城市市政水利工程中地下管道用水智能化建设研究

冯海亮 ，戴伯英，李建文，马玉嫦

(广州市增城区供排水管理中心 ， 广东 广州 511300)

1 概述

我国城镇化的快速发展带动着市政工程的进步，但城市地下排水管道系统仍存在市政水资源利用效率不高等问题，因此，如何解决水资源利用问题、提升城市市政水资源的利用效率，具有重要的研究意义[1- 3]。

王芳[4]指出部分城市市政供水系统存在年限长、缺乏保养等问题，因此提出系列供水基础设施维修维护施工及其关键技术，为我国城市市政水利工程维修、提升水资源利用率体统了一定的借鉴。郑苗苗[5]指出城市水环境污染严重导致水资源利用低的问题，并提出加强城市水环境整治工作及其具体措施。部分学者也针对城市地下市政水管道存在的问题展开了研究，并提出合理的修补措施与方案，有效降低了水资源在运输过程中的损耗量[6- 7]。

目前，针对城市市政水资源智慧化建设的研究较少，本文依托于广东省广州市某区供水系统改造工程提出建设城市地下管道取用水智慧化监控-反馈平台并验证了其应用效果。研究成果为我国城市市政水利工程建设提供了一定借鉴作用。

2 区域用水现状

本次研究依托于2020年广东省广州市某区供水系统整治改造工程。本次研究的主要研究对象为该地区市政水年消耗量在50万m3以上的管道式取用水用户，并对这些水资源高消耗用户取用水量进行实时监控。根据调查结果，对于水资源高消耗用户，其蓄水池均在2～6个之间，且每个蓄水池需要接出3根供水管道并安装流量计。根据调查结果，目前该区供水系统主要存在的问题如下：

(1)设施陈旧、损伤甚至破坏，无法实现对地区内所有水资源高消耗用户取用水量进行全面、精准的监控和高效管理。

(2)管理松散、无制度，无法精确判断系统内流量计数据是否准确、数据是否被篡改、设备是否被破坏。

(3)缺乏对用户用水的有效监管，可能存在谎报数据等问题。

综上所述，为实现提升城市市政水资源利用效率、合理解决地下管道式取用水存在的问题，建设全面、精准、高效的城市地下市政管道取用水智慧化监控-反馈平台十分必要。

3 智慧化取用水监控平台建设

3.1 整体结构设计

城市地下市政管道取用水智慧化监控-反馈平台整体结构主要由3个部分组成，即，节点监测网、数据传输系统及监控中心。其中，节点监测网得主要功能为负责现场监测数据的监控、采集与记录，数据传输系统的主要功能为数据汇集、反馈与网络化，监控中心的主要功能为负责数据的筛选处理、问题分析即数据存储记录工作。城市地下市政管道取用水智慧化监控-反馈平台的组成与运作流程如图1所示，由图1可知，基于供水系统现场节点传感器监测网，实现了对供水系统水资源流向与使用量的全面监测与数据记录，之后通过数据传输系统(GPRS-Internet)将汇总数据传输到监控中心进行筛选、分析处理后，再通过局域网反馈到区域水务局等单位进行分析处理相关问题。综上可见，基于城市地下市政管道取用水智慧化监控-反馈平台，能收实现城市地下管道水资源取用全面监控并及时处理相关问题。

图1 智慧化监控-反馈平台整体结构设计

3.2 节点监测网构建

ZigBee网络拓扑技术有三种拓扑结构，即，星型结构、树型结构即网状型结构[8- 10]。对于星型结构，其要求终端节点处与一定的通信范围内，因此局限性较大，不适于在城市全面展开监测点布置工作；对于树型结构，其虽能够满足系统组网要求，但动态性较差，不能及时、高效反馈问题，且容易出现高阶节点破坏则整体数据缺失的问题。网状型结构则能够克服上述问题，且结构设计更加合理。基于ZigBee网络拓扑结构技术实现节点监测网构建，某大型取水用户取用水节点监测网构建结果如图2所示。由图2可知，该节点监测网是在原基础上增加了多个传感器节点和路由器节点即一个汇聚节点，从而构建了包含24个传感器节点、13个路由节点以及一个汇聚节点的完整的节点监测网。在用户进行取用水过程中，传感器节点对各管道的水流量和时间进行准确监测记录并传输到最近的路由器节点，多个路由器节点再次集到节点网络的汇聚节点。

图2 供水系统节点监测结构网示意图

3.3 数据传输系统

数据传输系统如图3所示。该系统采用公共固定IP接入Internet的组网方式，当监控中心需要调取某监测点数据时，首先通过SMS功能向监控点发送网络短消息后，监控点GPRS模块主动连接到监控中心并反馈数据。基于“公共固定IP + Internet”的组网方式，能够准确、高效的获取监测点数据并分析其存在的问题。

图3 数据传输系统

3.4 监控中心设计

监控中心主要负责接收各监测点遥测的各种要素信息。所有信息经处理后，再由其它应用系统使用。现场监测到的信息通过汇集与运维系统进行整合分析，同时将收集到数据的时间及整合分析的结果存入数据库，最后在数据率内对数据进行整理和保存。监测到的取用水信息通过水利部门的政务外网和移动型GPRS网进行传输。按照不同取水用户得到的监测点信息的不同等级，可分为普通和加密两种类型。基于监控中心的数据处理分析功能，实现了监测点的问题反馈与及时解决机制，实现了市政水利管网运输效率提高效应。

4 应用效果分析

选取2020年1—11月时间段内3个用户月用水数据进行分析，得到广东省广州市某区供水系统工程改造应用效果如图4所示。由图4可知，2020年1—3月，用户A、B、C的单月平均用水量分别为6.90万、11.35万、14.42万m3，而在2020年3月之后，由于气温回升导致区域用户用水量逐步上升，到5月改造前用户的月用水量分别达到7.11万、11.68万、14.86万m3，分别相对提升3.00%、2.89%和5.22%。在2020年5—6月区域供水系统工程改造工程完成后，用户A、B、C的单月用水量分别降低到6.36万、10.68万、12.53万m3，相较于5月分别降低10.56%、8.57%、15.70%，工程改造效益明显。

图4 广东省广州市某区供水系统工程改造应用效果

为排除气候对用水量的影响，调查选取2019年和2020年6—11月用户A、B、C用水数据，进一步对比不同年份内同月份用户用水量。由表1可知，对比2019、2020年6—11月内用户A、B、C的用水量产生了明显的降低。以每年用水量最大的8月为例，该月用户A、B、C在2019年的用水量分别为8.25万、12.35万、16.75万m3，2020年则分别相对下降28.61%、21.54%、30.63%。2020年6—11月用户A、B、C平均用水量分别为5.89万、9.80万、11.63万m3，平均用水较2019年分别下降23.42%、16.66%、26.32%。由此可见，城市地下市政管道取用水智慧化监控-反馈平台具有明显的水资源利用效率提升作用。

表1 2019、2020年6—11月用户用水量对比 单位：万m3

5 结论

本文系统研究了城市地下市政管道取用水智慧化监控-反馈平台的建设及应用，得出主要结论如下：

(1)基于ZigBee网络拓扑技术和“公共固定IP + Internet”的组网方式，构建了城市地下市政管道取用水智慧化监控-反馈平台，其整体结构主要由节点监测网、数据传输系统及监控中心3个部分组成，具有监测准、效率高、反馈快等特点。

(2) 应用城市地下市政管道取用水智慧化监控-反馈平台后区域水资源利用率提升效果明显，2020年6月改造前后市政水使用量分别降低10.56%、8.57% 、15.70%，改造后相较与2019年同月份内水资源使用量平均降低22.10%。