農(nóng)村人飲管網(wǎng)水損失監(jiān)測與分析系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

張守軍

摘要：針對農(nóng)村管網(wǎng)供水漏損率高、爆管監(jiān)控定位困難、檢修運維成本高等問題，基于管網(wǎng)綜合預(yù)測診斷模型設(shè)計了農(nóng)村人飲管網(wǎng)水損失監(jiān)測與分析系統(tǒng)，并成功應(yīng)用。該系統(tǒng)通過建立管網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲平臺，直觀了解和掌控管網(wǎng)運行狀態(tài)，并應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析節(jié)點的流量和壓力數(shù)據(jù)，預(yù)測爆管風(fēng)險和確定爆管位置，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)安全運行，提高了運維效率。該系統(tǒng)的應(yīng)用對于彭陽縣農(nóng)村人飲供水工程綜合管理、科學(xué)運營具有較大經(jīng)濟和安全意義。

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

中圖法分類號：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)國家漏損率為6%～8%。管網(wǎng)水量的流失不僅損害經(jīng)濟效益，同時還極易引起地下土層的流失，由此引發(fā)災(zāi)害，對人民的生命財產(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、用水量低等特點，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)漏損不僅浪費了寶貴的水資源，而且還使供水企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟損失。因此，供水管網(wǎng)的漏損分析與控制工作是供水工程運行管理的重點。管網(wǎng)漏損點的確定需要運維人員排查整條供水管道，耗時費力，運維成本高。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。本文通過將自動化監(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題。

彭陽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，全縣人飲工程點多、面廣、線長，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)、供水保障率低等問題亟需解決。

通過建立農(nóng)村人飲管網(wǎng)水損失監(jiān)測與分析系統(tǒng)，可以掌控管網(wǎng)運行狀態(tài)、預(yù)測爆管風(fēng)險和確定爆管位置，無需耗費大量人力查驗管道情況。運維人員根據(jù)系統(tǒng)分析結(jié)果可以直接排查爆管點，提高工作效率，保障供水工程安全穩(wěn)定運行，對于彭陽縣供水工程的運行管理具有較大經(jīng)濟和安全意義。

2系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

農(nóng)村人飲管網(wǎng)損失監(jiān)測與分析系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包括多級人飲供水管網(wǎng)爆管判定、預(yù)測診斷和處理模型的確定、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、人飲供水管網(wǎng)預(yù)測診斷業(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，計算得到管網(wǎng)各位置的爆管風(fēng)險，推斷出爆管點位置。

（2）搭建良好的數(shù)據(jù)架構(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)。存儲管網(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)運行過程中產(chǎn)生的大量監(jiān)測數(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)測診斷結(jié)果。

3管網(wǎng)綜合預(yù)測診斷模型

分析管網(wǎng)運行的實時監(jiān)測值、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)測診斷模型，判斷爆管事件，分析爆管位置，提供處理測量。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)運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括各節(jié)點的流量和壓力。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，判斷是否發(fā)生爆管。

3.2管網(wǎng)爆管診斷分析

（1）流量壓力檢測分析。建立流量壓力值分析模型，通過采集和分析管道各節(jié)點處的流量和壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)異常的監(jiān)測點，標(biāo)識可能爆管的管道區(qū)域，并分析各段管道或具體點位的爆管概率，推測該管道最可能發(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)運行期間所有供水管道監(jiān)測信息：各節(jié)點的流量和壓力數(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、施工隊伍等。統(tǒng)計管網(wǎng)運行期間所有歷史爆管事件，分析爆管歷史記錄詳細(xì)信息，包括爆管點位置、發(fā)生原因及時間、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的爆管風(fēng)險。

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

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

4管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制體系

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

供水管網(wǎng)測控體系需要通過遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制等自動化設(shè)施建設(shè)，實現(xiàn)壓力、流量的快速采集傳輸，實現(xiàn)對重要分水節(jié)點的水情在線監(jiān)測、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)整改等問題時，能夠通過判斷全局的供水情況進(jìn)行控制，保證供水工程的正常運轉(zhuǎn)，為農(nóng)村人飲管網(wǎng)損失監(jiān)測與分析系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)和業(yè)務(wù)支撐。

考慮到該工程項目自動化監(jiān)測設(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化采集控制設(shè)備具備智能休眠、低功耗、鋰電池+太陽能供電、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，同時支持云平臺邏輯及自運行、保護邏輯。自動化監(jiān)測設(shè)備可有效解決野外供電、數(shù)據(jù)采集、控制及通訊問題，保證數(shù)據(jù)最短每5min上報云平臺、設(shè)備及時通訊、控制操作及時響應(yīng)、實時監(jiān)測自動化設(shè)備運行，保障了整個供水管網(wǎng)體系的可測可控。

（1）系統(tǒng)架構(gòu)。管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制設(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、出口流量及閥門;②泵站前水池：控泵、閥門、壓力、水位計、流量計;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)計和實現(xiàn)

該系統(tǒng)的用戶包括彭陽縣水務(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。首先判定模型可實時監(jiān)測管道爆管，然后運用分析預(yù)測模型在爆管范圍標(biāo)識可能爆管的管道區(qū)域，即可根據(jù)爆管風(fēng)險推測爆管的具體管道，最后通過歷史信息分析推測該管道中最可能發(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)，實現(xiàn)圖形界面交互，后臺將模型進(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)庫建設(shè)

配置適度規(guī)模的存儲系統(tǒng)，滿足信息存儲的需要。建設(shè)信息匯聚系統(tǒng)，將供水管網(wǎng)實時監(jiān)控數(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中心數(shù)據(jù)庫，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)果也將存儲于數(shù)據(jù)庫中，后臺提供接口服務(wù)，以便運維人員對管網(wǎng)歷史運行情況進(jìn)行管理和查詢。數(shù)據(jù)庫建設(shè)包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、地圖數(shù)據(jù)庫和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫5類。不同的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)交換平臺，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫復(fù)制及數(shù)據(jù)遷移、轉(zhuǎn)換與加載。

通過自動化監(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程的業(yè)務(wù)信息，并交換共享氣象、國土等部門的數(shù)據(jù)信息;基于彭陽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，借助云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，建設(shè)彭陽縣人飲數(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，實現(xiàn)為彭陽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)。彭陽縣人飲系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實時監(jiān)控數(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)由上位機服務(wù)器、WEB應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、消息隊列服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、帶GPRS/GSM模塊的采集器、流量計、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)運行監(jiān)測信息以及管網(wǎng)分析結(jié)果，通過“一張圖”的直觀方式，既能掌握管網(wǎng)的實時運行狀態(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)測點圖層及人飲供水工程點圖層。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)運行形勢解析。可以展現(xiàn)供水管網(wǎng)全局運行形勢，也可在電子地圖上點擊或圖形框選，查詢相應(yīng)范圍內(nèi)供水管網(wǎng)的運行信息，并匯總得到管網(wǎng)運行形勢解析表。該解析功能既可監(jiān)測單個管網(wǎng)節(jié)點的壓力、流量等狀態(tài)數(shù)據(jù)，也能查看管網(wǎng)故障率和綜合評價等整體運行形勢，并支持柱狀圖、餅圖及報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”，對爆管的分析結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)直觀展示?？梢栽陔娮拥貓D上點擊或圖形框選，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、可能發(fā)生爆管的區(qū)域及爆管的位置點等信息。爆管分析結(jié)果展示功能可以選擇年、月、日等不同時段的條件，查詢管網(wǎng)歷史爆管記錄，支持柱狀圖、餅圖、報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，而調(diào)度中心、泵站和水廠均采用wEB方式訪問，并通過用戶權(quán)限管理，實現(xiàn)不同單位、層級、角色的用戶的分級訪問。本項目網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備充分利用寧夏回族自治區(qū)公共云平臺現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備實現(xiàn)，并使用該平臺提供的安全服務(wù)。系統(tǒng)部署示意見圖8。

6結(jié)語

農(nóng)村人飲管網(wǎng)損失監(jiān)測與分析系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用成果主要有：①建立了管網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲平臺，為綜合評價管網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。②應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析各節(jié)點的流量和壓力數(shù)據(jù)，建立了管網(wǎng)預(yù)測診斷模型。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)測與分析系統(tǒng)應(yīng)用后，彭陽縣供水公司運維人員從90人減至40人，工資成本每年減少120萬元;供水保證率由65%提高至95%;管網(wǎng)漏失率由40%降至15%;故障排查的時間由數(shù)天縮短到幾小時以內(nèi);達(dá)到了減員、降本、節(jié)水、增效的良好效果，對供水工程運行管理具有較大經(jīng)濟和安全意義。