城市供水管網(wǎng)衛(wèi)星探漏技術(shù)應(yīng)用及效果研究

王雪峰

（上海浦東威立雅自來水有限公司，上海 200127）

1.研究背景

城市供水管網(wǎng)是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，由于管道老化、外部環(huán)境等諸多因素影響，在長期運行后供水管網(wǎng)漏損情況加劇，漏損率長期居高不下，不但造成了水資源的極大浪費，也給城市供水企業(yè)帶來了巨大的直接經(jīng)濟損失[1-2]。因此，盡早發(fā)現(xiàn)管道漏損點是降低管網(wǎng)漏損率和產(chǎn)銷差，提升供水效率的重點。

目前，用于管網(wǎng)漏損檢測的方法主要包括傳統(tǒng)聽音法（聽音桿、相關(guān)儀等）[3]、最小夜間流量法[4]、水量平衡分析法、噪音監(jiān)聽設(shè)備、光纖監(jiān)測法[5]、結(jié)合傳感器設(shè)備建立的仿真模型分析進行漏點定位[6-7]等技術(shù)。傳統(tǒng)聽音法采用人工巡檢方式遍歷所有管線進行檢漏，是目前供水行業(yè)最為普遍的檢漏手段，但該方法需要耗費大量的人力和時間，同時受人員技術(shù)水平、設(shè)備使用情況、績效考核方法等多種因素的影響，往往導(dǎo)致檢漏效率低下。而最小夜間流法、水平衡法、噪音監(jiān)聽法等方法都需要大量的前期設(shè)備投入和運行維護成本[8-9]，實施普查周期較長。

與其他檢漏方法的檢測原理不同， 衛(wèi)星探漏技術(shù)是以高空視角進行遠距離、非接觸、大范圍對地觀測來獲取地表甚至地下信息[10]。它通過數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，來提取分析地物的性質(zhì)和狀態(tài)，其算法核心是“異常檢測+水源識別”。 衛(wèi)星探漏技術(shù)利用長波段合成孔徑雷達衛(wèi)星穿透性強的特點，可以一次性掃描獲取上千平方公里范圍的雷達遙感數(shù)據(jù)，再通過算法模型分析提取由于管線滲漏導(dǎo)致的管線周邊土壤含水率差異，進而檢測識別疑似漏水區(qū)域[11]，輔助地面檢漏人員快速查找并定位漏點位置，將過去大范圍的盲檢方式聚焦到100-150米范圍的疑似區(qū)域核查，可以大幅提高探漏效率，切實降低管網(wǎng)漏損率，并且能探知到傳統(tǒng)巡檢較難到達的區(qū)域。

以下為衛(wèi)星探漏技術(shù)與其他檢漏技術(shù)的對比，通過對比可以發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星探漏在大區(qū)域范圍內(nèi)提升檢漏效率上具有明顯優(yōu)勢。（見表1）

表1 衛(wèi)星檢漏與其他檢漏技術(shù)對比

從全球多個國家利用雷達衛(wèi)星進行輔助探漏的應(yīng)用實施效果來看，衛(wèi)星探測確認的疑似漏水區(qū)域的準確率在40%到60%之間。在國內(nèi)，衛(wèi)星探漏只在少數(shù)幾個城市如上海、北京、鄭州等地區(qū)的局部區(qū)域進行過試驗，實際效果各有差異。本研究基于對上海浦東區(qū)域的實際應(yīng)用案例進行實證分析，同時對星地協(xié)同、檢漏平臺持續(xù)跟蹤監(jiān)管等方面進行改進，提升了應(yīng)用效果，并為未來衛(wèi)星探漏技術(shù)的改進發(fā)展提出了建議。

2.衛(wèi)星探漏技術(shù)及應(yīng)用

2.1 衛(wèi)星探漏技術(shù)方案

合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星通過發(fā)射雷達波并接收地面的回波信號，衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)回傳地面后，通過地面成像、輻射及幾何校正處理，獲取大范圍的圖像信息。雷達波具有一定的穿透性，可穿透云層、植被，波段越長，穿透能力越強，L波段可以穿透裸土甚至柏油馬路，獲取地下土壤蘊含的信息。合成孔徑雷達具有對不同地物介電特性的敏感性，在波長、入射角、方位角等成像觀測條件一致的雷達圖像中，通過提取地物后向散射系數(shù)差異來提取介電特性異常，進而間接獲取土壤含水量的差異。

衛(wèi)星檢漏主要算法步驟包括圖像值域變換、特征變換及電磁噪聲計算、去噪處理、水粗糙度特征圖構(gòu)建、水源類型區(qū)分及飲用水識別、盲點區(qū)域計算及虛警過濾、道路及管線套合計算、疑似漏水區(qū)域規(guī)范化輸出等。衛(wèi)星探漏技術(shù)流程如下圖所示：

圖1 衛(wèi)星探漏技術(shù)流程

衛(wèi)星探漏必須天地結(jié)合，首先利用衛(wèi)星廣域覆蓋特點對目標區(qū)域進行普查，一次性、快速獲取整個城市區(qū)域的疑似漏水分布，然后聚焦到一個個100-150米半徑范圍的疑似漏損區(qū)域內(nèi)（Points Of Interest，POI）。衛(wèi)星掃描結(jié)果出來后，還需要開展地面人工檢漏核查工作，核查確認和上報漏點信息。衛(wèi)星探漏的流程如下圖所示：

圖2 衛(wèi)星探漏業(yè)務(wù)流程

2.2 上海地區(qū)衛(wèi)星探漏技術(shù)應(yīng)用

2021年7月，利用雷達衛(wèi)星對上海浦東偏東的區(qū)域成像，開展了供水管道衛(wèi)星探漏應(yīng)用驗證，經(jīng)過算法處理和分析，獲取了浦東區(qū)域的所有疑似漏水區(qū)域POI。第一期選取了A區(qū)（面積8.7平方公里）和B區(qū)（面積26平方公里）兩片小區(qū)域的一共91個疑似漏水區(qū)域POI進行地面核查確認。2021年12月，利用雷達衛(wèi)星對上海浦東偏西區(qū)域、浦西大部和奉賢等區(qū)域成像（衛(wèi)星掃描總面積共923平方公里），開展了第二期衛(wèi)星探漏應(yīng)用實踐。衛(wèi)星掃描覆蓋范圍和地面核查區(qū)域及疑似漏水區(qū)域分布如下圖：

圖 3 上海地區(qū)第一期和第二期衛(wèi)星探漏掃描覆蓋范圍

3.衛(wèi)星探漏應(yīng)用案例及探漏效果分析

3.1 上海地區(qū)衛(wèi)星探漏情況

3.1.1 第一期衛(wèi)星探漏情況

通過對A區(qū)域的31個POI和B區(qū)域的60個POI進行了聽漏核查作業(yè)，完成了漏點的查找和定位。其中，A區(qū)域發(fā)現(xiàn)17個漏點，B區(qū)域發(fā)現(xiàn)28個漏點，A、B兩區(qū)域的POI準確率分別為54.8%和46.7%。漏點分布如下圖所示：

圖4 第一期衛(wèi)星探漏核查漏點分布圖

在檢漏效率方面，采用衛(wèi)星探漏技術(shù)及星地協(xié)同方式，地面檢漏核查人員確認一個漏點需覆蓋的管線長度大幅降低，每人每天發(fā)現(xiàn)的漏點數(shù)量以及每人每公里發(fā)現(xiàn)的漏點數(shù)量分別提升了9.9倍和15.4倍。

3.1.2 第二期衛(wèi)星 探漏情況

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，獲取了浦東區(qū)域的POI為190個，通過聽漏公司人工巡檢，對浦東區(qū)域內(nèi)190個疑似漏水區(qū)域進行了快速初檢，發(fā)現(xiàn)漏點51個；之后對部分管線檢漏覆蓋不完整的POI進行了復(fù)檢，復(fù)檢POI共80個，新增發(fā)現(xiàn)漏點21個。由于巡檢時段內(nèi)還有部分其他探知來源的真實漏點已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)或已修好，這部分漏點共計41個坐落在POI中。因此，在衛(wèi)星探漏技術(shù)提供的190個POI中，合計共發(fā)現(xiàn)113個漏點，POI準確率為59.5%

在檢漏效率方面，通過浦東第二期衛(wèi)星探漏和星地協(xié)同實踐，地面檢漏人員單位漏點的管道巡檢距離同樣大幅減少，每人每天發(fā)現(xiàn)的漏點數(shù)量以及每人每公里發(fā)現(xiàn)的漏點數(shù)分別提高了12倍和19倍。

通過上述兩期衛(wèi)星探漏的應(yīng)用實踐發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星探漏技術(shù)共提供了281個POI，檢出漏點158個，衛(wèi)星探漏技術(shù)提供的POI漏點檢出效率為56.2%，其中道路管道漏點和小區(qū)管道漏點的占比分別為30.8%和69.2%。

3.1.3衛(wèi)星探漏漏點口徑分布規(guī)律

為研究衛(wèi)星探漏效率是否受管徑的影響，通過對有效修復(fù)漏點數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)（如圖5所示），小口徑（≤ DN50）管道檢出漏點的占比為59.0%，大口徑（＞ DN50）管道檢出漏點的占比為41.0%，大口徑漏點中DN300、DN500、DN1000漏點各一處。該分析表明，當前衛(wèi)星探漏技術(shù)對小口徑漏點的探測效率相對較高，后續(xù)還需要對算法進行進一步優(yōu)化，提高大口徑管道的漏點檢出效率。

圖5 衛(wèi)星探漏有效修復(fù)漏點口徑分布圖

3.1.4衛(wèi)星探漏漏點故障元素分布規(guī)律

假設(shè)將某漏點修復(fù)后節(jié)約的漏水量稱為修漏收益水量。在本次衛(wèi)星探漏的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，水表配件和閥門配件部位的漏點數(shù)占有效修復(fù)漏點數(shù)的43.6%，占比較高。但這類漏點主要以滲漏為主，平均修漏收益水量僅為3.01 L/min左右，相比較而言，管道和管件部位的漏點則漏水量相對較大，平均修漏收益水量可達114.12L/min。另外本次衛(wèi)星探漏發(fā)現(xiàn)二次供水池水箱溢流2處，平均修漏收益水量為60.52 L/min，水量也相對較大。從漏控角度來說，我們希望衛(wèi)星探漏技術(shù)能夠更多地發(fā)現(xiàn)管道、管件及二供設(shè)施溢流等漏水量較大的漏點。

通過上述分析表明，衛(wèi)星探漏技術(shù)對水表、閥門、二供溢流等明漏檢出效果較好，但后續(xù)仍需繼續(xù)提高對管道、管件的漏點檢測效率。

圖6 衛(wèi)星探測漏點故障元素分布圖

3.1.5衛(wèi)星探漏漏點材料分布規(guī)律

在衛(wèi)星探漏技術(shù)的實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，管材并未對其在漏點檢測方面產(chǎn)生較大影響。

由圖7可見，占比相對較大的PPR和銅是水表的配件漏水，PVC和白鐵則主要為部分集約化地區(qū)老舊管道和管件損壞導(dǎo)致，而閥門配件漏水則占鑄鐵材質(zhì)的67%。PVC、白鐵、鑄鐵三種管材均可探測出暗漏，說明衛(wèi)星探漏與管材的相關(guān)性較低。

圖7 衛(wèi)星探測漏點材料分布圖

3.1.6衛(wèi)星探漏漏點埋深分布規(guī)律

管道埋深也是影響檢漏效率的因素之一。在衛(wèi)星探漏檢測出并修復(fù)的漏點有效樣本中，埋深較淺的管道（≤0.5m）探出漏點為29處，占比為74.4%；而埋深較深的管道（＞0.5m）探出漏點為10處，僅占25.6%。通過數(shù)據(jù)初步分析來看，目前算法下的衛(wèi)星探漏技術(shù)可快速定位小口徑、淺埋深以及水表、閥門等地面可見的漏損，但對于是否能精準定位大口徑、埋深較深的管道漏損，還需后續(xù)實踐進一步驗證。

3.2 衛(wèi)星檢漏與傳統(tǒng)檢漏效果對比研究

3.2.1 衛(wèi)星探漏漏點水量控制分析

通過對衛(wèi)星探漏檢出并修復(fù)的39個有效樣本漏點分析，結(jié)合漏點開挖的照片、視頻，并通過量筒、燒杯等估算漏失水量，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星探漏與未使用衛(wèi)星探測的人工巡檢聽漏（以下簡稱“自主檢漏”）修漏收益水量比約為1:4。其中27個漏點的修漏收益水量＜1 L/min，主要漏點位置為水表（圖9a）、閥門（圖9b）、管道配件（圖9c）；12個漏點的修漏收益水量＞1 L/min，主要為管道漏水（圖9d）。該結(jié)果表明，目前算法下衛(wèi)星探漏技術(shù)檢出的漏點漏水量還相對較小，對較大口徑、埋深較深、漏水量較大的道路管道漏點檢出能力還有待提高。

圖8 衛(wèi)星探測漏失水量分布圖

圖9 衛(wèi)星探測漏點現(xiàn)場照片

衛(wèi)星探漏與自主檢漏效率分析

在應(yīng)用衛(wèi)星探漏技術(shù)之前，檢漏主要依靠傳統(tǒng)的人工巡檢聽漏（自主檢漏）方式開展。在一期區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星獲得圖像后即開展了自主檢漏工作，小區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)了67處漏點。在通過衛(wèi)星圖像分析獲得POI后在小區(qū)內(nèi)共檢出27處漏點，其中17處為新檢出漏點，10處為已檢出漏點。該數(shù)據(jù)表明，在一期區(qū)域內(nèi)共有檢出漏點84處，而衛(wèi)星探漏發(fā)現(xiàn)了其中的27處，探出比例為32.1%，道路上的衛(wèi)星探漏檢出比例則為48.0%（詳見表2）。這意味著以半徑100-150米范圍的衛(wèi)星探漏POI可以探出目標區(qū)域內(nèi)約三分之一的小區(qū)漏點和約一半的道路漏點。

表2 衛(wèi)星探漏與自主檢漏效率分析表

衛(wèi)星探漏在小區(qū)內(nèi)探出漏點的比例比道路上略低，其原因是因為長波衛(wèi)星進行拍照時會受到拍照角度、地面性質(zhì)、是否有樓宇、是否有高架遮擋等因素影響，且由于衛(wèi)星檢漏技術(shù)最初用于較為干燥的沙漠地區(qū)尋找水源，而上海地區(qū)由于土壤含水率較高，土壤介電常數(shù)會有較大差異，因此對于上海地區(qū)的土壤介電常數(shù)區(qū)間還需要通過大量漏點復(fù)核進行優(yōu)化后，才能進一步提升衛(wèi)星探漏技術(shù)的檢漏效率。

4.結(jié)論及建議

上述應(yīng)用實踐表明，衛(wèi)星探漏提供的半徑100-150米疑似漏損區(qū)域POI內(nèi)可檢出漏點的比例可以達到56.2%，通過與傳統(tǒng)的人工巡檢聽漏方式相結(jié)合，可以使其效率提升10倍以上，完全具備了實用價值。

未來提升衛(wèi)星探漏技術(shù)效率的手段可以包括三個方面，第一是衛(wèi)星技術(shù)本身，第二是衛(wèi)星探漏算法的完善，第三是天地結(jié)合、星地協(xié)同。隨著國產(chǎn)衛(wèi)星技術(shù)民用化的不斷推進，獲取衛(wèi)星圖像的便捷度越來越高，成本越來越低，這為衛(wèi)星探漏技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的衛(wèi)星探漏技術(shù)只能發(fā)現(xiàn)目標區(qū)域內(nèi)約三分之一的小區(qū)漏水點和約一半的道路漏水點，這方面還有提升空間。同時衛(wèi)星探漏技術(shù)還存在檢出漏點漏水量偏小，對大口徑管道、埋深較深管道以及漏水量大的漏點發(fā)現(xiàn)能力不足等問題，這些都需要通過完善算法來改進。另外，衛(wèi)星探漏技術(shù)提供的POI最終還是需要通過其他檢漏手段（比如傳統(tǒng)的人工聽音法或者相關(guān)儀法等）來確準漏點位置，相信通過加強天地結(jié)合以及星地協(xié)同方面工作，可以更大程度上提高衛(wèi)星探漏技術(shù)的檢漏效率。

衛(wèi)星探漏技術(shù)不是傳統(tǒng)人工巡查檢漏技術(shù)的替代品，而是人工巡查檢漏等技術(shù)的效率倍增器，它可以到達傳統(tǒng)人工巡檢很難到達的區(qū)域，還可以通過對目標區(qū)域進行高頻次掃描，快速提供疑似漏損區(qū)域POI，極大地節(jié)約檢漏時間并提升檢漏效率，優(yōu)勢明顯，值得對其進一步研究推廣。