智能水表在智慧水务系统中的应用研究

摘要：本文深入探讨了智能水表在智慧水务系统中的应用。通过分析水表发展历程和智慧水务系统的组成与功能，阐述了智能水表在水量监测、泄漏检测、用水行为分析和远程抄表等方面的具体应用。研究表明，智能水表作为智慧水务系统的核心组件，能够显著提升水务管理效率，优化资源配置，降低水资源浪费。文章还提出了基于智能水表的智慧水务系统设计方案，为水务管理现代化提供了理论依据和实践指导。

关键词：智能水表；智慧水务系统；水务管理；物联网；大数据分析

引言

随着城市化进程的加快和水资源短缺问题的日益严峻，传统水务管理模式已难以满足现代城市发展的需求。智慧水务系统作为新一代水务管理解决方案，通过整合物联网、大数据、云计算等先进技术，实现了对水资源的智能化管理和优化配置。作为智慧水务系统的核心组件，智能水表在数据采集、传输和数据分析方面发挥着关键作用。本文旨在探讨智能水表在智慧水务系统中的应用，分析其技术特点、功能优势以及系统设计方案，为推进水务管理现代化提供参考。

一、水表发展历程

水表的发展经历了从传统机械水表到脉冲水表，再到智能水表的演变过程。传统水表依靠自来水压力驱动齿轮旋转来计量用水量，具有造价低、计量精度满足要求的优点，但存在人工抄表效率低、易出错等问题。

第一阶段：传统水表

（1）工作原理：自来水压力驱动齿轮旋转，并对用水量进行计算。

（2）功能特性：造价较低，计量精度满足要求。

（3）缺点：需人工抄表，易错抄、漏抄，效率低。

第二阶段：IC卡脉冲水表

（1）工作原理：借助传感技术、微电子技术以及智能IC技术，对实际用水量进行测算和传输，并能实现结算。

（2）功能特征：用水量记录可实现电子化，自动控制用水量，自动完成阶梯水费计算，数据自动储存，自动检测、异常提示及预付费功能。

（3）缺点：私密性问题，统计调度困难，依赖电池，电量耗尽时无法监测用水量。

第三阶段：智能水表

智能水表作为第三代水表，采用精确传感器进行信号传输与处理，内置计算机系统，可提供多种接口与执行器，实现对重要流量参数的动态监测。智能水表可分为预付式和远程式两种类型，通过非机械部件的流量传感器实现宽量程、高精度的测量。其通信方式包括有线远程通信和无线远程通信，如NB-IoT、LoRa、CAT1（GPRS）等，大大提高了数据采集和传输的效率。

二、智慧水务系统概述

智慧水务系统是通过引入多种新型信息技术，对水资源实施全过程智能化管理的综合系统。该系统通过传感器实时收集水质、水量数据，通过网络传输至数据平台进行分析，并采用用户界面进行管理与控制。智慧水务系统革新了传统水务管理模式，大幅提升了管理水平和效率，优化了资源配置，有效防止了资源浪费。智慧水务系统组成元件性能参数如表1所示。

智慧水务系统由多个组件构成，包括智能水表、系统设备、智能抄表管理系统、水质在线监测系统、泄漏监测与定位系统以及数据分析与决策支持系统等。这些组件协同工作，提供了一个全方位的管理系统，帮助水务公司动态了解水资源使用状况，及时处理问题，优化资源分配，提高管理的自动化和智能化水平。

三、智能水表在智慧水务系统中的应用

智能水表在智慧水务系统中的应用主要体现在水量监测与管理、泄漏检测与防控、用水行为分析以及远程抄表与计费等方面。智能水表采用高精度流量传感器，能在0.015m3/h～30.000m3/h流速范围内准确测量，满足不同用水环境需求。通过NB-IoT、CAT1等无线网络实时传输数据至中央处理系统，提高了水资源管理效率和精度。不同通信技术下的智能水表数据传输效率如表2所示。

在泄漏检测方面，智能水表采用高灵敏度的压力与声音传感器，监测水压和水流变化，识别潜在泄漏点。结合高级算法进行数据分析，系统能够精确定位泄漏点位置，防止水资源损失，提高水务系统运行效率。用水行为分析功能则通过细粒度数据分析用户用水模式，结合外部信息如气象数据和节假日，实现用水量的准确预测和异常用水情况的识别。不同泄露类型下的智能水表响应时间如表3所示。

1.用水行为分析

用水行为分析功能依靠细粒度数据进行，采用智能水表可以提供单位时间用水量数据，结果精度达到0.1L，深入分析用户用水行为。结合外部信息，如气象数据、用户分布以及节假日，通过大数据分析，对各用户群体实施分类与用水量准确预测。系统还能识别异常用水情况，提高水资源管理效率，提高各级用户的用水满意度，形成良好节水行为，为管理工作提供提供可靠数据支持与决策依据不同季节下某用户的用水行为变化如表4所示。

2.远程抄表与计费

远程抄表和计费功能通过无线通信技术实现数据的准确传输和自动计费，提高了资源管理水平和用户服务水平。系统还能自动识别异常行为，提醒用户可能的漏水问题，减少运营成本，提高管理工作的信息化和智能化水平。

四、基于智能水表的智慧水务系统设计

基于智能水表的智慧水务系统设计旨在建立一个高效、智能的水务管理平台。系统设计目标包括建立云数据采集服务系统和数据库，开发以智能水表为基础的服务端，实现远程抄表与控制、用户数据管理、异常分析与报警以及自动计费等功能。系统总体架构由感知层、基础设施服务层、数据中心、平台层、应用层和展现层六个层次构成。

关键技术路线设计涵盖远程抄表、用户账户管理、计费管理、异常报警四个功能模块。系统部署在阿里云平台，用户通过接口访问系统，权限因用户类别而异。用水量预测基于历史用水数据，采用LSTM建立短期用水量预测模型，辅助调度决策，有助于准确掌握用水变化趋势，提前做好调度，减少供水短缺，保障供水安全。

关键技术路线设计

水务云平台涵盖远程抄表、用户账户管理、计费管理、异常报警四个功能模块。整个架构主要包含以下四层：第一层为基础设施，第二层为平台管理，第三层为服务应用，第四层为用户。部署在阿里云，用户经接口进行系统访问，权限因用户类别而异。服务应用层提供远程抄表、账户管理、用水信息管理、缴费管理服务；平台管理层的主要功能在于数据存储与资源分配；而基础设施层则可以实现IaaS功能。根据用户类别，平台包含四个核心模块：对于远程抄表模块，主要以NB-IoT技术为核心，自动上传水表流量等信息。对于用户管理，具体可以分成以下四种形式：超级用户管理、管理人员管理（水表厂与自来水公司）以及普通用户管理，各自拥有不同权限。对于超级用户，可访问全部数据；对于水表厂的管理人员，可以为自来水公司的管理人员授权；自来水公司管理员管理用户信息和账户；普通用户查询和缴费。计费管理模块包括计费模式管理，自来水公司管理员可添加、修改、删除计费模式，系统自动计算扣费。用户可通过网银、微信或营业厅缴费，余额不足时微信报警。异常报警模块系统自动轮询拉取水表状态信息，发现异常时在平台报警，便于管理员及时处理。管理员可查看异常水表用水情况并下发指令，保障用水安全。用水量预测基于历史用水数据，采用数据驱动方式挖掘用水量数据，辅助调度决策，用水量预测步骤如图2所示。采用LSTM建立短期用水量预测模型，流程包括获取原始数据、预处理、建立模型、评估模型、优化超参数、模型改进和循环预测。预测结果用于辅助调度决策，有助于准确掌握用水变化趋势，提前做好调度，减少供水短缺，保障供水安全，实现节能降耗。

五、结论

智能水表作为智慧水务系统的核心组件，在提高水务管理水平、优化资源配置、降低水资源浪费等方面发挥着重要作用。通过水量监测、泄漏检测、用水行为分析和远程抄表等功能的实现，智能水表显著提升了水务管理的效率和精度。基于智能水表的智慧水务系统设计方案为水务管理现代化提供了可行的技术路线和实施框架。未来，随着物联网、大数据和人工智能技术的进一步发展，智能水表在智慧水务系统中的应用将更加广泛和深入，为实现水资源的可持续利用和智慧城市的发展做出更大贡献。

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作者简介：伍已娥（1970.08）女，汉族，湖南零陵，本科，高级工程师，从事城镇给水方向工作