【毕业学位论文】（Word原稿）水表计量分析监测系统的设计与实现-软件工程

中图分类号： 学校代码： 10055 密级： 硕 士 专 业 学 位 论 文 水表计量分析监 测 系统的设计与实现 文摘要 I 中文摘要 本文从国内大口径水表的使用现状分析入手，阐述了水表在供水企业中的重要性，剖析了大口径水表在国内使用中存在的问题及形成的原因。通过对客户用水状况调查分析，三班生产企业大幅减少、工业用水比重下降、昼 夜用水不均衡等用水变化，揭示了当前困惑供水企业在 售水计量方面亟待破解的难题。为有效地解决这些难题，本文设计了“水表计量分析监测 系统”。 系统的整体设计专注于对数据的深入分析，通过采集的水表流量技术参数和不同时点、时段通过水表的水量数据监控水表的计量状态。充分利用这些数据，结合流体力学中的连续性方程、能量方程和动量方程原理，利用现代计算机海量数据快速运算功能，对水表的运行工况进行详实的数据分析，从管道设计的合理性、用量与水表计量的负荷适应性、故障与水表质量的可靠性多个侧面提供水表运行中已发生和潜在的不稳定问题 。 系统 利用了无线通讯、大型数据库、 C#高运行效率 编程语言等现代技术成果与水表、流体力学、供水企业经营管理等专业技术紧密结合，以友好操作简易的界面设计，实现了用户需要的数据收集、数据分析、紧急报警、提供水表改进方案、水表服役管 理 、系统维护等功能。 系统以创新为目标，力图通过系统功能，特别是数据分析的实用性展示系统的亮点，以区别于其他水表管理系统。本系统的设计使无线抄表，不 仅仅 是单纯的 数据 采集代替人工抄表 ， 而是 进一步 提升了系统和 远传 水 表的 管理效应 ，为供水企业降低售水损耗，增加效益提供帮助 。 关键词： 大口径水 表，分析监测 ，降低损耗 I of of of of of in of of of of of in in an to a of of of of of of on of by of at in of of in s of of so as to of of of of to of of C # of as of II an a of as so In of is of to so as to of of of 录 录 第一章 绪论 1 第一节 国内大口径水表的使用现状 1 第二节 客户用水状况调查与分析 3 第三节 本文研究的意义与必要性 4 第四节 本文的研究内容 5 文系统的突出特点 5 文系统的创新点 5 文创新点实现的关键技术 6 第二章 水表计量分析监测 系统的需求分析 7 第一节 系统概述 7 统研究目标 7 务需求 8 统角色分类 18 第二节 系统功能性需求 21 统总体功能分析 21 据接收存储管理功能分析 22 户档案管理功能分析 24 备信息管理功能分析 25 据分析处理功能分析 27 据接口功能分析 28 询与报表输出功能分析 28 统管理功能分析 29 第三节 系统非功能性需求 30 统的安全性 30 统的可靠性 31 目 录 V 统的响应速度 31 第四节 本章小结 31 第三章 水表计量分析监测系统 系统的设计 32 第一节 系统设计原则 32 第二节 系统体系结构设计 32 第三节 系统框架结构设计 33 第四节 系统功能设计 34 据接收存储管理模块 35 户信息管理模块 38 备信息管理模块 38 据分析处理模块 40 据接口模块 42 询与报表输出模块 42 统管理模块 42 第 五节 系统开发技术 43 #语言 43 44 45 45 第六节 本章小结 45 第四章 水表计量分析监测系统 的数据库设计 46 第一节 系统数据库概念模型设计 46 第二节 系统数据库数据模型设计 47 域档案表（ 47 作员档案表（ 48 水户档案表（ 48 表档案表（ 49 表类别档案表（ 50 目 录 水表供应商档案表（ 50 备档案表（ 51 表报警阈值档案表（ 53 户过户记录表（ 53 表更换记录表（ 54 时数据记录表（ 54 史数据记录表（ 55 警数据记录表（ 55 警处理预案表（ 56 统日志记录表（ 56 第三节 数据表之间关系 57 第四节 本章小结 57 第五章 水表计量分析监测 系统的实现 58 第一节 系统登录功能实现 58 第二节 主界面功能实现 58 限控制功能 59 据实时监控功能 59 警实时提示功能 60 第三节 数据接收储存功能实现 60 第四节 用户档案管理功能实现 60 第五节 设备信息管理功能实现 62 表档案管理功能 62 表类别档案管理功能 64 表供应商档案管理功能 64 备信息管理功能 65 第六节 数据分析处理功能实现 66 据实时解析功能 66 据实时分析功能 68 目 录 报警处理功能 68 第七节 数据接口功能实现 70 第八节 查询与报表输出功能实现 70 量信息查询 70 表数据分析 73 备状态分析 74 第九节 系统管理功能实现 75 统配置 75 域管理功能 76 作员管理功能 76 据维护备份功能 77 志操作记录功能 77 第十节 系统运行环境 78 第十一节 本章小结 78 第六章 总结与展望 79 第一节 总 结 79 第二节 展望 79 参考文献 80 致 谢 82 个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果 83 第一章 绪论 1 第 一 章 绪论 水表是供水企业不可缺少的计量器具，选好、管好、用好水表对于降低水量损耗，提高企业效益，提升服务水平意义明显且深远。 多年来许多供水企业和水表生产厂家以及科研单位，在水表的智能化研究方面做了许多尝试和创新，先后出现了有线远传水表、 水表、无线远传水表等新产品，实现了数据的实时传输和智能记录储存。然而在大口径水表的智能化监控管理方面始终没有得到长足发展，如何将智能水表采集的海量数据利用起来，使之为提高供水企业经济效益服务，尤其为水表的科学化管理应用服务，没有深入的研究和创新成果。特别是受水表特性、管道设计、水利条件分析、统计学、企业管理学、计算机软件开发等多学科的综合理论和技术的应用限制，而没有高水平的成果出现。 本文及所研究的系统，力在应用多学科专业理论和技术手段，通过对水表的运行监控和分析达到对水表科学管理和使用的目的。系统在数据资源的有效利用、水表运行期间实际水利条件分析、水表性能与实际应用适应性分析方面深入细腻 ，为当前国内先进水平。特别是通过监控和数据分析，及时发现问题，提出改进方案，使水表为售水准确计量发挥作用方面具有多处创新点。 第一节 国内大口径水表的使用现状 在水表分类和供水企业使用上，习惯将水表分为两类 ,口径 40的为小表， 50为大表，我们这里着重针对大表进行研究。 当前国内供水企业大口径水表使用数量巨大。经不完全统计全国城镇供水企业 2009 年末在装表具为 6202 万具，其中用于工业和商贸等行业的大口径水表约 具，其分布也很广。一些省市直辖市水表在装情况见表。 第一章 绪论 2 表 一些省 市直辖市水表在装情况调查统计表 1 城市或地区 在装水表（只） 居民生活 工业 商贸及其他 合 计 上 海 4616909 57152 287393 4961454 天 津 2883909 114480 155191 3153580 江 苏 7637486 287754 188868 8114108 浙 江 4379469 376706 113096 4869271 广 东 6045625 112815 417966 6576406 湖 北 2035990 57144 117768 2210902 河 南 1965745 72989 585055 2623789 辽 宁 6369984 105544 268310 6743838 黑龙江 1311186 12122 102946 1426254 甘 肃 241606 10278 49053 300937 由于企业（以下简称用户）的用水受多种因素影响，日或月变化较大，规律性不强，造成水表的量程与实际用量严重不匹配，又因设计、选型等不恰当存在诸多问题，对用水量的准确计量影响较大，其表现在这样几个方面。 （ 1）设计配置 不合理 预测水量严重脱离实际，造成初装时配置的水表口径过大或过小，不能准确计量。例如天津某企业申报日用水量 20000均小时用量为 830 时用量 1080 装 表两具，长时期日平均用水量在 6000 8000 间低峰用水量不足 100 南新乡某新建合资企业申报水量小配装 际用量远远超过水表 50 m3/h 常用流量范围，造成水表装上后几天甚至当天就把水表叶轮冲飞。 （ 2）选型不合理 同口径、同类型、同为速度式水表，各个生产厂家也存在许多差异各有自己的特点。 例如 平螺翼式水表，有的有效计量范围在 20 500m3/力坡降小）；有的在 500m3/h 之间量程宽，水头损失偏大。选择那种水表要仔细分析用水环境，用水量平稳小时变化不大波动小的，可选择量程窄压损小的水表，反之应选择量程宽的水表。 （ 3）水量变化背离了水表量程 第一章 绪论 3 过去企业规模大产量高，是粗放型的用水。经过改造或各种变迁已经远不是原来的情况，水表与实际用水量严重不适宜。如过去的纺织厂、印染厂、造纸厂等等都是大量用水户，很多都已经发生了变化，应该重新考虑水表的配置。 （ 4）水表超期使用计量不准 按照计量法 2规定用于结算水费的水表叫贸易结算水表，属于强制检定范围，简称强检。一般情况下大口径水表的检定周期是两年，各地有些差异。完成强检的常规做法就是更换新表，由于费用、管理、认知、监督力度等种种原因很难落实到位，超周期使用比较普遍。由于超出使用周期很难说水表的计量是准确的。 （ 5）低价劣质水表充斥市场 当前水表市场比较混乱，在价格战中一些质量低劣的产品流入水表市场并有相当的市场份额。本来水表生产需要全数过水检测，又要有加速磨损实验检验授权过程，往往在实际产品交付市场时达不 到标准要求。供水企业主管这方面的人事对水表的性能又缺乏深入了解，尤其有些拍板人又关注的是价格，许多供水企业使用着与其用水环境不匹配或劣质水表。 第二节 客户用水状况调查与分析 在我国通过大口径水表计量的售水量也是巨大的，这些水量虽然通过水表，但是由于发生水表停坏等原因其中包含着估算得来的、也有因水表计量精度不够未被计量的，不是实际售水的全部。一般情况下在装水表数量与售水总量没有直接的比例关系，用水大量户多水量就高，不一定水表数量就多，但也反映着水表数量的规模。随着社会发展，节水型城市的建设上世纪七八十年代 那种粗放型用水早已不存在了，而且出现了巨大变化。主要是昼夜用水量变化大，一般企业很少有三班生产只是白日用水量大，宾馆酒店则是晚 8 点 11 点用水较为集中。用于用水规律的变化对水表性能和管理也提出了更高更新的要求。一些省直辖市售水量情况见下表。 第一章 绪论 4 表 一些省市直辖市 2009 年度售水量情况调查统计表 1 省份或城市 用水类型（万 工业 经营服务 特种行业 其他 合计 北 京 6944 天 津 19396 3153 2 22551 河 北 西 8586 19 586 蒙 古 44 宁 东 971 海 南 77 庆 三节 本文研究的意义与必要性 由于水表口径不同、生产厂家的技术以及工艺不同，其参数也各不相同。由此可见， 根据用户的用水情况，结合水表自身参数进行及时准确的分析调整，是十分必要的 3 。即：用水量是否在水表合理的计量范围之内，存在不存在过水不计量或少计量 、超越量程范围的情况。对出现的情况提供解决方案就显得非常重要 4。 这 个问题在美英等发达国家表现得不突出，原因是国情不同；思维方式，做事习惯等许多差异所致。比如国外要新建一座工厂，他的前期调研和测算非常精细，对水量的需求富裕量打的不是很宽，基本与实际需要相吻合 5。而我国情况就大不相同了，一般情况下都是宽打窄用，余量很大。自来水公司只能按其申报的用水量配置水表，又长期达不到申报的水量值，因此出现大水表低流量的情形，反之一些单位经营内容或产品、规模发生了变化，又没有改造管道更换合适的水表，或是当初水量测算就存在问题，造成水表口径小不适合较大水量的计量，经常发生水表 停坏 6。 又加上国 外使用的水表质量较高、量程宽，因此国外在这方面的研究比较少。 最近几年这个问题在国内不断引起重视和关注，这与对水表加装了智能监控第一章 绪论 5 设备有关，能够采集到不同时段的流量数据，有了掌握用户不同时段的水量信息的手段，能够对用户用水状况进行深入分析。个别科研单位和院校与自来水公司合作开发研制了一些这方面的分析系统，但是由于涉及水表性能研究、用水规律分析、数据库建立、数学模型建立研究、软件功能设计、软件开发、后期成果运用等多学科内容，研究的深度相对不足，未能推动应用，更未推广 7。本课题研究的分析及监控系统，综 合管理用户以及水表档案；借助智能监控设备的数据采集手段，对水表的实时用水数据进行及时且全面的收集，监控其流量状态；同时结合多年在自来水行业的从业经验以及对水表性能和用户用水习惯的熟悉，进行有针对性的分类分析统计，对相关问题进行及时处理以及事后查询检验。 第四节 本文的研究内容 本文通过研究水表的流量技术参数和不同时点、时段通过水表的水量监控其计量状态极其合理性，进而做出分析判断，提出分析和改进水表的报告。通过水表、水表发讯装置及电子单元数据采集设备、建立客户用水各个状态大型数据库、计算机管理系统，构成数据 采集传输网络和管理系统。达到在装水表计量状态分析监控的目标。 本文系统的突出特点 本系统根据用户提出的用户基础数据管理、水表及相应设备管理、数据收集、数据分析、数据查询、水表运行状态分析报告、水表运行监控、系统管理八个方面需求；确立了系统创新关键点的数据收集、数据分析、紧急报警、提供水表改进方案、水表服役管 理 、系统维护与管理六个方面研究重点。因为用户基础数据管理方面，基本沿用用户老的系统数据，本系统根据要求和需要对其加以补充完善，相当于升级；数据查询结合数据分析一并研究。 本文系 统的创新点 本系统最大的亮点是数据分析，也是创新区别于其他水表系统的显著标志。本系统突出的是对采集的数据进行深入的分析研究，比如系统在分析功能中设计了低流量水表运行异常报告，高流量水表运行异常报告以及在装水表总数运第一章 绪论 6 行情况分类统计 等 报告，可使供水企业领导者和专业管理人员足不出户便掌握了水表运行的实时情况。特别是对水表超载或低流量运行报警，更是将水表的运行监控提高到一个崭新的水平（见表 与传统的电池欠压报警，无水量数据上传报警不可同日而语，这些功能的实现对于及时发现问题，解决问题意义深远。 表 高流量报警清单 起止日期 至 注册号 户名 水表口径 整点流量 过载流量时点 流量 瞬时流量 过载流量时点 流 量 过载流量 标准值 本文创新点实现的关键技术 本文运用水表测量的流量数据，充分结合流体力学中的连续性方程、能量方程和动量方程原理，利用现代计算机海量数据快速运算功能，对水表的运行工况进行详实的数据分析，从管道设计的合理性、用量与水表计量的负荷适应性、故障与水表质量的可靠性多个侧面提供水表运行中已发生和潜在的不 稳定问题，开创了水表运行管理新洞天。 第 二 章 水表计 量分析监测系统的需求分析 7 第 二 章 水表计量分析监测系统 的需求分析 第一节 系统概述 系 统研究目标 本系统是建立一套对水表运行状态进行监控和数据分析，提供科学、依据充足报告的管理系统。由此提高自来水公司（以下简称水司）售水计量准确度，降低损耗、增加售水、提升管理水平。系统构成如图 示。 图 系统构成示意图 系统研究重点有六方面： （一）数据收集 利用水表已有的发讯器和数据采集设备，采集水表不同时段的 最短间隔时间的流量（ 5、 10、 15流量值）； 0 24 点整点的流量值。由数据采集器存储每天整点向管理系统发送。 （二）数据分析 结合水表性能，建立数学模型对收集的数据进行科学分析，突破多学科技术的综合整合运用。具体做法和要求见第二章 务需求 （四）数据分析。 （三）紧急报警 数据采集器 分析报告 数据传输 数据收集、 存储、分 析 第 二 章 水表计 量分析监测系统的需求分析 8 系统对水表运行状态实时监控，对不同口径水表根据其性能遇有即将对水表稳定运行造成危害或水量流失的提示报警。 （四）提供改进方案 提供监控水表用水量与计量不匹配问题的解决方案。 （五）水表服役管理 对水表的使用期限、超过 强检周期（超期服役）、发生停坏的情况及时提供详实数据和信息资料。 （六）系统维护与管理 系统管理权限设置及日常数据维护。 业务需求 本系统的业务需求是超出供水企业一般日常售水经营管理范畴的系统，即在原基础上功能扩大的系统，系统应能够实现以下功能以到达用户使用和期盼的要求。 （一）用户基本信息管理（原始数据管理） 新户数据录入 以及修改 ，包括用户的户名、地址、注册号（户号） 等基础信息 。 （二）设备信息管理 按图 能要求说明示意图”设计实现。 第 二 章 水表计 量分析监测系统的需求分析 9 图 功能要求说明示意图 （三）数据收集 数据收集是通过数据线采集器，采集上传水表流量信息。其关键是在采集器中根据数据分析的需要设计采集数据间隔和方式，为能过保证后面数据分析需要，数据采集应按图 据采集流程及数据项说明示意图”要求采集、运算、储存、上传以下数据。 上位机管理系统 用户 基本信息录入 （常规信息） 设备基本信息 录入 水表信息内容应包含：仪表型号、主表口径、主表表号、子表口径、子表表号、进户管口径、表前管件、管件规格、安装日期以及主表和子表的最小流量、常用流量、分界流量、最大流量；设备信息内容应包含：设备编号、安装日期、电池期限以及其他相关参数 具备删、改、存、查功能 第 二 章 水表计 量分析监测系统的需求分析 10 图 数据采集流程及数据项说明示意图 （四）数据分析 本节次介绍水表在各种流量状态下的运行工况，通过对上传数据的分析校核其是否处于合理状态，提供异常水 表工况分析结果。此属于上位机功能，系统必须具备。 计算某一时点和任一时点通过水表的流速 连续观测记录水表的整点流量（ 0 点、 1 点 23 点）和最小时段流量，计算水表瞬时流量。根据计算的瞬时流量计算瞬时流速，流速是流量对时间的导数 8由公式一 计算。 公式： Q =4 2=式中： Q 瞬时流量、 q 观测流量、 t 观测时间、 D 水表口径、 v 水表入口流速 水表负荷分析 根据收集的流量数据和计算的瞬时流量对比不同类型水表的技术参数，分析水表的运行状态和负荷情况。水表的主要技术参数如下表所示。将超过或低于最大流量或最小流量的水表数据计算存储起来作为报警或数据分析使用。 5隔水表 指数 15隔水表指数 整点间隔采集水表指数 连续 N 次上传间隔没有数据上传 电池欠压 流量超过水表荷载上限 流量低于计量量程下限 采集器采集数据 数据存储及运算 水表 5量 15量 整点流量 . 数据上传 管理系统 第 二 章 水表计 量分析监测系统的需求分析 11 表 水表技术参数 9 公称口径 n (流量（ 常用流量 （ 大流量 （ 界