍵問題之一是僅根據管線基礎資料無法判斷分區后對管網水力水質產生的影響。

圖2 多級計量分區層級體系Fig.2 Hierarchical system of multi-level measurement district

根據管網水力模型工況模擬數據計算基礎，結合分區方案應考慮的關鍵因素，轉化為可量化計算的目標函數和約束條件，建立供水管網多目標分區問題的圖論模型和數學模型。分區方法采用多層均衡細化算法(圖3)，通過簡化管網圖得到節點分組，再逐層細化并調整分區邊界上的節點，計算分區間連接管上安裝的管件類型，最終得到大量分區方案。利用多目標優化方法，同時考慮水壓、水質、分區結構和經濟性指標，篩選得到一組分布在四維曲面上的帕累托解，靈活選擇分區方案。

圖3 管網分區多層均衡細化原理Fig.3 Principle of multi-layer balanced refinement of pipe network partition district

通過管網動態水力模型的智能分析，快速、準確地判斷漏損區域是分區計量發揮實際效能的關鍵。基于壓力、流量等長時間序列的持續監測數據，利用長短時記憶神經網絡等算法工具，結合DMA分區情境下的管網水力學特征，利用夜間最小流量法識別出夜間流量過高、可能存在明顯漏損的小區(圖4)，最終通過節點壓力的精細化調控管理，實現降低管網背景漏損的目標。

圖4 DMA 小區最小夜間流量與物理漏損量的關系Fig.4 Relationship between minimum night flow and physical leakage of DMA residential area

3 結論

水的取、凈、輸、配、供是一個多參數、非線性特點的過程，既可能與水量有關，也可能和水質有關，科學指導生產運行并不能僅僅通過簡單的監控系統實現。水務公共服務平臺具有數據統籌分析的系統性、持續性和可拓展性等優勢，能通過復雜的水量、水壓、水質參數收集統計、多維分析，實現快速堵塞低能低效管理漏洞的目標，是水務智慧化、信息化發展的必要途徑。