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上海上實龍創智能科技股份有限公司

1 目標和概述

1.1 行業所面臨的挑戰

傳統的供水管網漏損治理方法多以人工排查的方式進行，存在的問題主要集中在以下幾個方面：

（1）傳統的管網漏損治理主要采用聲波技術進行檢漏，這種方法在很長的一段時間內都發揮了顯著的成效，但從過程和方式來看，屬于被動式的漏損控制方法，對漏水點不能做到及時發現，導致泄漏時間延長和水損增大；

（2）隨著供水管網的不斷擴大，人工檢漏的盲目性愈發明顯，許多地方的管線探測屬于監測盲區；

（3）傳統檢測方式不僅工作效率較低，而且也造成了人力和物力的浪費。

1.2 主要目標

（1）實現自動化監測，人員工時節約50%；

（2）漏損率降至10%以下；

（3）治理漏損效率提高15%~20%；

（4）運行成本節約20%~30%。

1.3 總體概述

邊緣AI管網漏損管控系統，該系統基于DMA分區系統，在每個分區內構建了管網結構的數學模型，并在此基礎上建立機器學習模型，訓練好的算法模型能夠準確檢測漏水情況、定位漏損點，以及控制水壓穩定，保持需水端正常用水，如圖1所示。該方案與傳統DMA方案相比，成本低、效率高、較為靈活，具有廣泛的應用價值。

圖1 邊緣AI管網漏損管控系統模型圖

1.4 方案功能與創新

該方案使用海燕邊緣網關（上實龍創自主研發的硬件平臺）可直接部署于邊緣側。通常供水管網多布置于地下或野外，網絡信號存在盲區，而本系統已直接將EdgeStudio部署于對應每個分區內的邊緣小站設備中，巡檢人員可在無網絡情況下，直接通過小站Wi-Fi實現平臺登錄，訪問查看該區域內所有的端側管網設備狀態、漏損情況等。

創新如下：

（1）靈活性

邊緣計算的應用使本系統可輕量化部署于不同的水務場景。

（2）分布式

繼承DMA的分區系統理念，可將每個擁有邊緣小站的區域作為節點，分布式開展部署。

（3）準確性

邊緣計算的低延時、低丟包率的特點，解決了信號盲區導致的監測盲區。

（4）互補性

邊緣計算是對云平臺的一種技術補位，是一種邊云協同、端邊聯動的過程。

2 方案介紹

2.1 系統架構

近年來，邊緣計算的崛起和技術的日漸成熟，開始給各行各業帶來了新的科技創新和效率提升。針對傳統的DMA分區系統，在加入邊緣計算和AI算法之后，可彌補現有技術的缺陷。改進后的系統包括端側IoT設備、邊緣計算小站、AI算法應用、云平臺/服務器等，如圖2所示。

圖2 系統架構圖

2.2 硬件平臺

邊緣側的硬件平臺使用上實龍創自主研發的海燕邊緣網關，該硬件平臺的詳細功能如下：

（1）網關設計標準為工業級計算機使用標準，設備所有器件選型為工業級標準。

工作環境：溫度-20℃～+70℃，濕度20％～90％無凝露

儲運環境：溫度-40℃～+80℃，濕度15％～95％無凝露

（2）電磁兼容EMC的各項指標達ClassA級工業級標準。電源接口達到電源防護GB/T17626.5-2008標準4級(4KV)8/20μs雷擊測試；抗脈沖群保護；抗靜電±15kVHuman Body Model；±15kV IEC 1000-4-2 Air Discharge。

（3）設備平均無故障工作時間（MTBF）不低于100,000小時。

（4）外殼防護等級要達到IP30，能夠防止直徑大于2.5mm的固體外物侵入。外殼和系統安全隔離。

（5）網關內部集成實時時鐘，板載1個CR2032電池（可以使用3年），以確保斷電時，系統時間不丟失。

（6）網關有2個100M/10M以太網接口支持AUTO MDI/MDIX雙級抗雷防護；支持GB/T 17626.5-2008標準中10/700μs測試的3級2kV防護；±15kVHuman Body Model；±15kV IEC 1000-4-2 Air Discharge能夠接入不同的網段，可以做到內網與外網的完全隔離。

（7）網關有4×RS485接口，支持GB/T17626.5-2008標準中10/700μs測試的最高等級4kV防護、±15kVHuman Body Model、±15kV IEC1000-4-2Air Discharge。從協議要求的角度理論上可以接入124個從設備。

（8）網關可外接大容量存儲，容量最多支持128GB。硬件產品外觀如圖3所示。

圖3 硬件產品外觀

2.3 軟件平臺

邊緣AI管網漏損管控系統使用的海燕邊緣網關，搭載了上實龍創自主研發的EdgeStudio軟件平臺，該平臺是基于圖形節點和流程的快速開發平臺，采用可視化編程方法，將預定義的代碼塊連接起來執行任務。連接的節點，通常是輸入節點、處理節點和輸出節點的組合，當它們連接在一起的時候，構成一個“流”（Flows），與傳統的程序開發工具相比，它更好地適應物聯場景。可以與JavaScript和Node.js、C語言混合開發使用。

EdgeStudio是基于圖形用戶界面的設備數據采集控制開發工具。支持拖拽式的操作，交互式的設計器，幫助用戶無門檻零編程地開發。可搭載公網和本地的多種數據源，減少數據清洗和變形工作，同時支持自定義協議開發、函數計算能力、數據庫使用能力等，滿足各類復雜業務需求。具體編程界面如圖4所示。

圖4 編程界面

同時軟件平臺還具有以下特點：

（1）多重看門狗檢測機制，確保設備不死機；軟硬件多級檢測，確保不掉線。

（2）龍創IoT基干平臺能夠對所有在基干平臺上注冊過的網關進行遠程管理、遠程編輯、數據實時查看、固件遠程升級和遠程排查故障。

（3）支持多終端接入；支持客戶端功能；支持DHCP server、DHCP客戶端；IP與MAC地址綁定；DDNS、NAT、DMZ主機、QoS、流量統計，支持TCP/IP、UDP、TFTP、HTTP等多種網絡協議。

（4）網關兼容多種主流工業實時以太網協議和工業總線協議，支持Modbus TCP、Modbus RTU、OPC UA、KNX IP、BACnet IP等協議；支持SPI防火墻、VPN穿越、訪問控制；支持自定義策略；支持在線鏈路檢測，斷線自動重連；支持設備運行軟硬件自檢技術，運行故障自修復；支持系統狀態、網絡連接狀態、路由狀態查詢；支持Telnet、Web、SSH配置方式；支持OTA升級、本地系統日志、遠程日志、串口輸出日志。

2.4 安全防護

海燕邊緣網關將UFW網絡安全管理服務應用到邊緣網關產品，可以根據客戶的定制化需求在網關啟動時對網絡安全端口進行配置。主要但不限于以下功能：口，并且可以在開機腳本里靈活添加；

（1）允許經過授權的IP訪問網關產品的固定端

（2）解決邊緣網關被其他非法用戶進行端口掃描、遠程登錄篡改數據程序、非法的網絡可用性檢查等非法操作。

3 代表性及推廣價值

3.1 應用情況及效果

該部分針對上海市某自來水公司對街道社區供水改造數據進行計算分析。自來水公司的供水改造項目的實施成本主要分為實施成本及運營成本，實施成本分為建設成本以及信息系統建設成本。成本投入如表1所示。

表1自來水公司的供水改造項目成本投入表

圖5為施工前后每年維修供水設施支出費用及漏損水經濟損失柱形圖，可以看出使用邊緣AI漏損管控系統后，每年的供水管道維修費用逐年遞減。

圖5 施工前后每年維修供水設施支出費用及漏損水經濟損失柱形圖

為了驗證邊緣AI漏損管控系統的經濟效益和有效性，對網上2014~2017年暗漏數據進行了詳細的統計，并使用漏點流量測算公式中的容積法進行了漏水量的估算：假設該街道社區供水主管直徑為DN=200mm，生活給水管道水流速度2m/s（根據GB50015《建筑給排水設計規范》）計算：

供水總量=（200/2）2×π×2×10-6=0.0628（m3/s）

泄漏量=供水總量×漏損率（漏損率按15%計算）=0.0628×0.15=0.00942（m3/s）

如按上海目前平均水價6元/m3，該街道社區全年

因漏損水造成的直接經濟損失為：

0.00942×60×60×24×365×6=1,782,414（元）

邊緣AI漏損管控系統后，漏損率可降至10%，則每年可減少的經濟損失為：0.0628×0.05×60×60×24×365×6=594,138（元）

一套適合該街道社區的邊緣AI漏損管控系統需花費2,300,000元，整體的投資只需4年不到的時間即可收回所有成本。

3.2 社會價值

目前地球水資源的現狀

（1）水是地球上所有生命的重要來源；

（2）地球有71%的面積為水所覆蓋，但只有不到1%的淡水可為人類直接利用；

（3）有超過40%的世界人口面臨生活嚴重缺水的狀態，且該數據仍在增長。——以上數據來源：《世界水發展報告》

（4）無收益水量（Non-Revenue Water，NRW），是指由漏損、竊水、缺乏計量和運營效率低下等導致的淡水資源浪費的量。據IWA國際水協會數據，世界上每天約有3.46億立方米的飲用水在輸送給用戶過程中未產生收益，每年因NRW產生的總成本保守估計為140億美元。特別是在一些發展中國家，漏損的水量占供水量的50%~60%。如果有更好的辦法，能節省下一半的漏損水量，就意味著可滿足1億人口的用水需求量。利用邊緣AI漏損管控系統，減少無收益水量，可以提高水綜合利用率，降低能耗，實現綠色環保的水利用系統。為全球水資源的保護貢獻一份力量，造福全人類。

摘自《自動化博覽》2022年2月刊