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提升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重任。物联网和大数据技术的应用必将为城市供水行业发展带来巨大的进步。
一、 智能水表在物联网和大数据技术应用中的作用
智能水表的初级阶段是IC卡水表，其功能是单纯的计量收费。随着物联网和大数据技术的发展，智能水表将以远传表为主，其功能既包括计量收费，又要扩展到供水管网智能管理。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，搭建的是物理平台。大数据的作用是为供水管网实现智能化管理提供数据和信息，是智能化管理平台。通过数据的采集、分析和处理可得到供水管网实现最佳运行状态的决策信息，然后依据获得的大数据信息实施供水管网的运行管理，从而提高运行效率，减少水资源损耗，降低运行成本，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。通过大量计量数据的统计分析可以得到供水管网运行状态的信息，使管理决策更为准确和及时。因此，智能水表在物联网和大数据技术应用中具有极其重要的作用。
智能水表的主要作用是收费管理、供水管理和监控管理。
收费管理是水表的基本功能。过去水表的作用只是提供单一的收费数据。随着阶梯水价政策的推出，智能水表在阶梯水价收费管理中发挥了智能化运算作用。
供水管理就是通过管网供水数据的采集、统计和分析，为生产与供应管理提供准确的决策信息，使生产与供应的匹配更为合理，生产计划的制定有了科学依据。
监控管理就是通过供水数据的采集和分析及时发现管网供水异常现象。用户使用了智能水表，就可以建立包含用户的分区管理网络。通过分区管理及时发现管网漏水、用户盗水和计量损失，以便及时检查和维修。通过监控用户供水异常，可以及时发现用户端漏水和盗水，为用户及时提供服务。供水监控是水资源管理的重要手段，也是降低运行成本，增强盈利能力的重要手段。
综上所述，大数据技术在供水管网中的应用可以极大提高效率，降低人力资本支出，减少生产资源损失；减少水资源损失，将盗取的水量转变为收入；可以为用户提供漏水信息服务，减少用户损失。
二、 现有智能水表存在的问题
面对大数据技术的应用，对智能水表应该从两个角度提出要求。一是满足大数据技术应用对智能水表的要求；二是水司作为用户对智能水表的要求。
从大数据技术应用角度，首先智能水表的计量数据采集精度应该为0.001立方米。计量数据采集精度低对供水管网异常现象很难监测出来。其次智能水表应该具有防盗水和监控爆管功能，这就要求智能水表具有检测逆流的功能。其三，智能水表的数据采集、存储和通信功能可靠。
满足大数据技术应用是水司的基本要求。此外，水司更为关切的有两点，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卡表开始)进入市场已经20多年。水司对应用结果不满意。首当其冲的是计量数据采集的准确性和可靠性让水司不放心。计量数据采集的准确性要贯穿于水表整个寿命周期。事实证明，影响水表整个寿命周期计量数据准确性的主要因素是水表的可靠性，而不单单是计量精度。可以说可靠性影响更大。
传统的机械水表使用了200多年。现在无论先进或落后国家机械水表还是主流产品，也就是说机械水表的准确性和可靠性得到了普遍认同。机械水表是容积式计量，只要传动机构正常工作，计量就没有问题。只要机械磨损是可控的，计量的准确性就没有问题。环境变化和各种干扰均不能影响机械水表计量的准确性和可靠性。居民用户使用的小规格机械水表，从计量精度到价格应该是性价比非常适合的产品。
相对于传统的机械水表，为了实现智能化增加的电子数据采集装置影响了水表的可靠性。因此电子数据采集装置是智能水表的核心技术。从原理上讲现有的几种智能水表如果应用于理想工作环境中采集的计量数据都应该是准确的。问题出在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有水泡、水锤、强磁、强光、水质变化、水垢、温度、电子器件老化与漂移。不受环境变化和各种干扰影响的智能水表才能在整个寿命周期内可靠准确地采集数据。要想使智能水表的电子数据采集装置不受环境变化和各种干扰的影响，在原理上必须有可靠的保障措施。原理上存在问题，工作中一定出问题。
现有的智能水表从电子数据采集装置的形式上讲可以分为两大类：
第一类是以传统机械水表为基表，增加一套电子数据转换装置，把机械量转换为电子数据的智能水表。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，计量数据采集的准确性和可靠性易受各种干扰影响。
光电直读水表影响计量数据准确性的因素主要是由其编码原理决定的。光电直读水表用字轮上三个腰型孔来进行编码，就是说每个字轮上有三个上升沿和三个下降沿。在数据采集时会同时出现2个或3个沿的情况。这种情况会出现误码。因此，光电直读水表通过软件判断来解决误码问题。软件判断的条件是根据实验和经验人为设定的，无法包罗万象。只要超出软件设定的判断条件，光电直读水表就会出现错误数据。因此，光电直读水表不是真正意义上的直读水表。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(字轮转速较慢)可以勉强使用。光电直读水表的优势是没有累计误差，本次出现错误读数，后面采集的数据会纠正过来。大数据技术的应用要求水表采集精度为0.001立方米，每天采集次数较多，字轮上的三个沿在快速运动状态，光电直读水表无法正常读取数据。另外当出现水锤现象时，字轮上的三个沿处于抖动状态，严重影响光电直读水表准确读取数据。当水中气泡处于发光管和接收管之间时，也严重影响读数的正确性。光电直读水表抗光干扰能力较弱。水表安装环境千差万别，无法设定标准光线安装环境。大数据技术应用于供水管网管理，每天需要频繁采集数据，尤其要在白天采集数据。强光干扰将严重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一圈产生一个计量脉冲，将脉冲数量转换为计量数据。脉冲水表是在水流通过时采集脉冲信号。当水流运动平稳连续时脉冲信号的采集是准确的。当水流出现波动时会造成误读脉冲数量。倒转时脉冲水表照样计量脉冲数。当高楼加压时管网会产生水锤，当阀门开断时会产生水流振荡。这些现象都影响计量数据的准确性。脉冲水表产生的误差是累计的，时间越久累计误差越大。而且，脉冲水表不可测逆流。
第二类是超声波水表。超声波水表的工作原理是采取时差法对流量进行测量。在测量通道(流量管)的上游和下游分别安装一只超声波换能器。甲换能器向乙换能器发射一个超声波信号(顺流)，同时乙换能器向甲换能器发射一个超声波信号(逆流)，顺流和逆流的超声波信号在传输过程中形成一定的时间差，在标定的管径截面积和标准测量管长度的情况下，通过积分仪上的计算芯片计算出表的流量。
从原理上可见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影响是最大的。气泡、水锤、水质变化、水垢、温度、电子器件老化与漂移都会影响超声波水表的计量。超声波水表被计量的水必须在层流状态，气泡、水锤及阀门的开断都会使流经水表的水流成为紊流状态，从而影响其测量的时差。水质变化会影响其测量的时差与标定时差不同。水表使用较长时间后换能器会结水垢，水质不同结垢程度不同，也会影响其测量的时差，温度变化、电子器件老化和漂移更会影响测量的准确性。超声波水表计量精度受影响的因素较多是水司不放心的根本原因。
建设供水管网的大数据系统，需要投资最多的是居民用户水表。无论建设投资还是运行维护，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是非常重要的选项。众多企业在说到成本时都只说制造成本，这对供水企业是不科学的。供水企业要考虑经济效益，在考虑智能水表的成本时应该考虑两个因素，一是智能水表的制造成本，反映在采购价格上；二是智能水表的运行维护及换代费用。我们暂且把这两项叫做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。目前现有的三款智能水表，综合成本最低的是脉冲水表，其次是光电直读水表，超声波水表成本较高。
三、 光纤直读水表介绍
光纤直读水表也是以机械水表为基表，增加一套电子数据转换装置，把机械量转换为电子数据的智能水表。光纤直读水表与光电直读水表都是通过光电转换原理把机械量转换为电子数据，但在结构和原理上完全不同。因此，两者在性能完全不同。
光纤直读水表由光纤基表和电子装置两个相互独立的模块构成。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组件与电子装置构成，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、光纤网络和光接口构成；电子装置由光电管和电子线路板构成。光纤基表的结构是将光纤直读采集器的光纤组件安装于机械表内，外面有一个光接口。电子装置的光电管与光纤基表光接口相对应。光纤基表还是一个机械表，内部没有任何电子器件和光电管，只是增加了一套光纤组件。电子装置分为有线和无线两种模式。有线电子装置安装在光纤基表上就是有线智能水表。无线电子装置安装在光纤基表上就是无线智能水表。
光纤直读水表的基本原理是，光纤组件的入射光纤、字轮面及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面上，如果字轮面是凸面，光通过反射光纤反射到接收管，为“1”；如果字轮面是凹面，光被吸收，不能通过反射光纤反射到接收管，为“0”；通过5组光纤和5个位置的编码，识别字轮的计量数据。光纤直读水表的优良性能来源于上述结构原理。主要特点如下：
1、 计量数据采集准确，可靠性高
光纤直读水表在结构、编码和光源方面采用了可靠性确定的技术，保障了数据采集的准确性，抗各种干扰的能力强。
(1)光纤直读水表的字轮编码器采用单沿结构和格雷码
光纤直读水表也是在字轮上面编码，采用的结构是在径向开一个180度的沟槽，这种结构只有一个上升沿和一个下降沿。每个字轮上设有5个光信号采集点，且采用格雷码编码。上升沿每越过一个信号采集点，对应着的一个唯一的编码状态。下降沿每越过一个信号采集点，也对应着的一个唯一的编码状态。每个字轮10个数据对应着10个编码状态。光纤直读水表读取的字轮上的编码实际上就是字轮上的数字。因此光纤直读水表没有用于判断的读数程序。光纤直读水表是真正的直读水表。光纤直读水表的这种单沿结构可以保证当水锤发生时读数不会受到影响。
(2)光在水中的传播距离小，且在字轮下
水泡通常发生在空间较大的地方，空间越小越不易发生和存储水泡。光纤直读水表发光点到字轮表面的间隙小于1毫米，而且在字轮的下方。因此，光纤直读水表不受水泡的影响。
(3)光信号采用620纳米的红光
光纤直读水表的光源采用了620纳米的红光，有效地避免了太阳光的干扰。光纤直读水表放置在强太阳光下可以正常工作。
综上所述，光纤直读水表读数准确，抗干扰能力强，可靠性高。常见的气泡、水锤、强磁、强光、水质变化、水垢、温度、电子器件老化与漂移等现象对光纤直读水表的准确读数都不会产生影响。
2、 电子数据采集精度为0.001立方米
光纤直读水表字轮显示8位数据，其中小数点后3位，符合国际标准。数据采集精度为0.001立方米，满足大数据管理的需要。
3、 可测逆流
光纤直读水表的水流正向流动采集的数据是正常的计量数据，如果出现逆流，显示的是负数，说明有逆流存在。光纤直读水表满足大数据应用对管网监控的功能要求。
4、 模块化结构
光纤直读水表采用了基表和电子装置相互独立的模块化结构。模块化结构为用户运行维护带来了极大的便利性，有效降低了运行维护费用和基表寿命到期更换投资。当光纤直读水表电子器件或光电管出现故障时，更换电子装置故障就排除了，基表可以继续使用；当基表出现故障时，更换基表故障就排除了，电子装置可以继续使用。当光纤直读水表的基表寿命到期时，只更换基表，电子装置可以继续使用。
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研讨和试验中。大规模的应用还没有开始。智能水表在城市供水物联网和大数据技术应用中具有重要作用，也是投资最大的基础设施。智能水表的选择至关重要。
本文从原理上解剖和介绍了目前国内外现有的三款智能水表，即光电直读水表、脉冲水表和超声波水表；又介绍了一款新型水表——光纤直读水表。通过上述剖析可见光纤直读水表可靠性最高，可测逆流，电子数据采集精度达到0.001立方米，字轮显示8位，符合国际标准；即满足物联网和大数据技术的应用要求，又从原理上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，而且运用模块化结构降低了智能水表的运营维护费用，具有良好的经济性。可见，光纤直读水表在物联网和大数据技术应用中会发挥重要作用。
(原文标题：面向大数据时代的智能水表)
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