随着全球物联网、移动宽带网络、云计算等信息技术的迅速发展和深入应用, 信息化建设的发展将朝着更高阶段的智慧化迈进。2010年, IBM提出了“智慧的城市”愿景^[1], 认为城市由组织 (人) 、业务 (政务) 、交通、通讯、水和能源6个核心系统组成, 这些系统关系到城市主要功能的不同类型的网络、基础设施和环境, 他们是以一种协作的方式相互衔接。国内对于“智慧城市”的认同和建设也紧随其后, 2012年, 住房和城乡建设部发布了《关于开展国家智慧城市试点工作的通知》, 并分批次公布了国家智慧城市试点名单。

　　 水系统是经济和社会活动的必要公用设施之一, 因此智慧水务建设是智慧城市建设的重要组成部分。并且, 随着城市化进程的不断深化推进, 二次供水在城市供水系统中所占的比重越来越大, 如何实现二次供水的智慧化管控成为水务行业关注的焦点和研究的重点, 本文将结合天津市的管理实践, 就二次供水的智慧化管控进行探讨。

　　 二次供水智慧管控系统分为“感知、分析、执行”3个层面。通过现场信息采集和网络远程传输实时感知二次供水系统的运行状态, 采用可视化的方式有机整合运行管理部门职能, 形成“二次供水物联网”, 将海量供水信息进行及时分析与处理, 并做出相应的处理结果辅助决策建议, 构建“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、智能服务、智能评价”为一体的功能体系, 以更加精细和动态的方式支撑和提升二次供水的规划设计、设备研发、工程施工、运行维护的全过程智慧管理。

　　 天津市二次供水智慧管控系统主要由下位信息采集系统、网络通讯系统和上位监控调度系统3个子系统组成。该系统结构如图1所示。

　　 下位信息采集系统以一处二次供水泵房为单位设置, 称之为监控子站 (终端) 。由数据信息采集系统和视频信息采集监控系统两部分组成, 包括PLC、摄像头、硬盘录像机、路由器、DTU、UPS、信号传感器等。各监测子站可根据二次供水运行管理部门的要求采集的信息主要包括:压力、流量、水质 (余氯、浊度、pH) 、水箱液位、变频泵频率、阀门启闭状态、供电和用电状态、水泵状态、环境状态 (温度、湿度、噪音、照明、空气) 、各类报警信号、积水和排水状态、语音对讲、监控视频、人脸识别等信息。

　　 天津市二次供水智慧管控系统中网络通讯系统分为有线和无线2种方式。

　　 为了实现安全、稳定的数据同步传输, 推荐选择光纤专线连接。在二次供水监控中心选用高速光纤接入服务器, 此服务器设置固定IP, 与下位各个监控子站通过ISP协议通讯, 建立VPN网络, 搭建监控子站与监控中心的VPN专网。

　　 根据二次供水泵房的建设和分布特点, 配套设施不完善以及二次供水改造项目不具备有线网络安装条件或安装开通时间延迟, 可通过无线网络解决数据通讯问题。

　　 上位监控调度系统主要由前置机、操作员站、安防系统服务站、大屏工作站、报表工作站、工程师站、2台数据服务器、网络发布服务器、域控制服务器、交换机及打印机、LED大屏、硬件防火墙等组成。前置机、各工作站、各服务器都通过非屏蔽双绞线连接到交换机上, 组成上位系统以太网络, 对各个监控子站的设备运行数据、环境监测数据、水质监测数据、安防视频图像, 人员权限、巡检考勤等进行实时的监测、分析, 出现信息异常及时采取有效管控措施, 保障二次供水系统的安全、稳定运行。

　　 天津市二次供水智慧管控系统于2009年搭建完成并投入使用, 经过多年的实际运行和提升改进, 各项功能基本趋于完善。截至2016年12月, 已监管二次供水设施798处, 其中数据子站342处, 视频子站456处。已具备运行监控、数据查询、压力分析、流量分析、水质分析、调度指挥和热线服务等多项功能。

　　 泵房子站的工艺界面, 可以实时显示和监控泵房内各种设备上传的实时数据和视频。如图2和图3所示, 可以从监控界面中看到供电状态和供电量、进水和出水管网压力、水泵运行频率和时间、供水量、故障报警实时运行数据信息, 还可通过高清摄像头观察和记录泵房内的实时影像。如监测信号出现异常, 则报警闪烁, 调度员可以及时发现问题, 通过系统的控制菜单实现对远程设备的启停等开关状态进行控制, 及时上报处理。

　　 实时影像保存30天, 数据永久储存, 形成天津市二次供水大数据库, 通过云计算平台对大数据的分析应用, 可以预防和减少故障的发生, 提高运行管理效率, 降低设备运行维护的成本, 保障了城市供水安全。

　　 通过web登陆数据库, 数据库会生成各个设备的历史数据报表、综合运行数据报表, 并分为日报、月报, 如图4所示。报表格式可按照用户要求定制, 进行预览、打印和导出为Excel文档形式或者文本形式, 同时还可以查询子站的相关资料。也可通过拼音和区域查询, 及时找到子站界面, 观察子站实时的数据和曲线。以趋势曲线图的方式显示选中设备的多个参数的瞬时和历史数据。

　　 如果监控过程中出现微小异常, 监控中心上位会第一时间接收到报警, 通过调整使设备恢复正常运转;当发生险情或是出现重大数据波动时, 甚至可以从监控中心对设备进行断电和及时启停泵的处理, 然后派维修人员进行现场检修和维护, 待数据恢复正常后再恢复起泵, 将损失降到最低。图5显示了某小区发生设备故障时的供水压力历史曲线。

　　 从图5中可以看到, 在A点所处的时间发生了故障, 导致供水压力不足, 并持续到B时间点, 到C点基本恢复正常。通过对多起类似故障的统计分析后发现, 在发生长时间压力故障前, 基本会出现小幅度的压力异常波动。在后期的监控维护过程中, 可以抓住这个“小异动”出现的节点进行相应的应急处理, 在第一时间争取到了主动, 将故障影响的范围、时间和程度降到最低, 保障供水的安全稳定, 减少或避免给用户和供水企业自身造成经济损失。

　　 随着社会经济的发展, 人们的生活节奏日益加快, 通过对供水流量的大数据分析, 发现用户的用水习惯已经发生了改变。以某小区的用水量变化情况为例, 如图6所示。

　　 从图6可以看出, 该小区早晨的用水量从5:00开始小幅增加, 6:00开始大幅增加, 直到7:00达到峰值;中午的用水高峰从9:00点开始, 峰值出现在10:00, 11:00下降到谷值, 之后处于小幅度的波动中, 并未在传统的午间11:00~12:00出现用水高峰;晚上的用水量在19:00出现一个“小波峰”, 之后有所下降, 从20:00开始不断增加, 22:00出现最高峰值, 之后大幅度下降, 到23:00时用水量降到低点。其中早晨的峰值用水量与晚上的基本持平。

　　 通过对大数据的分析可以总结出不同区域、不同季节、不同时间段的供水特点和变化趋势, 并将相关参数提供给有关单位和部门, 为技术创新、科技研发、方案设计、城市规划和政策制定等提供强有力的数据支撑。

　　 智慧管控系统引入了水质在线检测系统, 实时检测余氯、浊度、pH等水质指标, 通过云计算平台与国家标准值进行实时比对分析, 一旦发现水质异常, 系统将启动应急预警机制, 避免发生区域性水污染事件。

　　 《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015—2003, 2009年版) 规定:当生活饮用水水池 (箱) 内的贮水48h内不能得到更新时, 应设置水消毒处理装置^[2]。《二次供水工程技术规程》 (CJJ 140—2010) 规定:二次供水设施的水池 (箱) 应设置消毒设备, 消毒设备可选择臭氧发生器、紫外线消毒器和水箱自洁消毒器等^[3]。

　　 大多数消毒设备的消毒时间、消毒量和消毒频次在出厂前已经提前设定完成, 很少或无法根据水中的余氯含量进行动态的设置和调整。

　　 以氯气及游离氯制剂 (游离氯) 为例, 《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 规定:管网末梢水中余量≥0.05mg/L。因每处二次供水设施所处的位置、环境、供水条件等不同, 其余氯值时刻在变化, 某小区二次供水水箱贮水中余氯含量 (2016年6月1~6日) 如图7所示。

　　 由图7可知, 水中余氯含量随着用水量的减少在每天的0:00左右开始逐渐下降, 至5:00左右下降至最低点, 之后随着用水量的增加开始逐渐上升, 至7:00左右恢复到日间正常值。余氯的波谷值约为0.055mg/L, 波峰值约为0.155mg/L, 日间均值约为0.12mg/L。有此可见, 如采用臭氧消毒, 结合臭氧在水中的曝气溶解情况, 在7:00~0:00之间可不进行臭氧投加;在0:00~7:00之间余氯波谷值已接近国家标准最低限值, 应启动臭氧进行强制消毒, 防止水质的恶化。臭氧投加量和投加频次应根据余氯衰减的速率和臭氧溶解的速率进行综合分析计算, 动态调整。

　　 为进一步保障安全稳定供水, 智能管控系统配备了一支专业的巡检维护队伍, 并融入手机客户端GPS实时定位功能, 主要负责子站的巡查、回访和应急处置, 消除影响供水安全的各类隐患。目前已经有121条巡检路线。一旦某处二次供水设施出现故障或接到用户报修热线, 智慧管控系统将第一时间将故障信息和检修建议以短信或客户端通知的形式发送至距离最近的巡检维护人员, 到达现场后将检修信息及时反馈至上位监控调度指挥中心, 以最短的时间修复故障, 恢复正常供水, 实现智慧化运行维护。

　　 另外, 根据各类事件的突发性、重要性、影响程度及范围等因素, 智慧管控系统包含了红、橙、黄、蓝4个等级的应急抢险预案, 并定期组织应急演练, 做到提前预判和防范, 切实保障天津二次供水的安全稳定。例如, 为应对夏季暴雨、冬季寒潮和重大会议活动, 可通过智慧管控系统实现水务、公安、卫生、环保、气象、交通、地质等“涉水”部门的协调联动, 信息共享, 建立应急联动机制, 及时掌握供水情况, 加强监控值守, 采取有效措施, 保障供水安全。

　　 天津市二次供水智慧管控系统设置了供水服务热线平台, 支持电话、网页、微信、微博等多种受理方式, 实现了24h高效便捷服务。热线服务平台的功能主要包括咨询解答、故障报修、任务传派、过程督办、结果审核、用户回访等。对每起热线的要求是:信息准确详实, 快速高效响应。当客服中心接到受理服务时, 会按照报修内容分类办理并限定办结时间, 同时对已办结的受理信息进行回访反馈。

　　 天津市二次供水智慧管控系统的建立和运行实践, 为构建智慧水务探索了新的路径。通过将互联网+、大数据、云计算等新技术与二次供水系统的高效融合, 把原本静止和孤立的数据和信息进行了激活和衔接, 不单是对城镇供水管网压力的提升, 也是对维护管理效率和安全保障能力的提升, 更是对供水的品质和服务的提升, 切实保障了城镇供水“最后一百米”的安全、优质供水。