0引言

2020年,国家政府提出“有条件的地区将城市管网向农村延伸,推进城乡供水一体化”,提高农村供水保障水平已经成为我国“三农”领域的重点工作[1-3]。以往传统的农村供水项目运行维护中,在管道维护方面存在着用水量不清、管网漏损不详、水表故障处理耗时长等问题,而在管理方面也存在着人工成本高、抄表易错、抄表效率低、大量水表管理难等一系列问题,成为了我国农村供水发展的瓶颈[4-6]。在现今信息网络时代,基于“互联网+”的智慧水务孕育而生,能够实现对海量数据进行传输、存储、处理和智能分析,以更加精细和动态的方式管理水务业务系统的整个服务流程,是提高水资源管理能力和确保居民用水安全的重要手段[7-9]。但鲜有智慧水务应用于农村大区域服务的案例。为全面提升大区域农村水务系统运行管理水平和科学决策能力,在天津市宝坻区全区域农村供水项目中积极应用云计算、大数据、物联网、移动应用、智能控制等“新IT”技术,探索全区域的农村智慧水务体系,贯穿从水厂的供水量、水质、管网流量、漏失量等实时数据监控,到终端用户的用水量等相关数据自动采集、监测的全链条管理,并实现了在实际工程中应用[10-11]。

1项目概况

天津市宝坻区农村供水项目分三期实施,共涉及23个乡镇、656个村庄、22万户、近50万人口,管网全长约970万m、60357座井室,整个供水项目实施完成后达到了宝坻区农村用水全覆盖,实现24小时常压供水,百姓随时可以喝上放心的安全水。本项目是保障宝坻区城乡经济发展提高人民生活水平的重要基础设施工程,通过全区供水系统的统一规划管理实现由原来的定时供水向24小时供水的转变,实现供水价格政策从水资源保护节约用水到优化资源配置,实现“同网、同质、同价”的管理提升,降低全区整体供水成本及运营费用,按照“一户一表,计量收费”,建立起宝坻区农村用水从源头到水龙头的科学合理的管理体系。保障全区供水市场秩序的规范化、标准化。宝坻区农村供水项目以保障全区域农村饮用水和供水安全为中心,以解决供水设备智能化集成化水平低、大区域管理难等问题,结合互联网先进技术,探索出“中心管理,分区运维,用户一体管理,智慧管网”的一体化管理思路,形成了“1+5+2+N”模式,即应用“1+5”的集散型分区域管理模式,融合智能水表管理和管网管理2大系统,N个NB-IoT物联网智能水表。

2“1+5”分区运营管理模式

结合宝坻供水项目区域广、点位多、管线长的特点,本项目智慧水务系统以就近管理的思路,采取“1+5”集散型分区域管理模式,即在服务范围内共设6个运维服务网点,南北各3个,其中设立在宝坻城区的指挥中心作为主管理中心,其余5个为分区域管理站点,均设置在乡镇交汇处,以方便协调管理和调度。

3系统设计

为了使运行管理更加便捷和高效,宝坻区农村供水项目智慧水务建设基于计算机和NB-IoT物联网技术,对运行关键节点进行动态监管,采用“1+5”的集散型控制方式进行集中监控管理、分散控制和数据共享,其总体结构主要包括感知层、通信层、数据层和应用层4个部分,如图2所示。感知层主要通过现场加装的传感器、监控摄像头等信息化仪表,将各区域内的水表和管线的运行情况采集为具体数据,并能将这些数据通过通信层传输至数据层。通信层主要采用构建NB-IoT无线传输的方式进行数据传输,同时也将感知层的各个监测点位联系起来。数据层主要收集由通信层传输来的感知层采集到的数据以形成各类数据库,例如供水管网数据库、营业抄收数据库等,为应用层进行数据分析提供基础参数。应用层作为智慧化运营的中枢,应用层提取并分析数据库中保存的海量数据,同时做出“最优化”判断,自动给出运行相关建议,如爆管预警、营收比分析等。根据项目的“1+5”的集散型分区域管理模式,智慧水务建设采用分布式结构,共分两层,分别是主管理中控室(第一级)和分区域控室(第二级)。由中控室建立起内部网络,实现各自区域范围内相关设备和办公系统设备的互联。

4NB-IoT物联网智能水表应用

为解决抄表难、成本高等问题,在本工程中首次引入了NB-IoT物联网通讯技术与水表相结合的智能水表,它通过移动OneNte平台、电信NB-IoT平台,与服务端系统连接,实现智能计量、远程监控、网络充值(图4-图6)。其主要功能包括数据传输、手机APP互通、远程控阀、自动唤醒机制等。具有安装无需布线,通过无线通讯方式,覆盖广,抄表人员可实现远程数据监控,同时计量精准、可靠性高、抄表方式快速、灵活的特点,满足精细化管理的要求。

5NB-IoT智能水表管理系统

本项目结合宝坻大区域农村供水特点和NB-IoT智能水表,配套研发了一套管理系统软件,其采用B/S结构设计,分为以下几个功能版块:首页、初始设置、用户管理、报装管理、系统管理、射频卡管理、水表远程管理、收费管理、统计报表分析、告警管理(见图7)。另外,根据不同层次用户,特为用户提供多路径付费模式,该系统可支持营业厅现金支付(卡充值、远程充值)、微信公众号微信充值、充值机微信扫码支付(卡充值)、充值机支付宝扫码支付(卡充值)、支付宝生活缴费。

6管网管理系统

在传统的养护流程中,“先爆管,后维修”是一种被动的运作方式,断水时间长、维护压力重、资源闲置高,无法避免决策孤立散乱、资料缺失或不完善和管网失衡隐患等管理弊端。为解决以上问题,在管网管理系统中采取了巡检与维修的联动调配模式,根据人员、物资、车辆和设备的运行与分布情况,科学合理地派送抢修任务单,统筹调度资源,实施专业化便捷化抢修维修流程,减少灾情扩大损失和事故等待时间;专业抢修队限时实施抢修维修任务,在线反馈现场施工和管理决策的书面、图片或视频等媒体记录,为后期养护维护或其他作业提供现场还原;事故处理过程中及时收集、分类存档资料,统计评估水质、水压、水损、停水时间及影响范围等管网状态,提供预控预警和辅助导向数据,反馈抢修与供水之间的关联信息,避免盲目关阀断水或过度封路开挖;竣工结算阶段,在线分段验收和提交资料,事后统一审计、完善和补充,消除无人管理的空白时段,实现工程并网的无缝化衔接(见图8)。管网管理系统为农村供水注入了新活力,通过管网智慧化管理与运维,建立辖区内供水管道的数据仓库,实现水务信息的互联共享,促进决策调度的优化配置,提高企业管理的服务水平。

7总结与展望

宝坻全区域农村供水项目在传统农村供水工程的基础上,加入了智慧水务内容,通过应用NB-IoT物联网智能水表、NB-IoT用户管理系统、管网管理系统等,将各类管理、运行数据整合在智慧水务系统中,消除了信息孤岛,在保证宝坻全区域农村供水项目的安全、高效、便捷运行和管理的同时,减少了管网巡检人员和抄表人员的数量,降低了工作强度,从而极大地削减了人工成本,形成了农村大区域供水的“宝坻模式”。该模式的探索与实践为解决大区域农村供水问题提供了宝贵经验。

作者:梁静波 周超 杜儒林 孙长江 杨振奇 单位:中建六局水利水电建设集团有限公司