淺析城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損精確檢測定位系統(tǒng)

【摘要】隨著新時代中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程地不斷推進(jìn)，生活用水保障是城鎮(zhèn)居民賴以生存的重要基礎(chǔ)，供水面積以及管線長度呈現(xiàn)快速增長的趨勢，供水系統(tǒng)面臨的漏損壓力也相應(yīng)地增加。據(jù)調(diào)查顯示，中國城市供水管網(wǎng)漏損率達(dá)15%以上，國內(nèi)600多個城市供水管網(wǎng)的平均漏損率超過15%，最高達(dá)70%以上；另一項針對408個城市的統(tǒng)計表明，城市公共供水系統(tǒng)的管網(wǎng)漏損率平均為21.5%。保守計算，如果漏損率能降低10個百分點，即可節(jié)水至少52億立方米，相當(dāng)于363個西湖的水量，又相當(dāng)于兩年就能達(dá)到一個南水北調(diào)中線工程的損失量。DMA分區(qū)管理是目前控制城市供水漏損的最直接和有效的方法之一，本文就以軟件模型和算法為主來實現(xiàn)城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損點的精確定位系統(tǒng)作重點解析。

【關(guān)鍵詞】智慧水務(wù)；精確定位；水力模型；漏損率；產(chǎn)銷差；DMA

1、城市供水管網(wǎng)漏損的現(xiàn)狀

據(jù)水利部門估算，我國水資源總量為2.83萬億立方米，占全球水資源的6%，居世界第六位。但是，我國的人口基數(shù)大，人均水資源占有量僅為2100立方米，為世界平均水平的四分之一。按國際標(biāo)準(zhǔn)，人均水資源低于3000立方米為輕度缺水，低于2000立方米為中度缺水，低于1000立方米為重度缺水，低于500立方米為極度缺水。照此，目前中國有16個?。▍^(qū)、市）重度缺水，有6個省、區(qū)極度缺水。

調(diào)查顯示，中國城市供水管網(wǎng)漏損率達(dá)15%以上，國內(nèi)600多個城市供水管網(wǎng)的平均漏損率超過15%，最高達(dá)70%以上；另一項針對408個城市的統(tǒng)計表明，城市公共供水系統(tǒng)的管網(wǎng)漏損率平均為21.5%。而日本1997年全國平均漏損率僅為9.1%。保守計算，如果漏損率能降低10個百分點，即可節(jié)水至少52億立方米，相當(dāng)于363個西湖的水量，又相當(dāng)于兩年就能達(dá)到一個南水北調(diào)中線工程的損失量。

管網(wǎng)漏損率是管網(wǎng)漏水量與供水總量之比。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)30%的供水漏損發(fā)生在管網(wǎng)接口處，其中水泥管道、鍍鋅管道與灰口鑄鐵管道漏水較多。管網(wǎng)老化、管材質(zhì)量差、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、缺乏維護(hù)、重地上建設(shè)輕地下規(guī)劃、城建施工經(jīng)常碰觸管網(wǎng)等，是造成目前我國城市供水管網(wǎng)漏損率偏高的主要原因。如果能夠大幅提升供水管網(wǎng)質(zhì)量，降低管網(wǎng)漏損率，節(jié)約的水資源將相當(dāng)可觀。

為推動綠水青山的夢想成為現(xiàn)實，2015年4月16日 國務(wù)院發(fā)布了“水十條”——《水污染防治行動計劃》，10條、35款、76項、238個具體措施，各項措施都落實到了相關(guān)部委身上。多項約束性“硬指標(biāo)”，規(guī)定了完成時間、責(zé)任單位，以及對地方政府排名和落后名次的懲罰制度，對相關(guān)部門和地方政府治污形成了“硬約束”。其中在加強城鎮(zhèn)節(jié)水一節(jié)就提到：到2017年，全國公共供水管網(wǎng)漏損率控制在12%以內(nèi)；到2020年，控制在10%以內(nèi)的約束性指標(biāo)。

2、城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損精確檢測定位系統(tǒng)

2.1設(shè)計目標(biāo)

該系統(tǒng)旨在通過結(jié)合管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)，對選定區(qū)域內(nèi)供水管網(wǎng)的流量和壓力節(jié)點進(jìn)行實時監(jiān)控，同時借助水力模型分析、管網(wǎng)漏損檢測、管網(wǎng)漏損定位等核心算法，為供水企業(yè)及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)供水異常，測算區(qū)域的漏損情況、輔助查找漏點，切實降低管網(wǎng)漏損率和產(chǎn)銷差率。

2.2總體方案

系統(tǒng)總體分為傳感器網(wǎng)絡(luò)、算法模型、應(yīng)用軟件平臺三大部分。

整個監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計為模塊化架構(gòu)，遵循2010年智慧水務(wù)管理系統(tǒng)論壇上提出的層次（見圖例2）。

供水系統(tǒng)層：第一層包含水管、儲罐、水泵、閥門和其他終端組建，這些是形成供水管網(wǎng)的基本元素。

傳感與控制層：傳感與控制層這一層由壓力傳感器、流量計和比例閥組成，還包括遠(yuǎn)程控制設(shè)備，例如遙控泵和減壓閥。

采集與通訊層：采集與通訊層負(fù)責(zé)收集、傳輸和存儲離散的數(shù)據(jù)點。

數(shù)據(jù)管理與顯示層：不同來源的數(shù)據(jù)匯集在這一層，發(fā)揮數(shù)據(jù)的存儲和向用戶展示數(shù)據(jù)的作用。

數(shù)據(jù)融合與分析層：數(shù)據(jù)融合和分析層將原始輸入數(shù)據(jù)匯集到一起，結(jié)合水力模型和漏損檢測定位算法得出管網(wǎng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)是否有漏損并精確定位漏損位置。

圖例3為系統(tǒng)原理技術(shù)測試床。漏損精確定位系統(tǒng)是由硬件，軟件以及算法組成的漏損定位系統(tǒng)，用于精確檢測定位100米范圍內(nèi)的漏損。自動壓力控制主要是對檢測到的漏損通過控制水壓自動反應(yīng)，以減少水量流失。

2.3系統(tǒng)原理

通過對城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)進(jìn)行合適的劃分，將相對獨立的區(qū)域的管線通過各類數(shù)據(jù)構(gòu)建形成水力模型，運用傳感器最優(yōu)算法進(jìn)行計算獲取壓力、流量傳感器的最佳部署位置，增補少量傳感器實現(xiàn)對管網(wǎng)變化的實時監(jiān)測，結(jié)合用戶用水?dāng)?shù)據(jù)運用管網(wǎng)漏損定位算法精確計算出漏損可能發(fā)生的最小區(qū)域，產(chǎn)生報警并提交水司進(jìn)行及時處理。

2.4系統(tǒng)主要組成

系統(tǒng)主要由以下三個部分組成：

2.4.1數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

系統(tǒng)主要包括前端傳感設(shè)備、傳感網(wǎng)關(guān)設(shè)備。傳感設(shè)備主要實現(xiàn)供水管網(wǎng)流量、壓力等參數(shù)的采集以及前端水表參數(shù)的采集，并將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲芯W(wǎng)關(guān)設(shè)備；網(wǎng)關(guān)設(shè)備基于移動互聯(lián)網(wǎng)、MQTT通信服務(wù)協(xié)議將前端傳感設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)打包后上傳到后臺服務(wù)器。

2.4.2算法模型子系統(tǒng)

系統(tǒng)主要在自來水供水管網(wǎng)水力模型、漏損檢測定位算法、點位部署算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行算法模型的研究與開發(fā)，最終將以上算法固化并封裝形成供水管網(wǎng)漏損檢測定位模型、供水管網(wǎng)漏損監(jiān)測點位部署模型，為用戶監(jiān)測區(qū)域內(nèi)是否有漏損并精確定位漏損位置提供基礎(chǔ)。

2.4.3應(yīng)用軟件平臺

系統(tǒng)平臺是基于開源的前端展示工具grafana開發(fā)，包括GIS平臺、數(shù)據(jù)可視化平臺、統(tǒng)計分析包括管理、預(yù)警預(yù)報管理、用戶權(quán)限管理等功能模塊，為用戶提供前端管網(wǎng)流量/壓力、水表實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，漏損檢測/定位等可視化信息展現(xiàn)。

3、關(guān)鍵技術(shù)

3.1傳感器最優(yōu)算法

該算法涉及管網(wǎng)拓?fù)?，靈敏度矩陣等相關(guān)數(shù)學(xué)理論，通過以最優(yōu)化方式布置傳感器來增加漏損定位算法的性能。該算法已經(jīng)在奧地利現(xiàn)實生活的系統(tǒng)中進(jìn)行了測試，并已應(yīng)用于嘉興的試驗系統(tǒng)中。

基于水力模型的漏損定位的成功在很大程度上取決于管網(wǎng)壓力測量位置的選擇。因此，最優(yōu)傳感器布置算法（OSP）具有顯著改善漏損定位的潛力。

此外，算法還能夠引入不確定性，例如隨著時間變化而隨機的水用量。這增加了現(xiàn)實系統(tǒng)中OSP算法的穩(wěn)健性。此外，算法可以用于估計在特定網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該放置多少個傳感器。如果存在已校準(zhǔn)的水力系統(tǒng)，則可以使用該算法，因為它利用了水力模擬中的靈敏度。如果沒有已校準(zhǔn)的水力模型，則基于拓?fù)涞乃惴梢约性谙到y(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，以獲得測量位置。如果系統(tǒng)尚未被測量，并且因此未被校準(zhǔn)，則基于拓?fù)涞姆椒捎糜谠谡麄€系統(tǒng)上獲取良好的傳感器位置。一旦系統(tǒng)被校準(zhǔn)，基于靈敏度的方法可以在用于基于模型的漏損定位系統(tǒng)中獲得更好的傳感器位置。

3.2管網(wǎng)漏損定位算法

以水力模型、數(shù)學(xué)建模以及水力傳感器（水流與水壓）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的局部區(qū)域漏損定位模型算法。漏損定位算法已經(jīng)分別在試驗床系統(tǒng)和格拉茨技術(shù)大學(xué)，以及奧地利現(xiàn)實生活的系統(tǒng)中進(jìn)行了測試。

基于模型的漏損定位是基于最小化實際測量值m與水力模擬m ^（x）中相應(yīng)值之間的差異來找到漏損的大致位置。在數(shù)學(xué)上，可以使用一個相對度量來描述這個差異d（m，m ^（x））。該問題可以公式化為

其中，f（x）是一個標(biāo)量的一維函數(shù)，稱為適應(yīng)度或目標(biāo)函數(shù)，它定義了抽象的適應(yīng)度面。 x是函數(shù)參數(shù)空間中的向量。

4、經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1經(jīng)濟(jì)效益

成本投入：軟件費用+網(wǎng)絡(luò)硬件費用+管網(wǎng)硬件費用+施工費+修漏費

1）軟件為定制化開發(fā)的產(chǎn)銷差計量管理系統(tǒng)及專用數(shù)據(jù)庫軟件等；

2）網(wǎng)絡(luò)硬件包括：服務(wù)器、機柜、交換機、路由器、陣列存儲器、服務(wù)器硬盤、圖形工作站、防火墻等；

3）管網(wǎng)硬件包括：流量計、水表、壓力儀、遠(yuǎn)傳設(shè)備、供電設(shè)備、閥門等；

4）施工包括流量計、水表、壓力儀、遠(yuǎn)傳設(shè)備、供電設(shè)備、閥門的安裝以及管網(wǎng)改造等；

5）修漏主要包括分區(qū)區(qū)域內(nèi)的專業(yè)人工探漏、檢漏及修漏服務(wù)等。

節(jié)水效益（萬元/年）=水價（元/噸）×日供水量（萬噸/天）×漏損年降低率×365（天/年）

靜態(tài)投資回收期（年）=成本投入（萬元）/節(jié)水效益（萬元/年）

給排水工程項目的靜態(tài)投資回收期一般為：10-15年。普遍來講，DMA分區(qū)降漏靜態(tài)投資回收期遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于10年，在不做大規(guī)模的管網(wǎng)改造的前提下一般2-3年左右的時間就可以通過降低漏損的方式收回軟硬件的投資成本，可見精細(xì)化的分區(qū)建設(shè)對漏損的控制有著非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2環(huán)境效益

管網(wǎng)漏損的精確定位可以極大程度的保護(hù)原水資源，有效降低城鎮(zhèn)供水對原水的需求量，同時可以降低水廠在處理原水各類資源消耗，以及輸送水資源的能耗，減少了藥劑投放對外界造成的環(huán)境影響，充分實現(xiàn)了節(jié)能、增效、低碳、減排。

4.3社會效益

高效的漏損管控可延緩遠(yuǎn)距離調(diào)水等水源工程的建設(shè)年限，降低管網(wǎng)漏損對路面建筑地基及地下其它管線的腐蝕，減少爆管帶來的社會不良影響，降低因管網(wǎng)水質(zhì)被污染而造成公共危機的可能性，降低因管網(wǎng)漏損造成水價提升的壓力，對提高用戶用水滿足度和建立供水企業(yè)的良好的社會形象有極大的促進(jìn)作用。

5、結(jié)語

城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損精確檢測定位系統(tǒng)在數(shù)字化供水管線的基礎(chǔ)上，運用可視化的方式進(jìn)行模型的呈現(xiàn)，其核心算法可以讓各級水司以極少投入代價達(dá)到分區(qū)管理的效果，使構(gòu)建覆蓋全城鎮(zhèn)DMA管理方式成為可能，并且在深度學(xué)習(xí)架構(gòu)逐步成熟的時期，擁有不斷擴(kuò)展模型動態(tài)感知和自主判斷的可能性，將有效降低水司的經(jīng)營管理風(fēng)險，為其帶來最直接的多種效益。同時，該系統(tǒng)可以讓城鎮(zhèn)居民的生活用水保障程度大幅提升，是當(dāng)下智慧城市建設(shè)進(jìn)程中不容忽視的重要角色。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 曾祥強. 城市供水管網(wǎng)漏損控制措施[ J]， 中國城市經(jīng)濟(jì) 2011

[ 2 ] 陸韜、劉燕、李佳、董驍. 我國供水管網(wǎng)漏損現(xiàn)狀及控制措施研究 [N]， 復(fù)旦學(xué)報， 2013（06）

作者簡介：周昱（1967-7）男，江蘇常州人，就職于浙江嘉科信息科技有限公司，研究方向：智慧水務(wù)。

基金項目：“水體污染控制與治理”國家科技重大專項經(jīng)費資助（課題編號：2017ZX07206-001）”