取水栓及消火栓遠程實時監管系統的設計與應用案例

1 應用背景

2016年唐山市承辦世界園藝博覽會，為提高城市整體環境質量，市政府決定新增150輛灑水車用于道路灑水及園林綠化，加上原有霧霾治理噴灑車與其它綠化企業灑水車，唐山市區內工作的灑水車輛每日可達到500輛。數量如此多的灑水車輛給取水管理增加了難度，如果建立統一的取水站，會投入很大的建設成本，灑水車排隊取水也會對交通及市容造成一定的影響，且不利于車輛的連續作業。

以往，灑水車均在馬路邊的消火栓上取水，這樣無形中縮短了消火栓的使用壽命。消火栓的主要功能是為消防車提供補給水，為消防部門迅速、高效地完成滅火工作發揮著極其重要的作用?；馂膩砼R時，消火栓不好用甚至不能用，會給消防部門的滅火工作造成極大的影響，可能導致錯過滅火最佳時機，造成人民生命、財產的重大損失。同時，灑水車無序取水，也造成了取水量無法計量，自來水公司沒有具體數據征收水費的尷尬局面。

消防用水屬于公益水，而在許多商戶及個人眼中，消火栓的水就是“不要錢的水”。偷接消火栓、私用公益水現象嚴重，不僅會造成大量的水資源流失，還會降低消防管道水壓，給公共安全帶來隱患。由于消火栓分布地域較廣，管理執法人員不能及時監管所有消火栓，即使被盜用，執法人員也很難取證，導致違法人員逍遙法外。

基于以上背景，唐山市自來水公司對消火栓的管理提出了新模式，并聯合相關研究中心研發了2款新產品：

（1）DATA–6241刷卡計量取水裝置。自來水公司新增了專用取水栓且通體刷成綠色，與紅色的消火栓區別開來，在取水栓頂部安裝DATA–6241刷卡計量取水裝置，取水車輛只有通過刷IC卡才能開閥取水。

（2）DATA–6242消火栓防盜水報警裝置。在紅色消火栓的出水口安裝DATA–6242消火栓防盜水報警裝置，自動監控消火栓用水狀態。

以上2款產品（見圖1）均已申請了發明專利，目前正在受理中。

2 刷卡計量取水栓監管系統

專用取水栓由消火栓改造而成：① 在閥桿上加裝電動鎖止裝置（裝置利用棘輪、棘爪原理控制閥桿的旋轉，并具有開關狀態反饋功能）；② 使用DATA–6241替換原有頂部蓋帽，使用電纜與電動鎖止裝置連接。

改造好的取水栓具備IC卡識別和刷卡解鎖功能，取水人員需使用專用IC卡解鎖后，才能開閥取水。取水時，井下計量設備自動計量取水量。

取水栓一般安裝在馬路邊，現場取電、布線很麻煩，電子設備露天使用還要防水、防潮。因此，DATA–6241采用微功耗工作模式，定時采集和傳輸數據，閑時休眠，忙時喚醒。產品內置4節大容量鋰電池（14AH），能夠保證10000次的取水動作正常運行。設備自動采集電池電壓，電壓過低時自動報警。

DATA–6241采用上下兩層結構設計，上層內安裝PCB電路板及鋰電池，采用2道硅膠密封圈及多個不銹鋼螺釘緊固，防水等級達到IP68；下層采取遮罩式設計，用來保護電動鎖止裝置，電動鎖止裝置經試驗可在水中可靠工作，完全適應現場的惡劣環境。同時DATA–6241集成了GPRS、433M和藍牙3種無線通信功能，充分利用各種網絡的優勢構成成套系統，并采用了獨特的防水設計，防護等級達到了IP68。

GPRS具備遠距離數據傳輸功能，可將現場多個傳感器的數據遠程傳輸至數據監管中心；433M具備中距離數據傳輸功能，不產生通訊費用，通過它可采集井下計量設備的數據，避免了布線的麻煩；藍牙具備短距離傳輸功能，傳輸速度快，通過手機APP可對設備進行升級維護。

在每個取水栓旁的閥門井內安裝計量裝置（水表或流量計）和壓力變送器。 計量裝置用來計量取水戶的單次取水量以及取水栓的瞬時、累計流量。壓力變送器用來采集管道壓力數據，它可以檢測管道是否有水以及水壓的大小，用以確定取水栓是否可以正常使用。計量裝置和壓力變送器都具備傳輸接口，能夠通過標準的4~20mA、RS485、脈沖等信號進行數據傳輸。閥門井內另需安裝一臺IP68防護等級的RTU設備，即 DATA–7601微功耗采集終端。該設備具備多種變送器信號采集接口，還具備433M無線傳輸功能，能夠與井上的DATA–6241刷卡計量取水裝置進行雙向數據傳輸。

使用流程： 灑水車取水時，取水人員先將車上取水帶連接至取水栓出水口，將IC卡置于取水栓的刷卡區內，這時系統會自動驗證IC卡芯片中的身份信息，身份合法則自動打開電動鎖止裝置，并通知井下DATA–7601微功耗采集終端準備采集數據。此時取水人員可使用專用開閥扳手打開取水栓閥門給車輛加水。電動鎖止裝置延時若干秒（可設置）后自動上鎖，但不影響取水栓的關閉，為下一次刷卡取水做好準備。取完水后，取水人員用扳手關閉取水閥門。井下DATA–7601微功耗采集終端檢測井下計量裝置沒有瞬時流量后，將此次用水數據傳輸至DATA–6241刷卡計量取水裝置，DATA–6241再通過GPRS遠程傳輸至數據監管中心，至此完成一次取水作業。刷卡計量取水栓監管系統現場設備以及網絡拓撲見圖2。

3 消火栓報警監管系統

常用消火栓有3個出水口，1個100mm口徑、2個65mm口徑，每個出水口均安裝一個悶蓋。悶蓋是一個附屬裝置，起到了封堵出水口的作用，只要密封效果達到原有悶蓋的標準，更換它不會影響消火栓的正常使用。因此，DATA–6242消火栓防盜水報警裝置的外形就設計成一個消火栓悶蓋形狀，通過替代消火栓原有悶蓋，可實現消火栓用水報警功能，而且不改變消防部門的使用功能。

消火栓防盜水報警裝置內部集成了微功耗電子電路和2節大容量鋰電池，同時具備GPRS、藍牙、433M無線通信功能，并且產品的防護等級同樣做到了IP68。消火栓正常工作時，不管是正常取水還是非法用水，用戶從哪個出水口取水，消火栓報警裝置均可以檢測到，并自動向數據監管中心報警。

工作原理：①當有人在100mm出水口用水，在擰動消火栓防盜水報警裝置時，裝置中的傾斜開關發生位置偏離并導通，觸發消火栓防盜水報警裝置，并將報警信息通過GPRS網絡遠傳至數據監管中心，實現及時報警；②當有人在65mm出水口用水時，出水后消火栓內的水壓觸發消火栓防盜水報警裝置內的微動開關閉合，同樣使該裝置將報警信息遠傳至數據監管中心；③消火栓防盜水報警裝置還可以配合井下DATA–7601微功耗采集終端，采集消防管道壓力，壓力不足時及時報警，保證消火栓的正常使用。消火栓報警監管系統現場設備及網絡拓撲見圖3。

4 消火栓相關產品監管平臺

由于取水栓與消火栓的水源均來自消防管道，為便于統一管理，數據監管平臺的建設應該包括以上兩個系統，只有將兩個系統結合到一起，才能實現完全監管消防管道及相關設施的目標。

該系統將數量眾多、分布分散的取水栓和消火栓通過GPRS網絡鏈接起來，結構簡單，維護方便。

管理人員在監管平臺上通過地圖或列表，可實時監控區域內所有取水栓和消火栓的用水情況，能夠看到：哪個用戶幾點幾時在哪個取水栓取了多少水、是否有用戶非法開取水栓取水；哪個消火栓在用水，通過與消防部門結合確認是真實火警還是有不法人員在偷水；消防管道整體的壓力情況，哪條管道壓力過高或過低等情況，以便于及時采取措施。

監管平臺將詳細監管數據自動保存在數據庫中，便于自來水公司隨時查詢消防管道用水信息，并方便與取水用戶進行費用結算。平臺網絡拓撲見圖4。

5 應用效果

唐山自來水公司在唐山市區范圍內一共安裝取水栓40個，并計劃將市區內所有消火栓都安裝防盜水報警裝置?，F場數據均報送至唐山自來水監管平臺上，這樣就能統一管理所有的取水栓和消火栓，完全實現了集中監測各取水單位的取水量、有效監控取水栓和消火栓使用狀態、及時甄別消防用水和非法盜水情況。