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導(dǎo) 讀
介紹了供水系統(tǒng)爆管監(jiān)測(cè)的研究框架，針對(duì)爆管是否可監(jiān)測(cè)問題，結(jié)合供水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際情況，提出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的背景噪聲、爆管最小可監(jiān)控管徑等基本概念及分析方法。從設(shè)計(jì)的角度提出了爆管強(qiáng)度的概念，同時(shí)提出了監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)量優(yōu)化要考慮投入產(chǎn)出比，建議參考邊際效益（如爆管監(jiān)測(cè)覆蓋率）來確定監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)量。還提出了監(jiān)測(cè)網(wǎng)的空間優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并認(rèn)為最終的優(yōu)化成果要明確哪些管線在監(jiān)測(cè)范圍之內(nèi)。在爆管監(jiān)測(cè)技術(shù)方面，針對(duì)國內(nèi)外研究工作中極少討論的成果驗(yàn)證與評(píng)估方面提出了一些參考性指標(biāo)。
城市供水系統(tǒng)是城市生命線工程，對(duì)維持正常的社會(huì)生活、生產(chǎn)秩序和公共安全至關(guān)重要。如果發(fā)生主干管“爆管”，極易引起全城供水危機(jī)，交通癱瘓等。目前主要是根據(jù)地面是否有水溢出（居民報(bào)告或人工巡視）來發(fā)現(xiàn)爆管事故和尋找爆管位置，往往到發(fā)現(xiàn)爆管事故和找到爆管位置時(shí)，已經(jīng)造成大量水資源流失并嚴(yán)重影響到城市的正常運(yùn)行。鑒于給水管道爆管事故帶來的負(fù)面影響是比較嚴(yán)重的，如何預(yù)防、減少爆管，并能夠快速應(yīng)對(duì)這類突發(fā)事件是生產(chǎn)實(shí)踐和理論研究的熱點(diǎn)之一。本文僅就體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行闡述，具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法不進(jìn)行詳細(xì)討論，旨在為理論研究者和工程應(yīng)用單位提供比較系統(tǒng)的參考。同時(shí)協(xié)助應(yīng)用單位在工程建設(shè)中提出合理的技術(shù)要求和目標(biāo)，盡可能避免在研究和工程實(shí)踐中的風(fēng)險(xiǎn)，在技術(shù)可達(dá)的范圍內(nèi)提高資金的利用效率，提升社會(huì)服務(wù)能力。
1爆管監(jiān)測(cè)研究的理論體系
1.1 現(xiàn)階段技術(shù)方向的選擇
爆管監(jiān)測(cè)有非常明確的社會(huì)需求，是供水領(lǐng)域尚未得到較好解決的工程問題之一，其中也蘊(yùn)含著復(fù)雜的科學(xué)問題。不管采用什么技術(shù)路線，面向工程應(yīng)用都要兼顧技術(shù)的實(shí)用性、可操作性，尤其是在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定和可靠性。目前國內(nèi)外關(guān)于爆管監(jiān)測(cè)的研究主要有兩個(gè)技術(shù)方向：基于擬穩(wěn)態(tài)壓力和流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)（采樣周期>1 s）突變的分析法和基于壓力波（瞬態(tài)波）的分析法。基于擬穩(wěn)態(tài)壓力和流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法的物理基礎(chǔ)是：供水爆管后，管網(wǎng)的壓力通常出現(xiàn)比較明顯的下降，管網(wǎng)流量也會(huì)增加，據(jù)此判斷管網(wǎng)可能出現(xiàn)爆管。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件比較來看，基于擬穩(wěn)態(tài)壓力和流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方法在目前階段相對(duì)更現(xiàn)實(shí)：
擬穩(wěn)態(tài)的壓力監(jiān)控設(shè)備價(jià)格遠(yuǎn)低于瞬態(tài)波監(jiān)控設(shè)備,現(xiàn)有供水管網(wǎng)絕大部分采用擬穩(wěn)態(tài)的監(jiān)控設(shè)備，建設(shè)成本已經(jīng)下降到一般自來水公司完全可接受的范圍，并且可進(jìn)一步提高布設(shè)密度，經(jīng)濟(jì)條件上較優(yōu)。
擬穩(wěn)態(tài)的設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性要好于瞬態(tài)波監(jiān)控設(shè)備，雖然瞬態(tài)波監(jiān)控能夠獲取更多信息，但是越是精密的儀器，環(huán)境要求越高。室外監(jiān)測(cè)條件對(duì)儀表來講都比較惡劣，絕大部分只能布置在潮濕的管道井內(nèi)，甚至長期浸泡在水中。
高頻采集設(shè)備也意味著對(duì)供電有較高的要求，大部分現(xiàn)場(chǎng)條件難以滿足。
從成本和應(yīng)用環(huán)境來看，采用擬穩(wěn)態(tài)監(jiān)控設(shè)備目前較為現(xiàn)實(shí)，以此為基礎(chǔ)的研究和工程應(yīng)用是當(dāng)前較為可行的方向，也不排除今后高頻采集設(shè)備的成本和環(huán)境適應(yīng)性大幅度提升，成為主流研究方向。
1.2 爆管監(jiān)測(cè)的基本問題與技術(shù)路線
許多學(xué)者探索采用不同算法來監(jiān)測(cè)爆管。不管采用什么算法，首先要確認(rèn)研究對(duì)象物理?xiàng)l件的可行性，由此筆者提出了3個(gè)基本問題：
采用現(xiàn)有的設(shè)備，爆管是否可以監(jiān)測(cè)；如果可以監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)可以到什么水平。
在可以監(jiān)測(cè)的前提下，如何較好地布置監(jiān)測(cè)網(wǎng)，提高監(jiān)測(cè)效率和可靠性。
在爆管監(jiān)測(cè)網(wǎng)已建立的基礎(chǔ)上，如何利用監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，在第一時(shí)間有效識(shí)別爆管的地點(diǎn)。
本文將爆管監(jiān)測(cè)3個(gè)基本問題分解為10個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，10個(gè)技術(shù)要點(diǎn)有的是現(xiàn)有成熟技術(shù)的應(yīng)用，有的是待進(jìn)一步拓展和探索的技術(shù)，有的是新概念，它們之間的邏輯關(guān)系如圖1所示。針對(duì)第②、③個(gè)問題文獻(xiàn)較多，但對(duì)第一個(gè)問題幾乎無涉及。筆者認(rèn)為第一個(gè)問題非常關(guān)鍵，如果沒有解釋清楚，后續(xù)應(yīng)用層面將受到很大影響，因此第一問題的解決是開展后續(xù)兩個(gè)問題研究的重要前提。
2爆管監(jiān)測(cè)的最大監(jiān)測(cè)能力
不管算法如何先進(jìn)，研究工作必須基于研究對(duì)象的物理特征、測(cè)試設(shè)備的精度和工作環(huán)境所能提供的條件，綜合表述為“管網(wǎng)爆管的監(jiān)測(cè)能力”，包括兩個(gè)方面：爆管對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊信號(hào)有多大和監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠接受到什么水平的信號(hào)。在探索這個(gè)問題時(shí)，先要找到一種分析爆管的監(jiān)測(cè)能力的方法,對(duì)應(yīng)圖1中描述的前5個(gè)技術(shù)要點(diǎn)。其中第1、2要點(diǎn)合成后可以用于量化分析爆管對(duì)管網(wǎng)的沖擊。根據(jù)爆管對(duì)管網(wǎng)的沖擊大小和管網(wǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)物理特征，可初步判斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否可感知到爆管的沖擊。管網(wǎng)的壓力、流量是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的，這種波動(dòng)包含了管網(wǎng)系統(tǒng)自身波動(dòng)和監(jiān)測(cè)儀表的誤差，物理上是不可消除的，可視為管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的背景噪聲。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠感知爆管，客觀上要求爆管產(chǎn)生的沖擊信號(hào)大于背景噪聲，否則被淹沒在背景噪聲之下，文獻(xiàn)提出了“爆管最小可監(jiān)控管徑”的概念。簡單的例子可幫助理解這一概念：一個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)中DN500管道的爆管是比較容易被SCADA監(jiān)測(cè)到，但是DN50的管道爆管后，即使監(jiān)測(cè)設(shè)備放在非常近的位置也無法正常判別。在爆管可被感知和不被感知中間存在一個(gè)界限，這條界限就是“爆管最小可監(jiān)控管徑”。這個(gè)界限沒有考慮管道破裂的程度，但是說明了，即使最嚴(yán)重的破裂，當(dāng)管徑小于這一界限時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很難正常判別。這一指標(biāo)可作為應(yīng)用單位和設(shè)計(jì)單位的系統(tǒng)建設(shè)參考目標(biāo)。
2.1 爆管漏水量估計(jì)
管道爆裂之后，水會(huì)通過裂口流出。供水企業(yè)通常利用水廠瞬時(shí)流量變化估計(jì)爆管漏水量，這是一種事后分析的方法。在進(jìn)行爆管可監(jiān)測(cè)水平的估計(jì)過程時(shí)，需要預(yù)先估計(jì)。一些研究按照孔口出流的方式進(jìn)行估算，筆者通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際流量系數(shù)范圍較寬。管道上的孔口出流與來流速度、孔口的大小均有關(guān)系，可采用兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式估算。在EPANET模型中應(yīng)用時(shí)，可折算成相應(yīng)的射流系數(shù)來計(jì)算爆管的泄露量。
2.2 管網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特征與背景
噪聲供水管網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的壓力和流量數(shù)據(jù)以天為周期變化，同時(shí)包含一定的隨機(jī)性。通常采用3σ法則對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常的初步判斷。這種觀點(diǎn)源于統(tǒng)計(jì)學(xué)中3倍方差以外的事件屬于小概率事件，但是在實(shí)際供水系統(tǒng)中是否正確并無充分實(shí)證資料。筆者采取另一個(gè)觀點(diǎn)來說明合理數(shù)據(jù)范圍，對(duì)幫助判斷爆管或者優(yōu)化爆管監(jiān)測(cè)網(wǎng)可能更有說服力。
任何系統(tǒng)都存在一定的環(huán)境背景噪聲，供水系統(tǒng)也不例外。引起城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)水力波動(dòng)的因素包括用戶用水量、水泵閥門啟閉等，這些因素都是隨機(jī)變化的。同時(shí)儀器儀表本身也會(huì)受各種因素影響波動(dòng)。采集到的信號(hào)包含了儀表和被監(jiān)測(cè)對(duì)象隨機(jī)波動(dòng)，這兩部分波動(dòng)構(gòu)成了環(huán)境背景噪聲。
2.3 爆管沖擊影響分析
爆管是偶發(fā)現(xiàn)象，很難進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，一般只能借助管網(wǎng)水力模型。在進(jìn)行一般的爆管沖擊影響分析時(shí)，可采用設(shè)定漏水量或節(jié)點(diǎn)的射流系數(shù)進(jìn)行水力分析。水力模型包括傳統(tǒng)的流量驅(qū)動(dòng)和壓力驅(qū)動(dòng)模型。壓力驅(qū)動(dòng)模型中有一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)是與具體的供水系統(tǒng)有關(guān)，不易確定，增加了分析的難度。如果僅僅考慮某一管道爆管壓力下降是否超過背景噪聲（閾值為0.6~1.5 m），傳統(tǒng)的流量驅(qū)動(dòng)模型雖有誤差，也基本能滿足要求。以圖3模型為例，指定背景噪聲閾值ΔPc為0.8 m，爆管管道流速增加了1 m/s。假設(shè)當(dāng)節(jié)點(diǎn)水壓低于16 m后按照線性比例和周建華模型進(jìn)行折減，壓力驅(qū)動(dòng)法與傳統(tǒng)的流量驅(qū)動(dòng)法區(qū)別不明顯。如果僅評(píng)估爆管影響范圍，采用普通的流量驅(qū)動(dòng)模式能夠滿足基本要求。
2.4 爆管最小可監(jiān)控管徑
實(shí)際供水管網(wǎng)系統(tǒng)中，爆管事故的范圍受管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、管徑大小，爆管漏水口的大小影響。小型供水系統(tǒng)中，DN200的管道爆裂后，在水廠泵站就可以看到明顯的變化，但是在大型供水系統(tǒng)中，也許DN500的管道爆裂后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有顯著的變化，本質(zhì)上是由于管網(wǎng)自身耐沖擊負(fù)荷能力決定的。由此提出了一個(gè)供水系統(tǒng)“爆管可監(jiān)控最小管徑”的概念：對(duì)于一個(gè)特定的管網(wǎng)，當(dāng)爆管管徑小于某一臨界值時(shí)，由于爆管泄露后引起的流量和壓力變化低于背景噪聲水平，很難通過現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷是否出現(xiàn)了爆管。筆者以南方某大型城市供水系統(tǒng)為例進(jìn)行了模擬分析，其“爆管最小可監(jiān)控管徑”大體在DN500~600，這一值與該市調(diào)度部門實(shí)際情況與比較吻合，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
長期運(yùn)營過程中，對(duì)于DN400及以下的爆漏，不需要立即上報(bào)調(diào)度中心進(jìn)行處理，由各營業(yè)分區(qū)自行處理，其中一個(gè)內(nèi)在原因就是調(diào)度中心很少觀察到這一級(jí)別的爆管對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的沖擊，一般不調(diào)整現(xiàn)有運(yùn)行方案。
筆者在以該市為對(duì)象的爆管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究中，對(duì)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回測(cè)，DN500以上的爆管，檢出率較高，而該級(jí)別以下的爆管檢出率較低。雖然爆管的監(jiān)測(cè)與監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布置情況和爆管識(shí)別算法有密切關(guān)系，但是從另一個(gè)側(cè)面反映了監(jiān)測(cè)能力主要由管網(wǎng)系統(tǒng)自身物理結(jié)構(gòu)決定。最小可監(jiān)控管徑不是一個(gè)非常嚴(yán)格的數(shù)字，受到各種因素影響，大體在1~2個(gè)管徑級(jí)別范圍內(nèi)，建設(shè)單位在應(yīng)用中要把握好尺度，不宜提出超出實(shí)際技術(shù)能力要求，造成項(xiàng)目實(shí)施困難。
3爆管監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)
爆管是必然會(huì)發(fā)生的偶然事件，影響大，供水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)過程中一般也有相關(guān)考慮。監(jiān)測(cè)網(wǎng)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)該充分考慮投入產(chǎn)出比，一味追求“高大上”或“高精尖”會(huì)給后期的運(yùn)行管理造成較大的負(fù)擔(dān)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下，監(jiān)測(cè)網(wǎng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)爆管事件，并能夠較好的定位。管網(wǎng)水力監(jiān)測(cè)設(shè)備包括流量和壓力兩種。目前壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備成本較低，安裝也較為簡單，主要受制于供電和設(shè)備維護(hù)。流量監(jiān)測(cè)設(shè)備采購和安裝成本較高，設(shè)備使用條件也較為苛刻。同時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量并非越多越好，當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備超過一定數(shù)量時(shí)，監(jiān)測(cè)能力提升有限，性價(jià)比不高。研究過程中可以從邊際效用的角度考慮設(shè)備的布設(shè)效果。從運(yùn)營成本的角度，現(xiàn)階段監(jiān)控儀表設(shè)備的選取建議為：盡可能采用壓力監(jiān)控設(shè)備，有條件的地方利用現(xiàn)有分區(qū)計(jì)量的流量監(jiān)控設(shè)備。
3.1 爆管強(qiáng)度
上一節(jié)已經(jīng)介紹了管網(wǎng)爆管最小可監(jiān)測(cè)管徑分析，這僅是給出了能夠被監(jiān)測(cè)到的最高水平。實(shí)際情況中同一根管道不同條件下爆管產(chǎn)生的漏水量不一樣。影響因素包括：壓力、管道漏水口尺寸、管道來水直徑等。對(duì)于可監(jiān)控DN500的管道，其爆管泄漏量可能是600 m3/h，也可能是10 m3/h。從設(shè)計(jì)角度，需要明確、合理的技術(shù)指標(biāo)作為參數(shù)。從自來水公司的角度來考慮，不僅關(guān)心多大管徑的管道破壞了被監(jiān)測(cè)到，還非常關(guān)注漏水量的水平，希望以爆管后的漏水量作為判斷爆管事件嚴(yán)重程度的直接指標(biāo)，類似于房屋抗震設(shè)計(jì)就要考慮地震的烈度。由此筆者提出了爆管強(qiáng)度概念：管道爆裂后的漏水量水平。直接或間接指定設(shè)計(jì)用爆管漏水量有三種方式（見表1）：
指定管道破裂面積A：當(dāng)管道破裂面積A統(tǒng)一指定時(shí)，漏水量可根據(jù)Q=μA2gh計(jì)算，這個(gè)計(jì)算公式涉及到壓力h，而壓力h往往是未知的，事先較難確定漏水量Q。同時(shí)管道破裂的面積是隨機(jī)的，對(duì)一個(gè)供水管網(wǎng)系統(tǒng)里的所有管道指定破裂面積較難。
指定管道泄漏量Q：這一方式能直接反映漏水量，但是對(duì)于不同管徑的管道，統(tǒng)一指定泄漏量不一定符合實(shí)際情況，例如指定管道的泄漏量為1 000 m3/h時(shí)，對(duì)于DN600的管道是合理的，但對(duì)于DN100、DN200等的管道是不合理的。
指定管道流速增加量ΔV：根據(jù)ΔQ=ΔVπd2/4計(jì)算可快捷得到漏水量。該公式考慮了管徑d的影響，并且不需要考慮壓力。定義的漏水量根據(jù)管徑變化在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，計(jì)算簡單。
本文建議采用指定爆管后流速增加量ΔV這一方式作為爆管強(qiáng)度的指標(biāo)，同時(shí)建議用于設(shè)計(jì)爆管監(jiān)測(cè)網(wǎng)管道流速增加量ΔV在0.8~1.2 m/s，大約是正常速度的0.5~1.5倍。這一指標(biāo)有水力學(xué)因素的考慮：實(shí)際管網(wǎng)時(shí)的水力坡降在0.5‰~2‰之間，在城市管網(wǎng)中管道的經(jīng)濟(jì)流速通常在1.0 m/s上下，2~3 km布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)流速增加一倍時(shí)，壓力變化大體能超過背景噪聲界限。圖4中紅色節(jié)點(diǎn)表示壓力下降超過背景噪聲閾值的區(qū)域,也就是當(dāng)圖中標(biāo)記的管道爆管漏水量超過指定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，布置在紅色節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的壓力傳感器可以感應(yīng)到爆管影響。
3.2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的傳感器數(shù)量選擇
監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布局優(yōu)化包含了兩個(gè)問題：
合理的監(jiān)測(cè)數(shù)量；
盡可能多的管線納入爆管監(jiān)測(cè)。
通常來講，隨著監(jiān)測(cè)設(shè)備的增加，整體監(jiān)測(cè)能力會(huì)上升。管網(wǎng)系統(tǒng)中被監(jiān)控的管道長度可以較直接反映監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的監(jiān)控能力。當(dāng)一根管道發(fā)生爆管時(shí)，可能被一個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)到，也可能被多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)到。筆者在分析實(shí)際監(jiān)測(cè)設(shè)備量與正確判斷爆管之間的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)：至少要兩個(gè)及以上傳感器同時(shí)感應(yīng)爆管沖擊效應(yīng)才能做出比較可靠的判斷。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量為n時(shí)，管網(wǎng)爆管監(jiān)測(cè)能力用管道覆蓋率表示見式（1）：
式中l(wèi)kbi——第i根管道被k個(gè)或更多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)到爆管的管長；
li——第i根管道的長度。
邊際效用就是ΔSkn=Skn-Skn-1。通過觀測(cè)覆蓋率隨著監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量的變化，可了解傳感器數(shù)量的投入效益。圖5描述了監(jiān)測(cè)成本與監(jiān)測(cè)能力之間的關(guān)系。
3.3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的空間布局優(yōu)化
爆管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般優(yōu)先監(jiān)測(cè)重要管線和重要用戶，研究人員可以根據(jù)各自的理解和客戶的需求制定相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)。基于一般性考慮，筆者提出了一個(gè)爆管監(jiān)測(cè)布局的優(yōu)化函數(shù)供讀者參考：在同等爆管強(qiáng)度水平下，漏水量體現(xiàn)了管道的重要性；當(dāng)給定監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量n時(shí)，最大可能監(jiān)控到漏水量。以壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局優(yōu)化為例，供水管網(wǎng)爆管監(jiān)測(cè)網(wǎng)布局優(yōu)化函數(shù)見式（2）：
式中 i——管道編號(hào)；
j——節(jié)點(diǎn)編號(hào)；
n——監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量;
k——同時(shí)監(jiān)控到的測(cè)點(diǎn)數(shù);
m——被監(jiān)控的管道數(shù)；
ΔQi——第i根管道爆管產(chǎn)生的漏水量，根據(jù)指定爆管強(qiáng)度ΔQ=ΔVπd2/4確定，能夠較好地反映管道重要性；
Wi,jli——權(quán)重函數(shù)：管道越長出現(xiàn)爆管的概率越大，li體現(xiàn)了管道長度的影響，Wi,j與材料、用戶重要性等因素有關(guān)，可視情況而定；
ΔPi,j——第i根管道爆管，使編號(hào)為j的節(jié)點(diǎn)壓力下降的絕對(duì)值；
ΔPc——根據(jù)管網(wǎng)壓力波動(dòng)背景噪聲確定的可監(jiān)測(cè)閾值；
Fkn——基于爆管模擬分析，以最大可能監(jiān)控泄漏量為目標(biāo)，同時(shí)考慮了管徑、管長和管材等因素的最優(yōu)空間布局目標(biāo)函數(shù)。
3.4 監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量與空間布局優(yōu)化與成果表述
總體來講，大管徑的供水通道應(yīng)該優(yōu)先受到監(jiān)控，同時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)應(yīng)相對(duì)均勻，盡量保證每根管道均在監(jiān)測(cè)點(diǎn)有效監(jiān)控范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化的流程如下：首先設(shè)定一個(gè)最少的監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)，然后進(jìn)行空間布置優(yōu)化，再不斷的增加設(shè)備數(shù)量，進(jìn)行空間優(yōu)化，同時(shí)監(jiān)控管道覆蓋率的增長情況，直到增加量小于設(shè)定目標(biāo)。圖6是爆管監(jiān)測(cè)優(yōu)化后的成果。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量一樣時(shí)，S1n≥S2n≥S3n；隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目的增加，S1n、S2n、S3n均增加。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目到某一數(shù)值時(shí)，覆蓋率增加效果不明顯。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量足夠多，S1n、S2n和S3n趨于相等。考慮到爆管監(jiān)測(cè)的可靠性要求，建議S2n為判斷準(zhǔn)則。圖6顯示合理的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量為20~25。優(yōu)化算法非常多，利用筆者開發(fā)的程序CSWatetNet，在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理工作后，百萬噸級(jí)的供水管網(wǎng)一般1 min即可完成優(yōu)化工作。不管算法是否先進(jìn)，關(guān)鍵點(diǎn)在于要讓自來水公司在建設(shè)系統(tǒng)器能夠非常清晰的了解哪些管道被納入監(jiān)控范圍。圖6顯示靠近水源的管道基本被標(biāo)注出來，表明主要的供水通道被納入了監(jiān)測(cè)范圍；其次在管網(wǎng)的末梢布設(shè)點(diǎn)較多，說明與供水企業(yè)對(duì)管網(wǎng)末梢壓力監(jiān)控的目標(biāo)一致；最后監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置比較均勻，符合一般的常識(shí)，是工程上可接受的布局。在實(shí)際工程中，由于供電等因素的約束，布設(shè)位置會(huì)有調(diào)整，但也應(yīng)該根據(jù)相關(guān)的程序繪制被監(jiān)測(cè)管線，給應(yīng)用單位明確、清晰的管線監(jiān)控分布圖，而不是一個(gè)抽象的數(shù)字。
4爆管的在線監(jiān)測(cè)研究技術(shù)
4.1 爆管監(jiān)測(cè)步驟與方法
爆管監(jiān)測(cè)的算法研究非常多，本文不再論述。不管采用什么算法，實(shí)際爆管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要一個(gè)完整的運(yùn)行流程。
收集管網(wǎng)中的傳感器信息和水廠、泵站的運(yùn)行狀態(tài)；
實(shí)際的SCADA系統(tǒng)中存在大量的數(shù)據(jù)異常或數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；在爆管分析前，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，確保有效數(shù)據(jù)進(jìn)入分析模型，防止因?yàn)殄e(cuò)誤數(shù)據(jù)導(dǎo)致錯(cuò)誤判斷；
利用數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行分析是否可能出現(xiàn)爆管，對(duì)異常現(xiàn)象進(jìn)行解釋，期間可能需要人為干預(yù)，才能給出最終的結(jié)論。
應(yīng)用單位應(yīng)理解爆管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是通過其分析功能自動(dòng)篩選絕大部分的異常，給出初步的結(jié)論，提高分析效率，降低一線工作人員的工作強(qiáng)度，而不是給出一步到位的結(jié)果。
在理論研究與工程實(shí)踐的過程，筆者建議爆管的監(jiān)測(cè)評(píng)估分兩個(gè)級(jí)別：
第一級(jí)別是識(shí)別是否有爆管，即判斷是否發(fā)生了爆管；
第二級(jí)別是判斷爆管的位置，為實(shí)際的搶修提供指導(dǎo)。
由于各種干擾信息非常復(fù)雜，現(xiàn)有算法都尚難完美的處理好。一些管網(wǎng)的真實(shí)用水與爆管特征一致，如打開消防栓放水，現(xiàn)有算法也難以區(qū)別。因此在這個(gè)階段仍然要進(jìn)行一些人工干預(yù)。定位分析階段并不是意味第一階段完全做好后才進(jìn)行，計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析算法認(rèn)為在發(fā)生了爆管時(shí)就可以進(jìn)行，在發(fā)布相關(guān)信息時(shí)，結(jié)合人工判斷，如熱線信息作為參考，提供更可靠性的指導(dǎo)信息。
現(xiàn)有的爆管監(jiān)測(cè)算法大部分都是判斷是否發(fā)生了爆管，判斷爆管位置主要通過“漏斗法”進(jìn)行估計(jì)，圖7是某輸水管線爆管后5 min內(nèi)形成的壓力下降漏斗。“漏斗法”根據(jù)爆管后產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行判斷，有充分的物理基礎(chǔ)，但也是有“時(shí)間窗口”限制。筆者根據(jù)已有案例初步認(rèn)為對(duì)于長距離輸水管線有效時(shí)間窗口約5 min，大型供水管網(wǎng)時(shí)間窗口可以15 min左右。考慮數(shù)據(jù)延遲等因素，爆管監(jiān)測(cè)分析程序必須在1 min以內(nèi)完成，傳感器采集和傳輸時(shí)間周期也不能超過時(shí)間窗口。同時(shí)也沒有必要過高的采集頻率，一方面對(duì)供電要求高，另一方面周期太短，“隨機(jī)干擾信號(hào)”的比重過高，也會(huì)影響正確判斷。受背景噪聲的干擾，“漏斗法”僅在大爆管時(shí)有較好效果，筆者在實(shí)踐中利用水力模型與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)耦合分析可以取得更好的效果，本文不再贅述。
4.2 爆管在線監(jiān)測(cè)成果驗(yàn)證與評(píng)估
爆管監(jiān)測(cè)的目標(biāo)是一旦發(fā)現(xiàn)可疑情況，能夠迅速反應(yīng)，提供決策指導(dǎo)。爆管監(jiān)測(cè)算法不是預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性唯一因素，同時(shí)也受設(shè)備的投入、管網(wǎng)現(xiàn)狀和爆管的嚴(yán)重程度影響。無論使用方還是研發(fā)方，都要科學(xué)和實(shí)用的態(tài)度來評(píng)估系統(tǒng)的有效性，完全否定或依賴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都不是科學(xué)的態(tài)度。
許多文獻(xiàn)介紹了爆管監(jiān)測(cè)算法，不足之處都以個(gè)別案例方式評(píng)價(jià)效果如何。鑒于爆管監(jiān)測(cè)的復(fù)雜性，在投入工業(yè)使用前，應(yīng)該對(duì)算法和整個(gè)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證。爆管監(jiān)測(cè)結(jié)果有3種情況：準(zhǔn)確預(yù)報(bào)、誤報(bào)和漏報(bào)。漏報(bào)和誤報(bào)是普遍存在的現(xiàn)象。誤報(bào)是阻礙推廣應(yīng)用的主要因素之一：過高誤報(bào)率嚴(yán)重影響使用者的信心，導(dǎo)致一線工作人員對(duì)系統(tǒng)的厭惡。作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)允許一定的誤報(bào)率。從工業(yè)心理的角度來看，不宜超過1~2次/d以上的誤報(bào)。對(duì)于管理部門，也應(yīng)該從制度上要求一線人員接受并理解一定程度的誤報(bào)屬于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常現(xiàn)象。出現(xiàn)報(bào)警后，積極通過人工核實(shí)情況。這樣既可以促進(jìn)監(jiān)測(cè)人員保持一定的警覺性，又可以敦促一線人員觀察設(shè)備的完好狀態(tài)，對(duì)供水系統(tǒng)的管理是有益的。
爆管的準(zhǔn)確率建議從兩個(gè)層次來進(jìn)行評(píng)估。前文已經(jīng)介紹了爆管監(jiān)測(cè)預(yù)警包括是否發(fā)生爆管和爆管定位兩個(gè)方面。筆者認(rèn)為首先要從“是否發(fā)生爆管”的角度評(píng)估有效性，在確認(rèn)了爆管后，將判斷爆管的位置作為更高一個(gè)層次的要求。以某市監(jiān)測(cè)預(yù)警的爆管監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)驗(yàn)證為例，將爆管監(jiān)測(cè)預(yù)警的精度分類兩級(jí)：第一級(jí)為監(jiān)測(cè)到爆管，但是位置難以確定；第二級(jí)精度為不僅預(yù)警到爆管，而且大體位置預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。不同級(jí)別管徑的預(yù)報(bào)精度也是有差異的，表2就是針對(duì)DN600以上爆管進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)案例，詳細(xì)的內(nèi)容可參閱文獻(xiàn)。在與一些自來水公司的基層人員溝通情況來看，對(duì)于重要的管線，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)漏報(bào)率不低于50%是當(dāng)前可以接受的一個(gè)水平。從空間定位精度來看，筆者認(rèn)為城市管網(wǎng)到“街區(qū)”即可：從搶修的角度來看，工人只需要到達(dá)相關(guān)街區(qū)就可以通過人工判斷進(jìn)行操作了；爆定位精度到米或十米級(jí)對(duì)實(shí)際工作意義不大，只會(huì)增大設(shè)備投入和算法難度。對(duì)于農(nóng)村偏遠(yuǎn)長距離輸水，500~1 000 m基本滿足要求，巡查人員可以循著管線進(jìn)行人工搜索，不要出現(xiàn)方向性錯(cuò)誤即可。
5總結(jié)與展望
供水管網(wǎng)系統(tǒng)作為生命線工程，爆管監(jiān)測(cè)是安全保障中的重要一環(huán)，非常有必要加強(qiáng)相關(guān)研究。本文提出了開展相關(guān)研究的三個(gè)基本問題和現(xiàn)階段可行技術(shù)路線，并且認(rèn)為基于被研究對(duì)象的物理特性和設(shè)備運(yùn)行條件開展相關(guān)研究在今后的實(shí)際應(yīng)用中成功的概率更高。本文初步認(rèn)為現(xiàn)階段采用現(xiàn)有擬穩(wěn)態(tài)的壓力流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是較為可行的技術(shù)路徑。在研究過程中，筆者根據(jù)實(shí)測(cè)資料提出了一些新的概念：
供水管網(wǎng)背景噪聲;
爆管最小可監(jiān)測(cè)管徑；
爆管強(qiáng)度;
爆管監(jiān)測(cè)覆蓋率，同時(shí)也介紹了如何對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性進(jìn)行評(píng)估。
爆管監(jiān)測(cè)水平是受事物自身物理特性約束，不能簡單依靠投資突破，要尊重客觀規(guī)律，設(shè)定合理建設(shè)目標(biāo)。供水系統(tǒng)爆管監(jiān)測(cè)的預(yù)報(bào)與定位目前沒用得到完全解決，還待進(jìn)一步提升，既有理論和算法的原因，也有硬件設(shè)施的原因，需要同步提高。
來源：給水排水
微信對(duì)原文有修改。原文標(biāo)題：供水管網(wǎng)爆管監(jiān)測(cè)體系研究；作者：程偉平；作者單位：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院。刊登在《給水排水》2021年第8期。