張守軍

摘要：針對(duì)農(nóng)村管網(wǎng)供水漏損率高、爆管監(jiān)控定位困難、檢修運(yùn)維成本高等問(wèn)題，基于管網(wǎng)綜合預(yù)測(cè)診斷模型設(shè)計(jì)了農(nóng)村人飲管網(wǎng)水損失監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，并成功應(yīng)用。該系統(tǒng)通過(guò)建立管網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，直觀了解和掌控管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，并應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析節(jié)點(diǎn)的流量和壓力數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)爆管風(fēng)險(xiǎn)和確定爆管位置，得到爆管分析診斷結(jié)果，并提供處理策略，有效保障了管網(wǎng)安全運(yùn)行，提高了運(yùn)維效率。該系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于彭陽(yáng)縣農(nóng)村人飲供水工程綜合管理、科學(xué)運(yùn)營(yíng)具有較大經(jīng)濟(jì)和安全意義。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村人飲管網(wǎng);管網(wǎng)漏水監(jiān)測(cè);系統(tǒng)設(shè)計(jì);寧夏回族自治區(qū)

中圖法分類號(hào)：TU991.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.013

1人飲管網(wǎng)漏損問(wèn)題

管網(wǎng)漏損率是管網(wǎng)漏水量與供水總量之比。目前供水管網(wǎng)漏損的主要原因是早期的管道材質(zhì)與施工質(zhì)量較差。我國(guó)供水管網(wǎng)平均漏損率為15.7%，有些地方甚至高達(dá)30%以上，中小型城鎮(zhèn)的管網(wǎng)漏失情況更加嚴(yán)重，而發(fā)達(dá)國(guó)家漏損率為6%～8%。管網(wǎng)水量的流失不僅損害經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還極易引起地下土層的流失，由此引發(fā)災(zāi)害，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。

農(nóng)村人飲管網(wǎng)漏損情況較為普遍。由于農(nóng)村管網(wǎng)具有范圍廣、管線長(zhǎng)、用水量低等特點(diǎn)，農(nóng)村管網(wǎng)漏損率較城鎮(zhèn)高出許多;因漏損導(dǎo)致供水企業(yè)制水成本增加，使原本供水緊張的農(nóng)村更加困難。管網(wǎng)漏損不僅浪費(fèi)了寶貴的水資源，而且還使供水企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，供水管網(wǎng)的漏損分析與控制工作是供水工程運(yùn)行管理的重點(diǎn)。管網(wǎng)漏損點(diǎn)的確定需要運(yùn)維人員排查整條供水管道，耗時(shí)費(fèi)力，運(yùn)維成本高。農(nóng)村供水管網(wǎng)鋪設(shè)位置遠(yuǎn)離城區(qū)，地形復(fù)雜，導(dǎo)致故障排查更加困難，檢修成本更高。本文通過(guò)將自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備與管網(wǎng)分析診斷模型相結(jié)合，可有效地解決以上問(wèn)題。

彭陽(yáng)縣位于寧夏回族自治區(qū)東南部邊緣，山大溝深，居民居住分散，全縣人飲工程點(diǎn)多、面廣、線長(zhǎng)，農(nóng)村飲水干支管達(dá)6200km，已建工程標(biāo)準(zhǔn)偏低、跑冒滴漏、事故頻發(fā)、供水保障率低等問(wèn)題亟需解決。

通過(guò)建立農(nóng)村人飲管網(wǎng)水損失監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，可以掌控管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)測(cè)爆管風(fēng)險(xiǎn)和確定爆管位置，無(wú)需耗費(fèi)大量人力查驗(yàn)管道情況。運(yùn)維人員根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果可以直接排查爆管點(diǎn)，提高工作效率，保障供水工程安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于彭陽(yáng)縣供水工程的運(yùn)行管理具有較大經(jīng)濟(jì)和安全意義。

2系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

農(nóng)村人飲管網(wǎng)損失監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包括多級(jí)人飲供水管網(wǎng)爆管判定、預(yù)測(cè)診斷和處理模型的確定、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、人飲供水管網(wǎng)預(yù)測(cè)診斷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)等，具體建設(shè)內(nèi)容如下。

（1）開發(fā)管網(wǎng)綜合預(yù)測(cè)診斷模型。采集分析了管網(wǎng)的壓力和流量數(shù)據(jù)，依據(jù)歷史爆管記錄，計(jì)算得到管網(wǎng)各位置的爆管風(fēng)險(xiǎn)，推斷出爆管點(diǎn)位置。

（2）搭建良好的數(shù)據(jù)架構(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)。存儲(chǔ)管網(wǎng)的爆管歷史記錄、所處地質(zhì)、管材、坡度等多方面的數(shù)據(jù)和管網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為管網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）研發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和“一張圖”。綜合展示匯集數(shù)據(jù)、關(guān)鍵指標(biāo)、模型預(yù)測(cè)診斷結(jié)果。

3管網(wǎng)綜合預(yù)測(cè)診斷模型

分析管網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值、歷史爆管信息和管網(wǎng)工程檔案等數(shù)據(jù)，自主研發(fā)管網(wǎng)綜合預(yù)測(cè)診斷模型，判斷爆管事件，分析爆管位置，提供處理測(cè)量。模型主要分為管網(wǎng)爆管判定、管網(wǎng)爆管診斷分析和管網(wǎng)爆管處理3部分。

3.1管網(wǎng)爆管判定

采集和分析供水管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括各節(jié)點(diǎn)的流量和壓力。根據(jù)供水管道管徑材質(zhì)等工程數(shù)據(jù)和管道運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)確定正常狀態(tài)閾值，建立管道爆管判定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)流量或壓力值發(fā)生異常時(shí)，判斷是否發(fā)生爆管。

3.2管網(wǎng)爆管診斷分析

（1）流量壓力檢測(cè)分析。建立流量壓力值分析模型，通過(guò)采集和分析管道各節(jié)點(diǎn)處的流量和壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)異常的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，標(biāo)識(shí)可能爆管的管道區(qū)域，并分析各段管道或具體點(diǎn)位的爆管概率，推測(cè)該管道最可能發(fā)生爆管的位置。

（2）管網(wǎng)大數(shù)據(jù)診斷分析。分析人飲供水管網(wǎng)運(yùn)行期間所有供水管道監(jiān)測(cè)信息：各節(jié)點(diǎn)的流量和壓力數(shù)據(jù)以及供水管網(wǎng)工程數(shù)據(jù)，如管網(wǎng)周圍地質(zhì)、坡度、管道管徑、材質(zhì)、建設(shè)年代、施工隊(duì)伍等。統(tǒng)計(jì)管網(wǎng)運(yùn)行期間所有歷史爆管事件，分析爆管歷史記錄詳細(xì)信息，包括爆管點(diǎn)位置、發(fā)生原因及時(shí)間、各管道爆管次數(shù)等。依據(jù)各類數(shù)據(jù)，建立爆管診斷分析模型，根據(jù)管網(wǎng)不同管道的特性給出不同地點(diǎn)的爆管風(fēng)險(xiǎn)。

3.3管網(wǎng)爆管處理

（1）閥門關(guān)閉策略。當(dāng)爆管發(fā)生時(shí)，首先根據(jù)管網(wǎng)分析診斷模型得到各疑似爆管點(diǎn)的爆管風(fēng)險(xiǎn)，然后分析人飲供水管網(wǎng)各處的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各節(jié)點(diǎn)的流量和壓力、用戶的用水量等信息，提出爆管的閥門關(guān)閉策略，在最小化爆管對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)影響和損失的同時(shí)，盡可能保障供水率。

（2）管道維修策略。將各疑似爆管點(diǎn)的信息進(jìn)行分析，綜合考慮各節(jié)點(diǎn)地理位置和爆管幾率，得到各爆管點(diǎn)維修優(yōu)先級(jí)順序，生成管道維修線路圖，方便運(yùn)維人員排查和維修。

4管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制體系

管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制體系是為了監(jiān)測(cè)管理管網(wǎng)壓力、流量等數(shù)據(jù)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)擴(kuò)展業(yè)務(wù)內(nèi)容，包括管網(wǎng)的跑冒爆管、管道日常巡查維護(hù)檢修、遇到異常情況或者需要人為干預(yù)時(shí)對(duì)電動(dòng)閥門進(jìn)行控制建設(shè)的一套測(cè)控體系。

供水管網(wǎng)測(cè)控體系需要通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制等自動(dòng)化設(shè)施建設(shè)，實(shí)現(xiàn)壓力、流量的快速采集傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要分水節(jié)點(diǎn)的水情在線監(jiān)測(cè)、聯(lián)合控制邏輯。當(dāng)出現(xiàn)水管破裂、用水戶停水、設(shè)備檢修、管網(wǎng)整改等問(wèn)題時(shí)，能夠通過(guò)判斷全局的供水情況進(jìn)行控制，保證供水工程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為農(nóng)村人飲管網(wǎng)損失監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)和業(yè)務(wù)支撐。

考慮到該工程項(xiàng)目自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備施工安裝條件多為野外環(huán)境，故解決方案采用的自動(dòng)化采集控制設(shè)備具備智能休眠、低功耗、鋰電池+太陽(yáng)能供電、GPRS通訊、多通訊協(xié)議、多端口、多種傳感器接人、設(shè)備軟件功能遠(yuǎn)程升級(jí)，同時(shí)支持云平臺(tái)邏輯及自運(yùn)行、保護(hù)邏輯。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備可有效解決野外供電、數(shù)據(jù)采集、控制及通訊問(wèn)題，保證數(shù)據(jù)最短每5min上報(bào)云平臺(tái)、設(shè)備及時(shí)通訊、控制操作及時(shí)響應(yīng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行，保障了整個(gè)供水管網(wǎng)體系的可測(cè)可控。

（1）系統(tǒng)架構(gòu)。管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備布置結(jié)構(gòu)見圖1。

（2）監(jiān)控設(shè)備布設(shè)。①高位水池：水位計(jì)、出口流量及閥門;②泵站前水池：控泵、閥門、壓力、水位計(jì)、流量計(jì);③低位水池（減壓池）：閥門、壓力、水位、出口流。主要設(shè)備配置見表1。

5系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的用戶包括彭陽(yáng)縣水務(wù)局及其下屬單位。其中，水務(wù)局的用戶包括領(lǐng)導(dǎo)和各科室的業(yè)務(wù)人員，下屬單位用戶包括農(nóng)村供水總站、管理站、水利工作站及水廠等。

5.1技術(shù)路線

該系統(tǒng)的總體業(yè)務(wù)邏輯為：收集管網(wǎng)相關(guān)的海量大數(shù)據(jù)，建立各種管網(wǎng)分析模型，包括管網(wǎng)爆管判定、診斷分析和處理。首先判定模型可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道爆管，然后運(yùn)用分析預(yù)測(cè)模型在爆管范圍標(biāo)識(shí)可能爆管的管道區(qū)域，即可根據(jù)爆管風(fēng)險(xiǎn)推測(cè)爆管的具體管道，最后通過(guò)歷史信息分析推測(cè)該管道中最可能發(fā)生爆管的位置，并基于爆管處理模型給出相應(yīng)的處理策略。將分析結(jié)果在“一張圖”上進(jìn)行展示，提供各種信息的查詢和解析。

基于java開發(fā)，應(yīng)用Spring+springMvc+Mybatis框架，前端界面應(yīng)用JavaScript、CSS和openlayers技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖形界面交互，后臺(tái)將模型進(jìn)行封裝，前端采用接口的形式調(diào)用模型，得到優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。系統(tǒng)可滿足本地化部署和云端部署，將通用化供水管網(wǎng)分析診斷模型部署到云端，提供多處供水工程的預(yù)測(cè)診斷服務(wù)，可應(yīng)用于高并發(fā)、高重用性、高效率的各類供水工程。

5.2數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

配置適度規(guī)模的存儲(chǔ)系統(tǒng)，滿足信息存儲(chǔ)的需要。建設(shè)信息匯聚系統(tǒng)，將供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、管網(wǎng)材質(zhì)、管道周圍地質(zhì)、坡度、管網(wǎng)歷史爆管記錄等信息匯聚到存儲(chǔ)中心數(shù)據(jù)庫(kù)，供管網(wǎng)分析診斷、系統(tǒng)調(diào)用（見圖2）。此外，每次管網(wǎng)分析診斷的結(jié)果也將存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，后臺(tái)提供接口服務(wù)，以便運(yùn)維人員對(duì)管網(wǎng)歷史運(yùn)行情況進(jìn)行管理和查詢。數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、地圖數(shù)據(jù)庫(kù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)5類。不同的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)復(fù)制及數(shù)據(jù)遷移、轉(zhuǎn)換與加載。

通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)控信息、流量信息采集、視頻監(jiān)控信息采集與集成，以數(shù)據(jù)接口的形式，匯聚寧夏回族自治區(qū)水利廳各科室管理過(guò)程的業(yè)務(wù)信息，并交換共享氣象、國(guó)土等部門的數(shù)據(jù)信息;基于彭陽(yáng)縣安全管理總站信息化基礎(chǔ)設(shè)施、專線工程水管所信息化設(shè)施和自治區(qū)水利云平臺(tái)，借助云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，建設(shè)彭陽(yáng)縣人飲數(shù)據(jù)資源中心，并與水利廳數(shù)據(jù)資源中心互為災(zāi)備體系，實(shí)現(xiàn)為彭陽(yáng)縣人飲供水工程科學(xué)管理提供數(shù)據(jù)挖掘和輔助決策服務(wù)。

5.3系統(tǒng)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)架構(gòu)。彭陽(yáng)縣人飲系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)可分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)兩大類，系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)見圖3。

（2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。系統(tǒng)由上位機(jī)服務(wù)器、WEB應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、消息隊(duì)列服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、帶GPRS/GSM模塊的采集器、流量計(jì)、液位傳感器及水質(zhì)儀器等組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖4。

（3）功能架構(gòu)?；诠┧芫W(wǎng)診斷“一張圖”，開發(fā)人飲管網(wǎng)水損失監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，結(jié)合地理位置信息、管網(wǎng)位置信息、管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)信息以及管網(wǎng)分析結(jié)果，通過(guò)“一張圖”的直觀方式，既能掌握管網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，也可從空間維度上智能檢索和查詢管網(wǎng)相關(guān)的信息詳情。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5.4業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)

（1）供水管網(wǎng)診斷一張圖。建立供水管網(wǎng)診斷一張圖，通過(guò)GIS應(yīng)用創(chuàng)建地圖文檔，指定矢量和柵格數(shù)據(jù)源，創(chuàng)建專題圖，設(shè)置注記，然后通過(guò)GISServer管理器發(fā)布為地圖服務(wù)。供水管網(wǎng)診斷一張圖包括基礎(chǔ)地圖圖層、供水管道圖層、供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖層及人飲供水工程點(diǎn)圖層。管網(wǎng)診斷一張圖可以展示地理信息、供水管道材質(zhì)、管徑、建設(shè)日期、建設(shè)單位、供水范圍、供水人口及管道周圍地質(zhì)等基本信息。供水管網(wǎng)圖層界面見圖6。

（2）管網(wǎng)運(yùn)行形勢(shì)解析。可以展現(xiàn)供水管網(wǎng)全局運(yùn)行形勢(shì)，也可在電子地圖上點(diǎn)擊或圖形框選，查詢相應(yīng)范圍內(nèi)供水管網(wǎng)的運(yùn)行信息，并匯總得到管網(wǎng)運(yùn)行形勢(shì)解析表。該解析功能既可監(jiān)測(cè)單個(gè)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的壓力、流量等狀態(tài)數(shù)據(jù)，也能查看管網(wǎng)故障率和綜合評(píng)價(jià)等整體運(yùn)行形勢(shì)，并支持柱狀圖、餅圖及報(bào)表等多種清晰直觀的表達(dá)方式。

（3）爆管分析結(jié)果展示。結(jié)合“一張圖”，對(duì)爆管的分析結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)直觀展示。可以在電子地圖上點(diǎn)擊或圖形框選，查詢出相應(yīng)范圍內(nèi)供水管網(wǎng)的爆管分析結(jié)果。分析和展示的內(nèi)容包括異常的流量和壓力數(shù)據(jù)、各管段的爆管風(fēng)險(xiǎn)、可能發(fā)生爆管的區(qū)域及爆管的位置點(diǎn)等信息。爆管分析結(jié)果展示功能可以選擇年、月、日等不同時(shí)段的條件，查詢管網(wǎng)歷史爆管記錄，支持柱狀圖、餅圖、報(bào)表等多種清晰直觀的表達(dá)方式。爆管分析界面見圖7。

（4）爆管處理策略展示。結(jié)合“一張圖”，對(duì)爆管的處理策略進(jìn)行詳細(xì)直觀的展示。根據(jù)分析結(jié)果，提供相應(yīng)的供水管網(wǎng)爆管處理策略。分析和展示的內(nèi)容包括閥門關(guān)閉位置、管道維修線路等信息，方便運(yùn)維人員進(jìn)行排查維修。爆管處理策略展示功能可以選擇年、月、日等不同時(shí)段或不同區(qū)域的查詢條件，查詢管網(wǎng)爆管的處理方案。

5.5系統(tǒng)部署

該軟件系統(tǒng)部署在自治區(qū)水利廳云平臺(tái)，而調(diào)度中心、泵站和水廠均采用wEB方式訪問(wèn)，并通過(guò)用戶權(quán)限管理，實(shí)現(xiàn)不同單位、層級(jí)、角色的用戶的分級(jí)訪問(wèn)。本項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備充分利用寧夏回族自治區(qū)公共云平臺(tái)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備實(shí)現(xiàn)，并使用該平臺(tái)提供的安全服務(wù)。系統(tǒng)部署示意見圖8。

6結(jié)語(yǔ)

農(nóng)村人飲管網(wǎng)損失監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用成果主要有：①建立了管網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，為綜合評(píng)價(jià)管網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。②應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析各節(jié)點(diǎn)的流量和壓力數(shù)據(jù)，建立了管網(wǎng)預(yù)測(cè)診斷模型。③根據(jù)爆管分析診斷結(jié)果，提供處理策略。

在農(nóng)村人飲管網(wǎng)損失監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)應(yīng)用后，彭陽(yáng)縣供水公司運(yùn)維人員從90人減至40人，工資成本每年減少120萬(wàn)元;供水保證率由65%提高至95%;管網(wǎng)漏失率由40%降至15%;故障排查的時(shí)間由數(shù)天縮短到幾小時(shí)以內(nèi);達(dá)到了減員、降本、節(jié)水、增效的良好效果，對(duì)供水工程運(yùn)行管理具有較大經(jīng)濟(jì)和安全意義。