■ 張俊杰 李淑慧

聲學(xué)探測(cè)技術(shù)屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，受人員、設(shè)備、績效等各種因素的影響，檢漏效率低下。為此，推薦一種革命性的漏損控制技術(shù)，即衛(wèi)星微波泄漏探測(cè)技術(shù)，以便開拓視野、拓展思路。

一、衛(wèi)星微波頻譜分析介紹

（一）衛(wèi)星微波頻譜分析原理

衛(wèi)星微波頻譜分析探測(cè)技術(shù)是利用衛(wèi)星傳感器發(fā)射的特有波長穿透性，穿透地面測(cè)量土壤中的水分，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)泄漏的線索。通過裝在高空遙感衛(wèi)星上的傳感器，發(fā)射和接收穿透大氣層和地球表面的電磁波獲取反射信號(hào)生成圖像，然后通過Web的GIS坐標(biāo)信息疊加、校正，專業(yè)數(shù)學(xué)算法和分析獲取泄漏點(diǎn)精確坐標(biāo)，分析微光譜衛(wèi)星圖像和圖像處理，消除掉湖泊、游泳池、排水資產(chǎn)、污水資產(chǎn)和其他干擾建筑物，植被和其他地形特征造成的“噪聲”反射，以便從圖像中準(zhǔn)確評(píng)估配水系統(tǒng)泄漏，識(shí)別探測(cè)區(qū)域中的泄漏、街道、管道及漏點(diǎn)的尺寸信息。

盡管，衛(wèi)星頻譜圖像探測(cè)技術(shù)可以一次性覆蓋3500km2，探測(cè)成百上千個(gè)可疑漏點(diǎn)，但仍然屬于泄漏線索搜尋和探測(cè)，并非準(zhǔn)確定位，仍然需要人工現(xiàn)場(chǎng)聲音探測(cè)和定位。但其探測(cè)效率提高了數(shù)百倍，在人工探測(cè)區(qū)域所在半徑50m的范圍內(nèi)，為檢漏人員提供了方向和目標(biāo)，大大提高了檢漏效率。

（二）衛(wèi)星圖像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

衛(wèi)星微波探測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)聲學(xué)探測(cè)、壓力流量、DMA分區(qū)計(jì)量相比，不論是檢漏效率、周期，還是概率評(píng)估，在泄漏檢測(cè)上都有顯著優(yōu)勢(shì)。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1.檢漏效率高

1次衛(wèi)星拍攝可覆蓋3500km2范圍，每年最多拍攝12張圖像，連續(xù)拍攝將大大提高精度，甚至提前預(yù)警和發(fā)現(xiàn)主管爆管。

2.探測(cè)周期短

從衛(wèi)星拍攝、數(shù)據(jù)校正到結(jié)果呈現(xiàn)僅需2周時(shí)間，而傳統(tǒng)人工聲音探測(cè)則需要0.5年或1年，甚至更長時(shí)間才能完成整個(gè)系統(tǒng)探測(cè)。

3.概率評(píng)定

通過對(duì)每個(gè)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度概率統(tǒng)計(jì)評(píng)估，按“非常高->高->中->低”優(yōu)先評(píng)價(jià)，為人工聲音探測(cè)、開挖修復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)，減少和降低潛在的損害。

4.評(píng)估漏點(diǎn)尺寸

可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱和算法分析評(píng)估漏點(diǎn)尺寸，最小可檢測(cè)泄漏尺寸為每分鐘0.02加侖，檢測(cè)地下2～5m深的管網(wǎng)泄漏。

5.影響因素

不受管材、管徑、天氣、交通、噪音、時(shí)間的影響。

（三）衛(wèi)星微波探測(cè)技術(shù)的劣勢(shì)

盡管衛(wèi)星微波探測(cè)技術(shù)在泄漏檢測(cè)上有很大優(yōu)勢(shì)，可劣勢(shì)也很明顯。其技術(shù)劣勢(shì)如下：

1.實(shí)時(shí)性差

實(shí)時(shí)性差，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和滿足管網(wǎng)突發(fā)性事件的需求。同時(shí)，對(duì)于管網(wǎng)老化，事故頻發(fā)、泄漏反彈嚴(yán)重的地區(qū)1次探測(cè)根本無法滿足其頻繁探測(cè)需求。

2.精度差

遙感衛(wèi)星微波定位泄漏半徑為20～50m范圍之內(nèi)，卻不能準(zhǔn)確地確定哪條管線泄漏，且受GIS坐標(biāo)精度的影響，遇上坡度地形偏差有點(diǎn)大。

3.錯(cuò)誤信息多

受洗車場(chǎng)、泳池、屠宰場(chǎng)、海鮮市場(chǎng)、海濱浴場(chǎng)等含鹽分多的水體以及建筑物、霧霾、無線點(diǎn)信號(hào)的影響干擾。

4.成本高

衛(wèi)星微波探測(cè)1次成本少則幾十萬，多則上百萬元，其中不包含后續(xù)的人工聲音探測(cè)成本。

5.安全問題多

衛(wèi)星拍照、探測(cè)需要提供城市供水管網(wǎng)的城市坐標(biāo)和信息，易對(duì)國土安全造成隱患。

二、衛(wèi)星微波探測(cè)步驟

衛(wèi)星微波探測(cè)步驟如下：

1.微波傳感器獲取原始數(shù)據(jù)，圖像采集

2.輻射數(shù)據(jù)修正

與Web的GIS系統(tǒng)疊加，校準(zhǔn)、校正數(shù)據(jù)。

3.算法分析

以交叉引用算法分析校正的微波圖像，與本地基礎(chǔ)地形結(jié)構(gòu)匹配評(píng)估泄漏量的大小。同時(shí)，刪除湖泊、建筑物、植被等含鹽分的水體。

4.結(jié)果呈現(xiàn)

Web界面以及系統(tǒng)生成的傳統(tǒng)泄漏報(bào)表，以圖形方式呈現(xiàn)給客戶端，以便客戶在現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)和修復(fù)泄漏；報(bào)表呈現(xiàn)的是泄漏點(diǎn)的坐標(biāo)、街道、漏量的大小，基本上可以精確到50m半徑范圍內(nèi)。

5.人工探測(cè)

根據(jù)衛(wèi)星探測(cè)呈現(xiàn)的報(bào)告和結(jié)果，檢漏人員利用聲學(xué)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行人工探測(cè)，核實(shí)衛(wèi)星探測(cè)泄漏的可靠性和真實(shí)性。但結(jié)果會(huì)受聲學(xué)探測(cè)技術(shù)的局限性，檢漏人員能力、水平、經(jīng)驗(yàn)和敬業(yè)精神等因素的影響。

6.編輯報(bào)告

匯總衛(wèi)星和人工探測(cè)數(shù)據(jù)編寫檢漏成果報(bào)告，分析衛(wèi)星微波探測(cè)泄漏數(shù)據(jù)的可靠性，并反饋信息給衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理人員改進(jìn)算法。

由于，衛(wèi)星微波探測(cè)只是一種泄漏線索偵測(cè)的手段，并不是準(zhǔn)確地定位漏點(diǎn)的位置，仍需要通過聲音探測(cè)來檢驗(yàn)其探測(cè)的結(jié)果，修正探測(cè)數(shù)據(jù)。

三、案例分析

以泰國曼谷水務(wù)公司實(shí)際參與項(xiàng)目為例，說明遙感衛(wèi)星微波探測(cè)在控制管網(wǎng)漏損中的應(yīng)用。泰國曼谷水務(wù)公司（MWA）為了引進(jìn)和驗(yàn)證衛(wèi)星微波探測(cè)技術(shù)的可靠性，準(zhǔn)確性，從中選擇了Samutprakarn、Bangkoknoi、Taksin、Suksawat、Phasicharoen五個(gè)區(qū)域，管網(wǎng)長度約為1200km，供水面積約為500km2，涉及DMA分區(qū)計(jì)量100個(gè)。其中，80%是PVC、AC管，20%為鋼管、鑄鐵管。經(jīng)過2周時(shí)間，通過數(shù)據(jù)處理、校正、刪除了部分湖泊、游泳池、排水資產(chǎn)、污水資產(chǎn)和其他干擾，共計(jì)確定漏點(diǎn)43處。

表1 衛(wèi)星與人工探測(cè)工期對(duì)照表

1.檢漏效率

從本次衛(wèi)星微波探測(cè)項(xiàng)目工作量看，分散的5個(gè)供水區(qū)域，管網(wǎng)長度1200km，衛(wèi)星探測(cè)周期為2周，人工現(xiàn)場(chǎng)定位復(fù)核3周，總計(jì)工期5周。倘若靠人工探測(cè)，按每個(gè)臺(tái)組3km/臺(tái)組/d，同樣2個(gè)臺(tái)組探測(cè)，則需要40周工期。衛(wèi)星與人工探測(cè)工期對(duì)照見下表。

僅從人工檢漏工期來分析檢漏效率，衛(wèi)星探測(cè)是人工聲學(xué)探測(cè)工期的40倍，即便是人工與人工探測(cè)對(duì)比，在衛(wèi)星探測(cè)仍然是單純?nèi)斯ぬ綔y(cè)的13倍。可見，檢漏效率很高。這是單純從檢漏工期層面比對(duì)，有局限性，難以準(zhǔn)確反映出其檢漏效率。

2.檢驗(yàn)管徑、管材影響

為了檢驗(yàn)衛(wèi)星微波探測(cè)是否受管徑、管材的影響，從實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)看，PVC、AC水泥、鋼、鑄鐵等各種管材，均可探測(cè)出暗漏，驗(yàn)證了其不受管材性限制的承諾。但從探測(cè)管徑數(shù)據(jù)看，DN25mm的管暗漏29處，DN50mm的管暗漏11處，DN100mm的管暗漏1處，DN300mm的管暗漏2處?；旧螪N300mm以上的管暗漏未探測(cè)。

表2 干擾因素導(dǎo)致錯(cuò)誤信息報(bào)表

從管徑分析衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)

從曼谷水務(wù)產(chǎn)銷差的實(shí)際情況，主管網(wǎng)發(fā)生泄漏概率較高，但衛(wèi)星微波探測(cè)并未給出相關(guān)探測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)際上，在后期也驗(yàn)證了衛(wèi)星探測(cè)對(duì)DN300mm以上管道的探測(cè)效果有待商榷。究其原因是曼谷主管線埋深在8m左右，超出了衛(wèi)星探測(cè)的能力范圍。

曼谷成功率分析

意大利成功率分析

3.可靠性

從探測(cè)結(jié)論分類統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果為定位在半徑（50m）范圍之內(nèi)30處（含10m范圍之內(nèi)10處），信息錯(cuò)誤的8處，難定位探測(cè)的3處，偏差在100m外的2處。衛(wèi)星定位可靠性約為70%，剔除偏差10m范圍之內(nèi)10處，其泄漏探測(cè)的可靠性或成功率約為46.51%。如上圖所示。

意大利水務(wù)衛(wèi)星探測(cè)成功率為49%，曼谷水務(wù)衛(wèi)星探測(cè)泄漏的成功率為46.5%，基本可以確定，衛(wèi)星微波探測(cè)管網(wǎng)泄漏的成功率為50%左右。

4.干擾因素

從衛(wèi)星探測(cè)公司給出的技術(shù)指標(biāo)和數(shù)據(jù)看，理論上可以通過算法分析、數(shù)據(jù)修正刪除掉干擾因素，實(shí)際上算法還存在著瑕疵。特別是遇到諸如泳池、洗車、海鮮市場(chǎng)等采用自來水清洗，衛(wèi)星微波探測(cè)技術(shù)還有待從算法和數(shù)據(jù)校正方面進(jìn)行提高。

從表2可知，干擾因素占了8處，條件受限難下結(jié)論的3處，分別占到了總漏點(diǎn)數(shù)量43處的18.6%和6.98%，幾乎是總漏點(diǎn)數(shù)量的25.58%。可見，算法分析、數(shù)據(jù)修正還有相當(dāng)大的提升改進(jìn)空間。

表3 精度偏差100m漏點(diǎn)報(bào)表

5.定位精度

在Suksawat的計(jì)量區(qū)域，衛(wèi)星探測(cè)定位半徑50m范圍，未能發(fā)現(xiàn)任何漏點(diǎn)，只發(fā)現(xiàn)了2個(gè)屠宰場(chǎng)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證和檢查錯(cuò)誤原因，現(xiàn)場(chǎng)檢漏人員沿著管線向外延伸探測(cè)，大約追蹤到100m位置探測(cè)到泄漏聲，同時(shí)利用袖珍型CCTV插入下水井中照射，發(fā)行下水井有大量的清水流淌，最終聲音探測(cè)人員在半徑外100m、125m定位兩處漏點(diǎn)，開挖修復(fù)后該區(qū)域夜間最小流量下降90m3/h。具體探測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

與從衛(wèi)星探測(cè)結(jié)論對(duì)比看，有2個(gè)問題值得深入探討：一是漏量評(píng)估不準(zhǔn)，偏差甚遠(yuǎn)；二是漏點(diǎn)位置偏差大，超出了衛(wèi)星給出的半徑100m。衛(wèi)星探測(cè)工人員給出的解釋是城市GIS坐標(biāo)信息不準(zhǔn)確，當(dāng)衛(wèi)星航拍圖像與web的GIS信息系統(tǒng)疊加、校正時(shí)，就會(huì)受到GIS信息系統(tǒng)坐標(biāo)的誤導(dǎo)，導(dǎo)致偏差。

6.工作強(qiáng)度

由于遙感衛(wèi)星定位泄漏半徑為20～50m之內(nèi)，意味著在人工聲音探測(cè)和定位時(shí)必須對(duì)50m為半徑的圓圈中所有的主管、分支管、小區(qū)戶外管網(wǎng)，以及各種含鹽分的水體，進(jìn)行進(jìn)一步探測(cè)和核實(shí)。在城市人口密集的區(qū)域，管線錯(cuò)綜復(fù)雜，建筑物、人造物體、植被、障礙物等干擾物很多，看似在50m半徑的空間范圍探測(cè)，縮小了步行探測(cè)的時(shí)間，實(shí)際上由于漏點(diǎn)分布過于分散，檢漏時(shí)間更多浪費(fèi)在區(qū)域更迭和交通上，其工作量與傳統(tǒng)探測(cè)相比并未減少。

7.成本分析

根據(jù)從曼谷水務(wù)公司（MWA）掌握和獲取的信息，單個(gè)漏點(diǎn)探測(cè)單價(jià)約為0.2萬元。按照衛(wèi)星探測(cè)漏點(diǎn)數(shù)量43處，實(shí)際應(yīng)支付探測(cè)費(fèi)用（支付成本）為8.6萬元；實(shí)際上，曼谷水務(wù)公司支付了衛(wèi)星探測(cè)公司約80萬元（泰銖400萬元）。二者相比，實(shí)際探測(cè)費(fèi)用是人工聲學(xué)探測(cè)費(fèi)用9.3倍。另外，從成本效益分析比看，衛(wèi)星微波探測(cè)共檢出暗漏43處，實(shí)際統(tǒng)計(jì)漏量約為107m3/h。如果，按照水生產(chǎn)成本0.8元/m3和年運(yùn)行時(shí)間8600h計(jì)算，折算年經(jīng)濟(jì)效益為73.6萬元。本次衛(wèi)星探測(cè)的成本效益約比為1:0.92。這還不考慮壓力、泄漏周期引起的差異。倘若按照實(shí)際的年節(jié)約水量計(jì)算，其收益可能更低?？梢?，衛(wèi)星探測(cè)的成本十分昂貴。

8.經(jīng)驗(yàn)與問題

在本次衛(wèi)星探測(cè)試點(diǎn)項(xiàng)目中有很多值得研究和總結(jié)的地方，對(duì)未來提高衛(wèi)星微波探測(cè)的精度和可靠性有重要的參考價(jià)值。

①算法仍有待提高，以便減少干擾因素的影響。

②坡度、傾斜的地區(qū)，衛(wèi)星探測(cè)給出半徑應(yīng)該調(diào)整為100m。

③應(yīng)根據(jù)管網(wǎng)老化情況，實(shí)時(shí)調(diào)整衛(wèi)星拍照頻次以滿足動(dòng)態(tài)檢漏的需求。

④驗(yàn)證城市GIS坐標(biāo)信息的可靠性，以便后續(xù)數(shù)據(jù)校正、算法分析提供參考。

⑤配合人工聲學(xué)要選擇裝備精良、經(jīng)驗(yàn)豐富的隊(duì)伍。

⑥管網(wǎng)條件和設(shè)施不滿足聲學(xué)探測(cè)條件的，業(yè)主單位要?jiǎng)?chuàng)造和提供條件。

由此可見，衛(wèi)星微波探測(cè)技術(shù)在漏損控制領(lǐng)域的應(yīng)用，開啟了智能高端水管理的新征程，將會(huì)對(duì)高效、快捷地減少管網(wǎng)漏損，解決管網(wǎng)的跑、冒、滴、漏，提升檢漏效率等起到積極的推動(dòng)作用，值得探索和研究。盡管還存在著數(shù)據(jù)校正、算法分析、圖像處理，錯(cuò)誤信息及成本高等諸多不利因素，面臨著各種無線電信號(hào)的干擾，但隨著算法和頻譜分析技術(shù)的不斷成熟、成本的不斷下降，衛(wèi)星微波探測(cè)技術(shù)一定會(huì)在漏損控制領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。