在智慧水务解决方案中，通过物联网（IoT）与传感器技术实现地下管网运行状态实时监测，需构建“传感器网络+通信传输+数据平台+智能应用”的完整体系。以下是具体实现路径及关键技术要点：

一、地下管网监测的核心传感器类型与部署策略

1. 压力与流量监测

传感器选型：

压力传感器：采用高精度扩散硅压力变送器（精度±0.1% FS），内置温度补偿模块，适配- 40℃~85℃管网环境，用于监测供水/再生水管网的压力波动（如爆管前压力骤降）。

电磁流量计：DN50-DN2000口径，测量精度±0.5%，非接触式测量避免流体干扰，适用于主干管网流量监测，实时计算管网负荷率。

部署位置：

在管网节点（阀门井、三通/四通处）、压力分区边界、高风险老旧管段（如使用超30年的铸铁管）加密部署，间距500-1000米；工业园区等特殊区域缩短至200米。

2. 液位与泄漏监测

传感器选型：

超声波液位计：采用非接触式测量，量程0-10米，盲区≤500px，用于监测排水管网液位（如合流制管网溢流风险）、窨井积水深度。

分布式光纤传感器（DTS/DAS）：通过光纤后向散射原理，实现沿管线分布式温度/应变监测，定位泄漏点精度≤1米，适用于长距离输水管网（如原水管道）的隐蔽泄漏检测。

创新方案：

在排水管网交汇处安装“多参数监测球”（集成液位、流速、COD 传感器），实时监测雨污混流、管网淤堵（流速＜0.3m/s时触发预警）。

3. 水质与腐蚀监测

传感器选型：

多参数水质传感器：集成pH、电导率、浊度、余氯等模块（响应时间＜30秒），用于饮用水管网末梢水质监测，联动水厂调整加氯量。

腐蚀电位传感器：通过线性极化电阻（LPR）技术，实时监测金属管道腐蚀速率（分辨率0.01mpy），提前预警管壁减薄风险（如腐蚀速率＞0.1mpy时报警）。

二、物联网通信网络的分层构建

1. 底层感知层：多元化组网方案

短距离通信：

NB-IoT/LoRa：适用于分散的单点监测（如小区管网阀门井），单节点功耗＜1mW，覆盖半径2-5公里，解决老旧小区无电源、无有线网络问题。

Zigbee/蓝牙Mesh：在密集管网区域（如地下综合管廊）构建Mesh网络，节点间距50-100米，支持多跳中继，确保数据穿透性。

长距离通信：

5G/4G DTU：用于主干管网监测终端（如流量计、分布式光纤解调仪），支持视频监控数据回传，时延＜100ms。

卫星通信（如北斗短报文）：作为极端天气（台风、地震）下的备份通信链路，确保监测数据不中断。

2. 网络层优化：低功耗与抗干扰设计

动态休眠机制：非高负荷时段，传感器进入休眠模式（电流＜10μA），仅在压力突变（如ΔP＞0.05MPa）或定时唤醒（如每15分钟）时采集数据，延长电池寿命至5-8年。

抗电磁干扰：采用金属屏蔽外壳（EMC等级Class A）、差分信号传输（如RS485），在高压电缆并行区域加装磁环抑制共模干扰。

三、数据中台与智能分析应用

1. 实时数据采集与校准

边缘计算节点：在管网监控中心部署边缘服务器，对原始数据进行预处理（如压力数据滑动平均滤波，剔除脉冲干扰），并通过时间戳对齐（精度≤10ms）多源数据（传感器、GIS管网台账、气象数据）。

异常数据校验：建立“阈值+相关性”双重校验规则，例如：当某节点压力骤降＞30%时，自动触发相邻节点压力、流量数据联动核查，排除传感器故障误报。

2. 管网运行状态智能诊断

水力模型驱动：基于EPANET构建管网水力模型，输入实时流量、压力数据，反演管网拓扑结构（如阀门开度异常识别），预测爆管风险区域（准确率＞85%）。

泄漏定位算法：对分布式光纤监测数据，采用小波变换提取泄漏特征信号，结合管网GIS坐标，实现泄漏点“分钟级定位、米级精度”。

健康度评估体系：建立管网健康指数（PHI），融合腐蚀速率、压力波动系数、服役年限等参数，自动生成管网改造优先级清单（如PHI＜60分的管段优先更换）。

3. 应急响应与联动控制

分级预警机制：

黄色预警：压力低于最低服务压力（如0.15MPa）或液位超过警戒值（如管网充满度＞80%），触发工单至巡检人员（响应时间＜15分钟）。

红色预警：疑似爆管（压力＜0.05MPa且流量突增）或有毒有害气体泄漏（如H₂S＞10ppm），自动关闭上游阀门，同步通知应急抢险队伍（到场时间＜30分钟）。

与其他系统联动：

对接城市内涝积水监测系统，当排水管网液位超限时，联动泵站提升排水能力（如水泵启停由液位-流量PID控制）；

与GIS平台集成，实时渲染管网运行热力图，辅助指挥中心动态调配抢险资源。

四、典型应用场景与实施效果

1. 案例：某市老城区管网监测改造

痛点：DN300铸铁管网漏损率超15%，人工巡检效率低（人均负责50公里管网）。

方案：

部署500+NB-IoT压力传感器（间距300 米）、20套分布式光纤监测单元（覆盖主干管20公里）；

建设边缘计算节点，实时计算管网漏损指数（LI=流量差/设计流量），当LI＞8%时触发泄漏排查。

效果：漏损率下降至8%，爆管响应时间从2小时缩短至40分钟，年节约水资源约10万吨。

2. 技术创新：智能井盖联动监测

传感器融合：在井盖内置倾角传感器（精度±0.1°）、气体传感器（CH₄、O₂）、RFID标签，当井盖位移＞5°或气体浓度超标时，通过LoRa上传数据至管网监测平台，同时触发附近摄像头抓拍（视频回传时延＜5秒）。

应用价值：实现井盖缺失、非法开启、井下缺氧/可燃气体泄漏的“一盖多能”监测，降低人员下井作业风险（事故率下降60%）。

五、关键技术挑战与应对策略

低功耗与长续航矛盾：

采用“太阳能+超级电容+锂电池”混合供电，在光照不足区域（如隧道）加装无线能量采集模块（如振动发电），确保设备年均断电时间＜24小时。

复杂地下环境信号衰减：

采用“中继节点+智能路由”算法，在信号盲区（如穿越河流的倒虹管区域）部署信号增强器，提升NB-IoT穿透深度至地下10米。

海量数据存储与分析：

采用时序数据库（如InfluxDB）存储高频监测数据（秒级采样），对历史数据进行降采样（如按小时聚合），结合云计算平台实现管网运行趋势预测（如未来7天漏损概率）。

通过上述技术架构，智慧水务解决方案可实现地下管网“状态全感知、数据全流通、故障全预警、处置全闭环”，为城市排水防涝、管网运维提供精准的数据支撑，推动水务管理从“被动抢修”向“主动预防”转型。