供水管網(wǎng)滲漏分區(qū)噪音預(yù)警體系的構(gòu)建

劉友飛，孔國海，許杭波

(紹興市水務(wù)產(chǎn)業(yè)有限公司，浙江紹興 312000)

隨著物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來的革命，分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)(噪音預(yù)警技術(shù))在過去5年里得到了飛速的發(fā)展，引進的來自歐洲、美國、中東、亞洲等自來水公司的區(qū)域漏水預(yù)警技術(shù)，對管網(wǎng)重要節(jié)點及薄弱環(huán)節(jié)實行長久監(jiān)測，大大縮短了人工檢漏周期，可及時發(fā)現(xiàn)小漏點，避免了小漏釀成大漏，引發(fā)爆管事故。尤其是德國FAST公司開發(fā)的區(qū)域漏水預(yù)警技術(shù)，其通過高靈敏度的傳感器在夜間水壓上升、環(huán)境噪音最小的情況下自動監(jiān)測管網(wǎng)漏水噪音，每天將數(shù)據(jù)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自動上傳到數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺，以表格和地圖的方式將漏點的情況直觀展示出來，同時利用統(tǒng)計和頻率的算法對可疑的漏點進行分析和評估，從而實現(xiàn)24 h的全天候管道漏水監(jiān)測和分析。

1 紹興水司檢漏瓶頸

1.1 薄弱管線存在安全隱患

雖然，經(jīng)過近幾年的管網(wǎng)改造，紹興市區(qū)已經(jīng)將全部HABOS管、大部分自應(yīng)力管改造成球墨鑄鐵管道，正在逐步消除因管材原因和管道老化產(chǎn)生的漏水現(xiàn)象。但是，城區(qū)仍存在管齡超過20年的大口徑灰口鑄鐵管，部分管道還存在人工聽音檢測盲區(qū)和較多的漏損現(xiàn)象，主要表現(xiàn)：一是2017年檢出DN400及以上總管暗漏點共計47處，其中37處為薄弱管道漏點；二是2018年檢出57處總管漏點，其中45處為薄弱管道漏點。

1.2 人工檢漏存在局限影響

一是人防依賴性過強：人工檢漏模式是目前國內(nèi)外各水司探測漏點位置最常見的方式，在水司漏損率降低到一定程度后也暴露出一定的局限性，檢漏質(zhì)量無法追蹤控制，人防與技防缺一不可。

二是檢漏實時性較差：對每一段供水管線無法做到定人定時定點定期進行巡檢排查，對突發(fā)漏點特別是溫差變化明顯時管道熱脹冷縮劇烈和受到外力產(chǎn)生的大口徑、大漏量的漏點更是無法及時有效的處理，造成漏水損失和重大安全隱患。

三是管理時效性不夠強：檢漏工對材質(zhì)好、埋設(shè)時間短、漏點較少的供水管道，檢漏排查周期約半個月，對漏點頻發(fā)的薄弱管道檢漏周期約一周，檢漏工無法做到每日每條管道的巡檢及漏點排查。

四是環(huán)境氣候影響較大：受到氣候原因限制，如遇到雨雪、大風(fēng)等惡劣天氣，人工常用的普通機械式聽音設(shè)備和電子檢漏儀器受到過大的干擾無法正常探測漏點，且易發(fā)生設(shè)備故障、損壞，巡檢周期延長，效率也明顯降低。

五是特殊管道難度過大：受巡檢工況因素限制，如遇到管道埋設(shè)過深，埋設(shè)在綠化帶下，地表土層松軟或是穿河流倒虹管等情況，檢漏儀器功能將大打折扣。

2 滲漏預(yù)警技術(shù)調(diào)研

目前，常用的檢漏技術(shù)有人工聽音法、噪音預(yù)警儀等，檢漏技術(shù)優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 檢漏技術(shù)優(yōu)缺點對比Tab.1 Comparison of Advantages and Disadvantages of Leak age Detection Techniques

3 理論研究及技術(shù)路線

3.1 基于DMA的滲漏預(yù)警體系

傳統(tǒng)的漏水探測聽音技術(shù)，如巡檢、相關(guān)、定位，雖然可以勝任常規(guī)的檢漏任務(wù)，但小漏、難漏、薄弱非金屬管和主干管網(wǎng)的監(jiān)測和預(yù)警就成為了難題。在提出分區(qū)、分壓管理的同時，紹興水務(wù)產(chǎn)業(yè)公司也提出了分區(qū)漏水預(yù)警的概念，即結(jié)合DMA、PMA的管理應(yīng)用，對管網(wǎng)漏水噪音進行預(yù)警監(jiān)測，完成對管網(wǎng)漏水流量、管網(wǎng)壓力、管網(wǎng)漏水噪音的全方位綜合監(jiān)測，可以最大限度地完成供水管網(wǎng)的安全供水、漏水控制的任務(wù)。構(gòu)建基于DMA的滲漏預(yù)警體系，已經(jīng)迫在眉睫。

3.2 基于DMA的滲漏預(yù)警體系構(gòu)建方案

3.2.1 創(chuàng)新技術(shù)構(gòu)建

以DMA分區(qū)計量為基礎(chǔ)，部署滲漏預(yù)警軟件為支撐，預(yù)警儀現(xiàn)場安裝調(diào)試后，信號接收到預(yù)警移動平臺應(yīng)用，從單技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)向基于DMA的控漏技術(shù)體系聯(lián)動，建立分區(qū)預(yù)警體系。通過對重要管線和薄弱節(jié)點的長久監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)處置漏點隱患，縮短人工檢漏周期，提升管網(wǎng)安全預(yù)警能力和信息化管理水平，實現(xiàn)主動控漏。創(chuàng)新技術(shù)構(gòu)建如圖1所示。

圖1 創(chuàng)新技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Innovative Technology

3.2.2 創(chuàng)新機制構(gòu)建

以DMA分區(qū)計量為基礎(chǔ)，發(fā)揮噪音預(yù)警體系的“感、傳、知、用”。感-感知：傳感器采集夜間最小噪音數(shù)值；傳-傳輸：每天通過GSM傳輸數(shù)據(jù)包；知-分析：通過記錄儀反饋的夜間最小噪音數(shù)值分析評估此區(qū)域是否有漏水發(fā)生；用-應(yīng)用：系統(tǒng)業(yè)務(wù)工單的應(yīng)用及決策。圍繞經(jīng)濟漏損原則，運用技防手段強化對總管的安全預(yù)警機制，時刻掌握總管周圍及所在區(qū)域是否存在安全隱患，在最短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并處置。創(chuàng)新機制構(gòu)建如圖2所示。

圖2 創(chuàng)新機制示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Innovative Mechanism

3.2.3 創(chuàng)新模式構(gòu)建

通過滲漏預(yù)警系統(tǒng)，即時采集傳輸預(yù)警數(shù)據(jù)，促進人工與技術(shù)檢漏無縫銜接。高靈敏度傳感器實現(xiàn)準確預(yù)警，降低誤報率，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和水云平臺的大數(shù)據(jù)分析，解決分區(qū)計量難以解決的小背景漏失和人工難以聽到的疑難漏點。創(chuàng)新模式構(gòu)建如圖3所示。

3.2.4 創(chuàng)新隊伍構(gòu)建

創(chuàng)新隊伍的構(gòu)建將預(yù)警技術(shù)和專業(yè)人才結(jié)合，建立智能化管網(wǎng)運維隊伍，使人機結(jié)合作用最大化。紹興市水務(wù)產(chǎn)業(yè)公司“智能檢漏小組”共有7名成員，平均年齡為28歲，主要負責(zé)在供水主干管及薄弱管道安裝預(yù)警儀器，實行“以機為主、以人為輔”的巡檢方式，及時高效地發(fā)現(xiàn)并處置安全隱患。使用現(xiàn)代化技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)科學(xué)檢漏，加速人才培養(yǎng)，保持隊伍穩(wěn)定。創(chuàng)新隊伍構(gòu)建如圖4所示。

4 預(yù)警點設(shè)置方法與原則

4.1 預(yù)警點設(shè)置方法

《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏水探測技術(shù)規(guī)程》(GJJ 159—2011)中指出，在探測區(qū)域供水管網(wǎng)圖上應(yīng)合理標注噪音預(yù)警儀布設(shè)的地點和編號。應(yīng)根據(jù)被探測管道的管材、管徑等情況確定噪音預(yù)警儀的布局間距；應(yīng)隨管徑的增大而相應(yīng)遞減，應(yīng)隨水壓的降低而相應(yīng)遞減，應(yīng)隨接頭、三通等管件的增多而相應(yīng)遞減。當(dāng)噪音法用于漏點探測預(yù)定位時，還應(yīng)根據(jù)閥栓密度進行加密測量，并相應(yīng)減少噪音預(yù)警儀的布局間距。

4.2 課題滲漏預(yù)警試點選擇

統(tǒng)計歷年來檢漏工上報的漏點數(shù)量和歷史爆管，對漏點頻發(fā)、老化程度明顯、管道受外力影響的城區(qū)一環(huán)內(nèi)DN400及以上共19條薄弱總管進行噪音預(yù)警試點。截至2019年4月，紹興城區(qū)漏水預(yù)警系統(tǒng)一期計劃共計181處噪音預(yù)警儀已經(jīng)成功完成，云服務(wù)器上將已完成的線狀網(wǎng)絡(luò)組建成片狀網(wǎng)絡(luò)。

圖3 創(chuàng)新模式示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Innovative Mode

圖4 創(chuàng)新隊伍示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Innovative Team

5 技術(shù)研究總結(jié)

5.1 典型案例

案例一：通過滲漏預(yù)警系統(tǒng)和人工檢漏的有機結(jié)合，消除大口徑管道安全隱患。

2019年4月15日，小舜江一期DN1400鋼管噪音預(yù)警儀報警，報警數(shù)值為99，4月15日9點—4月16日凌晨經(jīng)人工排查，在距噪音預(yù)警儀6 m處發(fā)現(xiàn)漏點，開挖后確認漏點為加強筋處泄漏管道電焊輕微開裂引起，存在重大安全隱患，管道埋深超過3.5 m。 DN1400管漏點預(yù)警儀報警及修理如圖5所示。

圖5 DN1400管漏點預(yù)警儀報警及修理圖Fig.5 Alarm of Noise Loggers and Pipe Maintenance of DN1400

案例二：針對工況復(fù)雜的特殊管道，利用預(yù)警系統(tǒng)破除人工檢漏局限。

2019年4月1日，霞西路云棲路東首DN1000鑄鐵管報警，管道埋深為2 m，漏點位于綠化帶中灌木叢深1.6 m處，極隱蔽，為人工檢漏盲區(qū)，不借助預(yù)警系統(tǒng)幾乎不可能被發(fā)現(xiàn)。DN1000管漏點預(yù)警儀報警及修理如圖6所示。

圖6 DN1000管漏點預(yù)警儀報警及修理圖Fig.6 Alarm of Noise loggers and Pipe Repairing of DN1000

案例三：人機協(xié)同，及時高效地檢出總管隱患點，彌補人工檢漏周期長的問題。

2019年3月13日，噪音預(yù)警儀在解放北路有報警，懷疑有漏水產(chǎn)生，人工跟蹤后定位漏點，此漏點為DN600鑄鐵管套筒，開裂深度為1.6 m，且有增大趨勢，若未及時發(fā)現(xiàn)，極容易出現(xiàn)爆管等安全事故。DN600管漏點預(yù)警儀報警及修理如圖7所示。

圖7 DN600管漏點預(yù)警儀報警及修理圖Fig.7 Alarm of Noise Loggers and Pipe Repairing of DN600

5.2 總結(jié)統(tǒng)計

5.2.1 漏點統(tǒng)計

在噪音預(yù)警儀一年的運行階段，通過分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)提供的報警信息共檢出31處漏點，年漏損水量共88.5萬m3，年漏損經(jīng)濟效益為210.6萬元。漏點統(tǒng)計單如表2所示，檢出漏點分布如圖8所示。

5.2.2 漏點分析

噪音預(yù)警儀檢出的漏點漏量大小主要低于3 m3，占比為71%。檢出漏點漏量大小分析如圖9所示。

圖8 檢出漏點分布圖Fig.8 Proportion Diagram of Detected Leakages

表2 漏點統(tǒng)計單Tab.2 Statistics of Water Leakages

圖9 檢出漏點漏量大小分析圖Fig.9 Analysis Diagram of Volume of Detected Leakages

噪音預(yù)警儀檢出的漏點管徑主要為DN400～DN800及以上，占比為45%。檢出漏點管徑大小分析如圖10所示。

噪音預(yù)警儀檢出的漏點埋深主要為1～2 m，占比為52%。檢出漏點埋深情況分析如圖11所示。

圖10 檢出漏點管徑大小分析圖Fig.10 Analysis of Pipe Diameters of Detected Leakages Events

圖11 檢出漏點埋深情況分析圖Fig.11 Depths Analysis of Detected Leakages

6 成效分析

6.1 保障管網(wǎng)安全

據(jù)統(tǒng)計公司啟用噪音預(yù)警儀至今，共檢出暗漏點及重要隱患點共31處。其中，DN400及以上大口徑總管漏點達21處，占68%；劣質(zhì)管材管道漏點14處，占45%；漏水量小于3 m3/h的小漏點22處，占71%；供水隱患點6處，占19%，有效地防止大口徑總管爆漏等安全事故的發(fā)生。

6.2 直接經(jīng)濟效益

噪音預(yù)警儀投入運行成效顯著，促進了人工與技術(shù)檢漏無縫銜接，明顯提高了人工檢漏效率，并降低了成本，同時保障了管網(wǎng)安全，控制了管網(wǎng)漏損。據(jù)統(tǒng)計，設(shè)備檢出的漏點按年漏失水量計算，可節(jié)約水88萬m3，年漏損與人工成本經(jīng)濟效益為210萬元。

6.3 間接經(jīng)濟效益

在發(fā)生重大突發(fā)性爆管事故時，利用系統(tǒng)智能化聯(lián)動分析，并鎖定爆管區(qū)域，縮小范圍后，搶修人員在第一時間趕赴現(xiàn)場，為高效搶修贏得時間，減少了因爆管事故引起的道路坍塌、車輛與物資損壞等帶來的次生影響，使處置更高效、搶修更迅捷、損失更低。

6.4 提高工作效率

針對環(huán)境氣候影響的雨季、冬季以及特殊管道等人工無法操作儀器聽音巡檢的情況，通過高靈敏度噪音預(yù)警方式可以替代人工開展巡檢工作，可及時有效地發(fā)現(xiàn)和處置小漏點及管網(wǎng)隱患點。

通過自動報警和實時的數(shù)據(jù)分析與DMA分區(qū)計量做到互補，及時高效地發(fā)現(xiàn)、處理漏點可以幫助巡檢人員最大幅度地縮小檢漏定點范圍，大大提高了檢漏人員的工作效率，為公司逐步提升信息化管理水平和今后無人檢漏打下基礎(chǔ)。

7 結(jié)語與展望

紹興水務(wù)產(chǎn)業(yè)公司管網(wǎng)的漏損控制經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，從最初的簡單控制措施(以事后管道搶修維修為主)到被動漏損控制(以人工巡查檢漏為主)，再發(fā)展到當(dāng)前從單技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)向基于DMA的控漏技術(shù)體系聯(lián)動，建立分區(qū)預(yù)警體系，通過對重要管線和薄弱節(jié)點的長久監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)處置漏點隱患，縮短人工檢漏周期，提升了管網(wǎng)安全預(yù)警能力和信息化管理水平，實現(xiàn)了主動控漏。通過滲漏預(yù)警系統(tǒng)，即時采集傳輸預(yù)警數(shù)據(jù)，促進人工與技術(shù)檢漏無縫銜接，將預(yù)警技術(shù)和專業(yè)人才結(jié)合，建立智能化管網(wǎng)運維隊伍，使人機結(jié)合作用最大化。

區(qū)域化供水管網(wǎng)滲漏預(yù)警體系的構(gòu)建，建立了管網(wǎng)運行管理新模式、新機制，實現(xiàn)了管網(wǎng)智能化預(yù)測和決策，改變了管網(wǎng)運營模式，實現(xiàn)了安全經(jīng)濟運行。通過技術(shù)創(chuàng)新，推動漏損控制由人工化向數(shù)字化、智能化、智慧化轉(zhuǎn)變，是供水信息化建設(shè)從行業(yè)前列向行業(yè)標桿的一次飛躍。不斷地完善推動區(qū)域化供水管網(wǎng)滲漏預(yù)警體系，并對成果進行推廣應(yīng)用，可更好地履行城鎮(zhèn)節(jié)水責(zé)任，提升行業(yè)控漏水平。