寧波水表（集團）股份有限公司（以下簡稱“寧水集團”）是一家具有六十余年歷史的水計量行業領軍企業，在向產品智能化、服務系統化、業務縱深化的結構調整和轉型升級歷程中，始終秉承滿足國內外供水客戶需求這一崇高理念，以振興發展我國民族水表工業為己任，持續推進以技術創新、品牌建設和產業引領為一體的發展戰略，將公司打造成為國內外智慧供水與水計量服務領域集研發、制造、服務于一身的先行者、探索者和引領者。
寧水集團2019年初在主板A股上市后，進一步確立了服務于智慧供水新業務的戰略方針與目標，在持續做好水表產品水計量性能提升、以NB-IoT及5G技術等為代表的無線數據遠傳業務拓展以及DMA分區計量漏損監測、水務信息化應用等工作基礎上，正在努力向供水管網數據綜合提供商和智慧供水核心業務服務商轉型與升級，其近、中期目標是向供水企業提供在線一體化的高性價比管網綜合大數據感知裝置（包括：水量、水壓、水質、漏滲、水溫等參數），為智慧供水新業務及水務信息化云平臺提供海量數據支撐，使現有水力、水質、漏損、能耗等水務管網模型運行準確度能夠顯著提升。
為此，寧水集團在現有公司研發機構（即：浙江省水表研究院）基礎上又另設新的研發機構“技術預研部”。“技術預研部”與“水表研究院”錯位發展，這樣可以更好地服務于供水企業不同時期的業務需要，也為公司下一階段快速發展與新業務增長做好前瞻性技術預研工作，提供相關產品及技術儲備。當前，技術預研部已組成了由公司博士、博士后領銜組成的自主研發團隊和與高校（科研單位）建立的產學研合作研發團隊，這三駕馬車正在同時開展水務智能終端與供水核心業務的研究與商用化研發工作。
最近，寧水集團已正式啟動新一代智能水表（智能水表3.0）產品及供水新業務系統的商用化研發工作，在原先公司多個博士后課題研究基礎上進行商品化與工程化應用研究。可以預期，在不遠將來公司將為供水管網系統提供高性價比的水務綜合大數據，為管網現代化管理提供信息來源與決策依據（這方面詳細內容可參見本文附錄：“水表產品演進之路——從智能水表1.0/2.0產品向智能水表3.0產品邁進”一文）。至2020年初，公司在與浙江大學控制科學與工程學院合作基礎上，又先后與同濟大學環境科學與工程學院、寧波大學信息科學與工程學院等高校共同簽訂戰略合作協議，并聯合成立了“水務新技術研發實驗室”和“水務信息感知研發實驗室”，并將與寧波工業互聯網研究院等科研機構就水務新型傳感技術、供水關鍵核心業務等的解決方案展開合作研究。
讓我們期盼并祝愿寧水集團新一代智能水表（智能水表3.0）能早日研制成功，早日進入工程化應用，早日為供水企業提供高性價比的海量數據。
以下是：智能水表3.0產品（管網參數綜合采集中心）專題介紹
水表產品演進之路
從智能水表1.0/2.0產品向智能水表3.0產品邁進
寧波水表（集團）股份有限公司 姚靈
概述
水表產品已經有上百年的使用歷史和發展經歷，在推進人類用水計量和涉水測量技術進步方面作出了不可磨滅的貢獻。隨著社會的發展與進步、用水需求的多樣性與豐富性，以及新技術的不斷涌現和使用，當今水表產品的計量性能和使用功能等特性均已今非昔比，并在持續快速的演進、迭代和完善之中。從早期使用的體積相對龐大、使用特性不盡人意的純機械結構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仍將繼續使用且能充分體現當今制造技術水準的高性能機械水表，乃至為了配合先付費后用水管理要求的“預付費水表”和為了滿足自動抄表與水務物聯網應用等需要的“電子遠傳水表”等智能終端產品，水表產品無論是采用的相關技術還是產品性能與使用功能等方面都已發生了天壤之別的變化。水表產品也已從原先獨立使用的水計量產品發展成為水務信息物理系統（CPS）中的感知終端和水務應用系統中的重要環節。
縱觀水表產品和水計量技術的快速迭代與演進，其主要推動力就是來源于全球淡水資源的緊缺、人類生存與社會發展的需求、以及技術進步等因素。
政策導向
近年來，國務院先后發布了“最嚴格的水資源管理辦法”和“水十條”等政策，把水資源管理、節約用水與科學用水等工作提升到了鮮有的高度上；2019年國家多部位又聯合發布了“國家節水行動方案”和“國家節水行動方案（分工方案）”等綱領性文件，對各行各業的用水和節水工作提出了諸如“許可、定額、計量”等一系列指導性很強的要求與措施，并將用水的精細化計量管理納入到節約用水工作的重要行動之中。作為國家層面的“節水行動方案”，對居民用水、工農業用水、企事業機關用水、服務業以及公用事業用水等工作指明了行動方向，給出了實施方案，出臺了支持政策。
與此同時，國家近年來一直強調工業企業必須推行“兩化融合”國策（即：信息化與工業化深度融合）和深化“互聯網+先進制造業”指導方針，將工業企業信息化改造和“互聯網+先進制造業”作為工業企業的努力方向和目標。
政策導向所產生的外生推動力，必將為水表產品的演進與發展以及在水務行業中的廣泛應用與普及產生巨大的影響與變革。
需求驅動
當前，許多優秀供水企業在積極推行自動抄表技術來提高和完善傳統用水計量與供水監測、產銷差管理與管網漏損管控（采用DMA技術）等業務效率和效益的同時，正在將注意力和工作重心更多的集中和轉移到管網水量參數測量的準確與可靠、管網漏損的監測與定位、管網在線水質的監測與預警、管網供水調度與節能等新業務方面上來。用戶關注點和工作重心轉移，說明供水企業的需求正在發生質的變化，業務新領域正在不斷拓展。提升業務效率、降低運行成本、保障供水安全、提高用水舒適度、優化漏損管控、增加企業收益等工作，已經擺在了供水企業的首要位置上，這就表明水務企業迫切需采用新的智慧供水業務系統和方法來幫助其解決這些業務需求和問題。事實證明，要卓有成效地推廣與應用智慧供水業務新系統，是離不開管網運行狀態實時參數支持的，如：水量、水壓、水質、漏滲、水溫等參數。因此如何方便、簡捷、低價、全面且系統地獲取這些測量（感知）數據，是解決上述業務需求和問題的關鍵點和突破點。從圖1的供水信息物理系統工作原理圖中可以看出，信息物理系統是以管網及設施的大數據為基礎，涉及信息感知、信息傳輸、信息應用、信息交互以及控制執行等環節，是一個閉環的測控宏系統。它需要傳感與信號處理、遠程通信、計算機與網絡、自動控制、人工智能等技術作支撐。在供水信息物理系統中，獲取管網數據最為關鍵，也是系統運行的基礎。
供水企業希望水表產品計量性能長期穩定可靠，同時又期盼能獲取更多的管網運行參數，使智慧供水乃至智慧水務工作有實質性的推進并產生顯著的成效，這是用戶對水表企業和水務終端制造企業的希望和期盼，這既是挑戰，也是機遇。水表等終端企業能否抓住這一歷史機遇，快速完成產業延伸與角色轉換，在智慧供水業務中找到自己新的定位，將是重要的選擇和考驗。
目前，正在推行的水務信息物理系統，它的實施都是建立在采集并獲取管網運行狀態的實時參數之上，離開這些基礎的大數據，信息物理系統將會成為無源之水、無本之木。因此，全面、系統、準確地采集到管網狀態參數的數據，讓它們發揮應有的作用，是評判供水企業是否真正推行了以物聯網或工業物聯網技術為基礎的智慧供水新業務，也是衡量供水企業是否真正實現了轉型升級和推行“兩化融合”方針的重要標志之一。
需求產生的內生推動力將會給水務新技術的應用和發展帶來持續的生命力，但僅有供水企業自身的積極性和推動力是遠遠不夠的，需要全社會各相關方的鼎力支持和配合，尤其是水表及智能終端行業的企業應積極投身到這一領域中，拓展業務，做好服務，完成產品結構調整和轉型升級的任務。
突破管網綜合參數瓶頸
水在封閉滿管道內流動時，其運行狀態可以用儀表（傳感器）感知獲取的水量、水壓、水質、漏滲、水溫等特征參數的數據來表征。
現有智能水表接入網絡后有能力向供水企業提供用水戶的累積流量、瞬時流量和各時段用水量等水量數據，進而實現用水量的計量與分析、供水量的監測與平衡等用途。通常，開展管網用水量計量與供水量監測是基于水費結算和產銷差管理等工作需要，也是與供水企業的經濟效益密切相關的。因此，水量數據是目前已獲取到的管網所有運行狀態參數中最為重要、也是最為系統和完整的管網數據之一。
隨著管網壓力管理與調控工作的深入開展，管網實時壓力監測業務被提到重要議事日程上來。由于壓力傳感器具有安裝方便，對檢測環境和條件要求不是很嚴，成本相對不高，占用體積較小等原因，因此可以將其安裝在水表殼體上，與水量數據融合后進行傳輸與通信；其次，對于管網漏滲狀態監測參數（如：振動、噪聲、水聲等）的測量，除了價格因素外，由于上述同樣原因，也是比較容易獲取和安裝的；水質模型中需要用到的管網水溫參數測量則更是如此。
難度最大的則是對水質參數的低成本在線測量（如：渾濁度、余氯、pH、電導率等）及數據的穩定獲取。由于涉及到傳感器測量環境與使用條件，安裝空間與位置，以及價格與維護等問題，當前很難進行大面積推廣與應用，由此也給管網在線水質（尤其是管網末梢水質）的監測與預警、水質模型的應用等帶來很大的局限性與不確定性。
為了使管網在線水質測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，其關鍵是要設計制造出對測量環境與使用條件影響較弱、體積相對較小、使用壽命較長、維護較為簡單、性價比較高的水質傳感器（當前主要指渾濁度和余氯傳感器）和建立符合水質在線測量要求的環境和條件。同時，迫切需要構建新一代智能水表產品，在原有水計量功能基礎上，將水壓、水溫、水質和漏滲檢測（監測）等傳感與信號處理單元與現有智能水表安裝融合在一起。這樣既能充分利用水表現有安裝井的空間與位置，又可以借助水表現有的信號處理與通信單元等設施，完成數據存儲、處理、傳輸等任務；且能顯著降低安裝與使用成本，為全面推廣應用該產品創造條件。此外，還可在智能水表安裝空間位置設置電控閥、加藥泵、加壓泵等設施，同時起到綜合執行終端的作用。
研究與開發新一代智能水表產品，服務于智慧供水新業務，這對水表行業有實力的企業來說，是利好也是機會。因此希望有開拓精神和創新能力的水表企業能及時抓住這一發展機遇，主動承擔起歷史賦予的重任和使命，讓水表產品從單一的水計量（測量）產品跨越到管網綜合參數測量領域中，使新一代水表產品真正成為名副其實的集管網綜合參數測量特性于一身、智能感知與執行功能相融合的新產品。
構建管網綜合感知終端
新一代智能水表可以充分利用其安裝空間和原有通信網絡等優勢，承擔并發揮管網信息物理系統綜合感知終端（或數據采集中心）的功能與作用，使供水企業能盡早的在全域空間范圍內全面、準確地開展管網壓力與水量調控及節能降耗、管網末梢在線水質監測及預警與報警、管網漏滲狀態監測及準確定位等亟需的新業務。為此，必須盡早啟動智能水表產品從單一參數測量（水量測量）向綜合多參數測量（水量、水壓、水溫、漏滲、水質、工況等測量）方向的發展與演進工作，使其能向供水行業全面提供管網信息物理系統（即物聯網應用）運行時所需的各類大數據。
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產品），并將其定義為管網綜合感知終端或管網數據采集中心是非常合適的，它完全符合當前水務應用的實際需求和現有狀況。隨著用戶需求的深化以及現代技術的進步，智能水表的演進與換代是必然會發生的，這是任何產品都將面臨的自然規律。
圖2反映了智能水表的演進過程與各代產品之間的基本特征。從圖中可以看到，第一代智能水表（智能水表1.0產品）是在機械水表基礎上增加機電轉換裝置和電子部件等來實現其使用功能拓展的，如增加數據遠傳、預付費用水、數控定量用水等功能。但從本質上說，其計量機構還是機械水表，計量特性與機械水表相同。通過功能拓展和具備電信號輸出與處理等特征，可以將其方便地接入到水務應用系統中，完成用水量的自動抄表、管網分區漏損檢測與識別等任務；第二代智能水表（智能水表2.0產品）計量機構的傳感原理和結構特性發生了重大的改變，由于采用了無機械傳動結構的水流量傳感與信號處理技術，因此不需要機電轉換裝置的參與，顯著提高了產品的計量性能與長期使用可靠性。利用法拉第電磁感應原理、超聲波渡越時間差和射流附壁效應等原理構成的電磁水表、超聲水表和射流水表產品，在計量性能、使用壽命和壓力損失等指標上有了顯著的提高。但是第一、第二代智能水表僅局限于管網水量的檢測，不能向水務應用系統提供更多的管網運行狀態參數，因此，在當今智慧供水應用場景下其應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，還拓展了管網綜合水參數的測量功能，可以較好地扮演起管網水參數綜合感知終端（或數據采集中心）的角色，為水務大數據的采集提供了無限的可能性。
表1列出了第三代智能水表應擁有的基本測量功能與參數。今后，隨著需求的增加和技術的成熟，智能水表3.0產品的測量功能還會有進一步拓展和延伸的空間，其測量參數也會有相應的增加。
圖3是寧波水表（集團）股份有限公司正在重點研發的國內首創且有多項知識產權的第三代智能水表產品樣機原型，它是在原有水量單一參數測量基礎上增加管網綜合參數測量功能并接入電控閥等執行裝置所構成的新一代智能水表（智能水表3.0產品）。這種第三代智能水表是名副其實的多參數水表，在強化其內部嵌入式計算機系統和無線通信能力的基礎上，可以將各類傳感器感知獲取的測量數據融合打包與加密，完成數據存儲、分析處理、遠程傳輸、安全認證、乃至邊緣計算等任務，使其完全能承擔起管網數據采集中心的角色。
從數據通信的實時性看，智能水表3.0產品的無線通信技術可以選用NB-IoT（窄帶無線蜂窩網）或LoRaWAN（自組無線廣域網）等數種通信方式進行數據傳輸和接入。對于信息量很大的視頻（或照片）類工況數據和實時性要求較高的控制類數據，則可通過數據壓縮技術或經LoRaWAN連接至近距離點的WiFi路由器接入到互聯網，或直接使用5G寬帶通信技術進行數據傳輸。
在線水質測量需要提供符合測量要求的環境和條件，這樣方能保證渾濁度、余氯、pH等參數測量的準確性與可靠性。在水質測量的同時，在研的智能水表3.0產品還具有與水質預（報）警系統融為一體、為供水企業或用水戶提供水質分質預警和水質污染報警等功能。
管網漏滲狀態監測可以提供兩類檢測信號用于監聽和分析，一類是以振動和噪聲等方式在管道管壁傳播的漏滲信號，適合在金屬管道及短距離測量點條件下使用，需要用到噪聲或振動傳感器；另一類漏滲信號直接通過供水介質進行傳播，適合在非金屬管道和長距離測量點條件下使用，需要用到水聲等傳感器。確定漏滲點位置，除了使用上述兩類傳感器和采用互相關分析法定位外，還可以結合管道內的水壓和水量變動等情況進行輔助定位計算。
智能水表3.0產品在供水新業務中的應用
近期，寧波水表（集團）股份有限公司已與同濟大學“智慧水務聯合創新研發中心”合作，共同啟動“基于智能水表3.0安裝節點與數據采集的管網水力與水質建模及工程化應用研究”等課題研究工作。與此同時，寧波水表（集團）股份有限公司組建高層次研發團隊與相關高校、科研機構合作，共同研發各類高性價比的管網在線水參數傳感器與信號處理系統，為水務行業智慧供水新業務提供新一代的智能感知終端產品。
在智慧供水領域，當前最亟需的是讓基于CPS的水務解決方案盡快完善和成熟起來，加快產品化研制步伐，并早日投入商用。涉及到的具體內容主要有：管網供水壓力（水量）的科學調度及能耗優化、管網末梢在線水質監測及預報警、管網漏滲監測及準確定位等業務系統。這些供水新業務與國家提出的保障安全供水和節能減排方針密切有關，也與供水企業自身經濟效益和運行效率提升緊密相連，因此需要加快推進研究與商用速度，早出應用成果。
結合近年來國家提出的城鎮管網樹狀化改造的方案與要求（主要用于DMA管網漏損管控），寧波水表（集團）股份有限公司和同濟大學智慧水務研究團隊的工作重點也聚焦在基于城鎮樹狀管網改造的智慧供水新業務研究上。圖4和圖5為城鎮樹狀管網改造后的水表安裝示意圖，在圖中的水表安裝位置上可以設置各類水參數傳感器、電控執行器和無線通信設施，在有限的空間內建立起眾多的、性價比較高的微型化管網數據采集中心，為各類新的供水業務系統提供實時的大數據。
可以預計，在不遠的將來，隨著智能水表3.0產品的推廣與應用，供水新業務應用系統算法、模型的演進與成熟，由智慧供水技術保駕護航的安全供水必將成為現實。
結語
推行智慧水務（智慧供水）新業務，需要人們轉變傳統觀念、增強創新意識，需要水務企業領導和員工的重視與推動，需要各相關方的支持與配合，更需要有系統層級的新技術、新方法以及現代管理的新理念、新模式作支撐，尤其離不開由管網運行綜合參數提供的大數據作保障。
因此，新一代智能水表產品概念的提出以及后續新產品的商用研發與應用，將會給以信息物理系統為特征的先進制造技術在智慧供水領域的全面應用帶來可以預期的利好和希望，這將有助于早日解決供水業務當前面臨的需求和“痛點”，也讓人們對安全供水、高效供水、乃至未來的分質與健康供水充滿信心和期待。
作者簡介及聯系方式：
姚靈，寧波水表（集團）股份有限公司技術總監；兼任中國計量協會水表工作委員會秘書長、智能水表技術工作組組長、全國量具量儀標準化技術委員會量儀分技術委員會副主任委員、浙江省水表標準化技術委員會主任委員等職；教授級高級工程師，享受國務院政府特殊津貼待遇專家。
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