智慧水務(wù)感知系統建設的關(guān)鍵技術(shù)研究與應用

時(shí)間：2024/03/19

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1. 智慧水務(wù)的概述

       智慧城市是基于數字化、物聯(lián)網(wǎng)和云計算建立的現實(shí)世界與數字世界的融合，以實(shí)現對人和物的感知，控制和智能服務(wù)，促進(jìn)人與自然和諧、可持續的成長(cháng)[5]。近些年，智慧城市的蓬勃發(fā)展帶動(dòng)了智慧水務(wù)的研究探索、開(kāi)發(fā)應用以及突飛猛進(jìn)。

       智慧水務(wù)是水務(wù)信息化的高級發(fā)展階段，它是以水務(wù)信息基礎設施為基礎，結合云計算、大數據、水務(wù)模型、數字孿生等技術(shù)，通過(guò)感知系統的全面布設，實(shí)時(shí)感知城鎮水務(wù)各個(gè)部件的空間分布以及運行狀況，并通過(guò)可視化的方式再現[1]。智慧水務(wù)平臺之所以可以實(shí)現“智慧”的效果，其智慧是建立在統一的數據中心前提下，對感知層獲得的大量數據進(jìn)行篩選、分析、組合，經(jīng)過(guò)處理后的數據再結合相應的業(yè)務(wù)算法、水務(wù)模型，應用到水務(wù)系統的軟件平臺上進(jìn)行自學(xué)習，從而起到“預警預報”的作用，發(fā)揮水務(wù)平臺“大腦”的作用，實(shí)現城市水系統更加精細化、動(dòng)態(tài)化、智能化的管理[2]。

因此，感知數據的獲取是智慧水務(wù)建設中不可或缺的一環(huán)。系統通過(guò)海量數據的獲取實(shí)現分析預測以及有效管理水資源，從而有效的管理城市水環(huán)境、疏導城市雨污管網(wǎng)，實(shí)現水務(wù)管理協(xié)同化和水資源利用高效化?，F階段，智慧水務(wù)仍處于構建傳感器的初級階段，大多數智慧城市建設的傳感器數量遠無(wú)法執行智慧化操作[3]。而監控和傳感器設備的建設數量不足，會(huì )直接導致智慧水務(wù)無(wú)法運行，智慧化建設成為空中樓閣，成為“曬太陽(yáng)”工程。


1.1 智慧水務(wù)通用架構

智慧水務(wù)系統典型架構自下而上為：基礎設施、感知層、網(wǎng)絡(luò )層、平臺層（包括三維平臺、模型平臺等）、業(yè)務(wù)應用系統、展現層等。

  （1）感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構的基礎，通常是在已有的基礎設施基礎上，實(shí)現各種水務(wù)的感知數據如水位監測、水量監測、水質(zhì)監測、視頻等數據的采集和接入，從而實(shí)現對設計的整個(gè)區域的運行及相關(guān)監測信息的全面感知。

  （2）網(wǎng)絡(luò )層一般是通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )（4G/5G/光纖）與互聯(lián)網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò )體系，兼容多種網(wǎng)絡(luò )方案，保證數據傳輸的可靠性。通常利用已建的通信網(wǎng)絡(luò )和基礎運行保障環(huán)境，實(shí)現設施遠程統一控制、統一視頻監控、系統運行及數據存儲和大屏展示。

  （3）應用支撐平臺一般是構建數據服務(wù)，如數據接入、數據集成、數據治理、數據服務(wù)以及數據庫體系。實(shí)現數據的統一入庫存儲管理、匯集、數據維護更新等。提供支撐服務(wù)，如業(yè)務(wù)、中間件、物聯(lián)網(wǎng)、監測預警、信息安全、GIS、數字底板、視頻接入等。通常智慧水務(wù)還有各類(lèi)水務(wù)模型如管網(wǎng)模型、調度模型、擴散模型、模型率定以及模型管理等。

 （4）業(yè)務(wù)應用系統通常是將項目需求結合數字孿生、機理模型、數據挖掘等技術(shù)手段，增強水務(wù)設施管理能力，提供智能預警和輔助決策，為科學(xué)制定決策提供支持和依據，提高公共服務(wù)水平。

 （5）展現層應用各種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)成果的發(fā)布展示，通常包括大屏端、PC端和移動(dòng)端。

 （6）體系通常包括統一安全方案、統一管理運維以及網(wǎng)絡(luò )安全體系和保障體系。

1.2 智慧水務(wù)感知層基本性能

智慧水務(wù)平臺是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把供排水過(guò)程中的各種智能傳感器連接起來(lái)形成水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現水務(wù)的過(guò)程監管、調度以及控制。傳感器是智慧水務(wù)的關(guān)鍵部件和底層技術(shù)，通過(guò)大量部署傳感器，可以實(shí)現對人、物、生產(chǎn)流程以及環(huán)境等各個(gè)環(huán)境的數據采集，為大數據的智慧分析和決策提供第一手有效信息，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎和核心。智慧水務(wù)傳感器應具有系統化、集成化、微型化等特點(diǎn)。智慧水務(wù)傳感器應具備以下基本性能：

（1）應具有實(shí)時(shí)傳輸數字信號的性能；

（2）應具備較好的準確度性能；

（3）應具備較好的線(xiàn)性度；

（4）應具備較好的靈敏度；

（5）應具備便于運維等性能。


2 水務(wù)數字化感知范圍

智慧水務(wù)一體化通常涵蓋水源地、水廠(chǎng)制水、供水配水、用水、排水、排水管網(wǎng)、污水處理等部件的全價(jià)值鏈設計。通過(guò)全面和大量的布設感知層傳感器，從而保證供排水全周期運行監測，提高事故應急處理能力，將各項資源全面整合利用，實(shí)現供排水各個(gè)環(huán)節聯(lián)動(dòng)作業(yè).

智慧水務(wù)的感知層根據場(chǎng)景不同，包括幾十種不同類(lèi)型的傳感器設備，由于在不同的應用及業(yè)務(wù)領(lǐng)域，需要監測的指標不同，因此涉及到的傳感器也有所不同。


2.1 水流量

其中管網(wǎng)流量計主要是安裝在雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)、雨污混流管網(wǎng)的檢查井里的流量監測，由于檢查井里經(jīng)常出現非滿(mǎn)管的狀態(tài)，管網(wǎng)流量計的傳感器多為超聲波多普勒流量計、超聲波時(shí)差法流量計等。明渠流量計主要有巴歇爾槽、超聲波、多普勒以及超聲波時(shí)差法等。管道式流量計主要是用于測量管道中流體流量的儀表，主要為電磁式和超聲波管道式。流量開(kāi)關(guān)是將水流量信號轉換為開(kāi)關(guān)量信號的傳感器，水環(huán)境場(chǎng)景主要用在雨污排口來(lái)檢測是否有水流量通過(guò)，該傳感器通常用于監測排污口是否有偷排等現象。


2.2 水位

水位計主要用來(lái)監測河流、湖泊、灌渠、管網(wǎng)等各類(lèi)水體水位的傳感器，按照傳感器原理可分為浮子式、氣泡式、壓力式和聲波式。


2.3 水質(zhì)

在水清岸綠的大環(huán)境下，水質(zhì)監測傳感器設備越來(lái)越重要，成為水清岸綠大環(huán)境里的“眼睛”。對于不同的監測原理而不同應用領(lǐng)域對水質(zhì)監測設備的選擇也不一樣。這里的選擇依據包括監測指標、監測原理、應用場(chǎng)景等。

水質(zhì)監測從大類(lèi)來(lái)說(shuō)，可以分成兩種類(lèi)型，一種為水質(zhì)傳感器，原理主要采用光學(xué)、電化學(xué)等方法，體積小，可以實(shí)時(shí)傳輸，不需要消耗試劑。另一種為化學(xué)法水質(zhì)監測設備，原理主要采用自動(dòng)的化學(xué)反應來(lái)實(shí)現在線(xiàn)監測的目的，具有準確度高，可靠性好等特點(diǎn)。但是體積較大，且消耗試劑，無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸，需要頻繁的更換試劑和運維工作等缺點(diǎn)。

如圖2所示，根據應用領(lǐng)域和使用場(chǎng)景的不同，水質(zhì)監測的指標和產(chǎn)品選擇也不盡相同。在供配水等場(chǎng)景里，以水質(zhì)基本指標如低濁、電導率、PH、ORP等為主。而在水環(huán)境以及排水環(huán)境里，以監測污染物指標為主。


2.4 水安全

在一些水利工程如水庫、大壩、灌渠等場(chǎng)景里，安全隱患會(huì )造成人民財產(chǎn)的巨大損失。水利工程設施通常需要安裝大量的安全傳感器，確保水利設施安全監測到位，發(fā)揮其社會(huì )效益。因此，涉及到各類(lèi)水安全的傳感器如：測位移類(lèi)、測力類(lèi)及輔助類(lèi)傳感器等。



3. 水務(wù)數字化感知技術(shù)的難點(diǎn)與前景

3.1 水務(wù)感知層的行業(yè)痛點(diǎn)

智慧水務(wù)和智慧城市的本質(zhì)都在于先有全面透徹的感知系統，并在感知系統上形成互聯(lián)互通，深度學(xué)習及融合，從而促進(jìn)各個(gè)業(yè)務(wù)系統直接的資源共享、互聯(lián)合作及只能服務(wù)等。智慧水務(wù)兼具感知和思考的智慧化管理能力，將是未來(lái)真正需要的前進(jìn)方向，智慧城市的發(fā)展，需要朝著(zhù)更泛在、更動(dòng)態(tài)的感知方向縱深發(fā)展。近年來(lái)，隨著(zhù)智慧水務(wù)的深入，水行業(yè)傳感器也在經(jīng)歷著(zhù)從傳統的設備型向傳感型發(fā)展。即：傳統水行業(yè)傳感器是以傳感器結合變送器、儀表、取水配水設備等集成化設備監測，而新型水行業(yè)傳感器則是一款傳感器集成多種功能，實(shí)現傳感器直接監測。因此，水行業(yè)傳感器正在想著(zhù)小型化、集成化、網(wǎng)絡(luò )化、低成本化的方向發(fā)展。傳感器技術(shù)融合了多個(gè)學(xué)科，可以則是直接是21世紀新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)。

但目前水質(zhì)傳感器也存在一些痛點(diǎn)，成為行業(yè)發(fā)展的“卡脖子”點(diǎn)：

（1）無(wú)法實(shí)現全指標覆蓋，品種、規格、系列不全，就水質(zhì)指標而言，目前國家標準里的水質(zhì)檢測指標有106種，其中,42項為常規水質(zhì)監測指標,64項為非常規水質(zhì)監測指標。而用傳感器能實(shí)現的指標不到20種，而這些傳感器的規格和系列也不全。

（2）水行業(yè)傳感器的行業(yè)基礎能力較弱，這里涉及到多種學(xué)科的技術(shù)，大多數水行業(yè)傳感器采用電化學(xué)原理，例如智慧水務(wù)中主流的氨氮傳感器，通常選用銨離子膜技術(shù)，雖然成本較低，且測試安裝簡(jiǎn)便，但是銨離子膜比較容易受到水體的鉀離子、有機物等物質(zhì)的干擾，且銨離子膜目前壽命較短，是離子膜行業(yè)里急需攻克的一個(gè)難點(diǎn)。

（3）水行業(yè)傳感器種類(lèi)較多，但是有一些共性技術(shù)仍未攻克，例如離子膜壽命問(wèn)題、傳感器的封裝問(wèn)題、供電問(wèn)題等。

（4）目前，水行業(yè)傳感器尚未形成系列產(chǎn)品，沒(méi)有一個(gè)標準的統一的接口。而傳感器的性能如量程、精度、穩定性等也尚未形成統一的標準。

（5）在產(chǎn)業(yè)鏈中，尚未形成完整的閉環(huán)應用。當前傳感器的品種、系列以及性能尚未完全解決市場(chǎng)的需求，需要持續的打通傳感器、大數據、人工智能等鏈路，充分發(fā)揮感知末梢的“神經(jīng)元”功能。


3.2 水務(wù)感知層的行業(yè)前景

在大數據、人工智能高速發(fā)展的時(shí)代，智能傳感器是底層技術(shù)和核心基礎，并處于基礎中最重要的地位?！拔锫?lián)網(wǎng)”、“大數據”、“數字孿生”、“人工智能”等，其實(shí)這些趨勢是相互影響、相互制約、相互聯(lián)系的。但是，實(shí)現的第一步都是要通過(guò)連接設備的傳感器產(chǎn)生海量的數據，使得機器學(xué)習、人工智能變?yōu)榭赡堋?/span>

在國家建設新型智慧城市等基建的宏觀(guān)政策推動(dòng)下，對新型傳感器的需求也快速上升。而傳感器的大量使用將是傳統制造業(yè)實(shí)現高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇，這為傳感器企業(yè)的發(fā)展提供了前所未有的機會(huì )。

而水務(wù)傳感器是未來(lái)水務(wù)智能的奠基石，水務(wù)傳感器工藝設計到機械、化學(xué)、物理等多個(gè)領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科交叉、技術(shù)密集的品類(lèi)，屬于基礎器件，這樣的產(chǎn)品更能經(jīng)受技術(shù)周期和產(chǎn)業(yè)環(huán)境變化的考驗，具有極強的技術(shù)滲透性和市場(chǎng)應用擴展能力。