CN117366483A - 基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法及系统，属于供水管网监测领域，在掌握干管、配水管和关键阀门位置等信息的基础上，建立DMA三级分区，对DMA分区内的水压和水量数据进行全空间和全周期的监测；将水压和水量上传至NB‑IoT智慧水务平台，基于最小夜间流量法和进出水量差法两种计算模型，对DMA分区内的供水管网水压和水量进行单因素和耦合分析，并进一步生成管网压力调度计划和漏损控制计划，在降低超压电耗的同时，减少超压造成的管网漏损问题。本发明考虑了水压和水量之间的耦合关系，同时采用两种计算模型进行分析，数据和结论的科学性得以增强。
Description
技术领域
本发明主要涉及供水管网监测技术领域，具体为基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法及系统。
背景技术
随着城镇化发展，我国城市公共供水普及率不断提升，但由于管道的材料与施工、供水超压、地质变化等原因，不少城市依然长期存在供水管网漏损率较高的问题，不合理的产销差也造成巨大的经济损失和资源浪费。
随着低功耗和广域覆盖无线传输技术的快速发展，在物联网水表和水泵等智能硬件基础上，以物联网为代表的数据远传与监控技术在管网漏损领域受到了越来越多的重视。目前采用的较多的是窄带物联网(NB-IoT)、机器长程演进物联网(LTE-M)、远距离无线电广域物联网(LoRaWAN)等技术。NB-IoT因其具有低速率、低成本、覆盖广、通信能力强等优势，目前在供水管网漏损领域的物联网运用中使用最广。
供水管网的水压和漏损水量之间有着直接的且密切的关系，水压不仅影响漏损点的漏损水量，同时还会对新漏点发生的频率造成影响，目前的研究一方面较少考虑水压和水量之间的耦合关系，另一方面较少细化NB-IoT的功能特点，同时在算法上也多采用单一算法，数据和结论的科学性不足。
发明内容
本发明技术方案针对现有技术解决方案过于单一的技术问题，提供了显著不同于现有技术的解决方案，主要提供了一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法及系统，用以解决上述背景技术中提出的现有基于窄带物联网的供水管网监测技术较少考虑水压和水量之间的耦合关系，同时在算法上也多采用单一算法，数据和结论的科学性不足的技术问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测系统，包括NB-IoT系统、DMA分区系统以及NB-IoT智慧水务平台，所述NB-IoT系统包括NB-IoT硬件、终端设施及基于两者的NB-IoT网络架构，其中，所述NB-IoT硬件包括NB-IoT数据采集器和区域及末端智能减压设备，所述NB-IoT网络架构与NB-IoT智慧水务平台通信连接；所述NB-IoT智慧水务平台内设有管网压力调度模块和管网漏损控制模块。
进一步地，所述DMA分区系统为以住宅小区为研究对象的DMA三级分区，所述DMA三级分区内的进出水管、干管、配水管和关键阀门位置处安装有用于采集供水管网水量、水压和设备状态信息的分区计量装置。
进一步地，所述NB-IoT数据采集器包括NB-IoT远传水表和NB-IoT远传压力表。
进一步地，所述NB-IoT网络架构基于NB-IoT硬件和终端设施，还包括无线网侧、核心网侧和物联网平台，所述NB-IoT硬件、无线网侧、核心网侧、物联网平台、终端设施依次进行通信连接；所述终端设施为手机、软件管理平台、客户端中的至少一种。
本发明还提供了一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法，采用上述的基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测系统，所述NB-IoT数据采集器实时采集供水管网水量、水压和设备状态信息后通过NB-IoT网络架构上传到NB-IoT智慧水务平台；NB-IoT智慧水务平台内的管网压力调度模块和管网漏损控制模块对供水管网水压和水量进行单因素和耦合分析，评估区域水压和漏损水平，并进一步生成管网压力调度计划和漏损控制计划，并发送信号给终端设施或者NB-IoT系统，NB-IoT系统控制区域及末端智能减压设备进行自动调节，相关管理人员通过终端设施接收信号后人工进行调节和/或检修，以达到在降低超压电耗的同时，减少超压造成的管网漏损问题的目的。
进一步地，NB-IoT智慧水务平台基于最小夜间流量法和进出水量差法两种计算模型，对供水管网水压和水量进行单因素和耦合分析。
进一步地，管网压力调度模块实时监测供水管网压力，一方面，将实时检测的供水管网压力直接与水压限值进行对比，一旦出现供水管网超压的情况就向终端设施发送超压提醒，终端设施接收到超压提醒后立即发出压力报警，提醒相关管理人员进行人工控制调压，同时，通过管网漏损控制模块计算供水管网产销差，并通过最小夜间流量法估算漏损量，并根据计算结果进行漏损预测和漏损定位，而后因地制宜地进行工程维修或设备更换；另一方面，管网压力调度模块根据前期采集的供水管网水量、水压信息通过进出水量差法计算漏损率，并建立压力与漏损率之间的动态模型，之后就能实时进行压力调度量化分析，进而指导区域及末端智能减压设备的动态压力调整。
进一步地，管网漏损控制模块周期性计算供水管网产销差，一旦产销差超过预设值，就通过管网压力调度模块确认供水管网压力值是否正常，同时，通过最小夜间流量法估算漏损量，并根据计算结果进行漏损预测和漏损定位，而后因地制宜地进行工程维修或设备更换。
进一步地，所述漏损预测包括如下等级：
(1)所述夜间最小流量<X m3/h，夜间平均流量和估算用水量相近，几乎无漏损；所述X>0；
(2)所述夜间最小流量X～2X m3/h，在有能力的基础上进行检漏，可暂不采取措施；
(3)所述夜间最小流量2X～4X m3/h，疑似存在漏损，给予重点关注；
(4)所述夜间最小流量为4X～6X m3/h，大概率存在漏损，检漏优先级较高，应重点关注，并进行排查；
(5)所述夜间最小流量>6X m3/h，必然存在漏损，应当立即制定检漏计划，开展检漏工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法及系统，对供水管网的水压和水量数据进行全空间和全周期的监测，基于最小夜间流量法和进出水量差法两种计算模型，对供水管网水压和水量进行单因素和耦合分析，并进一步生成管网压力调度计划和漏损控制计划，在降低超压电耗的同时，减少超压造成的管网漏损问题。即本发明考虑了水压和水量之间的耦合关系，同时采用两种计算模型进行分析，数据和结论的科学性得以增强。
(2)本发明提供的基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法及系统，管网压力调度模块一方面将实时检测的供水管网压力直接与水压限值进行对比，一旦出现供水管网超压的情况就向终端设施发送超压提醒，实现对供水管网水压的单因素监控；另一方面根据前期采集的供水管网水量、水压信息通过进出水量差法计算漏损率，并建立压力与漏损率之间的动态模型，之后就能实时进行压力调度量化分析，进而指导区域及末端智能减压设备的动态压力调整，实现了对供水管网水压和水量的耦合监控；管网漏损控制模块周期性计算供水管网产销差，一旦产销差超过预设值，说明存在漏损，实现对供水管网水量的单因素监控。则本发明能够有效实现对供水管网水压和水量进行单因素和耦合分析。
(3)本发明提供的基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法及系统，NB-IoT智慧水务平台内设有管网压力调度模块和管网漏损控制模块，管网压力调度模块和管网漏损控制模块分别对供水管网压力和水量进行监测，同时，在出现异常时能够启动对方模块工作，进一步优化对供水管网水压和水量的耦合分析，从而能够实现对供水管网更好的监测管理。
以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。
附图说明
图1为本发明中提供的基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测系统的结构框图；
图2为本发明中提供的基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法中NB-IoT智慧水务平台的分析过程示意图；
图3为本发明中夜间最小流量法的计算流程图；
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常连接的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语知识为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请着重参照附图1，一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测系统，包括NB-IoT系统、DMA分区系统以及NB-IoT智慧水务平台。
1、DMA分区系统具体为：
实地勘选：依据供水规模及地形貌，考虑经济可行及效率最大化原则，针对住宅小区的给水管网水力边界相对独立的特点，在掌握干管、配水管和关键阀门位置等关键参数的基础上，建立以住宅小区为研究对象的DMA三级分区。通过将行政管理和DMA分区划分结合起来，可简化DMA的建立程序和建立成本。
闭水实验验证：进行零压测试，检验DMA分区成效。
安装分区计量装置：在DMA三级分区内的进出水管、干管、配水管和关键阀门位置处安装有用于采集供水管网水量、水压和设备状态信息的分区计量装置(即NB-IoT数据采集器和区域及末端智能减压设备。
2、NB-IoT系统具体包括：
NB-IoT硬件，包括NB-IoT数据采集器(即上述分区计量装置)和区域及末端智能减压设备，NB-IoT数据采集器包括NB-IoT远传水表和NB-IoT远传压力表，NB-IoT远传水表和NB-IoT远传压力表上也都有一些基础的设备状态信息，比如位置，编号，工作情况等，可以直接上传相关设备信息；
终端设施，为手机、软件管理平台、客户端等；
NB-IoT网络架构，通过依托网络运营商平台建立，包括依次通信连接的终端设备(即上述NB-IoT硬件)、无线网侧、核心网侧、物联网平台和应用服务器(即上述终端设施)；所述NB-IoT网络架构与NB-IoT智慧水务平台通信连接。具体地：
终端设备：主要通过空中接口连接到基站。终端方面主要包括工业终端和NB-IoT模块。工业应用环境更加复杂，工业终端也有所不同，除了芯片，模块，传感器接口，NB-IoT模块等，还包括无线传输接口，软SIM设备，传感器接口等。
无线网侧：包含两种分组网络方法，一种是单运行(单无线电接入网络)，其中包括2G/3G/4G和NB-IoT无线网络。另一个是建立NB-IoT。它主要负责空中接口连接处理，小区管理等相关功能。它通过S1-lite接口连接到IoT核心网络，并将未连接的层数转发到上层元处理。
核心网侧：网络组件包括两种分组网络方法，一种是集成演进分组核心网络(EvolvedPacketC)数据传输方法，即2G/3G/4G核心网络。核心网络通过IoTEPC网络元素以及GSM，UITRAN和LTE公共EPC支持NB-IoT和eMTC用户访问。
物联网平台：归属位置寄存器(HLR)，定位控制和计费规则功能单元(pcrf)。
应用服务器：IoT数据的最终聚集点，可根据客户需求执行数据处理和其他操作。
3、NB-IoT智慧水务平台内设有管网压力调度模块和管网漏损控制模块。
请着重参照附图1-图2，采用上述的基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测系统的监测方法为：所述NB-IoT数据采集器实时采集供水管网水量、水压和设备状态信息后通过NB-IoT网络架构上传到NB-IoT智慧水务平台；NB-IoT智慧水务平台内的管网压力调度模块和管网漏损控制模块对供水管网水压和水量进行单因素和耦合分析，评估区域水压和漏损水平，并进一步生成管网压力调度计划和漏损控制计划，并发送信号给终端设施或者NB-IoT系统，NB-IoT系统控制区域及末端智能减压设备进行自动调节，相关管理人员通过终端设施接收信号后人工进行调节和/或检修，以达到在降低超压电耗的同时，减少超压造成的管网漏损问题的目的。
NB-IoT智慧水务平台基于最小夜间流量法和进出水量差法两种计算模型，对供水管网水压和水量进行单因素和耦合分析。具体地：
(1)夜间最小流量法(NMF)
请着重参照附图3，夜间最小流量法是漏损量估算的有效手段，通过重点监测夜间流量来评估被测区域的漏损情况，达到评价供水管网漏失水平的指标。相关研究结果表明，最小夜间流量一般出现在凌晨2h～4h阶段，且居民用户夜间用水量为1.8～2.5L/(户·h)较合理，我国目前采用较多的是2.0L/(户·h)。基于此，可得夜间最小流量时刻的管网漏损量计算如式(1)所示：
式中—夜间最小流量,m3/h；/>—净夜间流量,m3/h；N—DMA分区用户数。
以1000户的DMA住宅小区为例，结合实际工作经验，不同夜间最小流量对应的漏损状况和建议采取的工作(即漏损预测)如下：
所述夜间最小流量>30m3/h，必然存在漏损，应当立即制定检漏计划，开展检漏工作；
所述夜间最小流量为20～30m3/h，大概率存在漏损，检漏优先级较高，应重点关注，并进行排查；
所述夜间最小流量10～20m3/h，疑似存在漏损，给予重点关注；
所述夜间最小流量5～10m3/h，在有能力的基础上进行检漏，可暂不采取措施；
所述夜间最小流量<5m3/h，夜间平均流量和估算用水量相近，几乎无漏损。
(2)进出水量差法
进出水量差法是一种有效的主动漏损控制技术和管理方法，基于国际水协或国内的水量平衡表，通过将供水系统损失的水量进行有效的指标分解，量化漏损和它的组成部分，计算恰当的性能指标，全面正确地反映管网漏损状况，有针对性的进行漏损控制。该方法能有效评估管网工作状况，直接反映供水漏损率的高低，可判断管网漏失的区域，为漏损控制提供科学依据。根据相关规范，可得流量平衡法计算如式(2)所示:
式中RWL—漏损率,％；QS—供水总量,×104m3；Qa—注册用户用水量,×104m3；R1—居民抄表到户水量的修正值，％；R2—单位供水量管长的修正值，％；R3—年平均出厂压力的修正值，％；R4—最大冻土深度的修正值，％。
根据国家政策要求，所述管网漏损率力争控制在9％以内。
管网压力调度模块：
管网压力调度模块实时监测供水管网压力，一方面，将实时检测的供水管网压力直接与水压限值进行对比，一旦出现供水管网超压的情况就向终端设施发送超压提醒，终端设施接收到超压提醒后立即发出压力报警，提醒相关管理人员进行人工控制调压，同时，通过管网漏损控制模块计算供水管网产销差，并通过最小夜间流量法估算漏损量，并根据计算结果进行漏损预测和漏损定位，而后因地制宜地进行工程维修或设备更换；另一方面，管网压力调度模块根据前期采集的供水管网水量、水压信息通过进出水量差法计算漏损率，并建立压力与漏损率之间的动态模型(通过云计算生成压力与漏损率之间的动态模型公式)，之后就能实时进行压力调度量化分析，进而指导区域及末端智能减压设备的动态压力调整。
所述供水管网水压按直接供水的建筑层数确定时，用户接管处的最小服务水头(给水管网上用户接管处管网应为用户提供的最小水压力)，一层应为10m，二层应为12m，二层以上每增加一层应增加4m；
所述DMA小区居住建筑入户管给水压力不应大于0.35MPa；
所述管网二次供水设施采用叠压供水模式时，给水管网水压直接供水用户接管处的最小服务水头宜适当增加。
管网漏损控制模块：
管网漏损控制模块周期性计算供水管网产销差，一旦产销差超过预设值，就通过管网压力调度模块确认供水管网压力值是否正常，同时，通过最小夜间流量法估算漏损量，并根据计算结果进行漏损预测和漏损定位，而后因地制宜地进行工程维修或设备更换。
上述漏损定位：在供水干管和配水管上布置的NB-IOT硬件设备都有固定的编号，水压、水量监测数据和相关计算值出现异常的地方能够通过编号查到所在位置，从而能够对设备或设备之间的管理进行位置锁定。
上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测系统，其特征在于：包括NB-IoT系统、DMA分区系统以及NB-IoT智慧水务平台，所述NB-IoT系统包括NB-IoT硬件、终端设施及基于两者的NB-IoT网络架构，其中，所述NB-IoT硬件包括NB-IoT数据采集器和区域及末端智能减压设备，所述NB-IoT网络架构与NB-IoT智慧水务平台通信连接；所述NB-IoT智慧水务平台内设有管网压力调度模块和管网漏损控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测系统，其特征在于：所述DMA分区系统为以住宅小区为研究对象的DMA三级分区，所述DMA三级分区内的进出水管、干管、配水管和关键阀门位置处安装有用于采集供水管网水量、水压和设备状态信息的分区计量装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测系统，其特征在于：所述NB-IoT数据采集器包括NB-IoT远传水表和NB-IoT远传压力表。
4.根据权利要求1所述的一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测系统，其特征在于：所述NB-IoT网络架构基于NB-IoT硬件和终端设施，还包括无线网侧、核心网侧和物联网平台，所述NB-IoT硬件、无线网侧、核心网侧、物联网平台、终端设施依次进行通信连接；所述终端设施为手机、软件管理平台、客户端中的至少一种。
5.一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法，其特征在于：采用权利要求1-4任意一项所述的基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测系统，所述NB-IoT数据采集器实时采集供水管网水量、水压和设备状态信息后通过NB-IoT网络架构上传到NB-IoT智慧水务平台；NB-IoT智慧水务平台内的管网压力调度模块和管网漏损控制模块对供水管网水压和水量进行单因素和耦合分析，评估区域水压和漏损水平，并进一步生成管网压力调度计划和漏损控制计划，并发送信号给终端设施或者NB-IoT系统，NB-IoT系统控制区域及末端智能减压设备进行自动调节，相关管理人员通过终端设施接收信号后人工进行调节和/或检修，以达到在降低超压电耗的同时，减少超压造成的管网漏损问题的目的。
6.根据权利要求5所述的一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法，其特征在于：NB-IoT智慧水务平台基于最小夜间流量法和进出水量差法两种计算模型，对供水管网水压和水量进行单因素和耦合分析。
7.根据权利要求6所述的一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法，其特征在于：管网压力调度模块实时监测供水管网压力，一方面，将实时检测的供水管网压力直接与水压限值进行对比，一旦出现供水管网超压的情况就向终端设施发送超压提醒，终端设施接收到超压提醒后立即发出压力报警，提醒相关管理人员进行人工控制调压，同时，通过管网漏损控制模块计算供水管网产销差，并通过最小夜间流量法估算漏损量，并根据计算结果进行漏损预测和漏损定位，而后因地制宜地进行工程维修或设备更换；另一方面，管网压力调度模块根据前期采集的供水管网水量、水压信息通过进出水量差法计算漏损率，并建立压力与漏损率之间的动态模型，之后就能实时进行压力调度量化分析，进而指导区域及末端智能减压设备的动态压力调整。
8.根据权利要求7所述的一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法，其特征在于：管网漏损控制模块周期性计算供水管网产销差，一旦产销差超过预设值，就通过管网压力调度模块确认供水管网压力值是否正常，同时，通过最小夜间流量法估算漏损量，并根据计算结果进行漏损预测和漏损定位，而后因地制宜地进行工程维修或设备更换。
9.根据权利要求8所述的一种基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法，其特征在于：所述漏损预测包括如下等级：
（1）所述夜间最小流量<X m3/h，夜间平均流量和估算用水量相近，几乎无漏损；所述X>0；
（2）所述夜间最小流量X～2X m3/h，在有能力的基础上进行检漏，可暂不采取措施；
（3）所述夜间最小流量2X～4X m3/h，疑似存在漏损，给予重点关注；
（4）所述夜间最小流量为4X～6X m3/h，大概率存在漏损，检漏优先级较高，应重点关注，并进行排查；
（5）所述夜间最小流量>6X m3/h，必然存在漏损，应当立即制定检漏计划，开展检漏工作。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311527138.2A CN117366483A (zh) | 2023-11-16 | 2023-11-16 | 基于窄带物联网的供水管网水压水量耦合监测方法及系统 |
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