小口徑智能水表在城鄉供水一體化工程中的應用

郭國富

（阜南縣水利局，安徽 阜陽 236300）

0 引言

城鄉供水一體化是指以縣域為單位，統一規劃、統籌建設，以城市供水管網延伸和規模化供水工程為主，小型集中式供水工程為輔，分散式供水工程為補充的供水工程體系，實現全民覆蓋，城鄉共享優質供水服務的供水保障模式。城鄉供水一體化既是保障農村供水安全的有效途徑之一，也是農村供水未來發展的重要趨勢。隨著大數據、云計算、物聯網等先進技術的飛速發展，正推動水利基礎設施和城鄉供水工程系統與新一代信息技術的緊密融合。為了能夠有效保障農村供水，解決供水需求增加與水資源短缺的矛盾，小口徑智能水表在推進城鄉供水數字化管理中發揮著重要作用，解決了當前城鄉供水一體化用水管理薄弱的問題。

在城鄉供水工程和管理領域中，小口徑智能儀表的應用已成為提高監測效率和工程管理的關鍵。其通過提供精確的計量和實時數據傳輸來實現優化工程調度和供水保障這一目標。隨著城鄉供水工程和水利信息化的迫切需要，小口徑智能表的使用占比增加，并且由于其種類繁多且數量龐大的特點，使得抄讀和維護工作量增加。與大口徑智能儀表相比，小口徑智能儀表的類型更多，選型范圍更廣，需進行細致的選型和應用分析，以確保計量的精準、抄讀的準確和數據的及時傳輸。

隨著技術的進步，已逐步開發出多種類型的智能表，如光電直讀式、攝像式、脈沖式和電子式，以應對各種監測和計量挑戰。此外，數據傳輸技術的發展，如有線式、LoRa 和NB-IoT，也在持續改進這些設備的性能。本文深入探討小口徑智能表在城鄉供水工程中的應用，分析其不同類型的功能和優勢，并提出實際應用中的選型建議。

1 小口徑智能儀表的主要類型及選型

根據《封閉滿管道中水流量的測量—飲用冷水水表和熱水水表》（GBT778.1/2/3-2007），該標準把水表分成機械式水表、帶電子裝置式水表和電子式水表三種類型。隨著計量技術、傳感技術的不斷發展，具有測量準確度高、壓損小、數據同步及時等特點的智能表將會成為市場的主流產品，逐步替代傳統水表。

1.1 常見的幾種小口徑水表類型

小口徑智能儀表從數據讀取（采集）上可分為光電直讀式、攝像式、脈沖式和電子式四種，單從數據讀取的方式上分別有以下特點。

1.1.1 光電直讀式水表

光電直流式電表融合了機械計數和光電技術，主要通過光電直讀技術讀取水表的字輪數據。該系統由多個用戶端水表、一個集中抄表器和一個抄表管理系統組成。每個用戶端水表配備了微控制器和數個字輪單元。其中每個字輪單元由機械字輪和若干光發射接收對構成。這些光發射接收對通過獨特的正交碼序列信號相連，有效減少環境干擾和鄰近干擾的影響。

光電直讀式水表系統的主要優勢在于其高度精確的計量能力和低功耗設計。特別是在不需持續供電的情況下，也能在抄表或調節閥門時正常工作。此外，其支持遠程抄表功能，顯著提升了抄表效率。

但是，若水表電子部分的制造工藝不夠精細，或者電子元件老化，可能會導致密封性能下降，如灌膠密封或熱脹冷縮，引發水表電子部分的故障，影響抄表準確性。此外，當前市場上的直讀表大多在個位、十位、百位上直接讀取信號，而千位數的計算則依賴后臺軟件，這在實際使用中可能引發問題。其次，氣泡干擾和環境光線也影響著讀數的準確性。

1.1.2 攝像式水表

攝像式儀表與光電直讀儀表一樣不改變基表計量性能，只是在數據讀取上采用攝像式圖片上傳。主要通過對圖像進行二值化、去噪處理后，再進行識別和校對上傳過程，具體見圖1。優點是上傳圖片直觀、易安裝，分體攝像式可以直接安裝在現有普通機械水表上。缺點是如果照片質量不高會造成數據解析困難，攝像式讀取數據對于新水表尚可，對于周檢水表就存在一定風險。通常的故障是計數器與玻璃罩之間密封不嚴，引起計數器與玻璃罩之間起霧，拍攝的圖片模糊，造成數據無法抄讀。攝像式水表工作環境要求字盤無污染。

圖1 圖像識別算法流程圖

1.1.3 脈沖式水表

脈沖式水表的應用已經成為一種主流技術。這種水表通過表盤磁針和干簧管產生并持續發出脈沖信號，然后通過采集器收集這些信號，進行累加、存儲，并最終上傳數據。由于其技術的成熟和便于推廣應用，目前在城鄉供水工程已得到廣泛采用。

從技術角度分析，在不受外力干擾的條件下，這種方法計數準確且可靠。但在受到磁力攻擊時，由于脈沖信號在累加過程中容易受到干擾，如線路通訊中斷、斷電現象或核心部件的永磁體受磁干擾，可能導致脈沖信號丟失，進而引發數據錯誤。這不僅影響了水資源的準確計量，也可能對水資源調配造成誤判。此外，當發生故障時，需要人工抄讀水表并重新輸入數據到采集器進行初始化，增加了維護工作的難度和不可預測性。

1.1.4 電子式水表

電子式水表的機械部分只有一個葉輪，沒有齒輪葉輪上端帶磁性，通過葉輪旋轉產生感應信號來電子計數，顯示部件為液晶數字顯示。優點是結構簡單、無齒輪傳動、摩擦阻力小；缺點是要克服磁力干擾，管道中鐵銹容易吸附在磁性材料上，始動流量要克服磁力。另外因為只有液晶顯示部分沒有數字計數器，在顯示屏損壞或電子部件損壞時給水量計量和收費帶來麻煩，容易產生糾紛。如果是遠傳數據的話，數據可以傳到后臺，在計量儀表損壞時，后臺應有水量數據記錄，但這些數據都是滯后的。

1.2 智能水表數據傳輸方式

數據傳輸有三種方式：有線式、LoRa 式和NBloT 式。

1.2.1 有線式水表

目前使用的有線水表主要是光電直讀類型。優點是每只水表平時不用電，只在抄讀數據時用電，單表不存在更換電池問題，所以只要每只水表電子部分正常，傳輸導線良好，抄表率還是很高的，數據上傳費用也低；缺點是如果電子部件性能不穩定會影響抄表率，有線光電直讀水表在新樓盤布設容易，在老舊小區安裝中存在一定困難。另外還有有線脈沖、有線攝像式水表。

目前城鄉供水工程智能表大部分都是采用LoRa和NB-loT 無線傳輸技術。傳輸方式如表2 所示。

表1 數據讀取（采集）方式對比表

表2 數據傳輸方式表

1.2.2 LoRa 式

大部分廠家生產的無線遠傳水表都是以LoRa 式傳送信號，優點是成本低，水表之間信號可以自組網，通過采集器、集中器發送信號；缺點是信號不穩定，如果采集器安裝位置不合適，會影響數據采集。有些廠家在安裝完LoRa 水表后，由于信號不穩定需要不斷加裝采集器造成二次成本。許多廠家的水表安裝在水表間或樓道墻壁上，信號還可以；如果安裝在水表井里，信號會受到環境影響，需要加裝集中器。理論效果和實際安裝的效果有很大差距，若安裝無線遠傳水表，要到使用現場進行實地考察，并采取試裝的方式來驗證效果。

1.2.3 NB-IoT 式

LoRa 能夠解決信號穩定傳輸的問題無疑是一種好的選擇中，但由于種種條件限制，LoRa 在現階段信號還達不到理想狀態。在這種情況下NB-loT 應運而生，以其優點成為今后遠傳水表的發展趨勢。現階段NB-IOT 受資費高、信號不能全覆蓋的影響尚未普及，但是隨著信息產業的發展，未來會有所改善。

隨著科技的發展，新的計數方式、傳輸方式不斷涌現，有效提升了計量技術水平和計量管理水平。近年來智能水表正逐漸代替普通機械水表，但是這種替代，嚴格的說只是遠程抄讀替代了現場人工抄讀，基表的計量方式并沒有改變，很大程度上還是普通機械水表。電表、氣表由于安裝條件的先天優越性，輸送介質對電子部件影響很小，使智能電表、氣表發展及應用迅速。但由于水表的安裝環境及輸送介質的不同，造成了智能儀表應用中存在的問題較多。

1.3 兩種小口徑智能儀表類型的選型

1）根據數據采集方式：首選光電直讀水表；試裝NB 水表，可以采取幾家對比試用，降低風險，關注電子及超聲水表。

2）根據信號傳輸方式：首選有線連接集中器上傳模式，使用場景信號傳輸穩定可采用LoRa 方式，條件允許可以安裝NB-loT 信號傳輸水表。

2 基于應用場景的選型原則

2.1 有線和無線的選擇

1）戶表集中（小區和新建住宅）安裝以有線為主。

2）戶表較分散（例如別墅、偏遠地段），則可以用無線方式（NB-loT）為主。

2.2 新建住宅和老區改造的選型

1）新建住宅布線方便，建議以有線為主，也可選擇單元無線。

2）老區改造復雜，建議以無線為主，有條件也可選擇單元無線。

2.3 不同環境的選型

1）高層住宅：有線遠傳表安裝在高層管道井內，通過M-BUS 有線方式連接，通過主采集機進行數據上傳。

2）多層住宅：NB-loT 單表無線單元一般安裝在戶外使用，適合分散型住戶或者老舊小區改造。如果室內安裝，應選擇信號較好的小區高層用戶管道井。

3 小口徑智能水表安裝技術要點

1）前后直管段要求。在設計、施工時應考慮此因素，避免前后直管段不符合要求影響計量精度，造成本身水表計量性能沒問題，卻因安裝條件不符合規定導致計量不穩定的情況。就像高層水表慢轉、空轉問題，是管道設置不合理、壓力不穩定、管道內有空氣等多種原因造成的，而這種現象通過水表反映出來，但通過查找分析原因后才發現不是水表的原因。因此，建議設計、施工和安裝時盡可能按照計量器具安裝規范進行，避免在設計、施工和安裝過程中埋下影響計量穩定性和精確性的隱患。

2）有線水表的接線應牢固，電纜接頭的連接方式用端子壓接或者錫焊焊接，最好采用錫焊焊接方式。接頭要整齊，不能有毛刺，兩個接頭不能短路，并用錫焊焊接牢固，確定接觸良好并且牢固可靠。

3）無線NB 水表應先測試信號，現場信號滿足后進行安裝，并進行持續信號觀測。

4）定期進行數據復核，核查計量儀表數據與遠傳數據是否一致，達到抄讀便捷、數據準確。

4 結語

隨著水資源管理和監測技術的不斷發展，小口徑智能儀表在這一領域的應用日益凸顯其重要性。本文全面分析了光電直讀式、攝像式、脈沖式和電子式等不同類型的智能水表，在城鄉供水工程中的應用及其各自的優缺點，為城鄉供水工程建設和管理提供了有效的技術支持。隨著信息技術的創新發展，智能水表將在城鄉供水工程中發揮更大的作用