供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)的理論與技術(shù)框架分析

褚俊英，王 浩，邵 煜，俞亭超

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

供水管網(wǎng)作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，直接關(guān)系到城鎮(zhèn)供水安全與人類健康，具有極其重要的地位。供水管網(wǎng)漏損與爆管等失效事件不斷發(fā)生，帶來極其嚴(yán)重社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境影響。進(jìn)行供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)，確保管網(wǎng)流量、流速、壓力和水質(zhì)等指標(biāo)滿足要求且經(jīng)濟(jì)有效，已成為保障城鎮(zhèn)供水安全的關(guān)鍵。長期以來，研究者在供水管道維護(hù)優(yōu)化決策的優(yōu)先權(quán)計(jì)算、單目標(biāo)優(yōu)化以及多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)值算法及其實(shí)踐應(yīng)用方面取得了多項(xiàng)進(jìn)展。如Shamir等[1]建立了經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，計(jì)算比較了爆管費(fèi)用和換管費(fèi)用的凈現(xiàn)值，量化給出了供水管道的最優(yōu)更換時(shí)間，并在加拿大卡爾加里市應(yīng)用。基于層次分析法或資金分配指數(shù)的優(yōu)先權(quán)方法，具有層次清楚、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用[2]。綜合經(jīng)濟(jì)性、可靠性等目標(biāo)，基于管道水力學(xué)計(jì)算、遺傳算法的供水管道維護(hù)多目標(biāo)尋優(yōu)技術(shù)也取得了一定進(jìn)展，并在澳大利亞、加拿大等國家的多個(gè)城市得到應(yīng)用[3-4]。總體上，供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)注重特定方法的研究及應(yīng)用，但在優(yōu)化維護(hù)的基礎(chǔ)理論方面薄弱，尚缺乏統(tǒng)一的技術(shù)框架。本研究系統(tǒng)梳理了供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)的發(fā)展歷程，提出供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)的3個(gè)基礎(chǔ)理論，系統(tǒng)給出面向全生命周期的供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)的技術(shù)路線，旨在為我國供水管網(wǎng)維護(hù)規(guī)劃制定、決策優(yōu)化與建設(shè)實(shí)施提供技術(shù)支撐。

1 供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)的發(fā)展歷程

供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)主要針對供水管網(wǎng)存在輸水能力差、存在安全隱患等問題，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，識(shí)別維護(hù)管道對象，確定維護(hù)時(shí)機(jī)，進(jìn)行維護(hù)優(yōu)化決策，并實(shí)施搶修、修復(fù)和更新改造的活動(dòng)，以最大化減少供水管道漏損與爆管等失效事件帶來的負(fù)面影響。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及供水管網(wǎng)檢測、監(jiān)測以及維護(hù)技術(shù)的變革，世界上供水管網(wǎng)維護(hù)逐漸從被動(dòng)應(yīng)急向主動(dòng)優(yōu)化轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)技術(shù)向現(xiàn)代技術(shù)轉(zhuǎn)變，從短期戰(zhàn)術(shù)向中長期戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變。如何更好地維護(hù)使供水管網(wǎng)處于良好狀態(tài)，始終是供水管理決策者面臨的重要挑戰(zhàn)。本研究在文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)發(fā)展的3個(gè)階段。

1.1 被動(dòng)應(yīng)急維護(hù)階段：經(jīng)驗(yàn)性優(yōu)化

20世紀(jì)80年代之前，供水企業(yè)缺乏可靠的地下供水管道檢測技術(shù)，難以對供水管網(wǎng)的基本狀態(tài)進(jìn)行判斷，供水管網(wǎng)以建設(shè)為主而忽視管道維護(hù)，當(dāng)時(shí)我國出臺(tái)了GB 50268—97《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》，2008年進(jìn)行了修訂。供水管道維護(hù)主要采取被動(dòng)性的應(yīng)急方式，即“不漏不修，漏了再修”，實(shí)行經(jīng)驗(yàn)性優(yōu)化策略。該階段供水企業(yè)基本建立了完善的應(yīng)急維修系統(tǒng)，供水管道出現(xiàn)失效后，通過經(jīng)驗(yàn)方式進(jìn)行管道維修與更換的比選決策。隨著供水管網(wǎng)的不斷老化，供水管網(wǎng)漏損與爆管頻率不斷增大，導(dǎo)致企業(yè)、居民、商店、學(xué)校、倉儲(chǔ)受淹以及道路交通中斷等，給世界各國城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來災(zāi)害性的影響。供水企業(yè)采取基于經(jīng)驗(yàn)性優(yōu)化的被動(dòng)應(yīng)急維護(hù)策略，帶來供水管網(wǎng)維護(hù)投資大、潛在健康威脅突出以及社會(huì)影響嚴(yán)重等問題[5]。該階段，美國環(huán)保署調(diào)查提出未來20年美國需要772億美元來維護(hù)現(xiàn)有的供水管道系統(tǒng)[6]，加拿大預(yù)計(jì)未來15年升級城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的費(fèi)用約115億加元[7]。

1.2 主動(dòng)預(yù)防維護(hù)階段：多目標(biāo)優(yōu)化

20世紀(jì)80年代至今，供水管網(wǎng)檢測、監(jiān)測、修復(fù)以及維護(hù)方面技術(shù)不斷進(jìn)步，非開挖修復(fù)技術(shù)取得突破性進(jìn)展，技術(shù)的規(guī)范性程度不斷提高。如我國出臺(tái)了CJJ 159—2011《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏水探測技術(shù)規(guī)程》、CJJT 226—2014《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)搶修技術(shù)規(guī)程》以及CJJT 244—2016《城鎮(zhèn)給水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》等。該階段著眼于中長期尺度的積極主動(dòng)性維護(hù)策略，成為供水企業(yè)的選擇，可有效阻止供水管道漏損與爆管等失效發(fā)生，提高供水管網(wǎng)的績效水平，在世界上得到廣泛應(yīng)用[8]。該階段供水企業(yè)開始對供水管網(wǎng)維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行詳細(xì)核算，除了考慮直接費(fèi)用外，還將管道失效所帶來間接社會(huì)影響(如用水者服務(wù)的中斷、公共健康的威脅)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)量化[9]，并充分融合供水管網(wǎng)的可靠性、彈性等多種目標(biāo)，進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化維護(hù)決策。該階段，美國水行業(yè)協(xié)會(huì)1987年出臺(tái)了《供水管網(wǎng)更新維護(hù)手冊M28》(2014年更新到第3版)，我國出臺(tái)了CJJ 207—2013《城市供水管網(wǎng)運(yùn)行、維護(hù)及安全技術(shù)規(guī)程》，從而對供水企業(yè)管網(wǎng)維護(hù)目標(biāo)與策略提出了規(guī)范化要求。供水企業(yè)采取更為主動(dòng)的方式，進(jìn)行管道狀態(tài)檢測、管道狀態(tài)評估，建立了基于狀態(tài)的主動(dòng)性維護(hù)策略。一些供水企業(yè)更進(jìn)一步地考慮管道失效可能性以及失效影響，評估供水管道失效風(fēng)險(xiǎn)，建立了面向風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)化維護(hù)策略[10]?？傮w上，該階段供水企業(yè)優(yōu)化維護(hù)更具綜合性，既包括管道失效前日常態(tài)的優(yōu)化維護(hù)，也包括管道失效后應(yīng)急態(tài)的優(yōu)化維護(hù)，尤為側(cè)重中長期的供水管道失效動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管控，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化供水維護(hù)專家系統(tǒng)(或決策支持系統(tǒng))不斷建立和應(yīng)用[11]。

1.3 智慧精準(zhǔn)維護(hù)階段：自適應(yīng)優(yōu)化

未來，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及數(shù)據(jù)挖掘等信息技術(shù)迅猛發(fā)展，供水管網(wǎng)維護(hù)將進(jìn)入智慧精準(zhǔn)維護(hù)階段，根據(jù)管道自身以及周邊環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化維護(hù)決策將成為供水企業(yè)的選擇。如智能管道傳感技術(shù)(smart pipe sensor technology)能夠嵌入管道，持續(xù)監(jiān)控管道的完整性并及時(shí)報(bào)告供水管道狀態(tài)；基于Android的供水管網(wǎng)移動(dòng)端巡檢系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)信息采集、巡檢系統(tǒng)導(dǎo)航定位、管網(wǎng)事故搶險(xiǎn)維修和系統(tǒng)信息管理等多種功能[12]。該階段，供水企業(yè)著力構(gòu)建集管道資產(chǎn)全面感知、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制、智能預(yù)測預(yù)警、自適應(yīng)優(yōu)化決策一體化的智慧管網(wǎng)維護(hù)GIS平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)維護(hù)的精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，為供水管網(wǎng)漏損識(shí)別控制、維護(hù)方案優(yōu)化以及智能調(diào)度控制等提供現(xiàn)代化決策支持[13]。

2 供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)的基本理論

針對供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)的基本理論缺失問題，本研究在文獻(xiàn)分析基礎(chǔ)上提出了供水管網(wǎng)維護(hù)的3個(gè)基本理論：管道失效理論、管道可維護(hù)理論以及決策優(yōu)化理論。

2.1 管道失效理論

研究者通常針對管道失效的極端情況如爆管、漏損等開展研究，實(shí)際上供水管道失效包括更為廣泛的內(nèi)容，不僅包括管道漏損、爆管等結(jié)構(gòu)性失效，還包括了輸水能力降低、壓力不足、水質(zhì)不滿足要求等功能性失效。從失效程度看，供水管道失效可分為軟失效和硬失效兩種類型。其中，軟失效主要由于供水管道老化、腐蝕等，導(dǎo)致管道存在部分漏損、輸水能力降低、壓力不足以及水質(zhì)較差等退化性問題，但危害程度相對較小，依然可以帶病運(yùn)行實(shí)現(xiàn)連續(xù)供水的服務(wù)功能；硬失效則是供水管道發(fā)生較大漏損、爆管或水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重等突發(fā)性問題，帶來較大社會(huì)經(jīng)濟(jì)危害，導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)供水強(qiáng)行中斷，無法實(shí)現(xiàn)供水的服務(wù)功能。

管道失效主要有兩種表達(dá)形式：①確定性表達(dá)，如管道失效次數(shù)(單位為次/(a·km))，或管道失效時(shí)間(或管道下次失效時(shí)間、兩次管道失效的時(shí)間間隔、管道剩余服務(wù)期等，單位為a)；②不確定性表達(dá)，如管道失效概率或第n次失效的管齡概率分布等[14]。

供水管道失效影響因素眾多，通?？梢苑譃橐韵聨最怺15]：物理因素(如管齡、管材、管壁厚度、管徑、接口類型、管道內(nèi)襯、安裝特征等)、環(huán)境因素(如土壤類型、氣候、地下水、道路特征以及地震活動(dòng)特點(diǎn)等)、操作因素(如管道水質(zhì)、水壓、流速、水錘等)。供水管道失效的機(jī)理尤為復(fù)雜，屬于多因素作用于供水管道上的非線性累積效應(yīng)，具有很大的隨機(jī)性和不確定性，每個(gè)管道都有其特殊的失效機(jī)制。硬失效往往不具有明顯的退化過程，失效前通常難以檢測；軟失效則主要受到退化性因素的影響，如管道裂紋、管道腐蝕導(dǎo)致的管壁變化等，管道失效前可根據(jù)特征做出預(yù)判。

(a) 基本維護(hù) (b) 中間維護(hù)

(c) 全新維護(hù) (d) 提升維護(hù)圖1 生命周期的供水管道失效動(dòng)態(tài)演變與維護(hù)效果Fig.1 Dynamic evolution and maintenance effect on failure of water supply pipe in whole life cycle

大量研究數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析表明，供水管道的失效過程(即故障模式)與時(shí)間的推移有直接關(guān)系，通常符合“浴缸曲線”。供水管道全生命周期的動(dòng)態(tài)演變過程中，可以分3個(gè)主要時(shí)期(圖1)：①幼年磨合期，供水管網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行早期，管道失效主要來源于建設(shè)與安裝質(zhì)量不好、地面不均勻沉降導(dǎo)致管道位移等方面。隨著不斷磨合，供水管道失效率緩慢下降。該時(shí)期進(jìn)行供水管道建設(shè)與施工的質(zhì)量控制、全面檢驗(yàn)可有效降低管道失效率。②成熟隨機(jī)期，供水管道運(yùn)行相對穩(wěn)定，管道失效率較低。該時(shí)期供水管道失效主要受到隨機(jī)因素影響，如承重負(fù)荷、第三方擾動(dòng)等。通過增大供水管網(wǎng)系統(tǒng)冗余、實(shí)行壓力控制、進(jìn)行管道清洗等，可提高安全系數(shù)和可靠性，降低管道失效率。③老化磨損期，隨著時(shí)間推移，管道不斷老化和劣化，供水管道失效率將迅速增加，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性迅速下降、維護(hù)費(fèi)用顯著增大。進(jìn)行主動(dòng)性、預(yù)防性的管道維修與修復(fù)，可降低供水管道失效率，延長管道的服務(wù)期。當(dāng)然，并非所有的供水管道都經(jīng)歷3個(gè)完整時(shí)期，每個(gè)時(shí)期的長度對于所處各種環(huán)境條件的不同管道也有明顯差異。對供水管道失效規(guī)律的認(rèn)知，在很大程度上受到數(shù)據(jù)可靠性與可得性的限制。其中，老化磨損期是供水管道失效研究的重點(diǎn)，也是管道優(yōu)化維護(hù)的關(guān)鍵期，該時(shí)期開展供水管道失效規(guī)律觀測與量化分析，是提高供水管網(wǎng)可靠性、降低維護(hù)成本、延長管道生命周期的重要基礎(chǔ)。

2.2 管道可修復(fù)理論

管道可修復(fù)理論描述了供水管道維護(hù)與管道狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。早期的研究側(cè)重通過經(jīng)濟(jì)性識(shí)別哪些管道進(jìn)行維護(hù)，假定管道失效概率服從隨機(jī)分布，忽視維護(hù)措施與管道狀態(tài)之間的量化關(guān)系。21世紀(jì)以來，供水管道維護(hù)措施維護(hù)效果逐漸得到關(guān)注，研究者通常將管道狀態(tài)表達(dá)為管齡函數(shù)，管道更換后修改管齡重新計(jì)算管道狀態(tài)。隨著管道維護(hù)措施呈現(xiàn)多樣化，研究者探索不同類的維護(hù)措施并與管道狀態(tài)指數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性的量化關(guān)聯(lián)，從而對實(shí)施維護(hù)后管道狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正[16]。本研究在文獻(xiàn)整理基礎(chǔ)上，借鑒相關(guān)研究進(jìn)展，豐富了管道可修復(fù)理論，提出管道維護(hù)措施與管道狀態(tài)4個(gè)主要類型(圖1)：①基本維護(hù)，維護(hù)后管道失效率仍然保持失效前一時(shí)刻的狀態(tài)，即“修復(fù)如舊”，管道失效率保持現(xiàn)有規(guī)律不變；②中間維護(hù)，經(jīng)過維修以后，管道失效率有所降低，但不能使管道狀態(tài)完全恢復(fù)到全新，管道狀態(tài)介于“修復(fù)如舊”和“修復(fù)如新”之間；③全新維護(hù)，管道維護(hù)后能夠恢復(fù)到全新狀態(tài)，供水管道失效率與全新管道失效規(guī)律一致；④提升維護(hù)，隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，管道維護(hù)材料、安裝與施工等質(zhì)量明顯提升，管道維護(hù)后相對全新狀態(tài)進(jìn)一步提升，管道失效率相對全新管道失效率明顯降低?？傮w上，通過管道更新(采用原有管材或新材料)進(jìn)行供水管道維護(hù)可考慮為全新或提升維護(hù)，采用穿插法、原位固化法等進(jìn)行管道修復(fù)可考慮為中間維護(hù)，而采用不銹鋼發(fā)泡筒法等方式進(jìn)行管道局部維修則考慮為基本維護(hù)。

2.3 優(yōu)化決策理論

供水管網(wǎng)維護(hù)的優(yōu)化決策理論描述了不確定條件下，決策者綜合權(quán)衡經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及水質(zhì)等多目標(biāo)，通過優(yōu)化算法識(shí)別供水管道的維護(hù)對象、維護(hù)時(shí)機(jī)并進(jìn)行維護(hù)措施決策的理論。根據(jù)企業(yè)特點(diǎn)如何設(shè)定多目標(biāo)和決策變量、如何通過高效優(yōu)化算法輔助決策已成為該理論研究的熱點(diǎn)。本研究按照決策者的決策特點(diǎn)，將供水管道維護(hù)的決策優(yōu)化過程分為3類：①完全理性決策，即決策者具有完全理性，能通盤考慮供水管網(wǎng)維護(hù)的成本及其所帶來的影響和收益，根據(jù)自身價(jià)值判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過量化計(jì)算分析做出最優(yōu)化決策；②非理性決策，即決策者具有非理性特征，其供水管網(wǎng)維護(hù)決策很大程度上受到認(rèn)知、判斷等主觀因素的影響，主要通過定性分析做出經(jīng)驗(yàn)化決策；③有限理性決策，即決策者具有有限理性，在信息不對稱、數(shù)據(jù)不完善條件下，按照自身價(jià)值判斷，通過定性與定量分析相結(jié)合做出滿意化決策。

3 面向全生命周期的供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)一體化技術(shù)框架

確定具有大量決策變量的大型供水系統(tǒng)的最優(yōu)更新維護(hù)計(jì)劃是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)應(yīng)堅(jiān)持問題導(dǎo)向、因地制宜和創(chuàng)新引領(lǐng)的基本原則，以供水管網(wǎng)存在的問題為導(dǎo)向，注重技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化分析，積極采用新技術(shù)、新設(shè)備和新材料，提高供水管網(wǎng)維護(hù)措施的針對性、實(shí)用性和高效性。面向全生命周期的供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)一體化技術(shù)框架(圖2)主要包括數(shù)據(jù)融合、狀態(tài)辨識(shí)、措施集合、優(yōu)化決策以及方案實(shí)施5個(gè)層面。其中，數(shù)據(jù)融合是基礎(chǔ)，狀態(tài)辨識(shí)是根本，措施集合是抓手，優(yōu)化決策是核心，方案實(shí)施是重點(diǎn)。

3.1 數(shù)據(jù)融合：從傳統(tǒng)記錄向大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變

全面、可靠的供水管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是開展管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)的重要基礎(chǔ)。隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)與人工智能的發(fā)展，除了傳統(tǒng)人工記錄、統(tǒng)計(jì)資料外，借助各種途徑(如SCADA監(jiān)控系統(tǒng)、GIS空間分析、遙感分析以及物探等)，精確到每個(gè)管段尺度，實(shí)現(xiàn)海量、多源異構(gòu)、類型多樣的供水管網(wǎng)大數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是重要發(fā)展趨勢。從發(fā)展趨勢看，對供水管道的內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)(如壓力、流量、流速、水質(zhì)等)、管道資產(chǎn)特征及維護(hù)情況(如管齡、管材、失效時(shí)間、失效影響、維護(hù)措施等)、管道外部環(huán)境(如溫度、土壤、地下水、交通、覆土等)等多元數(shù)據(jù)進(jìn)行有效集成，形成“管內(nèi)-管道-管外”一體化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，提高決策者對供水管網(wǎng)系統(tǒng)的認(rèn)知程度，從而為供水管網(wǎng)狀態(tài)評估、優(yōu)化決策提供基礎(chǔ)支撐。

3.2 狀態(tài)辨識(shí)：從狀態(tài)評價(jià)向風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)轉(zhuǎn)變

在數(shù)據(jù)融合基礎(chǔ)上，供水企業(yè)可根據(jù)供水管網(wǎng)特點(diǎn)與維護(hù)要求，采用經(jīng)驗(yàn)判斷法、統(tǒng)計(jì)回歸法、優(yōu)先權(quán)排序法、檢測探測法等方法進(jìn)行管網(wǎng)狀態(tài)識(shí)別，為供水管網(wǎng)的優(yōu)化維護(hù)決策提供依據(jù)。其中，經(jīng)驗(yàn)判斷法具有主觀性較強(qiáng)、操作簡單的特點(diǎn)；檢測探測法具有客觀性強(qiáng)，但耗時(shí)長、費(fèi)用相對較高的特點(diǎn)；統(tǒng)計(jì)回歸法對歷史觀測數(shù)據(jù)的依賴性強(qiáng)，主要分為物理模型和統(tǒng)計(jì)模型，前者注重分析管道失效的物理機(jī)制，通常考慮的影響因子包括土壤特性(如pH值、電阻率、通氣條件等)、溫度等[17]，而后者注重分析管道失效的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，考慮的影響因子包括管材、管齡、管壁厚度、土地利用等[18]；優(yōu)先權(quán)排序法通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定優(yōu)先權(quán)指標(biāo)，設(shè)定規(guī)則進(jìn)行優(yōu)先權(quán)排序，可操作性強(qiáng)，如丁相毅等[19]提出了基于因子分析的供水管網(wǎng)健康狀態(tài)評價(jià)方法。從未來發(fā)展趨勢看，綜合考慮供水管道失效的可能性及其所帶來的影響的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)日益得到關(guān)注。其中，管道失效所帶來的影響程度不僅包括節(jié)點(diǎn)用水中斷的直接影響，也包括管網(wǎng)中用水節(jié)點(diǎn)的流量損失、修復(fù)過程中交通擾動(dòng)和健康威脅等間接影響。

圖2 面向全生命周期的供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)一體化技術(shù)框架Fig.2 Integrated general technical framework for optimal maintenance of water supply networkon perspective of whole life cycle

3.3 措施集合：從傳統(tǒng)技術(shù)向革新技術(shù)轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的供水管網(wǎng)維護(hù)措施主要以維修和更換管道措施為主。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝不斷得到研發(fā)和市場應(yīng)用，供水管道維護(hù)從傳統(tǒng)技術(shù)向革新技術(shù)轉(zhuǎn)變。這些革新技術(shù)包括新型管材、新型管道維護(hù)與修復(fù)技術(shù)等，導(dǎo)致供水管道韌性強(qiáng)、生命周期長，能夠減少腐蝕所帶來供水水質(zhì)下降，降低溫度應(yīng)力對管道結(jié)構(gòu)的影響以減少漏損事件的發(fā)生。例如，供水管網(wǎng)非開挖技術(shù)取得突破性進(jìn)展，將極大減少新管道安裝費(fèi)用并降低現(xiàn)有管道修復(fù)的成本。再比如，低成本、高精度的供水管道探地雷達(dá)技術(shù)得到開發(fā)應(yīng)用[20]，為供水企業(yè)實(shí)行精準(zhǔn)化和經(jīng)濟(jì)性的管道維護(hù)提供了可能。應(yīng)盡快建立供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)的措施集合，并對各項(xiàng)措施的技術(shù)適用性、經(jīng)濟(jì)可行性以及社會(huì)可接受性進(jìn)行具體分析，為供水管網(wǎng)優(yōu)化決策提供詳細(xì)的備選方案庫。

3.4 優(yōu)化決策：從單目標(biāo)決策向多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)變

在供水管網(wǎng)維護(hù)資金有限的條件下，為保障供水的水量、水質(zhì)以及壓力滿足要求，供水企業(yè)傳統(tǒng)的單目標(biāo)決策向多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)變，通過優(yōu)化算法尋優(yōu)，動(dòng)態(tài)識(shí)別管網(wǎng)中不同時(shí)間的維護(hù)對象、維護(hù)措施和維護(hù)效果。傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)始終是決策者關(guān)注的熱點(diǎn),隨著對供水管網(wǎng)觀測和認(rèn)識(shí)水平的不斷提高，近些年來研究者對于經(jīng)濟(jì)成本的考慮更為綜合，包括了管道失效所帶來的用戶直接、間接影響以及社會(huì)影響等費(fèi)用。此外，實(shí)現(xiàn)提高供水管網(wǎng)水力可靠性、水質(zhì)安全性以及彈性等多元目標(biāo)，也逐漸成為決策者的價(jià)值取向。通過多目標(biāo)的權(quán)衡分析和尋優(yōu)，供水企業(yè)愈加采取更為主動(dòng)地預(yù)防性維護(hù)措施，以減少用戶投訴，提高供水系統(tǒng)的績效水平。

3.5 方案實(shí)施：從短期計(jì)劃向全生命周期管理轉(zhuǎn)變

基于優(yōu)化決策結(jié)果，供水企業(yè)進(jìn)一步制定供水管網(wǎng)維護(hù)的實(shí)施計(jì)劃，從短期計(jì)劃逐漸向生命周期管理轉(zhuǎn)變，從中長期的視角開展動(dòng)態(tài)化、高效化地維護(hù)。供水企業(yè)將根據(jù)供水管網(wǎng)維護(hù)方案年度的實(shí)施情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤評估，不斷滾動(dòng)修正后續(xù)的年度計(jì)劃，以生命周期為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)供水管道失效與維護(hù)在動(dòng)態(tài)中均衡，最大化地降低不確定性。

4 結(jié) 語

針對供水管網(wǎng)存在輸水能力差、存在安全隱患等問題，供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)旨在綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，識(shí)別維護(hù)管道對象和時(shí)機(jī)，進(jìn)行維護(hù)優(yōu)化決策，并實(shí)施搶修、修復(fù)和更新改造的活動(dòng)，以最大化減少供水管道失效所帶來的負(fù)面影響。本研究充分融合已有研究成果，分析了供水管網(wǎng)優(yōu)化維護(hù)發(fā)展的3個(gè)階段，提出了供水管網(wǎng)維護(hù)的3個(gè)基本理論，并探索建立了面向全生命周期的一體化技術(shù)框架。研究旨在推動(dòng)供水企業(yè)采取更積極主動(dòng)和優(yōu)化維護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)記錄向大數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)變、從狀態(tài)評價(jià)向風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)技術(shù)向革新技術(shù)轉(zhuǎn)變、從單目標(biāo)決策向多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)變以及從短期計(jì)劃向全生命周期管理轉(zhuǎn)變，建立更為現(xiàn)代、高效的供水管道維護(hù)模式。從未來發(fā)展趨勢看，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，供水管網(wǎng)維護(hù)的智能化、精準(zhǔn)化程度將明顯提升。