郭 磊，黄本胜，邱 静，黄锋华，吉红香

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635； 3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635)

0 引 言

近年来，随着最严格水资源管理制度的实施，如何进行有效的进行总量控制，提升用水效率，是需要解决的迫切问题。信息化建设可最大程度提升水资源管理的效率、科学性及实效性，是保障最严格水资源管理制度实施的重要基础性工作，早在2006年，国家水利部开始启动国家水资源管理系统前期工作[1,2]；2008年部署各省(区)水资源管理系统总体实施方案编制工作[3]；2011年中央提出实行最严格的水资源管理制度，把严格水资源管理作为加快转变经济发展方式的战略举措，明确要求“加强水量水质监测能力建设，为强化监督考核提供技术支撑”。2012年，为落实2011年中央一号文件精神，为实行最严格水资源管理制度的提供重要技术支撑和主要工作抓手，水利部经商财政部，启动国家水资源监控能力建设项目[4-6]。水资源监控能力建设是水利信息化建设的龙头工程[7]，2016年完成了全部一期建设任务，建成了取用水、水功能区、大江大河省界断面等三大监控体系，水利部、流域和省等三级水资源监控管理信息平台，实现了对全国75%以上河道外颁证取水许可水量的在线监测，80%以上国家重要江河湖泊水功能区的水质常规监测；已核准公布的全国重要地表水饮用水水源地基本实现水质在线监测；实现大江大河省界断面水质监测全覆盖，水量监测覆盖率大幅提高；实现了水利部、流域和省(区市)三级信息平台的水资源管理业务在线处理和互联互通[8]。项目建设丰富了水资源监控管理信息、规范了水资源业务管理程序、提高了水资源业务管理效率、提升了水资源应急管理水平、增强了水资源考核技术支撑，对水资源管理工作意义重大。

取水户监管系统作为国家水资源监控能力的重要组成部分，其建设的成效将直接关系到系统的切实可靠性[9]。根据近年来完成的近10宗取水户监管系统建设项目中凝练的经验总结，建立取水户监管系统建设关键技术体系框架，最大程度保障系统运行的稳定性，尽可能避免取水监管系统建设中普遍存在的难以投入实际运用的问题，为系统确实发挥最严格水资源管理制度的支撑作用提供技术保障[10]。

1 技术体系内容概述

从技术层面而言，取水监管系统建设的主要建设内容包括三个方面，一是现场采集技术与设备，其次是通讯技术与设备，最后是中控系统软件与硬件建设。其关键技术涵盖上述三个方面及运维管理等共四部分内容[11]。当前，对取水监管系统而言，所面临的最大问题就是对现场采集数据的使用上，因系统采集存在不稳定、计量偏差、数据争议等情况，从实际管理情况来看，监管系统往往仅发挥静态数据记录及动态监测数据的辅助校核作用，没有真实发挥其应有的信息化管理功能。

为此，针对影响取水监管系统稳定及数据准确性的主要方面：即在线计量安装调试、软件定制开发、运维管理等，对系统进行结构优化和功能完善，形成一套适应不同条件及管理需求的系统建设技术体系和框架，从而确保系统能够落地运行使用并发挥效用。

具体而言，整套技术体系包括涉及现场采集技术、通讯及设备等的智能遥测终端适应性改造升级、计量设备优选策略、复杂条件计量建造及率定方法、适应多品牌计量集成接入关键技术；涉及中控系统软件与硬件的基于逻辑链的数据异常智能诊断技术、基于深度适应的水资源监管系统研发及监管系统高效运维管理模式建造等七个方面，极大的完善了取水监管系统的开发建设与运行管理内容，为系统真正能够投入到实际运用并发挥支撑效用提供了强有力的技术保障(图1)。

图1 取水监管系统构建技术体系Fig.1 Technologies for construction of water intake monitoring system

2 现场采集技术与设备

2.1 计量方案优选策略

不同取水户，其取水条件(地理位置、取水量等)、取水方式、取水管线设计与布设上存有较大差距，为了最大限度保证计量精度和稳定运行要求，充分考虑现场安装便利性，制定了一套针对不同条件的计量设备及方案智能优选策略，能够在输入现场基本参数后，给定优选的方案。具体如下：

(1)取水管径小于DN300 mm时，宜采用电磁流量计；取水管径大于DN600 mm，采用插入式超声波流量计；DN300 mm～DN600 mm之间根据现场安装条件来确定；

(2)流量计精度等级不宜低于±0.5%级，每台计量设备需进行出厂校准；对同一批次产品，第三方法定机构检定率不低于50%；

(3)尽量避免在管线流程最高点安装计量；电磁流量计避免强磁场干扰；确保满管安装；超声计量传感器避免安装在管道截面的6、12钟方向；

(4)计量点的选择要符合直管段要求；一般超声波流量计对直管段的要求见表1和图2所示。

表1 直管段长度要求Tab.1 Straight pipe length requirement

图2 节流孔阻流件的直管要求Fig.2 Straight pipe length requirement for orifice

(5)安装完毕后，需对计量数据进行合理性评价；一般采用稳定运行工况下15 d左右的数据进行评价，采用比对的数据来源包括水泵铭牌、设计取水流量、产品用水定额、水平衡测试等，另外采用便携式高精度流量计进行同步测量，以确定其计量准确性。对于偏差较大的计量设备，可进行计量现场检定，以确定计量仪表功能是否正常。

2.2 复杂条件计量建造及率定方法

针对取水计量安装过程中，常见的计量安装条件复杂，无符合计量安装要求计量点，计量安装无相关技术规范标准等诸多难题，通过对现场取排水流程的综合分析，确定较优的计量装及率定方法。具体包括：

(1)计量井建设。主要是针对取水管线大部分为地下埋管情况，在查阅相关图纸后，确定满足计量安装要求的足够长前后直管段点，外部条件空旷且外电接入较为便利的点，开挖计量专用井，进行计量的安装。

(2)局部管线改造。对于部分管线中扰流件和弯道较多，且现场具备裁弯取直条件的，进行局部管线改造，摒弃弯道，新建直管线并安装计量。另外，还可以采用延长管道和采用稳流器的方式来进行局部管线改造，达到提升计量精度的目的。

(3)支管计量。对于总管不具备计量安装条件，但支管条件较好且管路清晰的，对全部支管进行计量安装。

(4)物理实验率定方法。对于现场无符合直管段要求且无法进行管线改造或改造较大的点。可根据其取排水流路特征，采用双点(计量安装点和计量校准点)同步测量及物理模型试验率定的方法进行计量。方法示意见图3所示。

图3 双点同步测量及物理模型率定方法Fig.3 Calibration methods by 2 points synchronous measurement and physical model

3 通讯技术与设备

3.1 智能遥测终端的适应性改造升级

智能遥测终端的主要作用是用于现场数据的采集存储及传输，即从取水计量设备中读取计量数据，进行实时显示、数据存储，并通过自身集成的SIM通讯模块将数据通过通讯运营商的无线网络传输至中心站(图4)。可见，智能遥测终端是链接现场在线计量与系统的关键设备，其稳定性与精度等对系统运行有直接的影响。

目前常规智能遥测终端产品，可实现对常规485输出信号的采集存储与传输，标配也含有集成电路的相关辅助设计如低功耗、防雷、防潮、防震动、高防水等级、抗电磁干扰、高存储容量等，属通用性产品。其主要存在适用性问题，具体包括无法与目前国家水资源监控能力建设相关标准兼容、对于取水监测中常见的模拟信号无法实现高精度的接入、对监测数据的可追溯性不强等。为此，针对取水户监控，对智能遥测终端产品进行了系统性的适应性定制升级改造。

图4 取水监管系统数据流程Fig.4 Data flow of water intake monitoring system

(1) 规约性升级改造。根据国家水资源监控能力建设数据传输规约要求，即《水资源监测数据传输规约》(SZY206-2016)和《水文监测数据通信规约》(SL651-2014)要求，对智能遥测终端进行模块升级改造，使其满足对水量、雨量、水位等信息的标准化传输。规约性改造升级的主要内容是对应用功能的补全和功能码的标准化,通过规约性升级改造，提高了系统稳定性，从现场监测到后台系统集成的兼容性也得以提高。

(2) 模拟信号的高精度采集。在取水户监管系统建设中发现，存在部分取水户已自行安装取水计量设备，且计量设备精度较高，运行稳定，如大部分水厂均采用了大口径电磁流量计，但这些计量设备无数字输出接口，仅提供4～20 mA或0～5 V输出方式，接入模拟信号会导致智能遥测终端采集数据与流量计表头数据存在不超过5%的数据差距，由此可能引发对系统计量数据的争议。研发针对模拟信号输出的功能模块，采用12位高精度的AD转换模块，并集成智能数字积算仪对模拟量信号输入进行高精度的转换采集，减少模拟信号的传输误差，表头读数与遥测终端监测数据偏差控制在小于1%。

(3)取水监测系统的定制要求。因取水量直接关系到水资源费的征收，是最为关注和敏感的监测数据。为了使得现场监测数据得到最大限度的保存，为争议及问题的追溯提供原始数据，需对智能遥测终端性能进行完善，包括高频采集、大容量硬盘存储空间，可保存实时监测10年的数据量、数据采集时间的实时校准等，最大限度保证智能遥测终端采集数据与计量数据的一致性和可追溯性。

3.2 多品牌计量集成接入

取水户监管系统建设中，不可避免存在取水户已自行安装有计量设备情况，对于当前运行状态良好，运行维护周检记录完备的计量设备，为避免重复计量建设，在进行同步计量监测校验后，对计量数据进行集成接入。

需要指出，不同品牌计量设备的是数字式数据格式及模式不同，需开发适应多品牌计量设备计量数据集成接入的底层程序，并嵌入到智能遥测终端中，能够实现对现有取水户绝大多数计量设备全覆盖的数据无缝接入，一般常见的流量计品牌累计流量读取指令见表2所示。

表2 常见计量仪表累计流量指令Tab.2 Instruction sets for common metering device

4 系统软件与运维管理

4.1 计量监测数据异常诊断

因取水监管系统的数据流从计量传感器到系统最终展示，需要经过传感器监测→计量表头程算→智能遥测终端→GPRS→接收机解析→程序统算→系统展示等7个中继节点，任何一个节点出现异常，均对该节点后的数据产生影响，并引发最终监测成果不合理、与数据链前端数据不一致等多种问题，最终影响系统使用体验和可信度。

为此，针对数据出现异常状况，经过多年的经验积累，建立了一套基于逻辑链数据异常智能诊断技术，该技术根据数据出现异常情况特点，由逻辑链顶端逐级排查，最终确定数据异常发生的节点，为进行高效数据异常处理提供核心支撑，也为智能程序化异常数据的处理提供了算法依据。三条数据异常智能诊断逻辑链条分别见图5～图7所示。

图5 数据异常数据诊断逻辑链(无数据)Fig.5 Logic chain of abnormal data diagnosis (No Data)

图6 数据异常数据诊断逻辑链(数据为0)Fig.6 Logic chain of abnormal data diagnosis (Value is 0)

图7 数据异常数据诊断逻辑链(数据偏差)Fig.7 Logic chain of abnormal data diagnosis ( Data Deviation)

4.2 监管系统运维管理模式探讨

高效的运维管理体系是确保取水监管系统长期稳定运行，发挥其正常效用的关键。取水监管系统涉及大量分散布置的电子硬件产品、室内中控硬件及软件系统等，其相互的数据输送受到外界干扰因素较多，特别其核心的法定计量产品需不间断运行，还需进行周期性的检定和保养，其计量数据直接关系到取水户水资源费的缴纳及区域取用水总量的统计考核，如何确保其计量精度及稳定运行，在遭遇故障后能够高效及时处理等均至关重要。

为此，结合取水监管系统运维管理经验，构建了一整套系统运维管理模式，主要包括3大部分内容，即运维服务管理体系、运维过程管理体系及组织保障体系。其中运维服务管理体系明确了运行维护内容和工作操作流程，包括对象目录、日常巡检、例行维护、故障响应等，为运维的主要工作内容。运维过程管理则对每次运维服务进行档案管理，包括事件、处置策略、总结等，通过运维过程管理，可持续提高后续运维服务效率，减小系统故障率。组织保障体系主要由3部分组成，一是经验丰富的维保技术团队建设，另外是覆盖全面的服务网点建设；最后是运维必要的设备和备件配备，组织保障体系是运维服务开展的基础。运维管理主要控制指标见表3所示，管理模式见图8所示。

5 结 语

(1)取水监管系统是支撑最严格水资源管理制度实施的重要技术手段，可大幅提升水资源管理的信息化水平，提高管理效率及科学性，系统的建设是必要和有意义的。

表3 运维管理控制指标Tab.3 Control measurements for operation and maintenance management

图8 取水监管系统高效运维管理模式Fig.8 Efficient operation and maintenance management mode of water intake monitoring system

(2)为保障取水监管系统的建设和运行能够切实发挥效用，对前端计量至运维管理的监管系统建设7个重要环节的技术要点进行总结，包括智能遥测终端适应性改造升级、计量设备优选策略、复杂条件计量建造及率定方法、适应多品牌计量集成接入技术、数据异常智能诊断技术、水资源监管系统定制研发及高效运维管理模式等。对进一步规范和完善取水监管系统建设提供了借鉴和参考。

(3)取水监管系统构建是复杂的系统工程，为确保系统的顺利建设完成并发挥持久效用，需要在建设及运行过程中不断地进行技术总结和分析，并结合系统开发技术的进步和更新，建设和完善相关的技术标准体系，为建设高效、稳定、可靠、准确及长效的系统提供保障。

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[2] 程晓冰，石玉波. 推进水资源信息化建设提升水资源管理水平[J].中国水利，2007,(1):52-58.

[3] 中华人民共和国水利部.省(自治区、直辖市)水资源管理系统建设基本技术要求[R].中华人民共和国水利部，2008.

[4] 金喜来，甘治国，陆 旭. 国家水资源监控能力建设项目建设与管理[J].中国水利，2015,(11):24-25.

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[6] 金喜来. 国家水资源监控能力建设全面展开稳步推进[J].中国水利，2012,(24):158-159.

[7] 胡四一. 全面实施国家水资源监控能力建设项目全力提升水利信息化整体水平----在全国水利信息化工作座谈会暨国家水资源监控能力建设项目建设管理工作会议上的讲话[J].水利信息化，2012,(6):1-6.

[8] 曾 焱，韩 鼎. 国家水资源监控能力建设项目试运行指标研究与实践[J].水利信息化，2016,(5):31-38.

[9] 黄本胜，邱 静. 国家水资源监控能力建设省级项目监控能力评价报告[R].广东省水利水电科学研究院，2016.

[10] 黄本胜，邱 静，郭 磊，等. 各地市水资源监管系统工程项目验收报告[R].广东省水利水电科学研究院，2010-2016.12.

[11] 郭 磊，黄本胜，邱 静，等. 加快推进取水户监管系统建设的体会和建议[J]. 水利发展研究，2015,(3):44-47.

[12] JJG1030-2007[S]. 超声流量计检定规程，2007.