A 水表產(chǎn)品已經(jīng)有上百年的使用歷史和發(fā)展經(jīng)歷，在推進(jìn)人類(lèi)用水計(jì)量和涉水測(cè)量技術(shù)進(jìn)步方面作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步、用水需求的多樣性與豐富性，以及新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和使用，當(dāng)今水表產(chǎn)品的計(jì)量性能和使用功能等特性均已今非昔比，并在持續(xù)快速的演進(jìn)、迭代和完善之中。從早期使用的體積相對(duì)龐大、使用特性不盡人意的純機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的容積式水表和速度式水表，以及近期大量使用和未來(lái)仍將繼續(xù)使用且能充分體現(xiàn)當(dāng)今制造技術(shù)水準(zhǔn)的高性能機(jī)械水表，乃至為了配合先付費(fèi)后用水管理要求的“預(yù)付費(fèi)水表”和為了滿足自動(dòng)抄表與水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等需要的“電子遠(yuǎn)傳水表”等智能終端產(chǎn)品，水表產(chǎn)品無(wú)論是采用的相關(guān)技術(shù)還是產(chǎn)品性能與使用功能等方面都已發(fā)生了天壤之別的變化。水表產(chǎn)品也已從原先獨(dú)立使用的水計(jì)量產(chǎn)品發(fā)展成為水務(wù)信息物理系統(tǒng)（CPS）中的感知終端和水務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。

B 縱觀水表產(chǎn)品和水計(jì)量技術(shù)的快速迭代與演進(jìn)，其主要推動(dòng)力就是來(lái)源于全球淡水資源的緊缺、人類(lèi)生存與社會(huì)發(fā)展的需求、以及技術(shù)進(jìn)步等因素。

A 近年來(lái)，國(guó)務(wù)院先后發(fā)布了“最嚴(yán)格的水資源管理辦法”和“水十條”等政策，把水資源管理、節(jié)約用水與科學(xué)用水等工作提升到了鮮有的高度上；2019年國(guó)家多部位又聯(lián)合發(fā)布了“國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案”和“國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案（分工方案）”等綱領(lǐng)性文件，對(duì)各行各業(yè)的用水和節(jié)水工作提出了諸如“許可、定額、計(jì)量”等一系列指導(dǎo)性很強(qiáng)的要求與措施，并將用水的精細(xì)化計(jì)量管理納入到節(jié)約用水工作的重要行動(dòng)之中。作為國(guó)家層面的“節(jié)水行動(dòng)方案”，對(duì)居民用水、工農(nóng)業(yè)用水、企事業(yè)機(jī)關(guān)用水、服務(wù)業(yè)以及公用事業(yè)用水等工作指明了行動(dòng)方向，給出了實(shí)施方案，出臺(tái)了支持政策。

B 與此同時(shí)，國(guó)家近年來(lái)一直強(qiáng)調(diào)工業(yè)企業(yè)必須推行“兩化融合”國(guó)策（即：信息化與工業(yè)化深度融合）和深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”指導(dǎo)方針，將工業(yè)企業(yè)信息化改造和“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”作為工業(yè)企業(yè)的努力方向和目標(biāo)。

C 政策導(dǎo)向所產(chǎn)生的外生推動(dòng)力，必將為水表產(chǎn)品的演進(jìn)與發(fā)展以及在水務(wù)行業(yè)中的廣泛應(yīng)用與普及產(chǎn)生巨大的影響與變革。

A 當(dāng)前，許多優(yōu)秀供水企業(yè)在積極推行自動(dòng)抄表技術(shù)來(lái)提高和完善傳統(tǒng)用水計(jì)量與供水監(jiān)測(cè)、產(chǎn)銷(xiāo)差管理與管網(wǎng)漏損管控（采用DMA技術(shù)）等業(yè)務(wù)效率和效益的同時(shí)，正在將注意力和工作重心更多的集中和轉(zhuǎn)移到管網(wǎng)水量參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確與可靠、管網(wǎng)漏損的監(jiān)測(cè)與定位、管網(wǎng)在線水質(zhì)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警、管網(wǎng)供水調(diào)度與節(jié)能等新業(yè)務(wù)方面上來(lái)。用戶關(guān)注點(diǎn)和工作重心轉(zhuǎn)移，說(shuō)明供水企業(yè)的需求正在發(fā)生質(zhì)的變化，業(yè)務(wù)新領(lǐng)域正在不斷拓展。提升業(yè)務(wù)效率、降低運(yùn)行成本、保障供水安全、提高用水舒適度、優(yōu)化漏損管控、增加企業(yè)收益等工作，已經(jīng)擺在了供水企業(yè)的首要位置上，這就表明水務(wù)企業(yè)迫切需采用新的智慧供水業(yè)務(wù)系統(tǒng)和方法來(lái)幫助其解決這些業(yè)務(wù)需求和問(wèn)題。事實(shí)證明，要卓有成效地推廣與應(yīng)用智慧供水業(yè)務(wù)新系統(tǒng)，是離不開(kāi)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)參數(shù)支持的，如：水量、水壓、水質(zhì)、漏滲、水溫等參數(shù)。因此如何方便、簡(jiǎn)捷、低價(jià)、全面且系統(tǒng)地獲取這些測(cè)量（感知）數(shù)據(jù)，是解決上述業(yè)務(wù)需求和問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)和突破點(diǎn)。從圖1的供水信息物理系統(tǒng)工作原理圖中可以看出，信息物理系統(tǒng)是以管網(wǎng)及設(shè)施的大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，涉及信息感知、信息傳輸、信息應(yīng)用、信息交互以及控制執(zhí)行等環(huán)節(jié)，是一個(gè)閉環(huán)的測(cè)控宏系統(tǒng)。它需要傳感與信號(hào)處理、遠(yuǎn)程通信、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)作支撐。在供水信息物理系統(tǒng)中，獲取管網(wǎng)數(shù)據(jù)最為關(guān)鍵，也是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

圖1 供水信息物理系統(tǒng)（CPS）工作原理示意圖

B 供水企業(yè)希望水表產(chǎn)品計(jì)量性能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，同時(shí)又期盼能獲取更多的管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，使智慧供水乃至智慧水務(wù)工作有實(shí)質(zhì)性的推進(jìn)并產(chǎn)生顯著的成效，這是用戶對(duì)水表企業(yè)和水務(wù)終端制造企業(yè)的希望和期盼，這既是挑戰(zhàn)，也是機(jī)遇。水表等終端企業(yè)能否抓住這一歷史機(jī)遇，快速完成產(chǎn)業(yè)延伸與角色轉(zhuǎn)換，在智慧供水業(yè)務(wù)中找到自己新的定位，將是重要的選擇和考驗(yàn)。

C 目前，正在推行的水務(wù)信息物理系統(tǒng)，它的實(shí)施都是建立在采集并獲取管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)參數(shù)之上，離開(kāi)這些基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)，信息物理系統(tǒng)將會(huì)成為無(wú)源之水、無(wú)本之木。因此，全面、系統(tǒng)、準(zhǔn)確地采集到管網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)，讓它們發(fā)揮應(yīng)有的作用，是評(píng)判供水企業(yè)是否真正推行了以物聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智慧供水新業(yè)務(wù)，也是衡量供水企業(yè)是否真正實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)型升級(jí)和推行“兩化融合”方針的重要標(biāo)志之一。

D 需求產(chǎn)生的內(nèi)生推動(dòng)力將會(huì)給水務(wù)新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展帶來(lái)持續(xù)的生命力，但僅有供水企業(yè)自身的積極性和推動(dòng)力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要全社會(huì)各相關(guān)方的鼎力支持和配合，尤其是水表及智能終端行業(yè)的企業(yè)應(yīng)積極投身到這一領(lǐng)域中，拓展業(yè)務(wù)，做好服務(wù)，完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)的任務(wù)。

A 水在封閉滿管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其運(yùn)行狀態(tài)可以用儀表（傳感器）感知獲取的水量、水壓、水質(zhì)、漏滲、水溫等特征參數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)表征。

B 現(xiàn)有智能水表接入網(wǎng)絡(luò)后有能力向供水企業(yè)提供用水戶的累積流量、瞬時(shí)流量和各時(shí)段用水量等水量數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用水量的計(jì)量與分析、供水量的監(jiān)測(cè)與平衡等用途。通常，開(kāi)展管網(wǎng)用水量計(jì)量與供水量監(jiān)測(cè)是基于水費(fèi)結(jié)算和產(chǎn)銷(xiāo)差管理等工作需要，也是與供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)的。因此，水量數(shù)據(jù)是目前已獲取到的管網(wǎng)所有運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)中最為重要、也是最為系統(tǒng)和完整的管網(wǎng)數(shù)據(jù)之一。

C 隨著管網(wǎng)壓力管理與調(diào)控工作的深入開(kāi)展，管網(wǎng)實(shí)時(shí)壓力監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)被提到重要議事日程上來(lái)。由于壓力傳感器具有安裝方便，對(duì)檢測(cè)環(huán)境和條件要求不是很?chē)?yán)，成本相對(duì)不高，占用體積較小等原因，因此可以將其安裝在水表殼體上，與水量數(shù)據(jù)融合后進(jìn)行傳輸與通信；其次，對(duì)于管網(wǎng)漏滲狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)（如：振動(dòng)、噪聲、水聲等）的測(cè)量，除了價(jià)格因素外，由于上述同樣原因，也是比較容易獲取和安裝的；水質(zhì)模型中需要用到的管網(wǎng)水溫參數(shù)測(cè)量則更是如此。

D 難度最大的則是對(duì)水質(zhì)參數(shù)的低成本在線測(cè)量（如：渾濁度、余氯、pH、電導(dǎo)率等）及數(shù)據(jù)的穩(wěn)定獲取。由于涉及到傳感器測(cè)量環(huán)境與使用條件，安裝空間與位置，以及價(jià)格與維護(hù)等問(wèn)題，當(dāng)前很難進(jìn)行大面積推廣與應(yīng)用，由此也給管網(wǎng)在線水質(zhì)（尤其是管網(wǎng)末梢水質(zhì)）的監(jiān)測(cè)與預(yù)警、水質(zhì)模型的應(yīng)用等帶來(lái)很大的局限性與不確定性。

E 為了使管網(wǎng)在線水質(zhì)測(cè)量用的儀表或傳感器不占用較多的安裝空間和位置，便于普遍使用與推廣，其關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)制造出對(duì)測(cè)量環(huán)境與使用條件影響較弱、體積相對(duì)較小、使用壽命較長(zhǎng)、維護(hù)較為簡(jiǎn)單、性價(jià)比較高的水質(zhì)傳感器（當(dāng)前主要指渾濁度和余氯傳感器）和建立符合水質(zhì)在線測(cè)量要求的環(huán)境和條件。同時(shí)，迫切需要構(gòu)建新一代智能水表產(chǎn)品，在原有水計(jì)量功能基礎(chǔ)上，將水壓、水溫、水質(zhì)和漏滲檢測(cè)（監(jiān)測(cè)）等傳感與信號(hào)處理單元與現(xiàn)有智能水表安裝融合在一起。這樣既能充分利用水表現(xiàn)有安裝井的空間與位置，又可以借助水表現(xiàn)有的信號(hào)處理與通信單元等設(shè)施，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、傳輸?shù)热蝿?wù)；且能顯著降低安裝與使用成本，為全面推廣應(yīng)用該產(chǎn)品創(chuàng)造條件。此外，還可在智能水表安裝空間位置設(shè)置電控閥、加藥泵、加壓泵等設(shè)施，同時(shí)起到綜合執(zhí)行終端的作用。

F 研究與開(kāi)發(fā)新一代智能水表產(chǎn)品，服務(wù)于智慧供水新業(yè)務(wù)，這對(duì)水表行業(yè)有實(shí)力企業(yè)來(lái)說(shuō)，是利好也是機(jī)會(huì)。因此希望有開(kāi)拓精神和創(chuàng)新能力的水表企業(yè)能及時(shí)抓住這一發(fā)展機(jī)遇，主動(dòng)承擔(dān)起歷史賦予的重任和使命，讓水表產(chǎn)品從單一的水計(jì)量（測(cè)量）產(chǎn)品跨越到管網(wǎng)綜合參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域中，使新一代水表產(chǎn)品真正成為名副其實(shí)的集管網(wǎng)綜合參數(shù)測(cè)量特性于一身、智能感知與執(zhí)行功能相融合的新產(chǎn)品。

A 新一代智能水表可以充分利用其安裝空間和原有通信網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)勢(shì)，承擔(dān)并發(fā)揮管網(wǎng)信息物理系統(tǒng)綜合感知終端（或數(shù)據(jù)采集中心）的功能與作用，使供水企業(yè)能盡早的在全域空間范圍內(nèi)全面、準(zhǔn)確地開(kāi)展管網(wǎng)壓力與水量調(diào)控及節(jié)能降耗、管網(wǎng)末梢在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)及預(yù)警與報(bào)警、管網(wǎng)漏滲狀態(tài)監(jiān)測(cè)及準(zhǔn)確定位等亟需的新業(yè)務(wù)。為此，必須盡早啟動(dòng)智能水表產(chǎn)品從單一參數(shù)測(cè)量（水量測(cè)量）向綜合多參數(shù)測(cè)量（水量、水壓、水溫、漏滲、水質(zhì)、工況等測(cè)量）方向的發(fā)展與演進(jìn)工作，使其能向供水行業(yè)全面提供管網(wǎng)信息物理系統(tǒng)（即物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用）運(yùn)行時(shí)所需的各類(lèi)大數(shù)據(jù)。

B 將新一代智能水表命名為第三代智能水表（即智能水表3.0產(chǎn)品），并將其定義為管網(wǎng)綜合感知終端或管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中心是非常合適的，它完全符合當(dāng)前水務(wù)應(yīng)用的實(shí)際需求和現(xiàn)有狀況。隨著用戶需求的深化以及現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，智能水表的演進(jìn)與換代是必然會(huì)發(fā)生的，這是任何產(chǎn)品都將面臨的自然規(guī)律。

圖2 智能水表產(chǎn)品演進(jìn)與基本特征

C 圖2反映了智能水表的演進(jìn)過(guò)程與各代產(chǎn)品之間的基本特征。從圖中可以看到，第一代智能水表（智能水表1.0產(chǎn)品）是在機(jī)械水表基礎(chǔ)上增加機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置和電子部件等來(lái)實(shí)現(xiàn)其使用功能拓展的，如增加數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、預(yù)付費(fèi)用水、數(shù)控定量用水等功能。但從本質(zhì)上說(shuō)，其計(jì)量機(jī)構(gòu)還是機(jī)械水表，計(jì)量特性與機(jī)械水表相同。通過(guò)功能拓展和具備電信號(hào)輸出與處理等特征，可以將其方便地接入到水務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中，完成用水量的自動(dòng)抄表、管網(wǎng)分區(qū)漏損檢測(cè)與識(shí)別等任務(wù)；第二代智能水表（智能水表2.0產(chǎn)品）計(jì)量機(jī)構(gòu)的傳感原理和結(jié)構(gòu)特性發(fā)生了重大的改變，由于采用了無(wú)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的水流量傳感與信號(hào)處理技術(shù)，因此不需要機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置的參與，顯著提高了產(chǎn)品的計(jì)量性能與長(zhǎng)期使用可靠性。利用法拉第電磁感應(yīng)原理、超聲波渡越時(shí)間差和射流附壁效應(yīng)等原理構(gòu)成的電磁水表、超聲水表和射流水表產(chǎn)品，在計(jì)量性能、使用壽命和壓力損失等指標(biāo)上有了顯著的提高。但是第一、第二代智能水表僅局限于管網(wǎng)水量的檢測(cè)，不能向水務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供更多的管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，因此，在當(dāng)今智慧供水應(yīng)用場(chǎng)景下其應(yīng)用面受到了很大程度的限制；第三代智能水表（智能水表3.0產(chǎn)品）除了具有上述兩代智能水表的基本特征外，還拓展了管網(wǎng)綜合水參數(shù)的測(cè)量功能，可以較好地扮演起管網(wǎng)水參數(shù)綜合感知終端（或數(shù)據(jù)采集中心）的角色，為水務(wù)大數(shù)據(jù)的采集提供了無(wú)限的可能性。

D 表1列出了第三代智能水表應(yīng)擁有的基本測(cè)量功能與參數(shù)。今后，隨著需求的增加和技術(shù)的成熟，智能水表3.0產(chǎn)品的測(cè)量功能還會(huì)有進(jìn)一步拓展和延伸的空間，其測(cè)量參數(shù)也會(huì)有相應(yīng)的增加。

E 圖3是寧波水表（集團(tuán)）股份有限公司正在重點(diǎn)研發(fā)的國(guó)內(nèi)首創(chuàng)且有多項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代智能水表產(chǎn)品樣機(jī)原型，它是在原有水量單一參數(shù)測(cè)量基礎(chǔ)上增加管網(wǎng)綜合參數(shù)測(cè)量功能并接入電控閥等執(zhí)行裝置所構(gòu)成的新一代智能水表（智能水表3.0產(chǎn)品）。這種第三代智能水表是實(shí)名副其實(shí)的多參數(shù)水表，在強(qiáng)化其內(nèi)部嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和無(wú)線通信能力的基礎(chǔ)上，可以將各類(lèi)傳感器感知獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)融合打包與加密，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析處理、遠(yuǎn)程傳輸、安全認(rèn)證、乃至邊緣計(jì)算等任務(wù)，使其完全能承擔(dān)起管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中心的角色。

表1 智能水表3.0產(chǎn)品測(cè)量項(xiàng)目分類(lèi)表

圖3 第三代智能水表（智能水表3.0產(chǎn)品）原型圖

F 從數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性看，智能水表3.0產(chǎn)品的無(wú)線通信技術(shù)可以選用NB-IoT（窄帶無(wú)線蜂窩網(wǎng)）或LoRaWAN（自組無(wú)線廣域網(wǎng)）等數(shù)種通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接入。對(duì)于信息量很大的視頻（或照片）類(lèi)工況數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)性要求較高的控制類(lèi)數(shù)據(jù)，則可通過(guò)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)或經(jīng)LoRaWAN連接至近距離點(diǎn)的WiFi路由器接入到互聯(lián)網(wǎng)，或直接使用5G寬帶通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

G 在線水質(zhì)測(cè)量需要提供符合測(cè)量要求的環(huán)境和條件，這樣方能保證渾濁度、余氯、pH等參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性與可靠性。在水質(zhì)測(cè)量的同時(shí)，在研的智能水表3.0產(chǎn)品還具有與水質(zhì)預(yù)（報(bào)）警系統(tǒng)融為一體、為供水企業(yè)或用水戶提供水質(zhì)分質(zhì)預(yù)警和水質(zhì)污染報(bào)警等功能。

H 管網(wǎng)漏滲狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以提供兩類(lèi)檢測(cè)信號(hào)用于監(jiān)聽(tīng)和分析，一類(lèi)是以振動(dòng)和噪聲等方式在管道管壁傳播的漏滲信號(hào)，適合在金屬管道及短距離測(cè)量點(diǎn)條件下使用，需要用到噪聲或振動(dòng)傳感器；另一類(lèi)漏滲信號(hào)直接通過(guò)供水介質(zhì)進(jìn)行傳播，適合在非金屬管道和長(zhǎng)距離測(cè)量點(diǎn)條件下使用，需要用到水聲等傳感器。確定漏滲點(diǎn)位置，除了使用上述兩類(lèi)傳感器和采用互相關(guān)分析法定位外，還可以結(jié)合管道內(nèi)的水壓和水量變動(dòng)等情況進(jìn)行輔助定位計(jì)算。

D 可以預(yù)計(jì)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著智能水表3.0產(chǎn)品的推廣與應(yīng)用，供水新業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)算法、模型的演進(jìn)與成熟，由智慧供水技術(shù)保駕護(hù)航的安全供水必將成為現(xiàn)實(shí)。

圖5 分區(qū)計(jì)量管理數(shù)據(jù)采集中心（即“智能水表3.0產(chǎn)品”）安裝位置圖