楊衛(wèi)國 董紫乾 張 良 栗俊濤

1. 煙臺市城市排水服務中心 山東 煙臺 264001

2. 中國市政工程華北設計研究總院有限公司 天津 300074

1 研究背景與意義

排水管網(wǎng)是城市重要的基礎設施之一，是城市水污染防治、排漬防澇和防洪的骨干工程，擔負著收集、轉輸城市生活污水和工業(yè)廢水，及時排除城區(qū)雨水的任務，是保證城市正常運轉的重要生命線。而排水管道的結構、功能問題日益突出，若不及時養(yǎng)護修復，可能導致嚴重的水環(huán)境問題甚至引發(fā)地面坍塌等嚴重事故[1]。因此，定期開展管道的檢測，查明管道病害，能夠及時指導開展必要的維修和養(yǎng)護工作，降低管道的生命周期成本[2]。

目前，已有較多成熟的管道缺陷檢測技術得到應用，如閉路電視（CCTV）檢測技術、激光檢測技術、潛望鏡檢測技術、紅外熱成像技術、超聲波檢測技術及探地雷達檢測技術[3]。其中，CCTV應用最為普遍，利用管道機器人進行探測和攝像，同步記錄管道內(nèi)狀況，直觀展示下水管道內(nèi)部信息。由于攝像機拍攝環(huán)境復雜，以及判讀人員專業(yè)技術可能存在一定的局限[4]，管道檢測數(shù)據(jù)往往存在錯誤和不確定性。在對荷蘭四個城市排水集水區(qū)進行的一項調(diào)查中表明，在第一次檢查中觀察到的多達30%的缺陷在第二次檢查中“消失”了。然而，開展多輪檢測并進行檢測結果對比將會增添不必要的人力投入，不利于分析和統(tǒng)計。此外，僅依靠管道檢測技術也難以為舊管道修復和新管道鋪設提供決策支持[5]。

為解決上述問題，已有很多專家和學者做出了努力和嘗試[6]。中國市政工程華北院一直是排水行業(yè)中創(chuàng)新和推廣實用技術的先鋒，致力于為排水系統(tǒng)的規(guī)劃設計和運行管理提供分析和決策支持，開發(fā)了多款服務于排水系統(tǒng)運維、檢測和調(diào)度的工具。本文所描述的排水管網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)可視化管理系統(tǒng)（MESurvey）是借助煙臺市排水服務中心對排水管網(wǎng)日常維修和養(yǎng)護的豐富經(jīng)驗，以及中國市政工程華北設計研究院智慧水務分院提供的技術支持共同開發(fā)完成的。該系統(tǒng)是一個資產(chǎn)可視化及決策分析工具，在準確的排水資產(chǎn)數(shù)據(jù)基礎上，將管道檢測數(shù)據(jù)與數(shù)字化的管道數(shù)據(jù)進行逐一綁定，實現(xiàn)對屬性信息和管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)的集成管理[7]。

MESurvey是一款集展示、分析、維護功能于一身的工具軟件，該軟件將歷次檢測數(shù)據(jù)與排水管道資產(chǎn)數(shù)據(jù)綁定并可視化，通過數(shù)據(jù)分析算法判斷管道缺陷位置、了解缺陷類型、掌握缺陷區(qū)域大小，為管道修復提供依據(jù)。另外，通過對缺陷數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和匯總，合理劃分缺陷等級，找出管道最佳生命周期成本，供城市排水管理工作者和決策者分析和使用，為未來鋪設管道提供合理化建議[8]。

2 系統(tǒng)介紹及描述

MESurvey是一種可視化及決策工具，在收集排水資產(chǎn)數(shù)據(jù)和管道檢測數(shù)據(jù)的基礎上，為排水管網(wǎng)規(guī)劃管理、修復和養(yǎng)護提供直觀依據(jù)和可靠方案。該系統(tǒng)可以解決的關鍵問題如下：

(1) 直觀展示排水管道檢測數(shù)據(jù)；

(2) 存儲利用歷次檢測數(shù)據(jù)，提高循環(huán)管理次數(shù)，發(fā)揮數(shù)據(jù)的最大價值；

(3) 快速尋找排水管道最佳生命周期成本。

該系統(tǒng)利用完整的排水資產(chǎn)數(shù)據(jù)為底層數(shù)據(jù)，通過導入檢測數(shù)據(jù)，可以為檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示、查詢、管理與分析提供平臺。系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)導入、數(shù)據(jù)管理展示、管段狀態(tài)評估和成本估算四大模塊。

2.1 數(shù)據(jù)導入模塊

數(shù)據(jù)導入模塊利用GIS技術可以統(tǒng)一存儲和管理空間數(shù)據(jù)的特點，將基礎地理信息和管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)集成管理并動態(tài)顯示在地圖上，通過數(shù)據(jù)分層直觀體現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)表達對象，有序管理排水管網(wǎng)相關的數(shù)據(jù)[9]。同時數(shù)據(jù)導入模塊提供檢測數(shù)據(jù)的標準字段，用戶只需要選擇匹配的字段，即可將檢測數(shù)據(jù)批量導入數(shù)據(jù)庫，建立交換數(shù)據(jù)之間的列（或字段）的映射關系，如圖 1所示。

圖1 檢測數(shù)據(jù)導入

該模塊通過自動生成管網(wǎng)檢測信息數(shù)據(jù)庫，可以顯著減少業(yè)務人員繁重、復雜的數(shù)據(jù)處理工作量，提升數(shù)據(jù)導入的效率和可靠性。

2.2 數(shù)據(jù)管理展示模塊

數(shù)據(jù)管理模塊可以對排水管網(wǎng)的管道內(nèi)窺檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，存儲作業(yè)編號、檢測日期、檢測單位、缺陷名稱、缺陷位置、功能性缺陷、結構性缺陷等詳細檢測信息。該模塊將檢測信息與管網(wǎng)進行關聯(lián)，可統(tǒng)計已進行管網(wǎng)檢測的管段數(shù)量，對檢測數(shù)據(jù)分級分類進行管段缺陷渲染，同時可根據(jù)“是否已進行檢測”渲染排水管網(wǎng)系統(tǒng)，便于管理人員快速地了解管網(wǎng)系統(tǒng)檢測情況。

當同一管段在不同時期進行了多次檢測，系統(tǒng)將默認展示最新日期的排水管網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)“檢測年限”字段，快速完成歷次檢測數(shù)據(jù)對比分析，提高管理循環(huán)性次數(shù)。

數(shù)據(jù)展示模塊可以進行管段檢測數(shù)據(jù)展示，通過點擊已檢測管段，可查看管段基本屬性及檢測視頻信息，同時主界面下方將展示本管段各缺陷的縱向位置和環(huán)向位置，支持查看缺陷現(xiàn)場照片，如圖2所示。

圖2 缺陷展示

2.3 管段狀況評估模塊

已導入的檢測數(shù)據(jù)可通過管段狀況評估模塊生成管段狀況評估表和管段缺陷統(tǒng)計表，并按照CJJ181—2012《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程》中的計算公式對已判讀為缺陷的管段的結構性缺陷平均值S、最大值Smax、缺陷等級、缺陷密度、修復指數(shù)RI、功能性缺陷中的平均值Y等進行更新評估[10]。

2.4 成本估算模塊

該系統(tǒng)還包含成本估算模塊，可以為管道修復提供決策，對修復價格進行評估，找到最具成本效益的修復和養(yǎng)護計劃。排水管道需定期檢查并隨著時間的推移進行維護，管理者可通過成本估算模塊采取主動和預防性維護和修復工作，當管段結構和功能缺陷等級小于3級將默認列入計劃修復計劃，3級及以上根據(jù)缺陷等級和管段所處位置選擇對應的方法進行修復，圖3展示了管道評估流程和修復方法的設置。如果某管道的缺陷程度嚴重，修復費用過高，需立即更換新管道，以減少對城市生活和環(huán)境的干擾，并最大限度地降低生命周期成本。

圖3 管道評估流程

3 案例分析

3.1 項目概述

某城排水管網(wǎng)總長度約141km，包含雨水管道、污水管道、合流制管道、截污干管、主排水管道及小區(qū)內(nèi)部等管道，管徑范圍在DN300至DN1500之間，多個檢測廠商對其中6.07km的主干管網(wǎng)分批進行CCTV檢測，并將檢測后的成果導入到本系統(tǒng)中。

3.2 數(shù)據(jù)標準化及導入

針對檢測數(shù)據(jù)質量與格式參差不齊的情況，使用MESurvey提供的檢測數(shù)據(jù)標準字段進行數(shù)據(jù)標準化，將檢測與評估信息表與判讀缺陷信息表導入到系統(tǒng)中，并及時將異常數(shù)據(jù)與異常原因反饋給檢測廠商，待檢測廠商進行復核后，再次導入數(shù)據(jù)，最終完成檢測成果的數(shù)字化移交，如圖4所示。

圖4 導入成果展示

3.3 項目成果

經(jīng)統(tǒng)計，本次共檢測管道數(shù)據(jù)142段，結構性缺陷4級占比16.20%，3級占比27.46%，需立即安排修復；2級及以下結構性缺陷管段占比50.70%，列入修復計劃；正常管段5.63%。功能性缺陷4級占比4.23%，3級占比2.82%，需立即安排養(yǎng)護工作；2級及以下功能性缺陷管段占比47.89%，需安排周期性巡查養(yǎng)護工作；正常管段45.07%。通過缺陷等級渲染，快速鎖定管段位置，安排修復工作，如圖 5所示。

圖5 管道結構性缺陷等級分布

根據(jù)管道所處位置、管徑大小及重要程度選擇不同方法對結構性缺陷進行工作，根據(jù)價格預估，進行該項工作的成本約166.8萬元，如圖 6所示。通過分析該區(qū)域的已檢測管段，可發(fā)現(xiàn)該區(qū)域管段缺陷較為嚴重，應對剩余未展開檢測的管網(wǎng)進行檢測工作，對存在問題的管道進行修復。

圖6 修復價格預估

4 結論和展望

排水管網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)（MESurvey）通過對排水管網(wǎng)資產(chǎn)與檢測數(shù)據(jù)的綁定，實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的可視化動態(tài)管理，提高檢測循環(huán)管理次數(shù)，幫助管理者科學有效地開展排水管網(wǎng)設施養(yǎng)護、修復或更換工作，提高排水管網(wǎng)的生命周期及設施的修復效率，降低修復或更換設施的成本，全面提升區(qū)域排水管網(wǎng)資產(chǎn)的運營管理水平，最大限度地發(fā)揮檢測數(shù)據(jù)的效益。

由于諸多因素，本文的研究工作還需要進一步完善，整個系統(tǒng)構建的模式還不是十分精細，還有大量的工作要做，系統(tǒng)還需進一步改進與擴充，主要研究內(nèi)容如下：

(1) 在現(xiàn)有C/S架構基礎之上，開發(fā)B/S與M/S端檢測數(shù)據(jù)管理的相關業(yè)務系統(tǒng)，打造多源數(shù)據(jù)與排水管理集一體的數(shù)據(jù)平臺，進一步提高排水管網(wǎng)精細化管理能力；

(2) 積累檢測數(shù)據(jù)，集成深度學習算法。對檢測數(shù)據(jù)深度挖掘，提前預知未來管道面臨的故障風險，提高對管道風險的應對能力。