排水管網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)可視化管理系統(tǒng)

楊衛(wèi)國 董紫乾 張 良 栗俊濤

1. 煙臺(tái)市城市排水服務(wù)中心 山東 煙臺(tái) 264001

2. 中國市政工程華北設(shè)計(jì)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(chǔ)設(shè)施之一，是城市水污染防治、排漬防澇和防洪的骨干工程，擔(dān)負(fù)著收集、轉(zhuǎn)輸城市生活污水和工業(yè)廢水，及時(shí)排除城區(qū)雨水的任務(wù)，是保證城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要生命線。而排水管道的結(jié)構(gòu)、功能問題日益突出，若不及時(shí)養(yǎng)護(hù)修復(fù)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的水環(huán)境問題甚至引發(fā)地面坍塌等嚴(yán)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(shí)指導(dǎo)開展必要的維修和養(yǎng)護(hù)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(shù)得到應(yīng)用，如閉路電視（CCTV）檢測技術(shù)、激光檢測技術(shù)、潛望鏡檢測技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)及探地雷達(dá)檢測技術(shù)[3]。其中，CCTV應(yīng)用最為普遍，利用管道機(jī)器人進(jìn)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(jī)拍攝環(huán)境復(fù)雜，以及判讀人員專業(yè)技術(shù)可能存在一定的局限[4]，管道檢測數(shù)據(jù)往往存在錯(cuò)誤和不確定性。在對荷蘭四個(gè)城市排水集水區(qū)進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查中表明，在第一次檢查中觀察到的多達(dá)30%的缺陷在第二次檢查中“消失”了。然而，開展多輪檢測并進(jìn)行檢測結(jié)果對比將會(huì)增添不必要的人力投入，不利于分析和統(tǒng)計(jì)。此外，僅依靠管道檢測技術(shù)也難以為舊管道修復(fù)和新管道鋪設(shè)提供決策支持[5]。

為解決上述問題，已有很多專家和學(xué)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(shí)用技術(shù)的先鋒，致力于為排水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供分析和決策支持，開發(fā)了多款服務(wù)于排水系統(tǒng)運(yùn)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(tái)市排水服務(wù)中心對排水管網(wǎng)日常維修和養(yǎng)護(hù)的豐富經(jīng)驗(yàn)，以及中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究院智慧水務(wù)分院提供的技術(shù)支持共同開發(fā)完成的。該系統(tǒng)是一個(gè)資產(chǎn)可視化及決策分析工具，在準(zhǔn)確的排水資產(chǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將管道檢測數(shù)據(jù)與數(shù)字化的管道數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一綁定，實(shí)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(hù)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(fù)提供依據(jù)。另外，通過對缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和匯總，合理劃分缺陷等級(jí)，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(shè)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(chǔ)上，為排水管網(wǎng)規(guī)劃管理、修復(fù)和養(yǎng)護(hù)提供直觀依據(jù)和可靠方案。該系統(tǒng)可以解決的關(guān)鍵問題如下：

(1) 直觀展示排水管道檢測數(shù)據(jù)；

(2) 存儲(chǔ)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(jià)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(dǎo)入檢測數(shù)據(jù)，可以為檢測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、查詢、管理與分析提供平臺(tái)。系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)管理展示、管段狀態(tài)評(píng)估和成本估算四大模塊。

2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊

數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊利用GIS技術(shù)可以統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將基礎(chǔ)地理信息和管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)集成管理并動(dòng)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(dá)對象，有序管理排水管網(wǎng)相關(guān)的數(shù)據(jù)[9]。同時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊提供檢測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(guān)系，如圖 1所示。

圖1 檢測數(shù)據(jù)導(dǎo)入

該模塊通過自動(dòng)生成管網(wǎng)檢測信息數(shù)據(jù)庫，可以顯著減少業(yè)務(wù)人員繁重、復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作量，提升數(shù)據(jù)導(dǎo)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(jìn)行統(tǒng)一管理，存儲(chǔ)作業(yè)編號(hào)、檢測日期、檢測單位、缺陷名稱、缺陷位置、功能性缺陷、結(jié)構(gòu)性缺陷等詳細(xì)檢測信息。該模塊將檢測信息與管網(wǎng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可統(tǒng)計(jì)已進(jìn)行管網(wǎng)檢測的管段數(shù)量，對檢測數(shù)據(jù)分級(jí)分類進(jìn)行管段缺陷渲染，同時(shí)可根據(jù)“是否已進(jìn)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(dāng)同一管段在不同時(shí)期進(jìn)行了多次檢測，系統(tǒng)將默認(rèn)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(jìn)行管段檢測數(shù)據(jù)展示，通過點(diǎn)擊已檢測管段，可查看管段基本屬性及檢測視頻信息，同時(shí)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(píng)估模塊

已導(dǎo)入的檢測數(shù)據(jù)可通過管段狀況評(píng)估模塊生成管段狀況評(píng)估表和管段缺陷統(tǒng)計(jì)表，并按照CJJ181—2012《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》中的計(jì)算公式對已判讀為缺陷的管段的結(jié)構(gòu)性缺陷平均值S、最大值Smax、缺陷等級(jí)、缺陷密度、修復(fù)指數(shù)RI、功能性缺陷中的平均值Y等進(jìn)行更新評(píng)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(fù)提供決策，對修復(fù)價(jià)格進(jìn)行評(píng)估，找到最具成本效益的修復(fù)和養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。排水管道需定期檢查并隨著時(shí)間的推移進(jìn)行維護(hù)，管理者可通過成本估算模塊采取主動(dòng)和預(yù)防性維護(hù)和修復(fù)工作，當(dāng)管段結(jié)構(gòu)和功能缺陷等級(jí)小于3級(jí)將默認(rèn)列入計(jì)劃修復(fù)計(jì)劃，3級(jí)及以上根據(jù)缺陷等級(jí)和管段所處位置選擇對應(yīng)的方法進(jìn)行修復(fù)，圖3展示了管道評(píng)估流程和修復(fù)方法的設(shè)置。如果某管道的缺陷程度嚴(yán)重，修復(fù)費(fèi)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(píng)估流程

3 案例分析

3.1 項(xiàng)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(gè)檢測廠商對其中6.07km的主干管網(wǎng)分批進(jìn)行CCTV檢測，并將檢測后的成果導(dǎo)入到本系統(tǒng)中。

3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及導(dǎo)入

針對檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量與格式參差不齊的情況，使用MESurvey提供的檢測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)字段進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，將檢測與評(píng)估信息表與判讀缺陷信息表導(dǎo)入到系統(tǒng)中，并及時(shí)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(jìn)行復(fù)核后，再次導(dǎo)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(dǎo)入成果展示

3.3 項(xiàng)目成果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本次共檢測管道數(shù)據(jù)142段，結(jié)構(gòu)性缺陷4級(jí)占比16.20%，3級(jí)占比27.46%，需立即安排修復(fù)；2級(jí)及以下結(jié)構(gòu)性缺陷管段占比50.70%，列入修復(fù)計(jì)劃；正常管段5.63%。功能性缺陷4級(jí)占比4.23%，3級(jí)占比2.82%，需立即安排養(yǎng)護(hù)工作；2級(jí)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(hù)工作；正常管段45.07%。通過缺陷等級(jí)渲染，快速鎖定管段位置，安排修復(fù)工作，如圖 5所示。

圖5 管道結(jié)構(gòu)性缺陷等級(jí)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(jié)構(gòu)性缺陷進(jìn)行工作，根據(jù)價(jià)格預(yù)估，進(jìn)行該項(xiàng)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(yán)重，應(yīng)對剩余未展開檢測的管網(wǎng)進(jìn)行檢測工作，對存在問題的管道進(jìn)行修復(fù)。

圖6 修復(fù)價(jià)格預(yù)估

4 結(jié)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(shí)現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的可視化動(dòng)態(tài)管理，提高檢測循環(huán)管理次數(shù)，幫助管理者科學(xué)有效地開展排水管網(wǎng)設(shè)施養(yǎng)護(hù)、修復(fù)或更換工作，提高排水管網(wǎng)的生命周期及設(shè)施的修復(fù)效率，降低修復(fù)或更換設(shè)施的成本，全面提升區(qū)域排水管網(wǎng)資產(chǎn)的運(yùn)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(jìn)一步完善，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的模式還不是十分精細(xì)，還有大量的工作要做，系統(tǒng)還需進(jìn)一步改進(jìn)與擴(kuò)充，主要研究內(nèi)容如下：

(1) 在現(xiàn)有C/S架構(gòu)基礎(chǔ)之上，開發(fā)B/S與M/S端檢測數(shù)據(jù)管理的相關(guān)業(yè)務(wù)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(tái)，進(jìn)一步提高排水管網(wǎng)精細(xì)化管理能力；

(2) 積累檢測數(shù)據(jù)，集成深度學(xué)習(xí)算法。對檢測數(shù)據(jù)深度挖掘，提前預(yù)知未來管道面臨的故障風(fēng)險(xiǎn)，提高對管道風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對能力。