供水管網(wǎng)安全運行智能化管理技術(shù)體系研究及應用

周 文，潘良波，李倩楠，郭燕燕

(1.正元地理信息集團股份有限公司，北京 101300；2.北京市智慧管網(wǎng)安全評價及運營監(jiān)管工程技術(shù)研究中心，北京 101300)

城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)擔負著向用戶輸水和配水的重任，是保證城市生產(chǎn)、生活正常運行不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施[1]。隨著我國城市化進程的不斷加快，供水管網(wǎng)規(guī)模逐漸擴大且管網(wǎng)系統(tǒng)日趨復雜，施工損壞供水管網(wǎng)，以及因供水管網(wǎng)引發(fā)的飲用水污染、路面塌陷乃至資源浪費等事件頻發(fā)，對城市生產(chǎn)和居民生活都造成了不同程度的影響[2]。近年來，我國推進城市供水管線信息化建設(shè)取得了積極進展和成效，但供水管線超期服役、隱患突出、應急能力脆弱、預警不足等問題依然存在。如何徹底解決供水管網(wǎng)安全問題，成為政府關(guān)切、公眾關(guān)注的難點和痛點。

為解決上述問題，本文針對供水管網(wǎng)安全涉及的核心環(huán)節(jié)，提出了涵蓋隱患管理、綜合風險評估、監(jiān)測報警、預測預警、輔助決策5個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的供水管網(wǎng)安全運行智能化管理技術(shù)體系。通過“線下+線上+模型+應用”的技術(shù)手段，利用地理信息、專業(yè)供水模型和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建了全面感知、實時監(jiān)控、異常報警、預測預警、科學決策的供水管網(wǎng)安全運行智能化管理技術(shù)體系，實現(xiàn)了供水管網(wǎng)安全由被動管理向主動上報、智能化管理的轉(zhuǎn)變，對提高供水管網(wǎng)的抗災和安全風險管理能力具有重要意義[3]。

1 技術(shù)體系

1.1 技術(shù)流程圖

通過對供水管網(wǎng)安全進行全過程管理，構(gòu)建供水管網(wǎng)從隱患管理到輔助決策于一體的技術(shù)體系。該體系以供水管網(wǎng)安全運行為核心，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，通過線上線下結(jié)合，保障供水管網(wǎng)的安全運行(圖1)[4]。

圖1 供水管網(wǎng)安全運行智能化管理技術(shù)流程圖Fig.1 Flow Chart of Safety-Operation and Intelligent Management Technology for Water Supply Pipelines Network

1.2 隱患管理

1.2.1 隱患排查

針對供水管線關(guān)聯(lián)隱患，通過專業(yè)軟件對目前已有的供水管線普查數(shù)據(jù)進行規(guī)范性、合理性分析，排查不符合國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范的管線隱患點；針對供水管線周邊隱患，采用地質(zhì)雷達法直接確定管線埋設(shè)位置、埋藏深度以及供水管線周邊空洞、裂縫與地層沉降等隱患；針對供水管線自身隱患，采用音聽法等對供水管道的漏損狀況進行排查，實現(xiàn)水管的泄漏檢測與定位。綜合運用內(nèi)外探測手段，摸清供水管線結(jié)構(gòu)性隱患和危險源。通過隱患識別和排查作業(yè)，準確掌握管線運行環(huán)境、自身狀況、周邊土地不密實程度等信息，同時獲取空間位置，與供水管線建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成基于空間位置的供水管線健康檔案數(shù)據(jù)庫。

1.2.2 隱患管理

對上述3種方式排查出的供水管網(wǎng)隱患進行全生命周期管理(發(fā)現(xiàn)→處理→解決→維護)，對每個問題進行分類編號，實行問題銷號制度，實現(xiàn)問題全過程可追溯。

1.2.3 隱患核查

根據(jù)隱患排查計劃，現(xiàn)場復核隱患點具體情況，并編制探測記錄表，記錄現(xiàn)場探測信息。

1.2.4 隱患分析報告

基于供水管線健康檔案數(shù)據(jù)庫形成隱患分析報告，包括隱患空間分布、隱患區(qū)域分布及數(shù)量統(tǒng)計、漏失量統(tǒng)計、超期服務(wù)分析、覆土深度分析、占壓分析、隱患處理建議、影響分析等信息。

1.3 綜合風險評估

1.3.1 綜合風險評估模型構(gòu)建

對供水管網(wǎng)中易爆管段在運行中所面臨的威脅、管段本體存在的弱點、產(chǎn)生爆漏時造成的影響，以及三者綜合作用而帶來風險的可能性進行評估。運用層次分析法、模糊綜合評價法等進行評估模型的構(gòu)建：依據(jù)管網(wǎng)管徑、管壓、管材、溫差、管齡、接口類型、埋深、土壤環(huán)境、區(qū)域?qū)傩?、歷史事故等多層次指標體系確定因素集，并進一步建立各指標相對上一層指標的權(quán)重集，綜合反映各指標相對上級指標的重要程度；然后結(jié)合因素集和權(quán)重集建立管網(wǎng)綜合風險評估模型，實現(xiàn)管網(wǎng)綜合風險計算[5-8]。

(1)建立供水管網(wǎng)運行安全風險評估指標體系。通過識別供水管線運行風險內(nèi)容，運用風險識別的基本方法將風險進行分解，建立風險清單。根據(jù)所識別的風險因子和城市供水管線風險評價指標體系的構(gòu)建流程，結(jié)合供水管線風險評價特點以及專家建議匯總和分析，按照致災類型劃分，確定風險評價指標。

(2)基于模糊綜合分析法進行風險評價。建立層次結(jié)構(gòu)模型，然后構(gòu)造判斷矩陣，最后進行權(quán)重向量計算與一致性檢驗。確定被評價對象因素集、風險等級集、因素權(quán)重集；通過建立模糊關(guān)系矩陣，確定風險評價因素的權(quán)向量，然后合成模糊綜合評價結(jié)果向量，對模糊綜合評價結(jié)果向量進行分析。

(3)地下供水管線安全風險評估的GIS實現(xiàn)。實現(xiàn)指標體系的存儲和指標體系的維護、供水管線基本管理功能和相應的風險分析功能。

1.3.2 綜合風險等級分布

根據(jù)風險評價值對供水管網(wǎng)風險評價結(jié)果進行風險定級，分為安全、低風險、中度風險、高風險、危險5個等級。

1.3.3 傳感器優(yōu)化布局

在高風險以及危險風險等級區(qū)域增加傳感器布設(shè)密度，實時感知重點管控要素的狀態(tài)信息，實現(xiàn)傳感器的優(yōu)化布設(shè)。

1.4 監(jiān)測報警

1.4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)接入

基于物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入技術(shù)，應用SCADA軟件平臺，接入供水管線權(quán)屬單位和其他物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建涵蓋壓力、流量、余氯、渾濁度、pH等一系列指標的供水管網(wǎng)綜合管理動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的高效接入、解析和管理。

1.4.2 監(jiān)測在線報警

通過對水源井、水廠、供水管網(wǎng)和用戶全過程進行管理，在過程的關(guān)鍵節(jié)點安裝壓力、流量和水質(zhì)等物聯(lián)網(wǎng)傳感器實時監(jiān)測，實現(xiàn)對供水管網(wǎng)及其附屬設(shè)施的全面、動態(tài)化管理。設(shè)定流量、液位、壓力、水質(zhì)等各類監(jiān)測指標閾值，對各監(jiān)測點監(jiān)測指標進行實時超標判定。當達到預警閾值或超過閾值時，進行記錄并報警，即提示當前供水管網(wǎng)運行處于非健康狀態(tài)，存在風險。

1.4.3 報警熱力分析

根據(jù)報警歷史數(shù)據(jù)，分析某一時間段內(nèi)報警頻率高的監(jiān)測點，計算得出報警分布、密度和變化趨勢，為供水管網(wǎng)隱患排查、巡檢等提供輔助決策。

1.5 預測預警

1.5.1 供水管網(wǎng)爆管預警分析

基于管材、管齡、埋設(shè)年代、季節(jié)等靜態(tài)因素，以及供水管網(wǎng)壓力、流量、水溫等動態(tài)數(shù)據(jù)，通過自主提出的主成分分析和Cox生存分析(Cox生存分析又稱比例風險回歸模型，是以生存結(jié)局和生存時間為因變量，可同時分析眾多因素對生存期影響的一種半?yún)?shù)回歸模型)的供水管網(wǎng)爆管風險預測方法，建立供水管網(wǎng)爆管預警分析模型，實現(xiàn)供水管網(wǎng)爆管預警模擬。

供水管網(wǎng)爆管預警模型通過接入SCADA動態(tài)壓力、流量數(shù)據(jù)，并結(jié)合管材因環(huán)境腐蝕、老化等問題影響綜合數(shù)據(jù)，進行一系列的分析計算，包括管網(wǎng)腐蝕計算、正常壓力、流量模擬仿真計算、校驗計算和其他計算，得到最終的模擬結(jié)果，輸出供水管網(wǎng)爆管模擬報告(圖2)[9-10]。

圖2 供水管網(wǎng)爆管預警模擬計算示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Simulated Calculation for Pipe Burst Early Warning of Water Supply Pipelines Network

1.5.2 供水管網(wǎng)泄漏預警分析

分析供水管網(wǎng)泄漏規(guī)律，并結(jié)合積累的管網(wǎng)泄漏歷史數(shù)據(jù)，建立相應的泄漏預警分析模型，對滲漏可能性進行預測，為采取供水管網(wǎng)運行維護措施提供依據(jù)。

1.5.3 地下空洞/路面塌陷預警

根據(jù)管網(wǎng)泄漏預警分析，以及管網(wǎng)泄漏對地下空洞的產(chǎn)生和路面塌陷的影響，結(jié)合地質(zhì)條件分析，建立地下空洞和路面塌陷預警分析模型，對由于供水管網(wǎng)滲漏引發(fā)的地下空洞和路面塌陷事故的發(fā)生概率或風險進行預測。

1.5.4 關(guān)閥分析

通過供水管網(wǎng)上任意一點與前后閥門的關(guān)聯(lián)分析，在發(fā)生突發(fā)情況或者開展應急搶修作業(yè)時，迅速提供需要關(guān)閉的閥門信息，給出關(guān)閥方案。根據(jù)關(guān)閥后的管網(wǎng)仿真模擬，提供受影響的管線和用戶范圍，為應急處置提供決策參考。

1.6 輔助決策

1.6.1 管線模擬開挖

支持對地形進行模擬開挖，并且支持對開挖斷面的分析。在應急處置時，可以分析開挖面內(nèi)的管線數(shù)量、管線埋深、相對距離等，輔助管理者進行開挖分析，以免造成對其他管線的二次破壞。

1.6.2 供水管網(wǎng)安全運行評估

根據(jù)自動生成的安全運行評估報告，包括繪制供水管網(wǎng)安全運行風險分布圖、統(tǒng)計分析報警情況等，總結(jié)供水管網(wǎng)安全運行狀況，并針對供水管線高風險區(qū)域提供相應的處置建議等，輔助提升管理部門的防災減災能力。

2 創(chuàng)新點

2.1 形成一套供水管網(wǎng)安全運行智能化管理技術(shù)體系

針對城市供水管線管理面臨的安全問題，經(jīng)過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、技術(shù)方法集成、平臺研發(fā)和工程應用，創(chuàng)新性提出供水管網(wǎng)從隱患管理到輔助決策全流程技術(shù)體系。目前，國內(nèi)地下管線領(lǐng)域企事業(yè)單位或研究機構(gòu)尚未針對供水管網(wǎng)或其他類管網(wǎng)提出類似技術(shù)體系。該體系綜合利用“線下排查+線上監(jiān)控+模型模擬+決策應用”技術(shù)手段對城市供水管網(wǎng)進行安全運行和智能化研究，實現(xiàn)集線下排查、線上監(jiān)控與智能化管理于一體的完整技術(shù)服務(wù)。

(1)該體系是在地下管線精準探測定位并建立基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，對已有供水管線進行全面檢測和健康評估，全面查清和評估已有管道健康狀況，建立管道健康檔案，為及時有效處置提供可靠依據(jù)。

(2)供水管線運行安全風險評估是管線安全運行管理體系的核心環(huán)節(jié)，包括風險識別、風險分析和風險評價3個階段。通過風險評估確定風險等級，可對傳感器布設(shè)方案進行優(yōu)化，實現(xiàn)高風險區(qū)域重點監(jiān)控。

(3)在建立完整準確基礎(chǔ)信息和恢復已有管道功能基礎(chǔ)上，實現(xiàn)物聯(lián)感知，實時了解掌握地下管網(wǎng)運行狀況，并建立地下管線數(shù)據(jù)動態(tài)更新機制和有效的管網(wǎng)運行智能監(jiān)控報警機制，實現(xiàn)管網(wǎng)問題的異常報警。

(4)分析爆管、泄漏規(guī)律，并結(jié)合積累的爆管、泄漏歷史數(shù)據(jù)，建立相應的爆管、泄漏風險預測模型，對爆管、滲漏可能性進行預測，以識別出供水管網(wǎng)中的高風險管道；并支持對由于供水管網(wǎng)滲漏引發(fā)的地下空洞和路面塌陷事故的發(fā)生概率或風險進行預測。

(5)根據(jù)供水管網(wǎng)安全運行狀況，預判異常高發(fā)區(qū)域，為相關(guān)職能部門提供有效的輔助決策，促進供水管網(wǎng)安全管理由被動應對為主動預防，實現(xiàn)高效監(jiān)管。

2.2 創(chuàng)新一種供水管網(wǎng)爆管風險預測方法

本文創(chuàng)新性提出一種基于主成分分析和Cox生存分析的供水管網(wǎng)爆管風險預測方法，能夠在盡量保證數(shù)據(jù)信息不丟失的情況下，解決現(xiàn)有預測方法對供水管網(wǎng)爆管影響因素考慮不全，且未考慮各因素之間存在相關(guān)性的問題，可提高預測結(jié)果的合理性。

通過將生存分析理論應用于估計管道生存時間，同時加入諸如管道自身特性與環(huán)境因素等眾多對管道爆管有影響的風險因素，能夠同時分析多種因素對管道爆管的影響，實現(xiàn)管道爆管風險的科學預測。彌補了目前基于Cox比例風險模型構(gòu)建供水管網(wǎng)爆管風險預測模型只考慮管徑和管材兩個風險因素的不足。此外，爆管因素之間往往具有耦合性，而傳統(tǒng)方法直接將爆管影響因素值作為風險因素代入模型，未考慮各因子之間的相關(guān)性，導致數(shù)據(jù)信息重疊，致使爆管風險預測結(jié)果和實際情況不符。

基于主成分分析和Cox生存分析的供水管網(wǎng)爆管風險預測方法具體如下。

(1)收集供水管網(wǎng)爆管的歷史數(shù)據(jù)，通過對比和重要度分析，篩選出影響供水管網(wǎng)安全的因素，建立爆管因素集。

(2)采用主成分分析法，對所述爆管因素集進行主成分分析，將所述影響供水管網(wǎng)安全的因素，重新組合成一組新的互相無關(guān)的綜合指標。

(3)采用層次分析法，確定每個所述綜合指標的權(quán)重值，權(quán)重值最高的作為最重要的綜合指標。

(4)以所述最重要綜合指標為自變量建立爆管率基準函數(shù)，表示管道爆管風險隨時間的變化過程；以所述綜合指標中其他指標為風險因素建立爆管風險相關(guān)條件強度函數(shù)；基于生存分析理論，建立爆管風險預測模型。

(5)基于供水管網(wǎng)爆管的歷史數(shù)據(jù)，計算管網(wǎng)爆管率，并以所述管網(wǎng)爆管率為因變量進行參數(shù)擬合，確定爆管風險預測模型參數(shù)。

(6)通過所述爆管風險預測模型分析計算在所述各個綜合指標的影響下，爆管事件發(fā)生的風險，即單位管長爆管率，并計算各管段爆管率和未來爆管次數(shù)。

3 應用實踐

XX市智能管網(wǎng)項目范圍為110 km2，運行時間為2017年12月—2018年11月，主要對原有地下管網(wǎng)管理進行智能化改造。XX市已完整應用了供水管網(wǎng)安全運行智能化管理技術(shù)體系，具體應用如下。

(1)通過開展管線安全評估及構(gòu)建管線健康檔案數(shù)據(jù)中心、管線安全運行云數(shù)據(jù)中心，完成對目前不符合國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范的5類供水管線隱患點的排查，通過對220 km供水管線進行漏水檢測，發(fā)現(xiàn)漏點18處，并第一時間通知權(quán)屬單位。通過對供水管線段之間依次進行水平凈距分析、垂直凈距分析、覆土深度分析、碰撞分析，對供水管線數(shù)據(jù)進行一次全面的規(guī)范性檢查，給出數(shù)據(jù)合理性評價，并能對各類隱患進行分類統(tǒng)計(圖3)。

圖3 供水管網(wǎng)隱患分類統(tǒng)計圖Fig.3 Classification of Potential Risk of Water Supply Pipelines Network

(2)通過構(gòu)建供水管網(wǎng)安全風險評估指標庫，基于層次模型法和模糊綜合分析法對供水管網(wǎng)現(xiàn)存的風險性進行評價。依據(jù)供水管網(wǎng)埋深、管徑、管壓、管材、溫差、歷史事故、土壤環(huán)境等多層次指標體系確定因素集，并進一步建立各指標相對上一層指標的權(quán)重集，綜合反映各指標相對上級指標的重要程度。然后結(jié)合因素集和權(quán)重集建立供水管網(wǎng)綜合風險評估模型，將供水管網(wǎng)風險分為安全、低風險、中度風險、高風險、危險5個等級，以便對供水管線進行重點管控，有效提升了XX市供水管網(wǎng)運行安全管理的科學性和合理性(圖4、圖5)。

圖4 供水管網(wǎng)評估指標及指標權(quán)重Fig.4 Evaluation Indexes and Index Weight of Water Supply Pipelines Network

圖5 供水管網(wǎng)綜合風險評估結(jié)果圖Fig.5 Comprehensive Risk Assessment Results for Water Supply Pipelines Networks

(3)通過為供水專項布設(shè)前端物聯(lián)網(wǎng)傳感器和應用系統(tǒng)，實現(xiàn)了供水管線監(jiān)控信息的統(tǒng)一并行物聯(lián)網(wǎng)接入管理和異常告警，運行期1年內(nèi)發(fā)現(xiàn)供水管道滲漏13處、供水管網(wǎng)爆管1處，實現(xiàn)了XX市供水管網(wǎng)實時感知、運維監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析等功能。

通過供水運行監(jiān)測系統(tǒng)，在2018年3月15日凌晨1點25分，XX市供水管網(wǎng)監(jiān)測點壓力驟降(圖6)超過預警閾值，調(diào)度中心收到監(jiān)測報警通知，及時將相關(guān)信息推送給自來水公司相關(guān)責任人，核實后，發(fā)現(xiàn)此處因道路施工造成供水主管爆管，搶修人員第一時間趕到現(xiàn)場進行管閥搶修，將影響降到最低。

圖6 供水管網(wǎng)智能監(jiān)管圖Fig.6 Intelligent Monitoring Chart of Water Supply Pipelines Network

(4)構(gòu)建供水管網(wǎng)泄漏預警分析模型，通過樣本總體平均值法進行漏點分析，從而得出供水管網(wǎng)泄漏風險空間分布熱力圖，通過預測的泄漏量渲染地圖顏色，將風險劃分為正常、警告、超標3個等級，輔助降低供水管網(wǎng)漏損率。通過預測預警模型，成功預警供水管網(wǎng)爆管15起，以短信、微信等方式推送相關(guān)業(yè)務(wù)單位及時處置，助力供水管網(wǎng)安全運行(圖7)。

圖7 供水管網(wǎng)泄漏預警分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.7 Leakage Early Warning Analysis and Data Statistics of Water Supply Pipelines Network

(5)構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)匯聚的XX市主城區(qū)GIS供水管網(wǎng)分析模型，模型管網(wǎng)覆蓋XX市主城區(qū)，面積為87.4 km2、總長為324.8 km、節(jié)點數(shù)為7 099個、水表為443個、閥門為1 791個、管段為9 464個、日供水為12萬m3、供水人口為13萬戶(約50萬人)。通過分析XX市供水管網(wǎng)的壓力分布情況、管網(wǎng)流量、流速、流向及水齡情況，實現(xiàn)了供水管網(wǎng)運行狀態(tài)模擬與供水調(diào)度自動管理，輔助發(fā)現(xiàn)口徑與賬務(wù)水量不匹配的具體水表表卡信息以及管網(wǎng)存在的壓力、口徑流量等不合理情況，為XX市供水管網(wǎng)的科學調(diào)度和安全供水提供了決策依據(jù)。

通過直觀分析整個供水管網(wǎng)的高低壓區(qū)域，針對管網(wǎng)存在的壓力不合理情況提出了解決方案(圖8)。通過直觀分析整個供水管網(wǎng)的管線走向，輔助查找出口徑流量不相符管線(圖9)。

圖8 供水管網(wǎng)壓力模擬圖Fig.8 Pressure Simulation Diagram of Water Supply Pipelines Network

圖9 供水管網(wǎng)管網(wǎng)流量模擬圖Fig.9 Flow Simulation Diagram of Water Supply Pipelines Network

綜上，項目成果經(jīng)實際應用檢驗，可為供水管網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效、綠色運行提供有力技術(shù)保障，有助于提高城市供水管網(wǎng)的安全管控水平。

4 結(jié)論

本文在供水管網(wǎng)安全運行和智能化管理等方面開展系統(tǒng)研究與協(xié)同創(chuàng)新，提出了城市供水管網(wǎng)安全運行智能化管理的構(gòu)建方法和技術(shù)體系。通過“線下排查+線上監(jiān)控+模型模擬+決策應用”相結(jié)合，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)驅(qū)動”智慧管網(wǎng)，并創(chuàng)新性地提出了一種供水管網(wǎng)爆管風險預測方法，提高了供水管網(wǎng)爆管風險預測結(jié)果的合理性。此外，通過XX市的應用實踐，在驗證該技術(shù)體系合理性的同時，反向促進了對該技術(shù)體系的建立與優(yōu)化。

供水管網(wǎng)安全運行智能化管理技術(shù)體系是一個發(fā)展的技術(shù)體系，通過繼續(xù)加強供水管網(wǎng)風險評估、管網(wǎng)監(jiān)測預警以及災害趨勢分析和輔助決策支持的創(chuàng)新研究，發(fā)揮地理時空數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知實時數(shù)據(jù)的支撐優(yōu)勢，將有效地促進供水管網(wǎng)的智能化管理，并能為其他的管網(wǎng)安全運行提供參考。