园区智慧水务系统建设与运行方法

智慧水务指运用物联网、云计算、大数据、空间地理信息集成等新一代信息技术，实时感知城镇水务系统的运行状态，通过数据分析对水务信息进行及时处理，提供辅助决策支持，形成融合智能感知、智能仿真、智能诊断、智能预警、智能调度、智能处置、智能控制和智能服务的全方位水务系统，从而实现水务系统全流程的科学化、精细化、智能化运行管理[1]。

近年来，随着国家大力实施节水优先战略、加强推动节水型（机关）单位创建，园区智慧水务建设的需求日益增长。然而，当前，我国智慧水务系统的应用与服务领域主要为城镇水务，涵盖水源调度、智慧水厂、智慧管网、海绵城市建设与管理等，全国范围面向封闭式、功能性园区的系统应用案例并不多，如何实现以可持续应用、兑现预期生态经济效益为目标，建设、运行智慧水务系统，尚未形成标准化方法和规模化推广效应。在此背景下，本文基于智慧水务关键技术研究成果及项目实践经验，总结提出了园区智慧水务系统建设与运行方法，为同类系统建设与运行提供借鉴，也为相关的标准编制做好准备。

1 系统建设

1.1 需求目标制定

按照向园区业主单位调研系统实施的目的和物理边界，初步确立系统建设目标。

（1）了解实施目的。一般而言，可包括：提升园区水务健康安全水平、漏水严重亟待查漏修补、创建节水型机关（单位）、智慧园区平台的子系统、水管网改造同步加装计量系统等。

（2）了解实施范围，是整个园区、园区内部分区域，还是拥有多地址的园区，并进一步了解待实施区域的占地面积、建设年代、建筑概况、产权情况等。

1.2 现场踏勘与现状分析

赴园区现场勘查，向园区运营单位、物业单位深入调研，了解园区运行现状。

（1）日常运行规律，包括：日均、月均运行时间，白天、夜间在园人数等。

（2）园区子区域划分、建筑布局及其功能。

（3）供水管网分布走向、总分关系、管道特性（年限、埋深、材质、长度、管径等）；现场施工条件（地面水表井分布、其他工程施工状况等）。

（4）重点用水功能区或设施的分布位置，如：餐饮、浴室、景观绿化、洗车等。

（5）园区用水状况：逐月用水量及是否存在用水趋势异常变化，初步掌握其水资源消费特征及管网漏损严重程度，以决定是否加装电子监听设备以实现对漏损的快速诊断。

（6）智能化与信息化现状：园区局域网建设状况、是否具备数据中心机房、应用程序及数据库部署设备、智慧化系统（如 BAS、EMS、物业管理）建设及历史数据积累状况。

1.3 计量方案设计

基于前期调研结果，规划计量分区、选取计量目标对象、设定安装点位（物理位置、管路标号）、计量分级。除水计量点位外，还需结合业主方针对提升园区用水安全、加强漏损感知的建设需求，布设相应的水压、液位、水质监测点位。

在此基础上，设计者需编制系统建设的“一表两图”，即主材选型表、构建园区水平衡关系结构图和计量分区结构图。

（1）主材选型表。搜集系统的末端感知设备，编制主材选型表，格式见表1。其中，设备类型包含：水表、压力传感器、液位传感器、水质传感器、噪声监听仪等；通信方式指设备与数据采集器或服务器之间的网络连接方式、遵循的通信协议。

表1 主材选型表式

（2）园区水平衡关系结构图。水平衡指在一个确定的用水体系中，其输入体系的水量始终等于输出体系的水量。当园区内所有管路均已纳入计量的前提下，同一时间范围内，园区总进水管路仪表的计量值，应等于各分支管路仪表的计量值之和，如前者大于后者，则怀疑存在管网漏失，如反之，则园区可能还存在其他进水管路，需要重复前序的管路排摸。据此，在方案设计阶段，需构建如图1 样式的水平衡关系结构图。

图1 水平衡关系结构图样式

图1 体现了园区水流分级计量的层次结构以及潜在水平衡差的存在位置。其中每一节点代表一个水计量表具，需对其标注水表编号（体现计量级别和序号）、安装位置、计量目标对象和管道特性（材质、管径等）。通过该图可总览计量表安装结果，为查找漏损提供依据。

（3）计量分区结构图。该结构体现了园区水务系统计量目标对象及其从属关系，为统计园区用水量构成、分析细分功能区用水强度提供支撑。结构图样式如图2 所示。

图2 计量分区结构图样式

之所以需要绘制两张结构图，是由于计量表具的安装位置和其所计量的目标对象不严格一致，比如：表具安装在锅炉房，计量管道为食堂供水，或表具安装在物业用房，但实际计量浴室供水。因此，需要通过两张图将计量对象和安装位置区分开来，分别服务于不同的使用需求。 “一表两图”确立了园区水务系统的建构思路与核心逻辑，其作用对系统预期目标的达成举足轻重。

1.4 通信系统与软件系统设计

（1）通信系统设计。紧密结合园区网络现状，设计设备计量数据自采集、处理、存储的通信链路与网络拓扑架构。一般而言，通信链路包含计量设备、数据采集器、服务器 3 个主要节点，关键节点为数据采集器，为此，需确定设备规格选型，并需考虑与系统各计量设备通信方式的兼容。

（2）软件系统设计。当前，智慧水务软件大多采用产品化封装模式加以推广，即可实现根据系统目标和用户需求，提供可配置菜单。所以，软件系统设计工作转化为对软件功能菜单的选择，而后，由系统敏捷生成一套满足用户要求的可部署软件。同时，如园区具备物业、楼控等信息系统，则可能存在建立接口、共享数据、协同应用、定制开发的可能。

1.5 现场实施

该阶段主要完成设备安装、线缆敷设、数据采集调试、软件部署、系统集成联调等工作。实施前，需与园区物业、其他工程团队充分沟通协同，对必要的进度交叉提前做好计划、采取必要的防控措施，将系统实施可能出现的路面开挖、噪声粉尘等对园区日常运营、室外环境的影响降到最低；实施过程中，需对工程质量、安全、进度开展全面管控，确保建设过程有序推进；实施完成后，需核查设备运行、数据传输、软件功能，对用户开展必要的培训，以确认达到建设目标、满足应用需求。

通过以上智慧水务建设“五步法”，可实现确定需求导向下的精准设计、有序实施、目标达成。

2 系统运行

系统上线后的科学合理运行决定了其可持续“服役生命力”。为此，一方面，需建立常态化运维机制，周期性对数据传输、系统运行的正常状况予以监视、及时处理系统告警；另一方面，需定期开展数据诊断与分析，编制分析报告，为运维和使用单位提供节约、安全运行的指导与策略。

2.1 运维保障

智慧水务系统提供了通信告警、超限告警功能，分别用于发现设备、网络链路故障以及用水超标、管网漏损、水质污染等运行问题。为此，必须建立完善的线下工作机制，对系统告警予以及时处理、闭环，方能确保系统的稳态运行、功能有效发挥。本文以园区运营单位为执行主体，针对两类告警分别建立闭环处理流程，为系统运维保障提供可操作的方案，如图3、图4 所示。

图3 通信故障告警处理流程

图4 数值超限告警处理流程

在系统提出告警时，会同时推送告警发生的物理位置、相关仪表购置维保信息，以便于运营单位开展线下查验维修。需说明的是，不排除因智慧水务系统软件故障而出现假告警，如遇此情况，需提请软件专业团队予以排查修复，但不会影响园区水务正常运行。

2.2 分析报告

园区水务运行分析报告基于系统运行数据，由系统运维或咨询服务单位定期编制，报告期别可为周、月、季、年，短期报告侧重于对数据质量、用水趋势构成的分析，长期报告则需要剖析用水特征、管水薄弱环节及对节约安全优化运行的建议。分析报告可以认为是智慧水务系统的延伸服务。本文以月报为例，讨论月度数据的分析主题与方法。

2.2.1 数据质量评估

数据质量决定了数据分析结果的准确性及应用价值，为此，本文提出水务原始采集日数据质量评估模型，用于从多维度考量数据满足应用的程度，如表2 所示（假设采集频率为 15 min/次，则每仪表每日应采集记录数为 96）。

表2 水务原始采集日数据质量评估模型

而后，按 0.4、0.4、0.2 为 3 个维度的评估得分赋权重，加权平均计算得到日数据质量评估结果（以百分数表示）。重复以上步骤，最终分别求得当月各日的数据评估结果以及月平均值。表征方法见表3。

表3 水务原始采集数据质量评估结果汇总表 单位： %

2.2.2 园区用水分析

该主题主要反映园区当月用水总量、变化趋势及用水强度特征，帮助管理者精细掌握当月用水规律，支持节水潜力发现、节水措施验证，为下月水务运行管理策略提供参考。

（1）日/夜用水分析.考察当月园区各计量点位（6:00-22:00）、（22:00-6:00）的用水构成关系。一般而言，在不涉及季节特征显著变化的单个月内，日夜用水将恒定在一个区间，随工作日、非工作日显现稳定波动范围，如某日的日夜比出现突变，则需要结合园区运行记录、物业工作日志，对当日用水状况异常原因予以溯源，查看是否由于园区开展重要活动、物业检修等行为所致，并在分析报告中予以阐述。

（2）用水功能区对标分析。考察细分用水功能区与《上海市用水定额（试行）》（沪水务〔2019〕1408号）的对标情况，指标包含：办公用水[m³/(人·a)]、职工生活用水[L/(人·d)]、食堂用水[L/(人·餐次)]、浴室用水[L/(人·d)]，分为通用值和先进值两档。通过分析了解本单位节水管理工作水平、量化存在差距。由于各指标的单位不统一，所以报告需根据月度用水量及各功能区的规模进行相应的折算。图5 为园区职工生活用水对标图例。

图5 园区职工生活用水对标图例

由图5 可知，该园区当月职工生活用水强度波动较大，全月中，3 d 用水量大于通用值，12 d 用水量低于先进值，均值为 26.4 L/(人·d)，位于通用值范围，大于先进值 5.6%，节水工作尚有一定的提升空间。

2.2.3 管网漏损诊断

该主题以漏损诊断为目标，采用分级平衡差、夜间最小流量分析法，尽早识别园区管网漏损，防控可能由此导致的浪费及安全问题。

（1）分级水平衡分析。综合考察分级水平衡差及管网噪声监听结果，为园区管理者研判园区漏损状况的存在、严重程度及大致方位提供支撑。管理者据此决策是否应采取进一步的现场增强检漏措施，如相关仪诊断、管道开挖查找等。图6 为园区分级水平衡分析图例。

图6 园区分级水平衡分析图例

图6 体现了园区逐日水平衡差以及噪声监听设备泄漏报警的变化关系。若前者出现突增、而后者亦提示泄漏，则管网漏损的可能性非常大，需尽快采取查漏补漏措施。

（2）夜间最小流量（Minimum Night Flow）分析。分析独立计量区域夜间水量数据，对于探知真实漏损具有重要意义[2]。由于夜间最小流量大部分时段出现在凌晨1：00-5：00，此时，除园区值守者可能的少量用水外无其他用水，如果园区管网存在漏水，则此时间段内的最小用量最接近真实漏损量。采用比值法可实现基于 MNF 的漏损分析，即将夜间测得的最小流量与当日平均时流量比较，如果比值（近似为漏损率）超过某一上限，即可认为该区域管网可能出现异常。

3 结 语

在当前园区智慧水务应用需求持续显现，而相关行业标准尚未形成、工程实施与运维管理缺乏指导的背景下，本文对智慧园区智慧水务系统的建设与运行方法进行了探讨，提出“需求目标制定→现场踏勘与现状分析→计量方案设计→通信与软件系统设计→现场实施”的五步建设法以及对系统运行效益至关重要的计量方案设计“一表两图”；在系统运行阶段，围绕运维保障和数据分析两大任务，设计了对接智慧水务系统异常告警的线下闭环处理流程，以月度运行分析报告为载体，建立了数据质量评估、园区用水分析、管网漏损诊断的模型与方法；同时对噪声在线检漏设备在园区智慧水务中的作用与应用模式进行了讨论。

随着园区智慧水务系统的规模化推广和不断深化应用，相关技术规范的编制实施势在必行。本文成果为标准制定提供了必要的基础支撑与技术准备。