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智慧水務感知系統建設的關鍵技術研究與應用
時間：2024/03/19
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1. 智慧水務的概述
智慧城市是基于數字化、物聯網和云計算建立的現實世界與數字世界的融合，以實現對人和物的感知，控制和智能服務，促進人與自然和諧、可持續的成長[5]。近些年，智慧城市的蓬勃發展帶動了智慧水務的研究探索、開發應用以及突飛猛進。
智慧水務是水務信息化的高級發展階段，它是以水務信息基礎設施為基礎，結合云計算、大數據、水務模型、數字孿生等技術，通過感知系統的全面布設，實時感知城鎮水務各個部件的空間分布以及運行狀況，并通過可視化的方式再現[1]。智慧水務平臺之所以可以實現“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行篩選、分析、組合，經過處理后的數據再結合相應的業務算法、水務模型，應用到水務系統的軟件平臺上進行自學習，從而起到“預警預報”的作用，發揮水務平臺“大腦”的作用，實現城市水系統更加精細化、動態化、智能化的管理[2]。
因此，感知數據的獲取是智慧水務建設中不可或缺的一環。系統通過海量數據的獲取實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境、疏導城市雨污管網，實現水務管理協同化和水資源利用高效化。現階段，智慧水務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，會直接導致智慧水務無法運行，智慧化建設成為空中樓閣，成為“曬太陽”工程。
1.1 智慧水務通用架構
智慧水務系統典型架構自下而上為：基礎設施、感知層、網絡層、平臺層（包括三維平臺、模型平臺等）、業務應用系統、展現層等。
（1）感知層是物聯網技術架構的基礎，通常是在已有的基礎設施基礎上，實現各種水務的感知數據如水位監測、水量監測、水質監測、視頻等數據的采集和接入，從而實現對設計的整個區域的運行及相關監測信息的全面感知。
（2）網絡層一般是通過移動網絡（4G/5G/光纖）與互聯網融合的網絡體系，兼容多種網絡方案，保證數據傳輸的可靠性。通常利用已建的通信網絡和基礎運行保障環境，實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，如數據接入、數據集成、數據治理、數據服務以及數據庫體系。實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，如業務、中間件、物聯網、監測預警、信息安全、GIS、數字底板、視頻接入等。通常智慧水務還有各類水務模型如管網模型、調度模型、擴散模型、模型率定以及模型管理等。
（4）業務應用系統通常是將項目需求結合數字孿生、機理模型、數據挖掘等技術手段，增強水務設施管理能力，提供智能預警和輔助決策，為科學制定決策提供支持和依據，提高公共服務水平。
（5）展現層應用各種先進技術進行業務成果的發布展示，通常包括大屏端、PC端和移動端。
（6）體系通常包括統一安全方案、統一管理運維以及網絡安全體系和保障體系。
1.2 智慧水務感知層基本性能
智慧水務平臺是通過互聯網把供排水過程中的各種智能傳感器連接起來形成水務物聯網，從而實現水務的過程監管、調度以及控制。傳感器是智慧水務的關鍵部件和底層技術，通過大量部署傳感器，可以實現對人、物、生產流程以及環境等各個環境的數據采集，為大數據的智慧分析和決策提供第一手有效信息，是物聯網的基礎和核心。智慧水務傳感器應具有系統化、集成化、微型化等特點。智慧水務傳感器應具備以下基本性能：
（1）應具有實時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 水務數字化感知范圍
智慧水務一體化通常涵蓋水源地、水廠制水、供水配水、用水、排水、排水管網、污水處理等部件的全價值鏈設計。通過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，實現供排水各個環節聯動作業.
智慧水務的感知層根據場景不同，包括幾十種不同類型的傳感器設備，由于在不同的應用及業務領域，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
其中管網流量計主要是安裝在雨水管網、污水管網、雨污混流管網的檢查井里的流量監測，由于檢查井里經常出現非滿管的狀態，管網流量計的傳感器多為超聲波多普勒流量計、超聲波時差法流量計等。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。流量開關是將水流量信號轉換為開關量信號的傳感器，水環境場景主要用在雨污排口來檢測是否有水流量通過，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
水位計主要用來監測河流、湖泊、灌渠、管網等各類水體水位的傳感器，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
在水清岸綠的大環境下，水質監測傳感器設備越來越重要，成為水清岸綠大環境里的“眼睛”。對于不同的監測原理而不同應用領域對水質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、應用場景等。
水質監測從大類來說，可以分成兩種類型，一種為水質傳感器，原理主要采用光學、電化學等方法，體積小，可以實時傳輸，不需要消耗試劑。另一種為化學法水質監測設備，原理主要采用自動的化學反應來實現在線監測的目的，具有準確度高，可靠性好等特點。但是體積較大，且消耗試劑，無法實時傳輸，需要頻繁的更換試劑和運維工作等缺點。
如圖2所示，根據應用領域和使用場景的不同，水質監測的指標和產品選擇也不盡相同。在供配水等場景里，以水質基本指標如低濁、電導率、PH、ORP等為主。而在水環境以及排水環境里，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、灌渠等場景里，安全隱患會造成人民財產的巨大損失。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，發揮其社會效益。因此，涉及到各類水安全的傳感器如：測位移類、測力類及輔助類傳感器等。
3. 水務數字化感知技術的難點與前景
3.1 水務感知層的行業痛點
智慧水務和智慧城市的本質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互通，深度學習及融合，從而促進各個業務系統直接的資源共享、互聯合作及只能服務等。智慧水務兼具感知和思考的智慧化管理能力，將是未來真正需要的前進方向，智慧城市的發展，需要朝著更泛在、更動態的感知方向縱深發展。近年來，隨著智慧水務的深入，水行業傳感器也在經歷著從傳統的設備型向傳感型發展。即：傳統水行業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，而新型水行業傳感器則是一款傳感器集成多種功能，實現傳感器直接監測。因此，水行業傳感器正在想著小型化、集成化、網絡化、低成本化的方向發展。傳感器技術融合了多個學科，可以則是直接是21世紀新的經濟增長點。
但目前水質傳感器也存在一些痛點，成為行業發展的“卡脖子”點：
（1）無法實現全指標覆蓋，品種、規格、系列不全，就水質指標而言，目前國家標準里的水質檢測指標有106種，其中,42項為常規水質監測指標,64項為非常規水質監測指標。而用傳感器能實現的指標不到20種，而這些傳感器的規格和系列也不全。
（2）水行業傳感器的行業基礎能力較弱，這里涉及到多種學科的技術，大多數水行業傳感器采用電化學原理，例如智慧水務中主流的氨氮傳感器，通常選用銨離子膜技術，雖然成本較低，且測試安裝簡便，但是銨離子膜比較容易受到水體的鉀離子、有機物等物質的干擾，且銨離子膜目前壽命較短，是離子膜行業里急需攻克的一個難點。
（3）水行業傳感器種類較多，但是有一些共性技術仍未攻克，例如離子膜壽命問題、傳感器的封裝問題、供電問題等。
（4）目前，水行業傳感器尚未形成系列產品，沒有一個標準的統一的接口。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）在產業鏈中，尚未形成完整的閉環應用。當前傳感器的品種、系列以及性能尚未完全解決市場的需求，需要持續的打通傳感器、大數據、人工智能等鏈路，充分發揮感知末梢的“神經元”功能。
3.2 水務感知層的行業前景
在大數據、人工智能高速發展的時代，智能傳感器是底層技術和核心基礎，并處于基礎中最重要的地位。“物聯網”、“大數據”、“數字孿生”、“人工智能”等，其實這些趨勢是相互影響、相互制約、相互聯系的。但是，實現的第一步都是要通過連接設備的傳感器產生海量的數據，使得機器學習、人工智能變為可能。
在國家建設新型智慧城市等基建的宏觀政策推動下，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實現高質量發展的必然選擇，這為傳感器企業的發展提供了前所未有的機會。
而水務傳感器是未來水務智能的奠基石，水務傳感器工藝設計到機械、化學、物理等多個領域，是一個多學科交叉、技術密集的品類，屬于基礎器件，這樣的產品更能經受技術周期和產業環境變化的考驗，具有極強的技術滲透性和市場應用擴展能力。
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