小口径智能水表在城乡供水一体化工程中的应用

郭国富

（阜南县水利局，安徽 阜阳 236300）

0 引言

城乡供水一体化是指以县域为单位，统一规划、统筹建设，以城市供水管网延伸和规模化供水工程为主，小型集中式供水工程为辅，分散式供水工程为补充的供水工程体系，实现全民覆盖，城乡共享优质供水服务的供水保障模式。城乡供水一体化既是保障农村供水安全的有效途径之一，也是农村供水未来发展的重要趋势。随着大数据、云计算、物联网等先进技术的飞速发展，正推动水利基础设施和城乡供水工程系统与新一代信息技术的紧密融合。为了能够有效保障农村供水，解决供水需求增加与水资源短缺的矛盾，小口径智能水表在推进城乡供水数字化管理中发挥着重要作用，解决了当前城乡供水一体化用水管理薄弱的问题。

在城乡供水工程和管理领域中，小口径智能仪表的应用已成为提高监测效率和工程管理的关键。其通过提供精确的计量和实时数据传输来实现优化工程调度和供水保障这一目标。随着城乡供水工程和水利信息化的迫切需要，小口径智能表的使用占比增加，并且由于其种类繁多且数量庞大的特点，使得抄读和维护工作量增加。与大口径智能仪表相比，小口径智能仪表的类型更多，选型范围更广，需进行细致的选型和应用分析，以确保计量的精准、抄读的准确和数据的及时传输。

随着技术的进步，已逐步开发出多种类型的智能表，如光电直读式、摄像式、脉冲式和电子式，以应对各种监测和计量挑战。此外，数据传输技术的发展，如有线式、LoRa 和NB-IoT，也在持续改进这些设备的性能。本文深入探讨小口径智能表在城乡供水工程中的应用，分析其不同类型的功能和优势，并提出实际应用中的选型建议。

1 小口径智能仪表的主要类型及选型

根据《封闭满管道中水流量的测量—饮用冷水水表和热水水表》（GBT778.1/2/3-2007），该标准把水表分成机械式水表、带电子装置式水表和电子式水表三种类型。随着计量技术、传感技术的不断发展，具有测量准确度高、压损小、数据同步及时等特点的智能表将会成为市场的主流产品，逐步替代传统水表。

1.1 常见的几种小口径水表类型

小口径智能仪表从数据读取（采集）上可分为光电直读式、摄像式、脉冲式和电子式四种，单从数据读取的方式上分别有以下特点。

1.1.1 光电直读式水表

光电直流式电表融合了机械计数和光电技术，主要通过光电直读技术读取水表的字轮数据。该系统由多个用户端水表、一个集中抄表器和一个抄表管理系统组成。每个用户端水表配备了微控制器和数个字轮单元。其中每个字轮单元由机械字轮和若干光发射接收对构成。这些光发射接收对通过独特的正交码序列信号相连，有效减少环境干扰和邻近干扰的影响。

光电直读式水表系统的主要优势在于其高度精确的计量能力和低功耗设计。特别是在不需持续供电的情况下，也能在抄表或调节阀门时正常工作。此外，其支持远程抄表功能，显著提升了抄表效率。

但是，若水表电子部分的制造工艺不够精细，或者电子元件老化，可能会导致密封性能下降，如灌胶密封或热胀冷缩，引发水表电子部分的故障，影响抄表准确性。此外，当前市场上的直读表大多在个位、十位、百位上直接读取信号，而千位数的计算则依赖后台软件，这在实际使用中可能引发问题。其次，气泡干扰和环境光线也影响着读数的准确性。

1.1.2 摄像式水表

摄像式仪表与光电直读仪表一样不改变基表计量性能，只是在数据读取上采用摄像式图片上传。主要通过对图像进行二值化、去噪处理后，再进行识别和校对上传过程，具体见图1。优点是上传图片直观、易安装，分体摄像式可以直接安装在现有普通机械水表上。缺点是如果照片质量不高会造成数据解析困难，摄像式读取数据对于新水表尚可，对于周检水表就存在一定风险。通常的故障是计数器与玻璃罩之间密封不严，引起计数器与玻璃罩之间起雾，拍摄的图片模糊，造成数据无法抄读。摄像式水表工作环境要求字盘无污染。

图1 图像识别算法流程图

1.1.3 脉冲式水表

脉冲式水表的应用已经成为一种主流技术。这种水表通过表盘磁针和干簧管产生并持续发出脉冲信号，然后通过采集器收集这些信号，进行累加、存储，并最终上传数据。由于其技术的成熟和便于推广应用，目前在城乡供水工程已得到广泛采用。

从技术角度分析，在不受外力干扰的条件下，这种方法计数准确且可靠。但在受到磁力攻击时，由于脉冲信号在累加过程中容易受到干扰，如线路通讯中断、断电现象或核心部件的永磁体受磁干扰，可能导致脉冲信号丢失，进而引发数据错误。这不仅影响了水资源的准确计量，也可能对水资源调配造成误判。此外，当发生故障时，需要人工抄读水表并重新输入数据到采集器进行初始化，增加了维护工作的难度和不可预测性。

1.1.4 电子式水表

电子式水表的机械部分只有一个叶轮，没有齿轮叶轮上端带磁性，通过叶轮旋转产生感应信号来电子计数，显示部件为液晶数字显示。优点是结构简单、无齿轮传动、摩擦阻力小；缺点是要克服磁力干扰，管道中铁锈容易吸附在磁性材料上，始动流量要克服磁力。另外因为只有液晶显示部分没有数字计数器，在显示屏损坏或电子部件损坏时给水量计量和收费带来麻烦，容易产生纠纷。如果是远传数据的话，数据可以传到后台，在计量仪表损坏时，后台应有水量数据记录，但这些数据都是滞后的。

1.2 智能水表数据传输方式

数据传输有三种方式：有线式、LoRa 式和NBloT 式。

1.2.1 有线式水表

目前使用的有线水表主要是光电直读类型。优点是每只水表平时不用电，只在抄读数据时用电，单表不存在更换电池问题，所以只要每只水表电子部分正常，传输导线良好，抄表率还是很高的，数据上传费用也低；缺点是如果电子部件性能不稳定会影响抄表率，有线光电直读水表在新楼盘布设容易，在老旧小区安装中存在一定困难。另外还有有线脉冲、有线摄像式水表。

目前城乡供水工程智能表大部分都是采用LoRa和NB-loT 无线传输技术。传输方式如表2 所示。

表1 数据读取（采集）方式对比表

表2 数据传输方式表

1.2.2 LoRa 式

大部分厂家生产的无线远传水表都是以LoRa 式传送信号，优点是成本低，水表之间信号可以自组网，通过采集器、集中器发送信号；缺点是信号不稳定，如果采集器安装位置不合适，会影响数据采集。有些厂家在安装完LoRa 水表后，由于信号不稳定需要不断加装采集器造成二次成本。许多厂家的水表安装在水表间或楼道墙壁上，信号还可以；如果安装在水表井里，信号会受到环境影响，需要加装集中器。理论效果和实际安装的效果有很大差距，若安装无线远传水表，要到使用现场进行实地考察，并采取试装的方式来验证效果。

1.2.3 NB-IoT 式

LoRa 能够解决信号稳定传输的问题无疑是一种好的选择中，但由于种种条件限制，LoRa 在现阶段信号还达不到理想状态。在这种情况下NB-loT 应运而生，以其优点成为今后远传水表的发展趋势。现阶段NB-IOT 受资费高、信号不能全覆盖的影响尚未普及，但是随着信息产业的发展，未来会有所改善。

随着科技的发展，新的计数方式、传输方式不断涌现，有效提升了计量技术水平和计量管理水平。近年来智能水表正逐渐代替普通机械水表，但是这种替代，严格的说只是远程抄读替代了现场人工抄读，基表的计量方式并没有改变，很大程度上还是普通机械水表。电表、气表由于安装条件的先天优越性，输送介质对电子部件影响很小，使智能电表、气表发展及应用迅速。但由于水表的安装环境及输送介质的不同，造成了智能仪表应用中存在的问题较多。

1.3 两种小口径智能仪表类型的选型

1）根据数据采集方式：首选光电直读水表；试装NB 水表，可以采取几家对比试用，降低风险，关注电子及超声水表。

2）根据信号传输方式：首选有线连接集中器上传模式，使用场景信号传输稳定可采用LoRa 方式，条件允许可以安装NB-loT 信号传输水表。

2 基于应用场景的选型原则

2.1 有线和无线的选择

1）户表集中（小区和新建住宅）安装以有线为主。

2）户表较分散（例如别墅、偏远地段），则可以用无线方式（NB-loT）为主。

2.2 新建住宅和老区改造的选型

1）新建住宅布线方便，建议以有线为主，也可选择单元无线。

2）老区改造复杂，建议以无线为主，有条件也可选择单元无线。

2.3 不同环境的选型

1）高层住宅：有线远传表安装在高层管道井内，通过M-BUS 有线方式连接，通过主采集机进行数据上传。

2）多层住宅：NB-loT 单表无线单元一般安装在户外使用，适合分散型住户或者老旧小区改造。如果室内安装，应选择信号较好的小区高层用户管道井。

3 小口径智能水表安装技术要点

1）前后直管段要求。在设计、施工时应考虑此因素，避免前后直管段不符合要求影响计量精度，造成本身水表计量性能没问题，却因安装条件不符合规定导致计量不稳定的情况。就像高层水表慢转、空转问题，是管道设置不合理、压力不稳定、管道内有空气等多种原因造成的，而这种现象通过水表反映出来，但通过查找分析原因后才发现不是水表的原因。因此，建议设计、施工和安装时尽可能按照计量器具安装规范进行，避免在设计、施工和安装过程中埋下影响计量稳定性和精确性的隐患。

2）有线水表的接线应牢固，电缆接头的连接方式用端子压接或者锡焊焊接，最好采用锡焊焊接方式。接头要整齐，不能有毛刺，两个接头不能短路，并用锡焊焊接牢固，确定接触良好并且牢固可靠。

3）无线NB 水表应先测试信号，现场信号满足后进行安装，并进行持续信号观测。

4）定期进行数据复核，核查计量仪表数据与远传数据是否一致，达到抄读便捷、数据准确。

4 结语

随着水资源管理和监测技术的不断发展，小口径智能仪表在这一领域的应用日益凸显其重要性。本文全面分析了光电直读式、摄像式、脉冲式和电子式等不同类型的智能水表，在城乡供水工程中的应用及其各自的优缺点，为城乡供水工程建设和管理提供了有效的技术支持。随着信息技术的创新发展，智能水表将在城乡供水工程中发挥更大的作用