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　　【仪表网 仪表企业】宁波水表(集团)股份有限公司(以下简称“宁水集团”)是一家具有六十余年历史的水计量行业企业，在向产品智能化、服务系统化、业务纵深化的结构调整和转型升级历程中，始终秉承满足国内外供水客户需求这一崇高理念，以振兴发展我国民族水表工业为己任，持续推进以技术创新、品牌建设和产业为一体的发展战略，将公司打造成为国内外智慧供水与水计量服务领域集研发、制造、服务于一身的、探索者和者。
 

　　宁水集团2019年初在主板A股上市后，进一步确立了服务于智慧供水新业务的战略方针与目标，在持续做好水表产品水计量性能提升、以NB-IoT及5G技术等为代表的无线数据远传业务拓展以及DMA分区计量漏损监测、水务信息化应用等工作基础上，正在努力向供水管网数据综合提供商和智慧供水核心业务服务商转型与升级，其近、中期目标是向供水企业提供在线一体化的高性价比管网综合大数据感知装置(包括：水量、水压、水质、漏渗、水温等参数)，为智慧供水新业务及水务信息化云平台提供海量数据支撑，使现有水力、水质、漏损、能耗等水务管网模型运行准确度能够显著提升。
 

　　为此，宁水集团在现有公司研发机构(即：浙江省水表研究院)基础上又另设新的研发机构“技术预研部”。“技术预研部”与“水表研究院”错位发展，这样可以更好地服务于供水企业不同时期的业务需要，也为公司下一阶段快速发展与新业务增长做好前瞻性技术预研工作，提供相关产品及技术储备。当前，技术预研部已组成了由公司博士、博士后组成的自主研发团队和与高校(科研单位)建立的产学研合作研发团队，这三驾马车正在同时开展水务智能终端与供水核心业务的研究与商用化研发工作。
 

　　近，宁水集团已正式启动新一代智能水表(智能水表3.0)产品及供水新业务系统的商用化研发工作，在原先公司多个博士后课题研究基础上进行商品化与工程化应用研究。可以预期，在不远将来公司将为供水管网系统提供高性价比的水务综合大数据，为管网现代化管理提供信息来源与决策依据(这方面详细内容可参见本文附录：“水表产品演进之路——从智能水表1.0/2.0产品向智能水表3.0产品迈进”一文)。至2020年初，公司在与浙江大学控制科学与工程学院合作基础上，又先后与同济大学环境科学与工程学院、宁波大学信息科学与工程学院等高校共同签订战略合作协议，并联合成立了“水务新技术研发实验室”和“水务信息感知研发实验室”，并将与宁波工业互联网研究院等科研机构就水务新型传感技术、供水关键核心业务等的解决方案展开合作研究。
 

　　让我们期盼并祝愿宁水集团新一代智能水表(智能水表3.0)能早日研制成功，早日进入工程化应用，早日为供水企业提供高性价比的海量数据。
 

　　以下是：智能水表3.0产品(管网参数综合采集中心)专题介绍
 

　　水表产品演进之路：从智能水表1.0/2.0产品向智能水表3.0产品迈进
 

　　宁波水表(集团)股份有限公司 姚灵
 

　　概述
 

　　水表产品已经有上百年的使用历史和发展经历，在推进人类用水计量和涉水测量技术进步方面作出了不可磨灭的贡献。随着社会的发展与进步、用水需求的多样性与丰富性，以及新技术的不断涌现和使用，当今水表产品的计量性能和使用功能等特性均已今非昔比，并在持续快速的演进、迭代和完善之中。从早期使用的体积相对庞大、使用特性不尽人意的纯机械结构形式的容积式水表和速度式水表，以及近期大量使用和未来仍将继续使用且能充分体现当今制造技术水准的高性能机械水表，乃至为了配合先付费后用水管理要求的“预付费水表”和为了满足自动抄表与水务物联网应用等需要的“电子远传水表”等智能终端产品，水表产品无论是采用的相关技术还是产品性能与使用功能等方面都已发生了天壤之别的变化。水表产品也已从原先独立使用的水计量产品发展成为水务信息物理系统(CPS)中的感知终端和水务应用系统中的重要环节。
 

　　纵观水表产品和水计量技术的快速迭代与演进，其主要推动力就是来源于淡水资源的紧缺、人类生存与社会发展的需求、以及技术进步等因素。
 

　　政策导向
 

　　近年来，国务院先后发布了“严格的水资源管理办法”和“水十条”等政策，把水资源管理、节约用水与科学用水等工作提升到了鲜有的高度上；2019年国家多部位又联合发布了“国家节水行动方案”和“国家节水行动方案(分工方案)”等纲领性文件，对各行各业的用水和节水工作提出了诸如“许可、定额、计量”等一系列指导性很强的要求与措施，并将用水的精细化计量管理纳入到节约用水工作的重要行动之中。作为国家层面的“节水行动方案”，对居民用水、工农业用水、企事业机关用水、服务业以及公用事业用水等工作指明了行动方向，给出了实施方案，出台了支持政策。
 

　　与此同时，国家近年来一直强调工业企业必须推行“两化融合”国策(即：信息化与工业化深度融合)和深化“互联网＋先进制造业”指导方针，将工业企业信息化改造和“互联网＋先进制造业”作为工业企业的努力方向和目标。
 

　　政策导向所产生的外生推动力，必将为水表产品的演进与发展以及在水务行业中的广泛应用与普及产生巨大的影响与变革。
 

　　需求驱动
 

　　当前，许多优秀供水企业在积极推行自动抄表技术来提高和完善传统用水计量与供水监测、产销差管理与管网漏损管控(采用DMA技术)等业务效率和效益的同时，正在将注意力和工作重心更多的集中和转移到管网水量参数测量的准确与可靠、管网漏损的监测与定位、管网在线水质的监测与预警、管网供水调度与节能等新业务方面上来。用户关注点和工作重心转移，说明供水企业的需求正在发生质的变化，业务新领域正在不断拓展。提升业务效率、降低运行成本、保障供水安全、提高用水舒适度、优化漏损管控、增加企业收益等工作，已经摆在了供水企业的首要位置上，这就表明水务企业迫切需采用新的智慧供水业务系统和方法来帮助其解决这些业务需求和问题。事实证明，要卓有成效地推广与应用智慧供水业务新系统，是离不开管网运行状态实时参数支持的，如：水量、水压、水质、漏渗、水温等参数。因此如何方便、简捷、低价、全面且系统地获取这些测量(感知)数据，是解决上述业务需求和问题的关键点和突破点。从图1的供水信息物理系统工作原理图中可以看出，信息物理系统是以管网及设施的大数据为基础，涉及信息感知、信息传输、信息应用、信息交互以及控制执行等环节，是一个闭环的测控宏系统。它需要传感与信号处理、远程通信、计算机与网络、自动控制、人工智能等技术作支撑。在供水信息物理系统中，获取管网数据尤为关键，也是系统运行的基础。
 

 

　　供水企业希望水表产品计量性能长期稳定可靠，同时又期盼能获取更多的管网运行参数，使智慧供水乃至智慧水务工作有实质性的推进并产生显著的成效，这是用户对水表企业和水务终端制造企业的希望和期盼，这既是挑战，也是机遇。水表等终端企业能否抓住这一历史机遇，快速完成产业延伸与角色转换，在智慧供水业务中找到自己新的定位，将是重要的选择和考验。
 

　　目前，正在推行的水务信息物理系统，它的实施都是建立在采集并获取管网运行状态的实时参数之上，离开这些基础的大数据，信息物理系统将会成为无源之水、无本之木。因此，全面、系统、准确地采集到管网状态参数的数据，让它们发挥应有的作用，是评判供水企业是否真正推行了以物联网或工业物联网技术为基础的智慧供水新业务，也是衡量供水企业是否真正实现了转型升级和推行“两化融合”方针的重要标志之一。
 

　　需求产生的内生推动力将会给水务新技术的应用和发展带来持续的生命力，但仅有供水企业自身的积极性和推动力是远远不够的，需要全社会各相关方的鼎力支持和配合，尤其是水表及智能终端行业的企业应积极投身到这一领域中，拓展业务，做好服务，完成产品结构调整和转型升级的任务。
 

　　突破管网综合参数瓶颈
 

　　水在封闭满管道内流动时，其运行状态可以用仪表(传感器)感知获取的水量、水压、水质、漏渗、水温等特征参数的数据来表征。
 

　　现有智能水表接入网络后有能力向供水企业提供用水户的累积流量、瞬时流量和各时段用水量等水量数据，进而实现用水量的计量与分析、供水量的监测与平衡等用途。通常，开展管网用水量计量与供水量监测是基于水费结算和产销差管理等工作需要，也是与供水企业的经济效益密切相关的。因此，水量数据是目前已获取到的管网所有运行状态参数中尤为重要、也是尤为系统和完整的管网数据之一。
 

　　随着管网压力管理与调控工作的深入开展，管网实时压力监测业务被提到重要议事日程上来。由于压力传感器具有安装方便，对检测环境和条件要求不是很严，成本相对不高，占用体积较小等原因，因此可以将其安装在水表壳体上，与水量数据融合后进行传输与通信；其次，对于管网漏渗状态监测参数(如：振动、噪声、水声等)的测量，除了价格因素外，由于上述同样原因，也是比较容易获取和安装的；水质模型中需要用到的管网水温参数测量则更是如此。
 

　　难度大的则是对水质参数的低成本在线测量(如：浑浊度、余氯、pH、电导率等)及数据的稳定获取。由于涉及到传感器测量环境与使用条件，安装空间与位置，以及价格与维护等问题，当前很难进行大面积推广与应用，由此也给管网在线水质(尤其是管网末梢水质)的监测与预警、水质模型的应用等带来很大的局限性与不确定性。
 

　　为了使管网在线水质测量用的仪表或传感器不占用较多的安装空间和位置，便于普遍使用与推广，其关键是要设计制造出对测量环境与使用条件影响较弱、体积相对较小、使用寿命较长、维护较为简单、性价比较高的水质传感器(当前主要指浑浊度和余氯传感器)和建立符合水质在线测量要求的环境和条件。同时，迫切需要构建新一代智能水表产品，在原有水计量功能基础上，将水压、水温、水质和漏渗检测(监测)等传感与信号处理单元与现有智能水表安装融合在一起。这样既能充分利用水表现有安装井的空间与位置，又可以借助水表现有的信号处理与通信单元等设施，完成数据存储、处理、传输等任务；且能显著降低安装与使用成本，为全面推广应用该产品创造条件。此外，还可在智能水表安装空间位置设置电控阀、加药泵、加压泵等设施，同时起到综合执行终端的作用。
 

　　研究与开发新一代智能水表产品，服务于智慧供水新业务，这对水表行业有实力的企业来说，是利好也是机会。因此希望有开拓精神和创新能力的水表企业能及时抓住这一发展机遇，主动承担起历史赋予的重任和使命，让水表产品从单一的水计量(测量)产品跨越到管网综合参数测量领域中，使新一代水表产品真正成为名副其实的集管网综合参数测量特性于一身、智能感知与执行功能相融合的新产品。
 

　　构建管网综合感知终端
 

　　新一代智能水表可以充分利用其安装空间和原有通信网络等优势，承担并发挥管网信息物理系统综合感知终端(或数据采集中心)的功能与作用，使供水企业能尽早的在全域空间范围内全面、准确地开展管网压力与水量调控及节能降耗、管网末梢在线水质监测及预警与报警、管网漏渗状态监测及准确定位等亟需的新业务。为此，必须尽早启动智能水表产品从单一参数测量(水量测量)向综合多参数测量(水量、水压、水温、漏渗、水质、工况等测量)方向的发展与演进工作，使其能向供水行业全面提供管网信息物理系统(即物联网应用)运行时所需的各类大数据。
 

　　将新一代智能水表命名为第三代智能水表(即智能水表3.0产品)，并将其定义为管网综合感知终端或管网数据采集中心是非常合适的，它完全符合当前水务应用的实际需求和现有状况。随着用户需求的深化以及现代技术的进步，智能水表的演进与换代是必然会发生的，这是任何产品都将面临的自然规律。
 

 

　　图2反映了智能水表的演进过程与各代产品之间的基本特征。从图中可以看到，第一代智能水表(智能水表1.0产品)是在机械水表基础上增加机电转换装置和电子部件等来实现其使用功能拓展的，如增加数据远传、预付费用水、数控定量用水等功能。但从本质上说，其计量机构还是机械水表，计量特性与机械水表相同。通过功能拓展和具备电信号输出与处理等特征，可以将其方便地接入到水务应用系统中，完成用水量的自动抄表、管网分区漏损检测与识别等任务；第二代智能水表(智能水表2.0产品)计量机构的传感原理和结构特性发生了重大的改变，由于采用了无机械传动结构的水流量传感与信号处理技术，因此不需要机电转换装置的参与，显著提高了产品的计量性能与长期使用可靠性。利用法拉第电磁感应原理、超声波渡越时间差和射流附壁效应等原理构成的电磁水表、超声水表和射流水表产品，在计量性能、使用寿命和压力损失等指标上有了显著的提高。但是第一、第二代智能水表仅局限于管网水量的检测，不能向水务应用系统提供更多的管网运行状态参数，因此，在当今智慧供水应用场景下其应用面受到了很大程度的限制；第三代智能水表(智能水表3.0产品)除了具有上述两代智能水表的基本特征外，还拓展了管网综合水参数的测量功能，可以较好地扮演起管网水参数综合感知终端(或数据采集中心)的角色，为水务大数据的采集提供了无限的可能性。
 

　　表1列出了第三代智能水表应拥有的基本测量功能与参数。今后，随着需求的增加和技术的成熟，智能水表3.0产品的测量功能还会有进一步拓展和延伸的空间，其测量参数也会有相应的增加。
 

 

　　图3是宁波水表(集团)股份有限公司正在重点研发的且有多项知识产权的第三代智能水表产品样机原型，它是在原有水量单一参数测量基础上增加管网综合参数测量功能并接入电控阀等执行装置所构成的新一代智能水表(智能水表3.0产品)。这种第三代智能水表是名副其实的多参数水表，在强化其内部嵌入式计算机系统和无线通信能力的基础上，可以将各类传感器感知获取的测量数据融合打包与加密，完成数据存储、分析处理、远程传输、安全认证、乃至边缘计算等任务，使其完全能承担起管网数据采集中心的角色。
 

 

　　从数据通信的实时性看，智能水表3.0产品的无线通信技术可以选用NB-IoT(窄带无线蜂窝网)或LoRaWAN(自组无线广域网)等数种通信方式进行数据传输和接入。对于信息量很大的视频(或照片)类工况数据和实时性要求较高的控制类数据，则可通过数据压缩技术或经LoRaWAN连接至近距离点的WiFi路由器接入到互联网，或直接使用5G宽带通信技术进行数据传输。
 

　　在线水质测量需要提供符合测量要求的环境和条件，这样方能保证浑浊度、余氯、pH等参数测量的准确性与可靠性。在水质测量的同时，在研的智能水表3.0产品还具有与水质预(报)警系统融为一体、为供水企业或用水户提供水质分质预警和水质污染报警等功能。
 

　　管网漏渗状态监测可以提供两类检测信号用于和分析，一类是以振动和噪声等方式在管道管壁传播的漏渗信号，适合在金属管道及短距离测量点条件下使用，需要用到噪声或振动传感器；另一类漏渗信号直接通过供水介质进行传播，适合在非金属管道和长距离测量点条件下使用，需要用到水声等传感器。确定漏渗点位置，除了使用上述两类传感器和采用互相关分析法定位外，还可以结合管道内的水压和水量变动等情况进行辅助定位计算。
 

　　智能水表3.0产品在供水新业务中的应用
 

　　近期，宁波水表(集团)股份有限公司已与同济大学“智慧水务联合创新研发中心”合作，共同启动“基于智能水表3.0安装节点与数据采集的管网水力与水质建模及工程化应用研究”等课题研究工作。与此同时，宁波水表(集团)股份有限公司组建高层次研发团队与相关高校、科研机构合作，共同研发各类高性价比的管网在线水参数传感器与信号处理系统，为水务行业智慧供水新业务提供新一代的智能感知终端产品。
 

　　在智慧供水领域，当前亟需的是让基于CPS的水务解决方案尽快完善和成熟起来，加快产品化研制步伐，并早日投入商用。涉及到的具体内容主要有：管网供水压力(水量)的科学调度及能耗优化、管网末梢在线水质监测及预报警、管网漏渗监测及准确定位等业务系统。这些供水新业务与国家提出的保障安全供水和节能减排方针密切有关，也与供水企业自身经济效益和运行效率提升紧密相连，因此需要加快推进研究与商用速度，早出应用成果。
 

　　结合近年来国家提出的城镇管网树状化改造的方案与要求(主要用于DMA管网漏损管控)，宁波水表(集团)股份有限公司和同济大学智慧水务研究团队的工作重点也聚焦在基于城镇树状管网改造的智慧供水新业务研究上。图4和图5为城镇树状管网改造后的水表安装示意图，在图中的水表安装位置上可以设置各类水参数传感器、电控执行器和无线通信设施，在有限的空间内建立起众多的、性价比较高的微型化管网数据采集中心，为各类新的供水业务系统提供实时的大数据。
 

 

 

　　可以预计，在不远的将来，随着智能水表3.0产品的推广与应用，供水新业务应用系统算法、模型的演进与成熟，由智慧供水技术保驾护航的安全供水必将成为现实。
 

　　结语
 

　　推行智慧水务(智慧供水)新业务，需要人们转变传统观念、增强创新意识，需要水务企业领导和员工的重视与推动，需要各相关方的支持与配合，更需要有系统层级的新技术、新方法以及现代管理的新理念、新模式作支撑，尤其离不开由管网运行综合参数提供的大数据作保障。
 

　　因此，新一代智能水表产品概念的提出以及后续新产品的商用研发与应用，将会给以信息物理系统为特征的先进制造技术在智慧供水领域的全面应用带来可以预期的利好和希望，这将有助于早日解决供水业务当前面临的需求和“痛点”，也让人们对安全供水、高效供水、乃至未来的分质与健康供水充满信心和期待。
 

　　作者简介及
 

　　姚灵，宁波水表(集团)股份有限公司技术总监；兼任中国计量协会水表工作委员会秘书长、智能水表技术工作组组长、全国量具量仪标准化技术委员会量仪分技术委员会副主任委员、浙江省水表标准化技术委员会主任委员等职；教授级高级工程师，享受国务院政府特殊津贴待遇专家。