基于GIS 的城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

彭慧馨, 魏 超

(北京檀州自來(lái)水有限責(zé)任公司, 北京 101500)

供水管網(wǎng)管線是地下隱蔽的城市基礎(chǔ)設(shè)施,爆管是城市供水管網(wǎng)一種常見(jiàn)的病害,引發(fā)管道爆管的原因有很多種,大致可以分為環(huán)境影響、外力破壞以及管線自身原因[1]。 環(huán)境影響是指供水管線會(huì)受到地表沉降、土壤腐蝕、地下水長(zhǎng)期浸泡以及地下植物根系破壞等影響,再加上極端天氣對(duì)管線運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響,這些會(huì)導(dǎo)致爆管發(fā)生。 外力破壞主要指周?chē)┕て茐摹㈤L(zhǎng)期受到重型車(chē)輛碾壓,在這種外力作用下也會(huì)發(fā)生爆管。 自身原因主要是指管材強(qiáng)度不足、管道接口不良以及超期服役等,也會(huì)造成管線出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。 一旦出現(xiàn)管線爆管,不僅會(huì)導(dǎo)致停水,造成供水管網(wǎng)停止運(yùn)行,而且因爆管涌出的水向周?chē)鷶U(kuò)散,導(dǎo)致水資源嚴(yán)重浪費(fèi),因此,需要采取有效手段監(jiān)測(cè)管線爆管狀態(tài)。

趙文軒等[2]提出采用多目標(biāo)非支配差分進(jìn)化算法,對(duì)管線爆管狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),具體做法是在各管段中間添加節(jié)點(diǎn),針對(duì)爆管流量進(jìn)行模擬,結(jié)合各個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力變化值,構(gòu)建爆管判斷矩陣,通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置,結(jié)合NSDE 算法分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的特征,實(shí)現(xiàn)對(duì)管線爆管狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。 吳以文等[3]考慮到水壓監(jiān)測(cè)布點(diǎn)位置的重要性,基于最小二乘支持向量機(jī)(Least Squares Support Vector Machines,LSSVM),對(duì)供水管網(wǎng)爆管狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),在管線多個(gè)點(diǎn)位布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),構(gòu)建LSSVM 交互預(yù)測(cè)模型,對(duì)管線爆管進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

上述兩種監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中,存在較大的監(jiān)測(cè)誤差,并且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),影響了管線爆管狀態(tài)的監(jiān)測(cè)效果,無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。 為解決這一問(wèn)題,本文提出基于GIS 的城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。

1 供水管網(wǎng)管線數(shù)據(jù)無(wú)線感知及狀態(tài)識(shí)別

通常情況下,發(fā)生爆管的管線流量會(huì)突然增大、壓力會(huì)降低,因此,將管線流量與壓力作為管線爆管狀態(tài)參量,根據(jù)供水管網(wǎng)管線實(shí)際情況在管線上布設(shè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)間距在100 ～150 m 之間,在測(cè)點(diǎn)上安裝流量傳感器與壓力傳感器。 根據(jù)管線爆管狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求,選擇OFAHA-4FA88 型號(hào)流量傳感器和kHFH-4fa845 壓力傳感器,采用串并聯(lián)的方式將傳感器接入到監(jiān)測(cè)電源總線上,并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)無(wú)線傳感器的無(wú)線脈沖信號(hào)發(fā)射頻率、采集頻率、采樣周期等技術(shù)參數(shù)設(shè)定。 根據(jù)采集到的管線壓力與流量計(jì)算出管線爆管概率值,其計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

式中,p表示管線爆管概率,%;h表示當(dāng)前管線壓力值,MPa;a表示當(dāng)前管線流量值,m3/s;h0表示管線壓力最小允許值,MPa;a0表示管線流量最大允許值,m3/s。

根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定閾值,如果公式(1)計(jì)算到的概率小于閾值,則表示管線運(yùn)行狀態(tài)正常;如果公式(1)計(jì)算到的概率大于閾值,則表示管線狀態(tài)為爆管狀態(tài),以此識(shí)別到供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)。

2 基于GIS 的管線三維模型建立

當(dāng)識(shí)別到管線爆管狀態(tài)后,利用GIS 技術(shù)對(duì)爆管節(jié)點(diǎn)定位,并確定爆管影響范圍和爆管狀態(tài)等級(jí)。由于城市供水管網(wǎng)管線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,要想準(zhǔn)確定位到具體爆管位置,需要利用GIS 技術(shù)建立城市供水管網(wǎng)三維空間模型。 供水管網(wǎng)主要由點(diǎn)、線、網(wǎng)三要素構(gòu)成,通過(guò)對(duì)管線實(shí)地探測(cè),收集到城市供水管網(wǎng)管線屬性數(shù)據(jù)[4]。 原始數(shù)據(jù)大部分是以Auto-CAD 格式保存,并且還有部分?jǐn)?shù)據(jù)為DWG 以及其他格式保存[5]。 為了保證城市供水管網(wǎng)三維建模精度,首先需要解決管線屬性數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為GIS問(wèn)題[6]。 將收集的所有數(shù)據(jù)上傳到GIS 軟件平臺(tái)上,比如ArcGIS,利用ArcGIS 中的MapInfo 通用轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為GIS,并將管線圖形數(shù)據(jù)解譯為點(diǎn)、線、面三要素[7]。 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換完成之后,將數(shù)據(jù)映射到ArcGIS 自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)中,建立供水管網(wǎng)管線表,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,見(jiàn)表1。

表1 基于GIS 的城市供水管網(wǎng)管線表Tab.1 Urban water supply network pipeline list based on GIS

以城市供水管網(wǎng)區(qū)域的遙感圖作為背景,制成管線三維場(chǎng)景[8]。 在場(chǎng)景中通過(guò)TerraExplorer GIS編程,將管線表中的數(shù)據(jù)映射到模型中,生成管線三維模型,并通過(guò)數(shù)學(xué)方法,自動(dòng)進(jìn)行兩線銜接建模。

3 爆管定位及狀態(tài)預(yù)警監(jiān)測(cè)

在建立的管線三維模型中標(biāo)記監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),根據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無(wú)線脈沖信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差,計(jì)算出管線爆管節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離,用公式(2)表示。

式中,H表示管線爆管節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離,m;t1表示無(wú)線脈沖信號(hào)發(fā)射時(shí)間,s;t2表示無(wú)線脈沖信號(hào)接收時(shí)間,s;v表示無(wú)線脈沖信號(hào)傳播速度,m/s[9]。

在管線三維模型中已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo),根據(jù)無(wú)線脈沖信號(hào)走向,即可在管線三維模型中定位到爆管節(jié)點(diǎn)位置[10]。 管線一旦發(fā)生爆管,會(huì)對(duì)周?chē)脩粲盟斐赏Ｋ绊?在管線三維模型中圍繞爆管節(jié)點(diǎn)生成緩沖區(qū),緩沖區(qū)實(shí)際為爆管影響區(qū)域,也是空間目標(biāo)(爆管節(jié)點(diǎn))與其他節(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系的距離,假設(shè)空間目標(biāo)集為o,用公式(3)表示。

式中,Qi表示一個(gè)空間目標(biāo);i表示空間目標(biāo)數(shù)量,即爆管節(jié)點(diǎn)數(shù)量,個(gè)。 則爆管節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)為:

式中,B表示爆管影響區(qū)域,m2;d(x,Qi)表示相鄰供水節(jié)點(diǎn)與爆管節(jié)點(diǎn)之間的距離,m;d表示領(lǐng)域半徑,m。

同理確定管線的緩沖區(qū),如果爆管節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)占管線緩沖區(qū)比例未超過(guò)1/3,則表示管線爆管狀態(tài)比較輕,預(yù)警等級(jí)為一級(jí);如果比例超過(guò)1/3,但是小于1/2,則表示管線爆管狀態(tài)一般,預(yù)警等級(jí)為二級(jí);如果比例超過(guò)1/2,則表示管線爆管狀態(tài)比較嚴(yán)重,預(yù)警等級(jí)為三級(jí)。 按照以上設(shè)定的規(guī)則,確定管線爆管狀態(tài)預(yù)警等級(jí),生成監(jiān)測(cè)報(bào)告,以此實(shí)現(xiàn)基于GIS 的城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 試驗(yàn)論證

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

完成上述基于GIS 的城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法方法設(shè)計(jì)后,為實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果檢驗(yàn),以下將采用對(duì)比試驗(yàn)的方式對(duì)設(shè)計(jì)方法的適用性與可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。 選擇文獻(xiàn)[2]提出的基于多目標(biāo)非支配差分進(jìn)化的監(jiān)測(cè)方法(傳統(tǒng)方法1)與文獻(xiàn)[3]提出的基于LSSVM 交互的監(jiān)測(cè)方法(傳統(tǒng)方法2)作為對(duì)比方法,與本文方法共同進(jìn)行測(cè)試。

選擇某城市供水管網(wǎng)為試驗(yàn)對(duì)象,供水管網(wǎng)共包含15 條供水管線,供水管網(wǎng)面積為13 154.62 m2,管材為球墨鑄鐵管,管徑為500 mm,總長(zhǎng)度約為394.64 km。 由于該供水管網(wǎng)自建成投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間已經(jīng)達(dá)到7 年之久,部分管線已經(jīng)出現(xiàn)老化現(xiàn)象,經(jīng)常發(fā)生爆管現(xiàn)象,符合試驗(yàn)需求,利用本文設(shè)計(jì)方法對(duì)該城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

根據(jù)該供水管網(wǎng)實(shí)際情況,隨機(jī)選擇供水管網(wǎng)中供水管線A13 作為測(cè)試管線,該管線全長(zhǎng)22.35 km,為保證整條管線的正常運(yùn)行,僅對(duì)該管線中E22-E23 段進(jìn)行爆管狀態(tài)監(jiān)測(cè)。 E22-E23 段長(zhǎng)度為3.15 km,設(shè)有30 個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),每100 m 布置1 臺(tái)壓力傳感器,共使用31 臺(tái)壓力傳感器,采集到1.26 GB 管線運(yùn)行數(shù)據(jù),按照上文通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析,識(shí)別管線爆管狀態(tài),并對(duì)爆管節(jié)點(diǎn)定位以及爆管狀態(tài)等級(jí)預(yù)警監(jiān)測(cè),以下對(duì)具體監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行評(píng)定。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

相對(duì)誤差可以反映出管線爆管狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度,因此,將管線壓力監(jiān)測(cè)的相對(duì)誤差作為3 種方法精度評(píng)價(jià)指標(biāo),實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)8 組,選擇8 個(gè)管線爆管數(shù)據(jù)樣本,將監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況比對(duì),確定監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差,使用電子表格對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 3 種方法管線壓力監(jiān)測(cè)的相對(duì)誤差對(duì)比Tab.2 Compatison of relative errors between three methods for pipeline pressure monitoring

從上表中數(shù)據(jù)可以看出,3 種方法在管線壓力監(jiān)測(cè)的相對(duì)誤差方面表現(xiàn)出明顯的差異,本設(shè)計(jì)方法爆管狀態(tài)監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差范圍在0.26%～1.41%,平均相對(duì)誤差為0.86%,數(shù)值較小,基本可以忽略不計(jì),說(shuō)明設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)的高精度監(jiān)測(cè)。 而傳統(tǒng)方法1 爆管狀態(tài)監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差范圍在10.25%～14.23%,平均相對(duì)誤差為12.56%,比設(shè)計(jì)方法高將近12%,傳統(tǒng)方法2爆管狀態(tài)監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差范圍在13.56%～15.43%,平均相對(duì)誤差為14.23%,比設(shè)計(jì)方法高將近14%。通過(guò)以上分析證明,在準(zhǔn)確性方面本設(shè)計(jì)方法優(yōu)于兩種傳統(tǒng)方法。

單一的指標(biāo)無(wú)法全面反映出設(shè)計(jì)方法的監(jiān)測(cè)效果,故將監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間作為3 種方法監(jiān)測(cè)效果第二評(píng)價(jià)指標(biāo),以獲取到管線爆管數(shù)據(jù)時(shí)間為開(kāi)始時(shí)間,以預(yù)警監(jiān)測(cè)最終響應(yīng)時(shí)間作為終止時(shí)間,使用電子表格記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),見(jiàn)表3。

表3 3 種方法監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比Tab.3 Comparison of response time monitoring using three methods

由表3 可知,3 種方法在監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間方面也表現(xiàn)出明顯的差異,本設(shè)計(jì)方法最快響應(yīng)時(shí)間為1.03 s,傳統(tǒng)方法1 最短響應(yīng)時(shí)間為4.25 s,比設(shè)計(jì)方法慢3.19 s,傳統(tǒng)方法2 最短響應(yīng)時(shí)間為5.24 s,比設(shè)計(jì)方法慢4.21 s。

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果證明,無(wú)論是在監(jiān)測(cè)精度方面還是在監(jiān)測(cè)響應(yīng)速度方面,本文的設(shè)計(jì)方法均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì),這是因?yàn)楸痉椒ú捎昧薌IS 技術(shù)對(duì)供水管網(wǎng)三維建模,能夠快速、精確地確定爆管位置和影響范圍,在一定程度上提升監(jiān)測(cè)精度和速度,相比較兩種傳統(tǒng)方法,本設(shè)計(jì)方法更適用于城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

爆管是城市供水管網(wǎng)管線一種常見(jiàn)的故障,對(duì)于管線爆管故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)管線及時(shí)維修、保證城市供水管網(wǎng)安全可靠運(yùn)行具有重要意義。 此次結(jié)合GIS 技術(shù)優(yōu)勢(shì),針對(duì)當(dāng)前城市供水管網(wǎng)管線曝管狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求,提出了一個(gè)新的監(jiān)測(cè)思路,有效減小了爆管狀態(tài)監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差,縮短了爆管狀態(tài)監(jiān)測(cè)響應(yīng)時(shí)間,為監(jiān)測(cè)實(shí)踐提供了理論支撐,同時(shí)也為相關(guān)研究提供了參考依據(jù)。 研究方法目前尚處于初步探索階段,尚未在實(shí)際工程中得到大量的實(shí)踐與操作,在某些方面或許存在不足,今后會(huì)在方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方面展開(kāi)深層次探究,促進(jìn)城市供水管網(wǎng)智能化、數(shù)字化以及信息化發(fā)展。