園區智慧水務系統建設與運行方法

智慧水務指運用物聯網、云計算、大數據、空間地理信息集成等新一代信息技術，實時感知城鎮水務系統的運行狀態，通過數據分析對水務信息進行及時處理，提供輔助決策支持，形成融合智能感知、智能仿真、智能診斷、智能預警、智能調度、智能處置、智能控制和智能服務的全方位水務系統，從而實現水務系統全流程的科學化、精細化、智能化運行管理[1]。

近年來，隨著國家大力實施節水優先戰略、加強推動節水型（機關）單位創建，園區智慧水務建設的需求日益增長。然而，當前，我國智慧水務系統的應用與服務領域主要為城鎮水務，涵蓋水源調度、智慧水廠、智慧管網、海綿城市建設與管理等，全國范圍面向封閉式、功能性園區的系統應用案例并不多，如何實現以可持續應用、兌現預期生態經濟效益為目標，建設、運行智慧水務系統，尚未形成標準化方法和規模化推廣效應。在此背景下，本文基于智慧水務關鍵技術研究成果及項目實踐經驗，總結提出了園區智慧水務系統建設與運行方法，為同類系統建設與運行提供借鑒，也為相關的標準編制做好準備。

1 系統建設

1.1 需求目標制定

按照向園區業主單位調研系統實施的目的和物理邊界，初步確立系統建設目標。

（1）了解實施目的。一般而言，可包括：提升園區水務健康安全水平、漏水嚴重亟待查漏修補、創建節水型機關（單位）、智慧園區平臺的子系統、水管網改造同步加裝計量系統等。

（2）了解實施范圍，是整個園區、園區內部分區域，還是擁有多地址的園區，并進一步了解待實施區域的占地面積、建設年代、建筑概況、產權情況等。

1.2 現場踏勘與現狀分析

赴園區現場勘查，向園區運營單位、物業單位深入調研，了解園區運行現狀。

（1）日常運行規律，包括：日均、月均運行時間，白天、夜間在園人數等。

（2）園區子區域劃分、建筑布局及其功能。

（3）供水管網分布走向、總分關系、管道特性（年限、埋深、材質、長度、管徑等）；現場施工條件（地面水表井分布、其他工程施工狀況等）。

（4）重點用水功能區或設施的分布位置，如：餐飲、浴室、景觀綠化、洗車等。

（5）園區用水狀況：逐月用水量及是否存在用水趨勢異常變化，初步掌握其水資源消費特征及管網漏損嚴重程度，以決定是否加裝電子監聽設備以實現對漏損的快速診斷。

（6）智能化與信息化現狀：園區局域網建設狀況、是否具備數據中心機房、應用程序及數據庫部署設備、智慧化系統（如 BAS、EMS、物業管理）建設及歷史數據積累狀況。

1.3 計量方案設計

基于前期調研結果，規劃計量分區、選取計量目標對象、設定安裝點位（物理位置、管路標號）、計量分級。除水計量點位外，還需結合業主方針對提升園區用水安全、加強漏損感知的建設需求，布設相應的水壓、液位、水質監測點位。

在此基礎上，設計者需編制系統建設的“一表兩圖”，即主材選型表、構建園區水平衡關系結構圖和計量分區結構圖。

（1）主材選型表。搜集系統的末端感知設備，編制主材選型表，格式見表1。其中，設備類型包含：水表、壓力傳感器、液位傳感器、水質傳感器、噪聲監聽儀等；通信方式指設備與數據采集器或服務器之間的網絡連接方式、遵循的通信協議。

表1 主材選型表式

（2）園區水平衡關系結構圖。水平衡指在一個確定的用水體系中，其輸入體系的水量始終等于輸出體系的水量。當園區內所有管路均已納入計量的前提下，同一時間范圍內，園區總進水管路儀表的計量值，應等于各分支管路儀表的計量值之和，如前者大于后者，則懷疑存在管網漏失，如反之，則園區可能還存在其他進水管路，需要重復前序的管路排摸。據此，在方案設計階段，需構建如圖1 樣式的水平衡關系結構圖。

圖1 水平衡關系結構圖樣式

圖1 體現了園區水流分級計量的層次結構以及潛在水平衡差的存在位置。其中每一節點代表一個水計量表具，需對其標注水表編號（體現計量級別和序號）、安裝位置、計量目標對象和管道特性（材質、管徑等）。通過該圖可總覽計量表安裝結果，為查找漏損提供依據。

（3）計量分區結構圖。該結構體現了園區水務系統計量目標對象及其從屬關系，為統計園區用水量構成、分析細分功能區用水強度提供支撐。結構圖樣式如圖2 所示。

圖2 計量分區結構圖樣式

之所以需要繪制兩張結構圖，是由于計量表具的安裝位置和其所計量的目標對象不嚴格一致，比如：表具安裝在鍋爐房，計量管道為食堂供水，或表具安裝在物業用房，但實際計量浴室供水。因此，需要通過兩張圖將計量對象和安裝位置區分開來，分別服務于不同的使用需求。 “一表兩圖”確立了園區水務系統的建構思路與核心邏輯，其作用對系統預期目標的達成舉足輕重。

1.4 通信系統與軟件系統設計

（1）通信系統設計。緊密結合園區網絡現狀，設計設備計量數據自采集、處理、存儲的通信鏈路與網絡拓撲架構。一般而言，通信鏈路包含計量設備、數據采集器、服務器 3 個主要節點，關鍵節點為數據采集器，為此，需確定設備規格選型，并需考慮與系統各計量設備通信方式的兼容。

（2）軟件系統設計。當前，智慧水務軟件大多采用產品化封裝模式加以推廣，即可實現根據系統目標和用戶需求，提供可配置菜單。所以，軟件系統設計工作轉化為對軟件功能菜單的選擇，而后，由系統敏捷生成一套滿足用戶要求的可部署軟件。同時，如園區具備物業、樓控等信息系統，則可能存在建立接口、共享數據、協同應用、定制開發的可能。

1.5 現場實施

該階段主要完成設備安裝、線纜敷設、數據采集調試、軟件部署、系統集成聯調等工作。實施前，需與園區物業、其他工程團隊充分溝通協同，對必要的進度交叉提前做好計劃、采取必要的防控措施，將系統實施可能出現的路面開挖、噪聲粉塵等對園區日常運營、室外環境的影響降到最低；實施過程中，需對工程質量、安全、進度開展全面管控，確保建設過程有序推進；實施完成后，需核查設備運行、數據傳輸、軟件功能，對用戶開展必要的培訓，以確認達到建設目標、滿足應用需求。

通過以上智慧水務建設“五步法”，可實現確定需求導向下的精準設計、有序實施、目標達成。

2 系統運行

系統上線后的科學合理運行決定了其可持續“服役生命力”。為此，一方面，需建立常態化運維機制，周期性對數據傳輸、系統運行的正常狀況予以監視、及時處理系統告警；另一方面，需定期開展數據診斷與分析，編制分析報告，為運維和使用單位提供節約、安全運行的指導與策略。

2.1 運維保障

智慧水務系統提供了通信告警、超限告警功能，分別用于發現設備、網絡鏈路故障以及用水超標、管網漏損、水質污染等運行問題。為此，必須建立完善的線下工作機制，對系統告警予以及時處理、閉環，方能確保系統的穩態運行、功能有效發揮。本文以園區運營單位為執行主體，針對兩類告警分別建立閉環處理流程，為系統運維保障提供可操作的方案，如圖3、圖4 所示。

圖3 通信故障告警處理流程

圖4 數值超限告警處理流程

在系統提出告警時，會同時推送告警發生的物理位置、相關儀表購置維保信息，以便于運營單位開展線下查驗維修。需說明的是，不排除因智慧水務系統軟件故障而出現假告警，如遇此情況，需提請軟件專業團隊予以排查修復，但不會影響園區水務正常運行。

2.2 分析報告

園區水務運行分析報告基于系統運行數據，由系統運維或咨詢服務單位定期編制，報告期別可為周、月、季、年，短期報告側重于對數據質量、用水趨勢構成的分析，長期報告則需要剖析用水特征、管水薄弱環節及對節約安全優化運行的建議。分析報告可以認為是智慧水務系統的延伸服務。本文以月報為例，討論月度數據的分析主題與方法。

2.2.1 數據質量評估

數據質量決定了數據分析結果的準確性及應用價值，為此，本文提出水務原始采集日數據質量評估模型，用于從多維度考量數據滿足應用的程度，如表2 所示（假設采集頻率為 15 min/次，則每儀表每日應采集記錄數為 96）。

表2 水務原始采集日數據質量評估模型

而后，按 0.4、0.4、0.2 為 3 個維度的評估得分賦權重，加權平均計算得到日數據質量評估結果（以百分數表示）。重復以上步驟，最終分別求得當月各日的數據評估結果以及月平均值。表征方法見表3。

表3 水務原始采集數據質量評估結果匯總表 單位： %

2.2.2 園區用水分析

該主題主要反映園區當月用水總量、變化趨勢及用水強度特征，幫助管理者精細掌握當月用水規律，支持節水潛力發現、節水措施驗證，為下月水務運行管理策略提供參考。

（1）日/夜用水分析.考察當月園區各計量點位（6:00-22:00）、（22:00-6:00）的用水構成關系。一般而言，在不涉及季節特征顯著變化的單個月內，日夜用水將恒定在一個區間，隨工作日、非工作日顯現穩定波動范圍，如某日的日夜比出現突變，則需要結合園區運行記錄、物業工作日志，對當日用水狀況異常原因予以溯源，查看是否由于園區開展重要活動、物業檢修等行為所致，并在分析報告中予以闡述。

（2）用水功能區對標分析。考察細分用水功能區與《上海市用水定額（試行）》（滬水務〔2019〕1408號）的對標情況，指標包含：辦公用水[m3/(人·a)]、職工生活用水[L/(人·d)]、食堂用水[L/(人·餐次)]、浴室用水[L/(人·d)]，分為通用值和先進值兩檔。通過分析了解本單位節水管理工作水平、量化存在差距。由于各指標的單位不統一，所以報告需根據月度用水量及各功能區的規模進行相應的折算。圖5 為園區職工生活用水對標圖例。

圖5 園區職工生活用水對標圖例

由圖5 可知，該園區當月職工生活用水強度波動較大，全月中，3 d 用水量大于通用值，12 d 用水量低于先進值，均值為 26.4 L/(人·d)，位于通用值范圍，大于先進值 5.6%，節水工作尚有一定的提升空間。

2.2.3 管網漏損診斷

該主題以漏損診斷為目標，采用分級平衡差、夜間最小流量分析法，盡早識別園區管網漏損，防控可能由此導致的浪費及安全問題。

（1）分級水平衡分析。綜合考察分級水平衡差及管網噪聲監聽結果，為園區管理者研判園區漏損狀況的存在、嚴重程度及大致方位提供支撐。管理者據此決策是否應采取進一步的現場增強檢漏措施，如相關儀診斷、管道開挖查找等。圖6 為園區分級水平衡分析圖例。

圖6 園區分級水平衡分析圖例

圖6 體現了園區逐日水平衡差以及噪聲監聽設備泄漏報警的變化關系。若前者出現突增、而后者亦提示泄漏，則管網漏損的可能性非常大，需盡快采取查漏補漏措施。

（2）夜間最小流量（Minimum Night Flow）分析。分析獨立計量區域夜間水量數據，對于探知真實漏損具有重要意義[2]。由于夜間最小流量大部分時段出現在凌晨1：00-5：00，此時，除園區值守者可能的少量用水外無其他用水，如果園區管網存在漏水，則此時間段內的最小用量最接近真實漏損量。采用比值法可實現基于 MNF 的漏損分析，即將夜間測得的最小流量與當日平均時流量比較，如果比值（近似為漏損率）超過某一上限，即可認為該區域管網可能出現異常。

3 結 語

在當前園區智慧水務應用需求持續顯現，而相關行業標準尚未形成、工程實施與運維管理缺乏指導的背景下，本文對智慧園區智慧水務系統的建設與運行方法進行了探討，提出“需求目標制定→現場踏勘與現狀分析→計量方案設計→通信與軟件系統設計→現場實施”的五步建設法以及對系統運行效益至關重要的計量方案設計“一表兩圖”；在系統運行階段，圍繞運維保障和數據分析兩大任務，設計了對接智慧水務系統異常告警的線下閉環處理流程，以月度運行分析報告為載體，建立了數據質量評估、園區用水分析、管網漏損診斷的模型與方法；同時對噪聲在線檢漏設備在園區智慧水務中的作用與應用模式進行了討論。

隨著園區智慧水務系統的規模化推廣和不斷深化應用，相關技術規范的編制實施勢在必行。本文成果為標準制定提供了必要的基礎支撐與技術準備。