智慧水务感知系统建设的关键技术研究与应用
时间：2024/03/19
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1. 智慧水务的概述
智慧城市是基于数字化、物联网和云计算建立的现实世界与数字世界的融合，以实现对人和物的感知，控制和智能服务，促进人与自然和谐、可持续的成长[5]。近些年，智慧城市的蓬勃发展带动了智慧水务的研究探索、开发应用以及突飞猛进。
智慧水务是水务信息化的高级发展阶段，它是以水务信息基础设施为基础，结合云计算、大数据、水务模型、数字孪生等技术，通过感知系统的全面布设，实时感知城镇水务各个部件的空间分布以及运行状况，并通过可视化的方式再现[1]。智慧水务平台之所以可以实现“智慧”的效果，其智慧是建立在统一的数据中心前提下，对感知层获得的大量数据进行筛选、分析、组合，经过处理后的数据再结合相应的业务算法、水务模型，应用到水务系统的软件平台上进行自学习，从而起到“预警预报”的作用，发挥水务平台“大脑”的作用，实现城市水系统更加精细化、动态化、智能化的管理[2]。
因此，感知数据的获取是智慧水务建设中不可或缺的一环。系统通过海量数据的获取实现分析预测以及有效管理水资源，从而有效的管理城市水环境、疏导城市雨污管网，实现水务管理协同化和水资源利用高效化。现阶段，智慧水务仍处于构建传感器的初级阶段，大多数智慧城市建设的传感器数量远无法执行智慧化操作[3]。而监控和传感器设备的建设数量不足，会直接导致智慧水务无法运行，智慧化建设成为空中楼阁，成为“晒太阳”工程。
1.1 智慧水务通用架构
智慧水务系统典型架构自下而上为：基础设施、感知层、网络层、平台层（包括三维平台、模型平台等）、业务应用系统、展现层等。
（1）感知层是物联网技术架构的基础，通常是在已有的基础设施基础上，实现各种水务的感知数据如水位监测、水量监测、水质监测、视频等数据的采集和接入，从而实现对设计的整个区域的运行及相关监测信息的全面感知。
（2）网络层一般是通过移动网络（4G/5G/光纤）与互联网融合的网络体系，兼容多种网络方案，保证数据传输的可靠性。通常利用已建的通信网络和基础运行保障环境，实现设施远程统一控制、统一视频监控、系统运行及数据存储和大屏展示。
（3）应用支撑平台一般是构建数据服务，如数据接入、数据集成、数据治理、数据服务以及数据库体系。实现数据的统一入库存储管理、汇集、数据维护更新等。提供支撑服务，如业务、中间件、物联网、监测预警、信息安全、GIS、数字底板、视频接入等。通常智慧水务还有各类水务模型如管网模型、调度模型、扩散模型、模型率定以及模型管理等。
（4）业务应用系统通常是将项目需求结合数字孪生、机理模型、数据挖掘等技术手段，增强水务设施管理能力，提供智能预警和辅助决策，为科学制定决策提供支持和依据，提高公共服务水平。
（5）展现层应用各种先进技术进行业务成果的发布展示，通常包括大屏端、PC端和移动端。
（6）体系通常包括统一安全方案、统一管理运维以及网络安全体系和保障体系。
1.2 智慧水务感知层基本性能
智慧水务平台是通过互联网把供排水过程中的各种智能传感器连接起来形成水务物联网，从而实现水务的过程监管、调度以及控制。传感器是智慧水务的关键部件和底层技术，通过大量部署传感器，可以实现对人、物、生产流程以及环境等各个环境的数据采集，为大数据的智慧分析和决策提供第一手有效信息，是物联网的基础和核心。智慧水务传感器应具有系统化、集成化、微型化等特点。智慧水务传感器应具备以下基本性能：
（1）应具有实时传输数字信号的性能；
（2）应具备较好的准确度性能；
（3）应具备较好的线性度；
（4）应具备较好的灵敏度；
（5）应具备便于运维等性能。
2 水务数字化感知范围
智慧水务一体化通常涵盖水源地、水厂制水、供水配水、用水、排水、排水管网、污水处理等部件的全价值链设计。通过全面和大量的布设感知层传感器，从而保证供排水全周期运行监测，提高事故应急处理能力，将各项资源全面整合利用，实现供排水各个环节联动作业.
智慧水务的感知层根据场景不同，包括几十种不同类型的传感器设备，由于在不同的应用及业务领域，需要监测的指标不同，因此涉及到的传感器也有所不同。
2.1 水流量
其中管网流量计主要是安装在雨水管网、污水管网、雨污混流管网的检查井里的流量监测，由于检查井里经常出现非满管的状态，管网流量计的传感器多为超声波多普勒流量计、超声波时差法流量计等。明渠流量计主要有巴歇尔槽、超声波、多普勒以及超声波时差法等。管道式流量计主要是用于测量管道中流体流量的仪表，主要为电磁式和超声波管道式。流量开关是将水流量信号转换为开关量信号的传感器，水环境场景主要用在雨污排口来检测是否有水流量通过，该传感器通常用于监测排污口是否有偷排等现象。
2.2 水位
水位计主要用来监测河流、湖泊、灌渠、管网等各类水体水位的传感器，按照传感器原理可分为浮子式、气泡式、压力式和声波式。
2.3 水质
在水清岸绿的大环境下，水质监测传感器设备越来越重要，成为水清岸绿大环境里的“眼睛”。对于不同的监测原理而不同应用领域对水质监测设备的选择也不一样。这里的选择依据包括监测指标、监测原理、应用场景等。
水质监测从大类来说，可以分成两种类型，一种为水质传感器，原理主要采用光学、电化学等方法，体积小，可以实时传输，不需要消耗试剂。另一种为化学法水质监测设备，原理主要采用自动的化学反应来实现在线监测的目的，具有准确度高，可靠性好等特点。但是体积较大，且消耗试剂，无法实时传输，需要频繁的更换试剂和运维工作等缺点。
如图2所示，根据应用领域和使用场景的不同，水质监测的指标和产品选择也不尽相同。在供配水等场景里，以水质基本指标如低浊、电导率、PH、ORP等为主。而在水环境以及排水环境里，以监测污染物指标为主。
2.4 水安全
在一些水利工程如水库、大坝、灌渠等场景里，安全隐患会造成人民财产的巨大损失。水利工程设施通常需要安装大量的安全传感器，确保水利设施安全监测到位，发挥其社会效益。因此，涉及到各类水安全的传感器如：测位移类、测力类及辅助类传感器等。
3. 水务数字化感知技术的难点与前景
3.1 水务感知层的行业痛点
智慧水务和智慧城市的本质都在于先有全面透彻的感知系统，并在感知系统上形成互联互通，深度学习及融合，从而促进各个业务系统直接的资源共享、互联合作及只能服务等。智慧水务兼具感知和思考的智慧化管理能力，将是未来真正需要的前进方向，智慧城市的发展，需要朝着更泛在、更动态的感知方向纵深发展。近年来，随着智慧水务的深入，水行业传感器也在经历着从传统的设备型向传感型发展。即：传统水行业传感器是以传感器结合变送器、仪表、取水配水设备等集成化设备监测，而新型水行业传感器则是一款传感器集成多种功能，实现传感器直接监测。因此，水行业传感器正在想着小型化、集成化、网络化、低成本化的方向发展。传感器技术融合了多个学科，可以则是直接是21世纪新的经济增长点。
但目前水质传感器也存在一些痛点，成为行业发展的“卡脖子”点：
（1）无法实现全指标覆盖，品种、规格、系列不全，就水质指标而言，目前国家标准里的水质检测指标有106种，其中,42项为常规水质监测指标,64项为非常规水质监测指标。而用传感器能实现的指标不到20种，而这些传感器的规格和系列也不全。
（2）水行业传感器的行业基础能力较弱，这里涉及到多种学科的技术，大多数水行业传感器采用电化学原理，例如智慧水务中主流的氨氮传感器，通常选用铵离子膜技术，虽然成本较低，且测试安装简便，但是铵离子膜比较容易受到水体的钾离子、有机物等物质的干扰，且铵离子膜目前寿命较短，是离子膜行业里急需攻克的一个难点。
（3）水行业传感器种类较多，但是有一些共性技术仍未攻克，例如离子膜寿命问题、传感器的封装问题、供电问题等。
（4）目前，水行业传感器尚未形成系列产品，没有一个标准的统一的接口。而传感器的性能如量程、精度、稳定性等也尚未形成统一的标准。
（5）在产业链中，尚未形成完整的闭环应用。当前传感器的品种、系列以及性能尚未完全解决市场的需求，需要持续的打通传感器、大数据、人工智能等链路，充分发挥感知末梢的“神经元”功能。
3.2 水务感知层的行业前景
在大数据、人工智能高速发展的时代，智能传感器是底层技术和核心基础，并处于基础中最重要的地位。“物联网”、“大数据”、“数字孪生”、“人工智能”等，其实这些趋势是相互影响、相互制约、相互联系的。但是，实现的第一步都是要通过连接设备的传感器产生海量的数据，使得机器学习、人工智能变为可能。
在国家建设新型智慧城市等基建的宏观政策推动下，对新型传感器的需求也快速上升。而传感器的大量使用将是传统制造业实现高质量发展的必然选择，这为传感器企业的发展提供了前所未有的机会。
而水务传感器是未来水务智能的奠基石，水务传感器工艺设计到机械、化学、物理等多个领域，是一个多学科交叉、技术密集的品类，属于基础器件，这样的产品更能经受技术周期和产业环境变化的考验，具有极强的技术渗透性和市场应用扩展能力。
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