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上海上實(shí)龍創(chuàng)智能科技股份有限公司

1 目標(biāo)和概述

1.1 行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的供水管網(wǎng)漏損治理方法多以人工排查的方式進(jìn)行，存在的問題主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）傳統(tǒng)的管網(wǎng)漏損治理主要采用聲波技術(shù)進(jìn)行檢漏，這種方法在很長的一段時(shí)間內(nèi)都發(fā)揮了顯著的成效，但從過程和方式來看，屬于被動(dòng)式的漏損控制方法，對(duì)漏水點(diǎn)不能做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致泄漏時(shí)間延長和水損增大；

（2）隨著供水管網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，人工檢漏的盲目性愈發(fā)明顯，許多地方的管線探測屬于監(jiān)測盲區(qū)；

（3）傳統(tǒng)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(fèi)。

1.2 主要目標(biāo)

（1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，人員工時(shí)節(jié)約50%；

（2）漏損率降至10%以下；

（3）治理漏損效率提高15%~20%；

（4）運(yùn)行成本節(jié)約20%~30%。

1.3 總體概述

邊緣AI管網(wǎng)漏損管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于DMA分區(qū)系統(tǒng)，在每個(gè)分區(qū)內(nèi)構(gòu)建了管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，訓(xùn)練好的算法模型能夠準(zhǔn)確檢測漏水情況、定位漏損點(diǎn)，以及控制水壓穩(wěn)定，保持需水端正常用水，如圖1所示。該方案與傳統(tǒng)DMA方案相比，成本低、效率高、較為靈活，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

圖1 邊緣AI管網(wǎng)漏損管控系統(tǒng)模型圖

1.4 方案功能與創(chuàng)新

該方案使用海燕邊緣網(wǎng)關(guān)（上實(shí)龍創(chuàng)自主研發(fā)的硬件平臺(tái)）可直接部署于邊緣側(cè)。通常供水管網(wǎng)多布置于地下或野外，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)存在盲區(qū)，而本系統(tǒng)已直接將EdgeStudio部署于對(duì)應(yīng)每個(gè)分區(qū)內(nèi)的邊緣小站設(shè)備中，巡檢人員可在無網(wǎng)絡(luò)情況下，直接通過小站W(wǎng)i-Fi實(shí)現(xiàn)平臺(tái)登錄，訪問查看該區(qū)域內(nèi)所有的端側(cè)管網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)、漏損情況等。

創(chuàng)新如下：

（1）靈活性

邊緣計(jì)算的應(yīng)用使本系統(tǒng)可輕量化部署于不同的水務(wù)場景。

（2）分布式

繼承DMA的分區(qū)系統(tǒng)理念，可將每個(gè)擁有邊緣小站的區(qū)域作為節(jié)點(diǎn)，分布式開展部署。

（3）準(zhǔn)確性

邊緣計(jì)算的低延時(shí)、低丟包率的特點(diǎn)，解決了信號(hào)盲區(qū)導(dǎo)致的監(jiān)測盲區(qū)。

（4）互補(bǔ)性

邊緣計(jì)算是對(duì)云平臺(tái)的一種技術(shù)補(bǔ)位，是一種邊云協(xié)同、端邊聯(lián)動(dòng)的過程。

2 方案介紹

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

近年來，邊緣計(jì)算的崛起和技術(shù)的日漸成熟，開始給各行各業(yè)帶來了新的科技創(chuàng)新和效率提升。針對(duì)傳統(tǒng)的DMA分區(qū)系統(tǒng)，在加入邊緣計(jì)算和AI算法之后，可彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。改進(jìn)后的系統(tǒng)包括端側(cè)IoT設(shè)備、邊緣計(jì)算小站、AI算法應(yīng)用、云平臺(tái)/服務(wù)器等，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 硬件平臺(tái)

邊緣側(cè)的硬件平臺(tái)使用上實(shí)龍創(chuàng)自主研發(fā)的海燕邊緣網(wǎng)關(guān)，該硬件平臺(tái)的詳細(xì)功能如下：

（1）網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備所有器件選型為工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

工作環(huán)境：溫度-20℃～+70℃，濕度20％～90％無凝露

儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境：溫度-40℃～+80℃，濕度15％～95％無凝露

（2）電磁兼容EMC的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)ClassA級(jí)工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。電源接口達(dá)到電源防護(hù)GB/T17626.5-2008標(biāo)準(zhǔn)4級(jí)(4KV)8/20μs雷擊測試；抗脈沖群保護(hù)；抗靜電±15kVHuman Body Model；±15kV IEC 1000-4-2 Air Discharge。

（3）設(shè)備平均無故障工作時(shí)間（MTBF）不低于100,000小時(shí)。

（4）外殼防護(hù)等級(jí)要達(dá)到IP30，能夠防止直徑大于2.5mm的固體外物侵入。外殼和系統(tǒng)安全隔離。

（5）網(wǎng)關(guān)內(nèi)部集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘，板載1個(gè)CR2032電池（可以使用3年），以確保斷電時(shí)，系統(tǒng)時(shí)間不丟失。

（6）網(wǎng)關(guān)有2個(gè)100M/10M以太網(wǎng)接口支持AUTO MDI/MDIX雙級(jí)抗雷防護(hù)；支持GB/T 17626.5-2008標(biāo)準(zhǔn)中10/700μs測試的3級(jí)2kV防護(hù)；±15kVHuman Body Model；±15kV IEC 1000-4-2 Air Discharge能夠接入不同的網(wǎng)段，可以做到內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的完全隔離。

（7）網(wǎng)關(guān)有4×RS485接口，支持GB/T17626.5-2008標(biāo)準(zhǔn)中10/700μs測試的最高等級(jí)4kV防護(hù)、±15kVHuman Body Model、±15kV IEC1000-4-2Air Discharge。從協(xié)議要求的角度理論上可以接入124個(gè)從設(shè)備。

（8）網(wǎng)關(guān)可外接大容量存儲(chǔ)，容量最多支持128GB。硬件產(chǎn)品外觀如圖3所示。

圖3 硬件產(chǎn)品外觀

2.3 軟件平臺(tái)

邊緣AI管網(wǎng)漏損管控系統(tǒng)使用的海燕邊緣網(wǎng)關(guān)，搭載了上實(shí)龍創(chuàng)自主研發(fā)的EdgeStudio軟件平臺(tái)，該平臺(tái)是基于圖形節(jié)點(diǎn)和流程的快速開發(fā)平臺(tái)，采用可視化編程方法，將預(yù)定義的代碼塊連接起來執(zhí)行任務(wù)。連接的節(jié)點(diǎn)，通常是輸入節(jié)點(diǎn)、處理節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)的組合，當(dāng)它們連接在一起的時(shí)候，構(gòu)成一個(gè)“流”（Flows），與傳統(tǒng)的程序開發(fā)工具相比，它更好地適應(yīng)物聯(lián)場景。可以與JavaScript和Node.js、C語言混合開發(fā)使用。

EdgeStudio是基于圖形用戶界面的設(shè)備數(shù)據(jù)采集控制開發(fā)工具。支持拖拽式的操作，交互式的設(shè)計(jì)器，幫助用戶無門檻零編程地開發(fā)。可搭載公網(wǎng)和本地的多種數(shù)據(jù)源，減少數(shù)據(jù)清洗和變形工作，同時(shí)支持自定義協(xié)議開發(fā)、函數(shù)計(jì)算能力、數(shù)據(jù)庫使用能力等，滿足各類復(fù)雜業(yè)務(wù)需求。具體編程界面如圖4所示。

圖4 編程界面

同時(shí)軟件平臺(tái)還具有以下特點(diǎn)：

（1）多重看門狗檢測機(jī)制，確保設(shè)備不死機(jī)；軟硬件多級(jí)檢測，確保不掉線。

（2）龍創(chuàng)IoT基干平臺(tái)能夠?qū)λ性诨善脚_(tái)上注冊(cè)過的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程編輯、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看、固件遠(yuǎn)程升級(jí)和遠(yuǎn)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(jī)、QoS、流量統(tǒng)計(jì)，支持TCP/IP、UDP、TFTP、HTTP等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

（4）網(wǎng)關(guān)兼容多種主流工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議和工業(yè)總線協(xié)議，支持Modbus TCP、Modbus RTU、OPC UA、KNX IP、BACnet IP等協(xié)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(dòng)重連；支持設(shè)備運(yùn)行軟硬件自檢技術(shù)，運(yùn)行故障自修復(fù)；支持系統(tǒng)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、路由狀態(tài)查詢；支持Telnet、Web、SSH配置方式；支持OTA升級(jí)、本地系統(tǒng)日志、遠(yuǎn)程日志、串口輸出日志。

2.4 安全防護(hù)

海燕邊緣網(wǎng)關(guān)將UFW網(wǎng)絡(luò)安全管理服務(wù)應(yīng)用到邊緣網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，可以根據(jù)客戶的定制化需求在網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全端口進(jìn)行配置。主要但不限于以下功能：口，并且可以在開機(jī)腳本里靈活添加；

（1）允許經(jīng)過授權(quán)的IP訪問網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品的固定端

（2）解決邊緣網(wǎng)關(guān)被其他非法用戶進(jìn)行端口掃描、遠(yuǎn)程登錄篡改數(shù)據(jù)程序、非法的網(wǎng)絡(luò)可用性檢查等非法操作。

3 代表性及推廣價(jià)值

3.1 應(yīng)用情況及效果

該部分針對(duì)上海市某自來水公司對(duì)街道社區(qū)供水改造數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。自來水公司的供水改造項(xiàng)目的實(shí)施成本主要分為實(shí)施成本及運(yùn)營成本，實(shí)施成本分為建設(shè)成本以及信息系統(tǒng)建設(shè)成本。成本投入如表1所示。

表1自來水公司的供水改造項(xiàng)目成本投入表

圖5為施工前后每年維修供水設(shè)施支出費(fèi)用及漏損水經(jīng)濟(jì)損失柱形圖，可以看出使用邊緣AI漏損管控系統(tǒng)后，每年的供水管道維修費(fèi)用逐年遞減。

圖5 施工前后每年維修供水設(shè)施支出費(fèi)用及漏損水經(jīng)濟(jì)損失柱形圖

為了驗(yàn)證邊緣AI漏損管控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和有效性，對(duì)網(wǎng)上2014~2017年暗漏數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，并使用漏點(diǎn)流量測算公式中的容積法進(jìn)行了漏水量的估算：假設(shè)該街道社區(qū)供水主管直徑為DN=200mm，生活給水管道水流速度2m/s（根據(jù)GB50015《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》）計(jì)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(jì)算）=0.0628×0.15=0.00942（m3/s）

如按上海目前平均水價(jià)6元/m3，該街道社區(qū)全年

因漏損水造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為：

0.00942×60×60×24×365×6=1,782,414（元）

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

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

3.2 社會(huì)價(jià)值

目前地球水資源的現(xiàn)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(yán)重缺水的狀態(tài)，且該數(shù)據(jù)仍在增長。——以上數(shù)據(jù)來源：《世界水發(fā)展報(bào)告》

（4）無收益水量（Non-Revenue Water，NRW），是指由漏損、竊水、缺乏計(jì)量和運(yùn)營效率低下等導(dǎo)致的淡水資源浪費(fèi)的量。據(jù)IWA國際水協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，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(chǎn)生收益，每年因NRW產(chǎn)生的總成本保守估計(jì)為140億美元。特別是在一些發(fā)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(jié)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(tǒng)，減少無收益水量，可以提高水綜合利用率，降低能耗，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的水利用系統(tǒng)。為全球水資源的保護(hù)貢獻(xiàn)一份力量，造福全人類。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊