大數(shù)據(jù)時(shí)代，智能水表發(fā)展該何去何從？

　　【中國儀表網(wǎng) 儀表產(chǎn)業(yè)】人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入萬物互聯(lián)的大數(shù)據(jù)時(shí)代。隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)都在研究如何應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)提升行業(yè)的管理水平和盈利能力。
 

 

　　城市供水行業(yè)是公用事業(yè)，肩負(fù)著城市供水服務(wù)和水資源管理的雙重重任。物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用必將為城市供水行業(yè)發(fā)展帶來巨大的進(jìn)步。
 

　　一、 智能水表在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用中的作用
 

　　智能水表的初級(jí)階段是IC卡水表，其功能是單純的計(jì)量收費(fèi)。隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，智能水表將以遠(yuǎn)傳表為主，其功能既包括計(jì)量收費(fèi)，又要擴(kuò)展到供水管網(wǎng)智能管理。后者的經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)大于前者。
 

　　物聯(lián)網(wǎng)的作用是實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)智能硬件的互聯(lián)互通，搭建的是物理平臺(tái)。大數(shù)據(jù)的作用是為供水管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化管理提供數(shù)據(jù)和信息，是智能化管理平臺(tái)。通過數(shù)據(jù)的采集、分析和處理可得到供水管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行狀態(tài)的決策信息，然后依據(jù)獲得的大數(shù)據(jù)信息實(shí)施供水管網(wǎng)的運(yùn)行管理，從而提高運(yùn)行效率，減少水資源損耗，降低運(yùn)行成本，提高用戶服務(wù)能力，增強(qiáng)企業(yè)盈利能力。
 

　　計(jì)量數(shù)據(jù)是供水管網(wǎng)運(yùn)行最重要的數(shù)據(jù)。通過大量計(jì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以得到供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的信息，使管理決策更為準(zhǔn)確和及時(shí)。因此，智能水表在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用中具有極其重要的作用。
 

　　智能水表的主要作用是收費(fèi)管理、供水管理和監(jiān)控管理。
 

　　收費(fèi)管理是水表的基本功能。過去水表的作用只是提供單一的收費(fèi)數(shù)據(jù)。隨著階梯水價(jià)政策的推出，智能水表在階梯水價(jià)收費(fèi)管理中發(fā)揮了智能化運(yùn)算作用。
 

　　供水管理就是通過管網(wǎng)供水?dāng)?shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)和分析，為生產(chǎn)與供應(yīng)管理提供準(zhǔn)確的決策信息，使生產(chǎn)與供應(yīng)的匹配更為合理，生產(chǎn)計(jì)劃的制定有了科學(xué)依據(jù)。
 

　　監(jiān)控管理就是通過供水?dāng)?shù)據(jù)的采集和分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)供水異?，F(xiàn)象。用戶使用了智能水表，就可以建立包含用戶的分區(qū)管理網(wǎng)絡(luò)。通過分區(qū)管理及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)漏水、用戶盜水和計(jì)量損失，以便及時(shí)檢查和維修。通過監(jiān)控用戶供水異常，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)用戶端漏水和盜水，為用戶及時(shí)提供服務(wù)。供水監(jiān)控是水資源管理的重要手段，也是降低運(yùn)行成本，增強(qiáng)盈利能力的重要手段。
 

　　綜上所述，大數(shù)據(jù)技術(shù)在供水管網(wǎng)中的應(yīng)用可以極大提高效率，降低人力資本支出，減少生產(chǎn)資源損失；減少水資源損失，將盜取的水量轉(zhuǎn)變?yōu)槭杖耄豢梢詾橛脩籼峁┞┧畔⒎?wù)，減少用戶損失。
 

　　二、 現(xiàn)有智能水表存在的問題
 

　　面對(duì)大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)智能水表應(yīng)該從兩個(gè)角度提出要求。一是滿足大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用對(duì)智能水表的要求；二是水司作為用戶對(duì)智能水表的要求。
 

　　從大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用角度，首先智能水表的計(jì)量數(shù)據(jù)采集精度應(yīng)該為0.001立方米。計(jì)量數(shù)據(jù)采集精度低對(duì)供水管網(wǎng)異常現(xiàn)象很難監(jiān)測(cè)出來。其次智能水表應(yīng)該具有防盜水和監(jiān)控爆管功能，這就要求智能水表具有檢測(cè)逆流的功能。其三，智能水表的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和通信功能可靠。
 

　　滿足大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用是水司的基本要求。此外，水司更為關(guān)切的有兩點(diǎn)，一是智能水表計(jì)量數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性，二是智能水表的綜合成本。
 

　　智能水表(從IC卡表開始)進(jìn)入市場已經(jīng)20多年。水司對(duì)應(yīng)用結(jié)果不滿意。首當(dāng)其沖的是計(jì)量數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性讓水司不放心。計(jì)量數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性要貫穿于水表整個(gè)壽命周期。事實(shí)證明，影響水表整個(gè)壽命周期計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的主要因素是水表的可靠性，而不單單是計(jì)量精度?？梢哉f可靠性影響更大。
 

　　傳統(tǒng)的機(jī)械水表使用了200多年?，F(xiàn)在無論先進(jìn)或落后國家機(jī)械水表還是主流產(chǎn)品，也就是說機(jī)械水表的準(zhǔn)確性和可靠性得到了普遍認(rèn)同。機(jī)械水表是容積式計(jì)量，只要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)正常工作，計(jì)量就沒有問題。只要機(jī)械磨損是可控的，計(jì)量的準(zhǔn)確性就沒有問題。環(huán)境變化和各種干擾均不能影響機(jī)械水表計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性。居民用戶使用的小規(guī)格機(jī)械水表，從計(jì)量精度到價(jià)格應(yīng)該是性價(jià)比非常適合的產(chǎn)品。
 

　　相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械水表，為了實(shí)現(xiàn)智能化增加的電子數(shù)據(jù)采集裝置影響了水表的可靠性。因此電子數(shù)據(jù)采集裝置是智能水表的核心技術(shù)。從原理上講現(xiàn)有的幾種智能水表如果應(yīng)用于理想工作環(huán)境中采集的計(jì)量數(shù)據(jù)都應(yīng)該是準(zhǔn)確的。問題出在智能水表工作環(huán)境的變化和各種干擾，嚴(yán)重影響了智能水表電子數(shù)據(jù)采集裝置的可靠性。常見的環(huán)境變化和干擾有水泡、水錘、強(qiáng)磁、強(qiáng)光、水質(zhì)變化、水垢、溫度、電子器件老化與漂移。不受環(huán)境變化和各種干擾影響的智能水表才能在整個(gè)壽命周期內(nèi)可靠準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)。要想使智能水表的電子數(shù)據(jù)采集裝置不受環(huán)境變化和各種干擾的影響，在原理上必須有可靠的保障措施。原理上存在問題，工作中一定出問題。
 

　　現(xiàn)有的智能水表從電子數(shù)據(jù)采集裝置的形式上講可以分為兩大類：
 

　　第一類是以傳統(tǒng)機(jī)械水表為基表，增加一套電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置，把機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)的智能水表。典型產(chǎn)品有光電直讀水表和脈沖水表。正是由于增加了這套電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置，計(jì)量數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性易受各種干擾影響。
 

　　光電直讀水表影響計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素主要是由其編碼原理決定的。光電直讀水表用字輪上三個(gè)腰型孔來進(jìn)行編碼，就是說每個(gè)字輪上有三個(gè)上升沿和三個(gè)下降沿。在數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)2個(gè)或3個(gè)沿的情況。這種情況會(huì)出現(xiàn)誤碼。因此，光電直讀水表通過軟件判斷來解決誤碼問題。軟件判斷的條件是根據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)人為設(shè)定的，無法包羅萬象。只要超出軟件設(shè)定的判斷條件，光電直讀水表就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。因此，光電直讀水表不是真正意義上的直讀水表。這也是國外普遍不認(rèn)同光電直讀水表的原因。光電直讀水表在采集精度為1立方米時(shí)(字輪轉(zhuǎn)速較慢)可以勉強(qiáng)使用。光電直讀水表的優(yōu)勢(shì)是沒有累計(jì)誤差，本次出現(xiàn)錯(cuò)誤讀數(shù)，后面采集的數(shù)據(jù)會(huì)糾正過來。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用要求水表采集精度為0.001立方米，每天采集次數(shù)較多，字輪上的三個(gè)沿在快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，光電直讀水表無法正常讀取數(shù)據(jù)。另外當(dāng)出現(xiàn)水錘現(xiàn)象時(shí)，字輪上的三個(gè)沿處于抖動(dòng)狀態(tài)，嚴(yán)重影響光電直讀水表準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)水中氣泡處于發(fā)光管和接收管之間時(shí)，也嚴(yán)重影響讀數(shù)的正確性。光電直讀水表抗光干擾能力較弱。水表安裝環(huán)境千差萬別，無法設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)光線安裝環(huán)境。大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于供水管網(wǎng)管理，每天需要頻繁采集數(shù)據(jù)，尤其要在白天采集數(shù)據(jù)。強(qiáng)光干擾將嚴(yán)重光電直讀水表數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。
 

　　脈沖水表的原理是計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)計(jì)量脈沖，將脈沖數(shù)量轉(zhuǎn)換為計(jì)量數(shù)據(jù)。脈沖水表是在水流通過時(shí)采集脈沖信號(hào)。當(dāng)水流運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)連續(xù)時(shí)脈沖信號(hào)的采集是準(zhǔn)確的。當(dāng)水流出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)會(huì)造成誤讀脈沖數(shù)量。倒轉(zhuǎn)時(shí)脈沖水表照樣計(jì)量脈沖數(shù)。當(dāng)高樓加壓時(shí)管網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生水錘，當(dāng)閥門開斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生水流振蕩。這些現(xiàn)象都影響計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。脈沖水表產(chǎn)生的誤差是累計(jì)的，時(shí)間越久累計(jì)誤差越大。而且，脈沖水表不可測(cè)逆流。
 

　　第二類是超聲波水表。超聲波水表的工作原理是采取時(shí)差法對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量通道(流量管)的上游和下游分別安裝一只超聲波換能器。甲換能器向乙換能器發(fā)射一個(gè)超聲波信號(hào)(順流)，同時(shí)乙換能器向甲換能器發(fā)射一個(gè)超聲波信號(hào)(逆流)，順流和逆流的超聲波信號(hào)在傳輸過程中形成一定的時(shí)間差，在標(biāo)定的管徑截面積和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量管長度的情況下，通過積分儀上的計(jì)算芯片計(jì)算出表的流量。
 

　　從原理上可見超聲波水表計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性受環(huán)境變化和各種干擾影響是最大的。氣泡、水錘、水質(zhì)變化、水垢、溫度、電子器件老化與漂移都會(huì)影響超聲波水表的計(jì)量。超聲波水表被計(jì)量的水必須在層流狀態(tài)，氣泡、水錘及閥門的開斷都會(huì)使流經(jīng)水表的水流成為紊流狀態(tài)，從而影響其測(cè)量的時(shí)差。水質(zhì)變化會(huì)影響其測(cè)量的時(shí)差與標(biāo)定時(shí)差不同。水表使用較長時(shí)間后換能器會(huì)結(jié)水垢，水質(zhì)不同結(jié)垢程度不同，也會(huì)影響其測(cè)量的時(shí)差，溫度變化、電子器件老化和漂移更會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。超聲波水表計(jì)量精度受影響的因素較多是水司不放心的根本原因。
 

　　建設(shè)供水管網(wǎng)的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，需要投資最多的是居民用戶水表。無論建設(shè)投資還是運(yùn)行維護(hù)，企業(yè)投入的資金都是巨大的。智能水表的成本對(duì)于供水企業(yè)是非常重要的選項(xiàng)。眾多企業(yè)在說到成本時(shí)都只說制造成本，這對(duì)供水企業(yè)是不科學(xué)的。供水企業(yè)要考慮經(jīng)濟(jì)效益，在考慮智能水表的成本時(shí)應(yīng)該考慮兩個(gè)因素，一是智能水表的制造成本，反映在采購價(jià)格上；二是智能水表的運(yùn)行維護(hù)及換代費(fèi)用。我們暫且把這兩項(xiàng)叫做智能水表的綜合成本。綜合成本低應(yīng)該是供水企業(yè)在選擇智能水表時(shí)考慮的主要經(jīng)濟(jì)因素。目前現(xiàn)有的三款智能水表，綜合成本最低的是脈沖水表，其次是光電直讀水表，超聲波水表成本較高。
 

　　三、 光纖直讀水表介紹
 

　　光纖直讀水表也是以機(jī)械水表為基表，增加一套電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置，把機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)的智能水表。光纖直讀水表與光電直讀水表都是通過光電轉(zhuǎn)換原理把機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)，但在結(jié)構(gòu)和原理上完全不同。因此，兩者在性能完全不同。
 

　　光纖直讀水表由光纖基表和電子裝置兩個(gè)相互獨(dú)立的模塊構(gòu)成。光纖直讀水表的核心部件是光纖直讀采集器。光纖直讀采集器由光纖組件與電子裝置構(gòu)成，具有電子數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。其中，光纖組件由字輪編碼器、光纖網(wǎng)絡(luò)和光接口構(gòu)成；電子裝置由光電管和電子線路板構(gòu)成。光纖基表的結(jié)構(gòu)是將光纖直讀采集器的光纖組件安裝于機(jī)械表內(nèi)，外面有一個(gè)光接口。電子裝置的光電管與光纖基表光接口相對(duì)應(yīng)。光纖基表還是一個(gè)機(jī)械表，內(nèi)部沒有任何電子器件和光電管，只是增加了一套光纖組件。電子裝置分為有線和無線兩種模式。有線電子裝置安裝在光纖基表上就是有線智能水表。無線電子裝置安裝在光纖基表上就是無線智能水表。
 

　　光纖直讀水表的基本原理是，光纖組件的入射光纖、字輪面及反射光纖構(gòu)成光信號(hào)采集通道。發(fā)光管發(fā)出的光通過入射光纖投射到字輪面上，如果字輪面是凸面，光通過反射光纖反射到接收管，為“1”；如果字輪面是凹面，光被吸收，不能通過反射光纖反射到接收管，為“0”；通過5組光纖和5個(gè)位置的編碼，識(shí)別字輪的計(jì)量數(shù)據(jù)。光纖直讀水表的優(yōu)良性能來源于上述結(jié)構(gòu)原理。主要特點(diǎn)如下：
 

　　1、 計(jì)量數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，可靠性高
 

　　光纖直讀水表在結(jié)構(gòu)、編碼和光源方面采用了可靠性確定的技術(shù)，保障了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，抗各種干擾的能力強(qiáng)。
 

　　(1)光纖直讀水表的字輪編碼器采用單沿結(jié)構(gòu)和格雷碼
 

　　光纖直讀水表也是在字輪上面編碼，采用的結(jié)構(gòu)是在徑向開一個(gè)180度的溝槽，這種結(jié)構(gòu)只有一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿。每個(gè)字輪上設(shè)有5個(gè)光信號(hào)采集點(diǎn)，且采用格雷碼編碼。上升沿每越過一個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)，對(duì)應(yīng)著的一個(gè)唯一的編碼狀態(tài)。下降沿每越過一個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)，也對(duì)應(yīng)著的一個(gè)唯一的編碼狀態(tài)。每個(gè)字輪10個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著10個(gè)編碼狀態(tài)。光纖直讀水表讀取的字輪上的編碼實(shí)際上就是字輪上的數(shù)字。因此光纖直讀水表沒有用于判斷的讀數(shù)程序。光纖直讀水表是真正的直讀水表。光纖直讀水表的這種單沿結(jié)構(gòu)可以保證當(dāng)水錘發(fā)生時(shí)讀數(shù)不會(huì)受到影響。
 

　　(2)光在水中的傳播距離小，且在字輪下
 

　　水泡通常發(fā)生在空間較大的地方，空間越小越不易發(fā)生和存儲(chǔ)水泡。光纖直讀水表發(fā)光點(diǎn)到字輪表面的間隙小于1毫米，而且在字輪的下方。因此，光纖直讀水表不受水泡的影響。
 

　　(3)光信號(hào)采用620納米的紅光
 

　　光纖直讀水表的光源采用了620納米的紅光，有效地避免了太陽光的干擾。光纖直讀水表放置在強(qiáng)太陽光下可以正常工作。
 

　　綜上所述，光纖直讀水表讀數(shù)準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。常見的氣泡、水錘、強(qiáng)磁、強(qiáng)光、水質(zhì)變化、水垢、溫度、電子器件老化與漂移等現(xiàn)象對(duì)光纖直讀水表的準(zhǔn)確讀數(shù)都不會(huì)產(chǎn)生影響。
 

　　2、 電子數(shù)據(jù)采集精度為0.001立方米
 

　　光纖直讀水表字輪顯示8位數(shù)據(jù)，其中小數(shù)點(diǎn)后3位，符合國際標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集精度為0.001立方米，滿足大數(shù)據(jù)管理的需要。
 

　　3、 可測(cè)逆流
 

　　光纖直讀水表的水流正向流動(dòng)采集的數(shù)據(jù)是正常的計(jì)量數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)逆流，顯示的是負(fù)數(shù)，說明有逆流存在。光纖直讀水表滿足大數(shù)據(jù)應(yīng)用對(duì)管網(wǎng)監(jiān)控的功能要求。
 

　　4、 模塊化結(jié)構(gòu)
 

　　光纖直讀水表采用了基表和電子裝置相互獨(dú)立的模塊化結(jié)構(gòu)。模塊化結(jié)構(gòu)為用戶運(yùn)行維護(hù)帶來了極大的便利性，有效降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和基表壽命到期更換投資。當(dāng)光纖直讀水表電子器件或光電管出現(xiàn)故障時(shí)，更換電子裝置故障就排除了，基表可以繼續(xù)使用；當(dāng)基表出現(xiàn)故障時(shí)，更換基表故障就排除了，電子裝置可以繼續(xù)使用。當(dāng)光纖直讀水表的基表壽命到期時(shí)，只更換基表，電子裝置可以繼續(xù)使用。
 

　　四、智能水表的選擇
 

　　目前，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在城市供水行業(yè)的應(yīng)用還在研討和試驗(yàn)中。大規(guī)模的應(yīng)用還沒有開始。智能水表在城市供水物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用中具有重要作用，也是投資最大的基礎(chǔ)設(shè)施。智能水表的選擇至關(guān)重要。
 

　　本文從原理上解剖和介紹了目前國內(nèi)外現(xiàn)有的三款智能水表，即光電直讀水表、脈沖水表和超聲波水表；又介紹了一款新型水表——光纖直讀水表。通過上述剖析可見光纖直讀水表可靠性最高，可測(cè)逆流，電子數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到0.001立方米，字輪顯示8位，符合國際標(biāo)準(zhǔn)；即滿足物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用要求，又從原理上解決了智能水表電子數(shù)據(jù)采集裝置的準(zhǔn)確性和可靠性問題，而且運(yùn)用模塊化結(jié)構(gòu)降低了智能水表的運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用，具有良好的經(jīng)濟(jì)性?？梢?，光纖直讀水表在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用中會(huì)發(fā)揮重要作用。
 

　　(原文標(biāo)題：面向大數(shù)據(jù)時(shí)代的智能水表)