刘黎明、苗子昂
株洲市水务投资集团有限公司 湖南株洲 412000
【摘要】针对株洲县5.02分区的产销差过高这一难点问题，株洲水务集团采用基于“云平台+NB-Iot物联网+智慧水务”的产销差建管模式，使产销差降低了28.03%。
【关键词】产销差控制；智慧水务；物联网
一、实施背景
2016年，株洲县5.02分区产销差高达46%，和市区低于20%的产销差水平相比差距明显。株洲水务集团成立产销差控制项目组，采用基于“云平台+NB-Iot物联网+智慧水务”的产销差建管模式，对5.02分区内的管网漏损进行有效控制。
项目组从硬件研发、软件开发、工程应用、产销差管理等方面展开工作，创新性的提出了“以管网管理为基础，以DMA分区、压力管理为核心，以水表管理、计量管理、用水管理为重点，以大数据、云计算、数据高频采集、数据在线分析为手段”的产销差技术路线，建立了一套完整的的智慧管网漏损控制系统。
二、智慧管网漏损控制系统
智慧管网漏损控制系统的框架如图所示，整个系统分为三大部分：数据采集层、数据管理层、综合应用层。数据采集层由基于NB-IOT窄带物联技术的智能水表、流量远传、压力传感监控、泵房监控等硬件设备组成；数据管理层为自主建设的数据中心，起到数据接收、交换、分析、存储的作用；综合应用层由和硬件设备配套的产销差管理、泵房管理等软件版块组成。
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1.数据采集层（硬件设备）
数据采集层由一系列自主研发的硬件产品和远传模块组成，产品均采用NB-Iot窄带物联技术，最大限度的保证了数据的准确性和稳定性，在性能和使用方面都有不同程度的创新。株洲水务集团与其他单位联合开发了4款硬件产品用于管网、泵房等各种监测数据采集，具有广覆盖、大连接、低功耗、低成本的特点。
（1）管网数据采集模块：主要用于管网流量/压力数据采集
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（2）压力远传模块：同时具有采集与远传数据功能，主要用于管网压力采集、监控和远传
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（3）泵房监控模块：同时具有采集多种数据模式，处理并上传至平台的能力
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（4）物联网水表：主要用于户表计量
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2.数据管理层（数据中心）
作为智慧管网漏损控制系统的中间层部分，各种数据源通过逻辑节点所配置的服务，存储到对应的数据仓储中，并将数据服务化，制定统一服务标准，提供各种服务接口，允许市面绝大多数据服务的接入；快速分配服务访问权限，对整个访问进行监控和管理。数据中心的架构见下图所示。
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3.综合应用层（软件版块）
作为智慧管网漏损控制系统的上层部分，综合应用层由产销差管理和泵房管理板块，均包含对应的App应用和PC端应用。
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App具有管网设备（流量、压力、泵房等）绑定，设备故障维护，设备曲线展示及基础数据分析等功能。PC端能根据需要采集设备基础数据，进行数据深度分析，实现DMA分区管理、压力管理、泵房能耗分析、水泵运行效率评估等，并在发生错误时及时报警。
三、产品工程应用
项目组在株洲县地区一共布设了279个设备点，其中包含33个流量点，18个压力点，1个泵房点，227个水表点。
1.流量点布控
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从流量计的远传方式来看，机械表脉冲改造+远传的设备点数占多数。一般来说，水厂、加压站等有市电且流量检测设备为流量计的地方采用有源远传模块实现数据采集；无市电且流量检测设备为流量计的地方采用无源远传模块实现数据采集；无市电且流量监测设备为大口径考核表地方采用机械表脉冲改造+远传的方式实现数据采集。
2.压力点布控
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从压力点的远传方式来看，一般来说，水厂、加压站等有市电供电的区域采用压力变送器+远传实现压力数据采集；无市电的地方采用压力远传模块实现压力数据采集。
3.泵房点布控
在完成初步筛选、现场摸排、布控方案编制、二次现场查勘、布控准备工作之后，项目组选择了某泵房作为试点改造泵房，通过修改PLC程序，完成泵房数据和采集模块的对接，实现泵房数据的远传。
4.水表布控
从2017年9月开始，株洲水务集团提供30块第一代物联远传水表给县水司，先后在抄表困难的区域（深井、野外、无法开锁的居民用户等）试装了27块水表，抄表员利用水表管理App抄读水表数据一年有余，数据上传正常。因效果较好，后续又安装了200块第二代物联远传水表。
四、系统创新点
1.售水量改进算法
为了能够更好的统计分区的抄表水量，项目组直接从营业收费系统中通过接口同步过来了最真实的抄表数据，保证了数据的准确性，同时为了克服单双月抄表水量差异的问题，优化了抄表水量的计算，具体的抄表水量优化算法如下：
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售水量优化算法
该创新优化算法可以有效的减少抄表单双月对售水量的影响，使得当月售水量趋近于真实值，便于工作人员进行产销差核算与控制。
2.夜间最小流量改进算法
项目组改进了夜间最小流量算法，有效的解决了分区边界流量计上报时间错开的问题，同时规避压力对流量的影响。
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从以上算法可以看出，和普通的夜间最小流量算法有些区别，具体的创新之处有2点：
1.对于分区有多个流入/流出的流量设备的时候，由于数据的采集时间不在同一个时间点上，因此会出现错开的情况，因此算法中对夜间最小流量时间的取值段进行了差值和拟合，将流量数据算到了每分钟，保证这些数据在时间点上吻合，从而进行分区流量计算，克服了采集时间不同带来的问题。
2.由于部分分区流入/流出流量设备位于区域加压站或者水厂，当水泵启停的瞬间，会造成该设备点的流量突变，同时压力突变，在这个瞬间计算的分区流量是不准确的，为了避免这个情况，加入了压力压力/流量突变检测机制，避免在这种情况下计算夜间最小流量从而对分析造成误导。
3.管理评价体系建立
（1）夜间最小流量评价体系
夜间最小流量正常值与区间一直没有一个合理的标准，在理论和实际经验的支撑下，项目组引入了最低可达到的夜间最小流量的计算公式：
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上述公式中：
LMNF——夜间最小流量评价值（L/s）
L1——铸铁管管长（km）
L2——非铸铁管管长（km）
N——用户数量（千户）
A——按管长加权的平均管龄（年）
P——夜间压力（m,1m=0.01MPa）
以式中的LMNF作为分区夜间最小流量的评价指标，因为相比于国际通用的相关指标，其拥有理论和国内实践基础，同时具备一定的可实现性。
（2）漏损评价体系
目前在漏损评价体系中，国际通用的漏损评价指标就是供水管网漏失指数（ILI），其计算方式如下：
ILI=CARL/UARL （4-2）
UARL=(18Lm+25Lp+0.8Nc)×P （4-3）
式中：
CARL——管网当前物理漏失总量（L/d），其数值可通过水平衡分析得到
UARL——不可避免的物理漏失量，L/d
Lm——管网干线长度，km
Lp——户线长度，km
Nc——用户连接数
P——管网平均压力
但是这个公式有一定的局限性。首先，其适用条件为:用户连接数(Nc)＞5000，每1km管网干线上的连接数＞20，以及管网平均压力＞25m(1m=10kPa)。其次，在计算不可避免物理漏失时，没有考虑管材和管龄的影响，这对于管网老旧、管材质量差的水司来说，计算出的ILI值自然就会偏大，因此，在使用ILI值评价管网漏失管理水平时，对于老旧管网、管材较差管网来说就会有失公平。另外由于该公式对于部分指标要求比较严格，从县水司的现状来看，提供这些指标的准确数据难度较大。
为了能够在县水司建立漏损评价体系，项目组决定引入“管网漏损指数（WLI）”这个指标到智慧管网漏损控制系统中来，其计算公式如下：
WLI=Qcw1/Qsw1 （4-4）
Qsw1=0.67L75+3.21N （4-5）
式中：
Qcw1——当前管网漏损量，104m3/年
Qsw1——基准管网漏损量，104m3/年
L75——管径在75mm以上的管道总长（km）
N——水表总数（千具）
管网漏损指数WLI用来代替ILI供水管网漏失指数，更具有可实施性，并且WLI符合国家管网漏损的标准，经过《城市供水统计年鉴》2008-2013年共2509条有效记录的验证。
五、实施效果
（1）产品工程应用方面，完成33个流量点、18个压力点的布控，设备故障率小于5%，设备一次抄读成功率98.5%，日抄读成功率100%，抄读总差错率0%，符合要求。
（2）完成数据中心的部署，数据中心日处理数据量在100万条以上，数据中心同营业收费系统、远传表系统的接口正常，未出现数据丢失和错误的情况。
（3）产销差管理软件和泵房管理软件已部署，可以进行数据监控、分区分析、泵房评估、报表导出等功能。
（4）DMA管理方面，通过DMA分区夜间最小流量管理和监控，在5.02分区一共发现28次新增漏点，每个月节省28900.8m3的水量。（5）水量管理方面，对比2017年数据，5.02分区2018年售水量同比上涨7.67%，株洲县5分区2018年售水量同比上涨15.23%。
（6）在消防管理方面，项目组提出消防加密和环卫定点取水方案，株洲县已完成110余台消防栓加密，每天节约的水量约为1000m3。
（7）株洲县5.02分区产销差从2017年8月份的51.9%下降到2018年9月的23.87%，降低了28.03%，效果显著。
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六、总结
株洲水务集团建立了一套智慧管网漏损控制系统，硬件方面开发了基于NB-IOT窄带物联技术的智能水表、远传模块、监控模块等设备；软件方面开发了与硬件配套的管网监控、水表管理、产销差管理等软件，并且完成了售水量、夜间最小流量、漏损评价算法方面的创新，用以指导产销差日常管理工作。该系统在株洲县成功应用，5.02分区产销差降低了28.03%，效果显著。通过智慧水务硬件、软件的自主研发以及对供水管网运行状况进行全面智慧化监控管理，进而形成了一套可复制、可推广的基于“云平台+NB-Iot物联网+智慧水务”的产销差建管模式。
参考文献：
[1]CJJ 92-2016 城镇供水管网漏损控制及评定标准.
[2]杨高锋.城镇供水系统中产销差分析之软件管理方案[J].建设科技,2017
[3]舒诗湖.供水企业产销差管理的技术策略[J].给水排水,2015:105-107