【摘要】隨著新時代中國城鎮(zhèn)化進程地不斷推進，生活用水保障是城鎮(zhèn)居民賴以生存的重要基礎，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地增加。據(jù)調查顯示，中國城市供水管網漏損率達15%以上，國內600多個城市供水管網的平均漏損率超過15%，最高達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，相當于363個西湖的水量，又相當于兩年就能達到一個南水北調中線工程的損失量。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)供水管網漏損點的精確定位系統(tǒng)作重點解析。

【關鍵詞】智慧水務；精確定位；水力模型；漏損率；產銷差；DMA

1、城市供水管網漏損的現(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。按國際標準，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。

調查顯示，中國城市供水管網漏損率達15%以上，國內600多個城市供水管網的平均漏損率超過15%，最高達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，相當于363個西湖的水量，又相當于兩年就能達到一個南水北調中線工程的損失量。

管網漏損率是管網漏水量與供水總量之比。根據(jù)相關調查研究發(fā)現(xiàn)，國內30%的供水漏損發(fā)生在管網接口處，其中水泥管道、鍍鋅管道與灰口鑄鐵管道漏水較多。管網老化、管材質量差、建設標準低、缺乏維護、重地上建設輕地下規(guī)劃、城建施工經常碰觸管網等，是造成目前我國城市供水管網漏損率偏高的主要原因。如果能夠大幅提升供水管網質量，降低管網漏損率，節(jié)約的水資源將相當可觀。

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部委身上。多項約束性“硬指標”，規(guī)定了完成時間、責任單位，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，全國公共供水管網漏損率控制在12%以內；到2020年，控制在10%以內的約束性指標。

2、城鎮(zhèn)供水管網漏損精確檢測定位系統(tǒng)

2.1設計目標

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

2.2總體方案

系統(tǒng)總體分為傳感器網絡、算法模型、應用軟件平臺三大部分。

整個監(jiān)測系統(tǒng)設計為模塊化架構，遵循2010年智慧水務管理系統(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，還包括遠程控制設備，例如遙控泵和減壓閥。

采集與通訊層：采集與通訊層負責收集、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，結合水力模型和漏損檢測定位算法得出管網監(jiān)測區(qū)域內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，以減少水量流失。

2.3系統(tǒng)原理

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

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備、傳感網關設備。傳感設備主要實現(xiàn)供水管網流量、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關設備；網關設備基于移動互聯(lián)網、MQTT通信服務協(xié)議將前端傳感設備采集到的數(shù)據(jù)打包后上傳到后臺服務器。

2.4.2算法模型子系統(tǒng)

系統(tǒng)主要在自來水供水管網水力模型、漏損檢測定位算法、點位部署算法的基礎上，進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漏損檢測定位模型、供水管網漏損監(jiān)測點位部署模型，為用戶監(jiān)測區(qū)域內是否有漏損并精確定位漏損位置提供基礎。

2.4.3應用軟件平臺

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、預警預報管理、用戶權限管理等功能模塊，為用戶提供前端管網流量/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、關鍵技術

3.1傳感器最優(yōu)算法

該算法涉及管網拓撲，靈敏度矩陣等相關數(shù)學理論，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。該算法已經在奧地利現(xiàn)實生活的系統(tǒng)中進行了測試，并已應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絡中應該放置多少個傳感器。如果存在已校準的水力系統(tǒng)，則可以使用該算法，因為它利用了水力模擬中的靈敏度。如果沒有已校準的水力模型，則基于拓撲的算法可以集中在系統(tǒng)的拓撲結構上，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，則基于拓撲的方法可用于在整個系統(tǒng)上獲取良好的傳感器位置。一旦系統(tǒng)被校準，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管網漏損定位算法

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

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）中相應值之間的差異來找到漏損的大致位置。在數(shù)學上，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）是一個標量的一維函數(shù)，稱為適應度或目標函數(shù)，它定義了抽象的適應度面。 x是函數(shù)參數(shù)空間中的向量。

4、經濟效益分析

4.1經濟效益

成本投入：軟件費用+網絡硬件費用+管網硬件費用+施工費+修漏費

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

2）網絡硬件包括：服務器、機柜、交換機、路由器、陣列存儲器、服務器硬盤、圖形工作站、防火墻等；

3）管網硬件包括：流量計、水表、壓力儀、遠傳設備、供電設備、閥門等；

4）施工包括流量計、水表、壓力儀、遠傳設備、供電設備、閥門的安裝以及管網改造等；

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

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)投資回收期遠遠短于10年，在不做大規(guī)模的管網改造的前提下一般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，可見精細化的分區(qū)建設對漏損的控制有著非常顯著的經濟效益。

4.2環(huán)境效益

管網漏損的精確定位可以極大程度的保護原水資源，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距離調水等水源工程的建設年限，降低管網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，降低因管網水質被污染而造成公共危機的可能性，降低因管網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作用。

5、結語

城鎮(zhèn)供水管網漏損精確檢測定位系統(tǒng)在數(shù)字化供水管線的基礎上，運用可視化的方式進行模型的呈現(xiàn)，其核心算法可以讓各級水司以極少投入代價達到分區(qū)管理的效果，使構建覆蓋全城鎮(zhèn)DMA管理方式成為可能，并且在深度學習架構逐步成熟的時期，擁有不斷擴展模型動態(tài)感知和自主判斷的可能性，將有效降低水司的經營管理風險，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，是當下智慧城市建設進程中不容忽視的重要角色。

參考文獻：

[ 1 ] 曾祥強. 城市供水管網漏損控制措施[ J]， 中國城市經濟 2011

[ 2 ] 陸韜、劉燕、李佳、董驍. 我國供水管網漏損現(xiàn)狀及控制措施研究 [N]， 復旦學報， 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。

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