供水管网智能化管理技术

引言

全球城市化率突破 55% 背景下，城市供水管网规模持续扩张，但传统管理模式依赖人工巡检、经验调度，导致三大核心问题：一是漏损率居高不下，全球年均水资源浪费率达 30% ；二是调度决策滞后，突发爆管等事件应急响应时间超过 2 小时；三是设备维护依赖经验判断，故障预测准确率不足 60% 。供水管网智能化管理技术通过集成物联网、边缘计算、数字孪生等新兴技术，构建“感知 - 分析 - 决策 - 执行”闭环系统，可实现管网运行状态实时可视、漏损风险主动预警、调度策略动态优化，成为破解水资源管理难题的关键路径。

1 供水管网智能化管理技术架构

供水管网智能化管理系统由物理感知层、网络通信层、数据处理层与应用服务层构成，各层级协同实现数据采集、传输、分析与决策功能。

1.1 物理感知层：全要素数据采集

物理感知层是智能化管理的基础，通过多参数集成传感器实现管网状态全要素采集：压力传感器（量程0-2.5MPa，精度 ±0.5% ）部署于关键节点，实时监测水压波动；流量计（精度 ±1% ）安装于主干管段，精确计量供水量；水质监测仪（集成浊度、余氯、pH 值传感器）实现从水源到末端的全程水质跟踪。沧州市供水排水集团在管网改造中部署 1200 个智能传感器，形成覆盖全域的监测网络，为漏损定位、水质预警提供数据支撑。

1.2 网络通信层：混合通信网络构建

网络通信层采用“5G+NB-IoT+LoRa”混合架构，兼顾带宽、覆盖与功耗需求：5G 网络支持高清视频监控与 AR 巡检等大带宽应用，时延低于 20ms ；NB-IoT 模块实现低功耗广域覆盖，单节点续航达 5 年以上；LoRa 自组网技术解决地下管廊等信号盲区问题。苏州“智水苏州”项目通过部署3000 个 LoRa 终端，实现 98% 管网区域的实时数据回传，年通信成本降低 40% 。

1.3 数据处理层：边缘- 云端协同计算

数据处理层采用“边缘计算 + 云计算”协同架构，提升数据处理的实时性与效率：ARM 边缘计算机部署于泵站等现场，实现压力突变等紧急事件的本地化快速响应（响应时间 <500ms ）；云计算平台构建 PB 级时序数据库，支持 10万级设备并发接入。深圳市盐田区直饮水项目通过搭建超融合数据中心，将管网水力模型计算速度提升3.15 倍，压力校准精度提高至 0.1-1.2m_⨀ 。

1.4 应用服务层：四大核心功能模块

应用服务层开发四大核心功能模块，支撑智能化管理决策：智能调度系统：基于强化学习算法动态优化泵组运行，深圳水务集团应用后年节电量达 1200万 kWh ；漏损控制系统：采用 LSTM 神经网络预测漏损位置，常熟中法水务项目实现漏损率从 30% 降至 10% ；水质预警系统：构建基于贝叶斯网络的风险评估模型，苏州项目水质异常响应时间缩短至10 分钟；设备健康管理系统：通过振动频谱分析预测水泵故障，设备计划外停机次数减少 65% 。

2 关键技术突破与创新实践

供水管网智能化管理依托物联网、大数据与人工智能等前沿技术，实现从“被动响应”到“主动预警”的跨越。数字孪生技术构建三维虚拟管网，实时映射物理状态，辅助故障诊断与应急调度；LSTM 神经网络通过历史数据训练，精准预测漏损位置，常熟中法水务项目漏损率从 30% 降至 10% ；智能阀门操控系统集成扭矩传感器与 5G 通信，实现远程精准启闭，上海金桥路测试中DN800 阀门操作效率提升 2 倍。这些创新显著提升管理效率，推动水资源可持续利用。

2.1 数字孪生技术深度应用

上海城投水务构建管网数字孪生体，集成 BIM 模型与 SCADA 数据，实现三大创新应用：虚拟压力测试：在新建管网投运前，通过数字孪生模拟 200 种工况，优化阀门配置方案，减少实际调试时间 70% ；爆管影响预演：输入爆管位置参数后，系统自动生成停水范围、用户影响清单及应急调度路径，应急预案制定时间从4 小时压缩至20 分钟；管网寿命预测：结合管材属性、水流冲刷强度等参数，建立剩余寿命评估模型，指导开展预防性更换，避免突发性爆管事故。

2.2 人工智能算法优化调度决策

杭州水务集团开发基于深度强化学习的调度优化系统，其创新点包括：多目标优化模型：同步考虑能耗、水压、水质三重约束，构建 Pareto 最优解集；迁移学习机制：利用历史数据预训练模型，在新区域部署时仅需少量本地数据微调，模型适应周期从 3 个月缩短至 2 周；动态权重调整：根据用水峰谷特性实时调整目标函数权重，平峰时段能耗降低 18% ，高峰时段水压达标率提升至99.2% 。

2.3 区块链技术保障数据安全

广州自来水公司试点区块链水务数据平台，实现三大安全提升：数据不可篡改：将传感器数据、操作记录等上链存储，确保审计追溯可靠性；智能合约自动化执行：通过预设规则自动触发预警阈值调整、维修工单派发等流程，减少人为干预风险；跨机构数据共享：在保障隐私前提下，实现与环保、气象部门的数据协同，提升突发污染事件应对效率。

3 实施挑战与应对策略

供水管网智能化管理推进中面临多重挑战。技术层面，不同厂商设备通信协议不兼容，数据传输易丢失，影响系统集成度。资金方面，智能化改造初期投入大，中小企业资金压力显著。管理上，数据安全风险突出，黑客攻击或致系统瘫痪。应对策略上，需统一设备通信标准，开发协议转换中间件；政府出台补贴政策，引导社会资本参与，缓解资金难题；然后采用加密算法与防火墙技术，构建数据安全防护体系，保障系统稳定运行，推动智能化管理落地。

3.1 技术集成难题

不同厂商设备存在通信协议不兼容问题，某市智慧水务项目因协议转换导致数据丢失率达 15% 。解决方案包括：推行《智慧水务设备通信接口标准》，强制要求设备支持 OPC UA、MQTT 等通用协议；开发协议转换中间件，实现Modbus、BACnet 等私有协议的透明传输。

3.2 数据质量与安全风险

传感器精度、安装位置及传输干扰可能导致数据误差，某项目因压力传感器校准偏差误报漏损事件。应对措施包括：建立数据质量监测体系，通过卡尔曼滤波、小波变换等算法修正异常值；采用国密 SM4 算法加密传输数据，部署防火墙与入侵检测系统（IDS）保障网络安全。供水管网智能化管理中，数据质量与安全风险并存。传感器精度偏差、安装位置不当致数据失真，影响决策；网络攻击、数据泄露等安全威胁，可能使系统失控。需强化数据校验，采用加密技术，筑牢安全防线。

3.3 投资与运营成本

智能化改造初期投入较高，某二线城市项目总投资达 2.3 亿元。优化路径包括：申请国家智慧城市专项补贴，某项目获中央财政支持 4000 万元；采用PPP 模式引入社会资本，苏州“智水苏州”项目并且通过 BOO 模式降低政府初期投入 60% 。

结语

供水管网智能化管理技术通过物联网、大数据、人工智能等手段，实现了从被动响应到主动预警、从经验调度到智能优化的转变。上海城投水务数字孪生项目、杭州水务集团AI 调度系统等实践表明，智能化管理可显著降低漏损率、提升调度效率、保障供水安全。最后未来，随着 5G-A、数字孪生、大模型等技术的深化应用，供水管网将向“全要素感知、全场景智能、全链条协同”方向演进，为构建韧性城市、实现水资源可持续利用提供核心支撑。

参考文献

[1] 殷晓岚 . 城市供水管网检漏方法及应用研究 [D]. 山东大学硕士学位论文，2005.

[2] 傅玉芬 . 城市供水管网漏损控制 [D]. 天津大学硕士学位论文，2004.