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大数据时代的智能水表

人类社会已经进入万物互联的大数据时代。 随着物联网和大数据技术的发展，各行各业都在研究如何应用物联网和大数据技术来提高行业的管理水平和盈利能力。

城市供水行业是公用事业，肩负着城市供水服务和水资源管理的双重责任。 物联网和大数据技术的应用必将为城市供水行业的发展带来长足进步。

一、智能水表在物联网和大数据技术应用中的作用

智能水表的起步阶段是IC卡水表，其功能是单纯的计量和收费。 随着物联网和大数据技术的发展，智能水表将以远传水表​​为主，其功能不仅包括计量和收费，还延伸到供水管网的智能化管理。 后者的经济价值远大于前者。

物联网的作用是实现供水管网智能硬件的互联互通，搭建物理平台。 大数据的作用是为供水管网的智能化管理提供数据和信息，是一个智能化的管理平台。 通过对数据的采集、分析和处理，获取供水管网优化运行的决策信息，进而根据获取的大数据信息实施供水管网的运行管理，从而提高运营效率，减少水资源消耗，降低运营成本。 ，提高用户服务能力，增强企业盈利能力。

计量数据是供水管网运行最重要的数据。 通过对大量计量数据的统计分析，可以获得供水管网的运行状态信息，使管理决策更加准确及时。 因此，智能水表在物联网和大数据技术的应用中发挥着极其重要的作用。

智能水表的主要功能是收费管理、供水管理和监控管理。

综上所述，大数据技术在供水管网中的应用，可以大大提高效率，减少人力资本支出，减少生产资源的流失； 减少水资源流失，变偷水为收入； 为用户提供漏水信息服务，减少用户损失。

2、现有智能水表存在的问题

面对大数据技术的应用，智能水表应该从两个角度提出要求。 一是满足智能水表大数据技术应用需求； 二是满足自来水公司作为用户对智能水表的要求。

从大数据技术应用来看，首先，智能水表的计量数据采集精度应达到0.001立方米。 计量数据采集精度低，给水管网异常现象难以监测。 其次，智能水表要具备防盗水和监测爆管功能，这就要求智能水表具备检测逆流的功能。 第三，智能水表的数据采集、存储和通讯功能可靠。

满足大数据技术的应用是水务企业的基本要求。 此外，自来水企业比较关心两点，一是智能水表计量数据采集的准确性和可靠性，二是智能水表的综合成本。

智能水表（从IC卡水表开始）进入市场已有20多年的历史。 水务处对申请结果并不满意。 首当其冲的就是计量数据采集的准确性和可靠性，让自来水公司不放心。 计量数据采集的准确性必须贯穿水表的整个生命周期。 事实证明，在整个生命周期内，影响水表计量数据准确性的主要因素是水表的可靠性，而不仅仅是计量精度。 可以说可靠性影响更大。

传统的机械水表已经使用了 200 多年。 现在无论是先进的还是落后的国内机械水表仍然是主流产品，也就是说机械水表的准确性和可靠性已经得到了普遍认可。 机械水表是容积计量。 只要传动机构工作正常，测量就没有问题。 只要机械磨损得到控制，计量精度就没有问题。 环境变化和各种干扰不能影响机械水表计量的准确性和可靠性。 居民用户使用的小型机械水表，无论是计量精度还是价格，都应该是性价比很高的产品。

与传统机械水表相比，为实现智能化而增加的电子数据采集装置影响了水表的可靠性。 因此，电子数据采集器是智能水表的核心技术。 原则上，现有的智能水表如果在理想的工作环境下使用，采集到的计量数据应该是准确的。 问题在于智能水表工作环境的变化和各种干扰，严重影响了智能水表电子数据采集装置的可靠性。 常见的环境变化和干扰包括水泡、水锤、强磁、强光、水质变化、水垢、温度、电子设备老化漂移等。 不受环境变化和各种干扰影响的智能水表，在其整个生命周期内都能可靠、准确地采集数据。 为了防止智能水表的电子数据采集装置受到环境变化和各种干扰的影响，原则上必须有可靠的保障措施。 原则上有问题，工作上必然有问题。

现有的智能水表按电子数据采集装置的形式可分为两大类：

第一种是智能水表，它以传统的机械水表为基表，增加了一套电子数据转换装置，将机械量转换为电子数据。 典型产品有光电直读水表和脉冲水表。 正是由于增加了这套电子数据转换装置，使得计量数据采集的准确性和可靠性容易受到各种干扰。

影响光电直读式水表计量数据准确度的因素主要由其编码原理决定。 光电直读式水表在字轮上用三个腰形孔进行编码，即每个字轮上有三个上升沿和三个下降沿。 数据采集​​时会同时出现 2 或 3 个边沿。 在这种情况下，会发生位错误。 因此，光电直读水表通过软件判断解决了误码问题。 软件判断的条件是根据实验和经验人为设定的，不能面面俱到。 只要超出软件设定的判断条件，光电直读水表就会出现数据错误。 因此，光电直读式水表并不是真正意义上的直读式水表。 这也是国外普遍不认同光电直读水表的原因。 光电直读水表在采集精度为1立方米时几乎不能使用（字轮转速较慢）。 光电直读水表的优点是没有累计误差。 如果这次读数有误，后面收集的数据会被修正。 大数据技术的应用要求水表采集精度达到0.001立方米，每天采集次数多。 字轮三边处于快速移动状态，光电直读水表不能正常读取数据。 另外，当水锤现象发生时无线远传水表工作原理，字轮上的三个边缘处于晃动状态，严重影响光电直读水表的准确读数。 当水中的气泡在发光管和接收管之间时，也会严重影响读数的正确性。 光电直读水表抗光干扰能力弱。 水表的安装环境千差万别，不可能设定一个标准的灯光安装环境。 大数据技术应用于供水管网管理，每天都需要频繁采集数据，尤其是白天。 强光干扰会严重影响光电直读水表数据采集的准确性。

脉冲水表的原理是计数转盘每转动一圈产生一个计量脉冲，并将脉冲数转换成计量数据。 脉冲水表采集水流过时的脉冲信号。 当水流平稳连续时，脉冲信号的采集是准确的。 水流的波动会导致脉冲数的误读。 倒车时，脉冲水表仍测量脉冲数。 高层建筑增压时，管网会产生水锤，阀门打开时，水流会发生振荡。 这些现象都会影响测量数据的准确性。 脉冲水表产生的误差是累积性的，时间越长，累积误差越大。 而且，脉冲水表不能测量逆流。

第二类是超声波水表。 超声波水表的工作原理是采用时差法测量流量。 超声波换能器安装在测量通道（流量管）的上游和下游。 换能器 A 将超声波信号传输到换能器 B（下游），而换能器 B 将超声波信号传输到换能器 A（逆流）。 正向和反向超声波信号在传输过程中会形成一定的噪声。 时间差，在标定管径截面积和标准测量管长的情况下无线远传水表工作原理，通过积分器上的计算芯片计算出仪表的流量。

从原理上可以看出，超声波水表计量的准确性和可靠性受环境变化和各种干扰的影响最大。 气泡、水锤、水质变化、水垢、温度、电子元器件老化漂移等都会影响超声波水表的计量。 超声波水表所计量的水必须处于层流状态。 气泡、水锤和阀门的启闭都会使流过水表的水流变成湍流状态，从而影响其计量的时差。 水质的变化会影响其测量时差与校准时差。 水表长期使用后，变送器会出现水垢。 不同的水质会有不同的刻度，这也会影响其测量的时间差。 电子元件的温度变化、老化和漂移也会影响测量的准确性。 影响超声波水表计量精度的因素有很多，这也是自来水公司忧心忡忡的根源。

建设供水管网大数据系统，最大的投资是居民用户的水表。 无论是建设投资还是运维，企业投入的资金都是巨大的。 智能水表的成本对于供水企业来说是一个非常重要的选择。 很多企业谈成本只谈制造成本，这对供水企业来说是不科学的。 供水企业应考虑经济效益。 在考虑智能水表的成本时，他们应该考虑两个因素。 一是智能水表的制造成本，体现在采购价格上； 另一个是智能水表的运行、维护和更换成本。 我们暂且把这两项称为智能水表的综合成本。 综合成本低应该是供水企业在选择智能水表时考虑的主要经济因素。 目前现有的三种智能水表中，脉冲水表综合成本最低，光电直读水表次之，超声波水表成本较高。

三、光纤直读水表简介

光纤直读水表也是在机械水表的基础上增加了一套电子数据转换装置，将机械量转换为电子数据的智能水表。 光纤直读水表和光电直读水表都是通过光电转换原理将机械量转换为电子数据，但在结构和原理上完全不同。 因此，两者在性能上是完全不同的。

光纤直读水表由两个独立的模块组成：光纤基表和电子装置。 光纤直读水表的核心部件是光纤直读采集器。 光纤直读采集器由光纤元件和电子器件组成，具有电子数据采集和传输功能。 其中，光纤组件由字轮编码器、光纤网络和光接口组成； 电子装置由光电管和电子线路板组成。 光纤基表的结构是将光纤直读采集器的光纤组件安装在机械表内，外部有光接口。 电子器件的光电管对应光纤基面的光接口。 光纤手表仍然是机械手表，内部没有任何电子设备和光电池，而是增加了一组光纤组件。 电子设备分为有线和无线两种方式。 安装在光纤基表上的有线电子设备就是有线智能水表。 安装在光纤基表上的无线电子装置就是无线智能水表。

光纤直读水表的基本原理是光纤元件的入射光纤、字轮面和反射光纤构成光信号采集通道。 发光管发出的光通过入射光纤投射到字轮表面。 若字轮表面为凸面，则光线通过反光纤维反射到接收管，为“1”； 如果字轮的表面是凹的，光会被吸收而不能反射。 光纤反射到接收管，为“0”； 通过5组光纤和5个位码，可以识别字轮的计量数据。 光纤直读式水表的优良性能来源于以上结构原理。 主要特点如下：

1、测量数据采集准确，可靠性高

光纤直读水表在结构、编码、光源等方面采用了可靠的技术，保证了数据采集的准确性，抗各种干扰能力强。

(1)光纤直读水表字轮编码器采用单刃结构和格雷码

光纤直读水表也是在字轮上进行编码。 采用的结构是径向开一个180度的槽。 这种结构只有一个上升沿和一个下降沿。 每个字轮上有5个光信号采集点，采用格雷码编码。 上升沿每经过一个信号采集点，就对应一个唯一的编码状态。 下降沿每经过一个信号采集点，也对应一个唯一的编码状态。 每个字轮的10个数据对应10个编码状态。 光纤直读水表读取的字轮上的代码实际上就是字轮上的数字。 因此，光纤直读式水表没有读数程序进行判断。 光纤直读水表是真正的直读水表。 光纤直读水表的单边结构，可以保证水锤发生时不影响读数。

(2)光在水中传播距离小，字轮下

水泡通常发生在空间较大的地方，空间越小，越不容易引起和储存水泡。 光纤直读水表发光点与字轮表面的间隙小于1mm，在字轮下方。 因此，光纤直读水表不受水泡的影响。

(3)光信号采用620nm红光

光纤直读水表光源采用620纳米红光，有效避免了阳光的干扰。 光纤直读水表可在强烈阳光下正常工作。

综上所述，光纤直读水表读数准确，抗干扰能力强，可靠性高。 气泡、水锤、强磁、强光、水质变化、水垢、温度、电子器件老化漂移等常见现象均不会影响光纤直读水表的准确读数。

2、电子数据采集精度0.001立方米

光纤直读水表数显轮显示8位数据，其中小数点后3位，符合国际标准。 数据采集​​精度0.001立方米，满足大数据管理需求。

3.可测逆流

光纤直读水表在水流顺向流动时采集的数据为正常测量数据。 如果有逆流，则显示为负数，表示有逆流。 光纤直读水表满足管网监控大数据应用的功能需求。

4、模块化结构

光纤直读水表采用基表和电子器件相互独立的模块化结构。 模块化的结构为用户的运维带来了极大的便利，有效降低了基表寿命到期时的运维成本和更换投资。 当光纤直读水表电子装置或光电管发生故障时，可通过更换电子装置排除故障，基表可继续使用； 当基表发生故障时，更换基表即可排除故障，电子设备可继续使用。 光纤直读水表基表寿命到期后，只需更换基表，电子设备即可继续使用。

四、智能水表的选择

目前，物联网和大数据技术在城市供水行业的应用还在探讨和试验中。 大规模应用尚未开始。 智能水表在城市供水物联网和大数据技术应用中发挥着重要作用，也是投资最大的基础设施。 智能水表的选择很重要。

本文从原理上对国内外现有的三种智能水表，即光电直读水表、脉冲水表和超声波水表进行了剖析和介绍； 并推出了一种新型水表——光纤直读式水表。 通过以上分析可以看出，光纤直读水表的可靠性最高，可以测量逆流，电子数据采集精度达到0.001立方米，字轮显示8位数字，符合国际标准; 即满足物联网和大数据技术的应用需求，从原理上一方面解决了智能水表电子数据采集装置的准确性和可靠性问题，利用模块化结构，降低智能水表的运行维护成本，具有良好的经济性。 由此可见，光纤直读水表将在物联网和大数据技术的应用中发挥重要作用。

光纤直读水表（性能验证样机）

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