管網(wǎng)爆管實(shí)時(shí)報(bào)警及關(guān)閥分析的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 建

（上海威派格智慧水務(wù)股份有限公司，上海 200032）

引言

地下供水管網(wǎng)是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，在保證國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展、保障居民用水安全方面起到不可或缺的作用。隨著城市的快速發(fā)展，地下環(huán)狀管線越來越龐大，空間結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，并且類型也越來越繁多。供水管網(wǎng)爆管事故的發(fā)生，將會(huì)嚴(yán)重影響居民的日常生活。因此在爆管事故發(fā)生之后，如何能快速定位爆管點(diǎn)的位置，快速做出全面的搶修決策就顯得極為重要。爆管關(guān)閥分析的成功實(shí)現(xiàn)能縮短搶修時(shí)間，縮小停水范圍，將爆管帶來的損失降到最小[1～3]。

近年來，很多學(xué)者對(duì)爆管分析算法進(jìn)行了深入的研究，一些廠家的管網(wǎng)信息系統(tǒng)也在不同程度實(shí)現(xiàn)了爆管分析的功能[4～6]。但這些系統(tǒng)大部分還處于實(shí)驗(yàn)環(huán)境階段，存在未能實(shí)時(shí)全面的采集管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，無法實(shí)時(shí)感知管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，沒有完整地理信息空間數(shù)據(jù)，無法形成完善的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等問題。因此在明確爆管位置的情況下也無法提供有效的關(guān)閥方案和通知受影響居民用戶。

本文實(shí)時(shí)全面的感知管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，基于空間地理信息數(shù)據(jù)，根據(jù)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過流式計(jì)算的方式實(shí)時(shí)分析每個(gè)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的壓力情況，并對(duì)區(qū)域的壓力進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爆管的報(bào)警分析。通過廣度優(yōu)先遍歷算法，結(jié)合閥門節(jié)點(diǎn)實(shí)際的開閉狀態(tài)。可以快速確定具體的關(guān)閥方案，記錄受影響的用戶信息，及時(shí)發(fā)送短信告知停水用戶，指導(dǎo)爆管搶修工作的有序開展，為水務(wù)管理人員準(zhǔn)確高效地管理龐大復(fù)雜的城市管網(wǎng)提供便利。

1.圖的廣度優(yōu)先遍歷算法

廣度優(yōu)先遍歷算法（BFS），是當(dāng)下對(duì)城市管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行爆管分析的普遍算法。廣度優(yōu)先遍歷類似于樹的按層遍歷，從圖的某個(gè)節(jié)點(diǎn)V1開始遍歷，然后依次遍歷與V1鄰接但未被遍歷的節(jié)點(diǎn)V2、V3、V4、...Vn。然后順序遍歷與V2鄰接但未被遍歷的節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)訪問與V3鄰接但未被訪問的節(jié)點(diǎn)，依次類推，直到結(jié)點(diǎn)集合V中所有的點(diǎn)均被訪問，整個(gè)圖的遍歷才算結(jié)束。如下圖所示，對(duì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷，從節(jié)點(diǎn)V1開始訪問，接下來訪問與V1連接的節(jié)點(diǎn)V2、V3，然后訪問與V2連接的節(jié)點(diǎn)V4、V5，然后訪問與V3連接的節(jié)點(diǎn)V6、V7，最后訪問與V4連接的節(jié)點(diǎn)V8，到這里，所有的節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)被訪問完畢，節(jié)點(diǎn)的訪問順序?yàn)閂1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管網(wǎng)爆管報(bào)警和關(guān)閥分析是一個(gè)系統(tǒng)工程。涉及到管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、管網(wǎng)閥門節(jié)點(diǎn)的開關(guān)狀態(tài)的采集、管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的部署、管網(wǎng)管線和管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等空間網(wǎng)絡(luò)模型的建立。

2.1 管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)計(jì)與部署

管網(wǎng)測壓點(diǎn)應(yīng)能代表供水管網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)置點(diǎn)的選擇非常重要。測壓點(diǎn)的安裝數(shù)量可根據(jù)管網(wǎng)的復(fù)雜度、供水面積、供水量等因素進(jìn)行設(shè)定，通常是按供水面積設(shè)定。

式中，A：供水面積（Km2），λ為管網(wǎng)測壓點(diǎn)數(shù)量。X，Y表示不同監(jiān)測模型精度下的測點(diǎn)數(shù)量。

管網(wǎng)測壓的布置原則主要有以下幾點(diǎn)：管網(wǎng)水力分界線、部分重要用戶處、管網(wǎng)最不利供水點(diǎn)、用水集中區(qū)域、地形變化較大的區(qū)域、反應(yīng)管網(wǎng)水力性能的大中口徑干管上，同時(shí)充分考慮現(xiàn)場的安裝條件是否方便。在整個(gè)城市管網(wǎng)中，這些測壓點(diǎn)的個(gè)數(shù)還是比較有限的，所以本文充分利用其他系統(tǒng)的壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，比如，中途加壓泵站的進(jìn)水壓力監(jiān)測點(diǎn)、二供泵房的進(jìn)水壓力和流量監(jiān)測點(diǎn)、一些大用戶水表包含的壓力和流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，甚至一些消防栓也會(huì)上傳壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的加以利用，極大的豐富了本文壓力監(jiān)測點(diǎn)的分布。

2.2 管線和節(jié)點(diǎn)空間數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

本文采用postgresql數(shù)據(jù)庫管理管網(wǎng)GIS的屬性數(shù)據(jù)。結(jié)合postgis引擎，創(chuàng)建可以存儲(chǔ)空間點(diǎn)線面的數(shù)據(jù)庫，管理管線、節(jié)點(diǎn)等信息，形成網(wǎng)絡(luò)空間的數(shù)據(jù)集合。管線的兩端即為節(jié)點(diǎn)，管線的數(shù)據(jù)庫表維護(hù)了整個(gè)管網(wǎng)要素間的連接關(guān)系。表2列出了管線的數(shù)據(jù)字典信息。

表2 管網(wǎng)管線數(shù)據(jù)字典

管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其實(shí)就是管線兩邊的端點(diǎn)，或者說是管線之間的連接點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)有多種類型，有壓力表、流量計(jì)、消防栓、水井源、水廠、水表、臨時(shí)管點(diǎn)、井、節(jié)點(diǎn)、接水點(diǎn)、管件、二次供水泵房、變徑節(jié)點(diǎn)、閥門等。表3列出了管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)字典信息。

表1 監(jiān)測模型精度

表3 管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)字典

2.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

本文的數(shù)據(jù)采集主要有兩種方式，一種是底層物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，主要通過現(xiàn)場儀表設(shè)備采集管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)，將壓力傳感器采集的壓力數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議的方式，實(shí)時(shí)往MQTT服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。另一種是同步其他系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，本文通過統(tǒng)一接口的方式對(duì)接泵站、二供、大表等系統(tǒng)，獲取壓力測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.5 爆管報(bào)警分析

數(shù)據(jù)采集模塊，主要負(fù)責(zé)將底層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并發(fā)送到對(duì)應(yīng)的服務(wù)端。在報(bào)警分析模塊，服務(wù)端接收到數(shù)據(jù)后采用實(shí)時(shí)計(jì)算的方式。系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定區(qū)域，將重要的管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)到該區(qū)域。實(shí)時(shí)判斷節(jié)點(diǎn)的壓力值和流量值是否在設(shè)定范圍內(nèi)，當(dāng)某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，同時(shí)有多個(gè)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)都出現(xiàn)壓力值和流量值超出爆管報(bào)警的設(shè)定邊界。報(bào)警系統(tǒng)會(huì)及時(shí)的推送爆管報(bào)警的報(bào)警信息給相關(guān)工作人員，用戶一旦確認(rèn)發(fā)生爆管，便會(huì)將出現(xiàn)異常的節(jié)點(diǎn)編號(hào)實(shí)時(shí)推送到爆管關(guān)閥分析系統(tǒng)。一般情況下，管網(wǎng)發(fā)生爆管后，爆管點(diǎn)的上游流速會(huì)變快，流量變大，壓力瞬間變小，從而會(huì)影響到水廠出水口壓力變小，流速變快。對(duì)于回路控制系統(tǒng)做的較好的水廠系統(tǒng)，會(huì)控制水泵的頻率變大，甚至?xí)?dòng)更多的水泵來平衡水廠的出水壓力。

2.6 爆管關(guān)閥分析

當(dāng)關(guān)閥分析系統(tǒng)接收到報(bào)警分析系統(tǒng)推送過來的節(jié)點(diǎn)編號(hào)后，根據(jù)空間模型，自動(dòng)查詢出該節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)信息，管徑大小、是否為不利點(diǎn)。并查詢出該節(jié)點(diǎn)上下游所有的節(jié)點(diǎn)信息。獲取上下游節(jié)點(diǎn)最近一段時(shí)間的壓力和流量歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控該節(jié)點(diǎn)和上下游節(jié)點(diǎn)的壓力和流量數(shù)據(jù)。

根據(jù)廣度優(yōu)先遍歷的原理，計(jì)算出爆管點(diǎn)影響的用戶及需要關(guān)閉的閥門。廣度優(yōu)先遍歷算法先判斷管線兩端的節(jié)點(diǎn)，若兩端都是閥門，則不需要進(jìn)一步的搜索，兩端閥門直接為初步需要關(guān)閉的閥門。如果不是，則以一端的節(jié)點(diǎn)為圖的起點(diǎn)，進(jìn)行圖的廣度優(yōu)先遍歷。首先訪問該節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)，如果該節(jié)點(diǎn)未被訪問，則標(biāo)記為已讀，如果是閥門，則分別加入關(guān)閥方案對(duì)應(yīng)的集合中，待與該節(jié)點(diǎn)相鄰的所有節(jié)點(diǎn)訪問結(jié)束后，從隊(duì)列中取第一個(gè)元素，開始新的一層搜索。以此類推，知道隊(duì)列為空時(shí)結(jié)束搜索，此時(shí)閥門集合中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均為可能需要關(guān)閉的閥門。在結(jié)合底層閥門的實(shí)時(shí)狀態(tài)，在集合中去除狀態(tài)為關(guān)閉的閥門，剩余的就是需要關(guān)閉的閥門。再結(jié)合閥門和用戶表的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以獲取到關(guān)閥后受影響的用戶數(shù)量。

3.實(shí)例分析

本實(shí)例為某市的管網(wǎng)信息，記錄了全市27萬多條管線數(shù)據(jù)。在底層數(shù)據(jù)采集方面，系統(tǒng)采集了200多個(gè)壓力流量點(diǎn)，800多個(gè)二供泵房，300多個(gè)大用戶表。其中，壓力流量點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集頻率為5秒，二供泵房的進(jìn)口壓力數(shù)據(jù)采集頻率為10秒，大用戶表的數(shù)據(jù)采集頻率為15分鐘。

根據(jù)城市管網(wǎng)的實(shí)際供水情況，本文系統(tǒng)對(duì)城市管網(wǎng)的供水邊界進(jìn)行了劃分，形成了3個(gè)管網(wǎng)供水壓力分區(qū)。在具體的某一分區(qū)中，對(duì)該分區(qū)關(guān)鍵的壓力點(diǎn)和流量點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，為壓力和流量點(diǎn)設(shè)置波動(dòng)范圍，設(shè)置波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)時(shí)長。當(dāng)這些配置信息應(yīng)用到系統(tǒng)中的時(shí)候，系統(tǒng)即刻會(huì)對(duì)底層采集上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)判斷出現(xiàn)異常波動(dòng)的具體節(jié)點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)異常波動(dòng)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。一旦超過設(shè)定的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，系統(tǒng)將會(huì)主動(dòng)推送相關(guān)的報(bào)警信息給到終端用戶，同時(shí)在PC端的地圖頁面會(huì)實(shí)時(shí)繪制區(qū)域報(bào)警的熱力圖，用戶如果確認(rèn)了這個(gè)區(qū)域報(bào)警信息，那么爆管報(bào)警系統(tǒng)便會(huì)將出現(xiàn)異常的節(jié)點(diǎn)編號(hào)實(shí)時(shí)推送到爆管關(guān)閥系統(tǒng)，供系統(tǒng)及時(shí)分析問題。

本系統(tǒng)上線已有6個(gè)月，上線以來系統(tǒng)一直運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)運(yùn)行期間發(fā)生了一次爆管報(bào)警，在設(shè)定的統(tǒng)計(jì)時(shí)長范圍內(nèi)，該市的C分區(qū)出現(xiàn)了多個(gè)壓力和流量異常點(diǎn)。滿足觸發(fā)報(bào)警的邊界條件，觸發(fā)了爆管報(bào)警，報(bào)警信息通過短信方式實(shí)時(shí)推送給管理員，告知管理員可能發(fā)生爆管的區(qū)域，以及出現(xiàn)異常的節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)信息，同時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)推送到PC端，在地圖頁面展示出現(xiàn)異常的區(qū)域并通過壓力熱力圖的方式展現(xiàn)給使用者，如下圖所示，PC端使用人員可以非常方便的看到報(bào)警的具體區(qū)域位置和報(bào)警的等級(jí)。

圖1 爆管報(bào)警熱力圖

觸發(fā)了爆管報(bào)警之后，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)將異常的壓力點(diǎn)和流量點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)實(shí)時(shí)推送到報(bào)警關(guān)閥分析系統(tǒng)。爆管關(guān)閥分析系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)及閥門的空間拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)，分析節(jié)點(diǎn)的上下游關(guān)系。系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)這些壓力異常的節(jié)點(diǎn)圈出管網(wǎng)爆管的大概范圍，同時(shí)將有可能出現(xiàn)爆管的管段標(biāo)注為特定的顏色，同時(shí)形成爆管排查的經(jīng)驗(yàn)參考方案。管理員可以根據(jù)系統(tǒng)的提示，安排搶維修人員進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)。一旦得到了搶維修人員的現(xiàn)場確認(rèn)，管理員即可在系統(tǒng)上點(diǎn)擊爆管的具體位置，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，找到爆管周圍的閥門，給出關(guān)閥方案。找出因?yàn)楸荜P(guān)閥引起的停水用戶，同時(shí)給停水用戶批量發(fā)送停水通知。

圖2 爆管關(guān)閥分析圖

4.結(jié)論

本文所實(shí)現(xiàn)的爆管報(bào)警和關(guān)閥分析在某城市供水系統(tǒng)中得到了實(shí)際應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的感知是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，傳感數(shù)據(jù)的秒級(jí)傳輸是系統(tǒng)的關(guān)鍵。采用實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的處理，通過復(fù)雜的規(guī)則判斷管網(wǎng)的運(yùn)行狀況。

爆管報(bào)警分析模塊能實(shí)時(shí)感知地下管線的爆管風(fēng)險(xiǎn)，給管理者提供有效的應(yīng)急處理方案。爆管關(guān)閥分析模塊針對(duì)爆管點(diǎn)，利用廣度優(yōu)先遍歷算法，能快速計(jì)算出需要關(guān)閉的閥門，并計(jì)算出因關(guān)閉閥門而受影響的用戶數(shù)量，通過短信發(fā)送模塊將停水信息及時(shí)推送到受影響用戶中。

雖然本文的系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)行，能有效的進(jìn)行爆管報(bào)警，識(shí)別爆管范圍，標(biāo)記可能出現(xiàn)的爆管點(diǎn)，給出爆管關(guān)閥方案，并在確定爆管點(diǎn)后對(duì)受影響用戶發(fā)送停水通知。但仍然需要在全國各地不同的環(huán)境氣候中，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化系統(tǒng)的算法，提高系統(tǒng)報(bào)警的準(zhǔn)確性，降低誤報(bào)的概率?？s小可能發(fā)生爆管范圍，提高爆管位置識(shí)別的精度。下一步工作將考慮通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)尋找與發(fā)生爆管報(bào)警時(shí)，具有同等氣候類型的歷史壓力，從中提取相似的數(shù)據(jù)序列，與當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，減少爆管報(bào)警的誤報(bào)。