北京市供水管网漏失监测预警控制系统构建及应用 5页

'雹l≯搿水掣CITYANDTOWNWATERSUPPLY·供水管网改造与漏损控制·北京市供水管网漏失监测一预警一控制系统构建及应用供水管网漏失监测项目组1’2(1．北京市自来水集团，北京，100089；2．中国科学院生态环境研究中心，北京，100085)摘要：为保障供水管网安全运行、降低管网漏损，北京市自来水集团与中国科学院生态环境研究中心合作成立了供水管网漏失监测项目组，基于供水管网地理信息系统(GIS)，以帕玛劳(Permalog)漏失监测记录仪、巡视仪为支撑设备，开发了供水管网漏失监测一预警一控制系统，并在二环核心区、奥运场馆周边、重要路口与桥区等重点区域进行了工程示范，初步形成了供水管网漏失监测一预警一控制集成应用的综合工作模式。关键词：供水管网；漏失控制；监测一预警一控制系统开发1引言供水管网漏损是大多数供水企业面临的重要问题，若以管道漏失率计，我国许多大中城市的供水管网相对较高，而单位管道长度漏水量也较发达国家明显偏高。近年来北京市供水管网进入高速发展期，并以每年200多公里的速度增长。目前市区供水管网总长为7852．84km，服务面积665．95km2。管网规模快速拓展为管网安全运行与漏失控制带来了新的困难与挑战。在此形势下，如何保障供水管网安全运行、降低管网漏失率，成为北京市自来水集团面临的重大挑战。我国大多数供水企业仍主要沿用被动检漏法、人工音听检漏法等传统检漏方法，且存在如下主要缺点：(1)缺少计划性；(2)受人员技术水平、工作经验及现场条件等方面限制，检漏效果受到了一定影响；(3)人员劳动强度大等。国外近年来开发了基于管道破损声音信号的漏失监测记录仪，以监测夜间用户用水量最低、环境背景噪音最小时段的连续声音信号，并根据所信号强度、带宽、频率等做出判断与识别，将存储信息以无线方式发送至巡视仪，进行信号收集与处理。此设备可实现对管网漏损的有效监测，并提高漏损点判断与定位效率。但是，如何高效、科学、合理地利用记录仪，并以此为基础建立适合特大型环状供水管网及运行管理140城镇供水增刊2010特点的供水管网漏失监测、预警与控制技术系统，国内外仍未开展过相关研究开发工作，尚缺乏大规模的工程应用案例。为此，北京市自来水集团与中国科学院生态环境研究中心合作，基于供水管网地理信息系统，以帕玛劳漏失监测巡视仪和记录仪为支撑设备，开发了供水管网漏失监测、预警与控制系统，并结合北京奥运会、“两会”、“十七大”等重要政治活动，以北京市二环核心区、奥运场馆周边、重要路口与桥区等为示范区进行了工程示范，并逐渐延伸拓展到北京市区管网范围，初步构建了供水管网漏失监测一预警一控制系统的综合工作模式，为今后该技术系统在北京市供水管网的大规模应用奠定了重要基础。2供水管网漏失监测一预警一控制系统构建2．1系统概述在供水管网运行与漏失管理中，需要解决如下关键问题：1)如何有效监测并及时发现漏失；2)如何预测评价不同区域或管段的漏失概率，并对漏失高发区采取相应的技术与工程手段；3)如何实现管网分级分区管理；4)如何实现大量漏失监测仪器及监测数据的管理与信息挖掘。针对上述需求，开发了包括漏失监测、漏失预测预警、独立计量分区(DMA)漏失控制、漏失监测系统资产管理等子系 ·供水管网改造与漏损控制·统的城市供水管网漏失监测一预警一控制系统。2．2漏失监测子系统在复杂的管网系统上科学设计布设方案，合理安装漏失监测记录仪，是开展漏失监测的晕要基础，直接影响区域漏失监测的整体效率。考虑到城市管网系统的庞大、复杂、未来监测区域扩大等因素，有必要设计一个可推广性强，能够适用于各种管网系统的快速、有效的监测布设方法。基于上述因素，利用地理信息系统(GIS)技术，以网络分析理论为基础，发展设计了基于GIS的漏失监测优化布设方案(图1)，实现J，快速、科学、有效的漏失监测优化布设。图2给出了北京市二环中心区漏失监测记录仪的优化布设方案。对于北京市特大型城市供水管网，如何系统管理大量的漏失监测信息并科学合理地指导供水企业开展高效的信号监测、漏失排查、管道维修、管网维护是该系统的重要任务之一。其中，在漏失监测记录仪优化布设的基础上，建立漏失监测布设点位的信息信号数据库是构建漏失系统的基础。正基于此，为实现对大量的漏失监测点位和漏失监测信息进行方便、快捷、系统性管理，以及基于漏失信号数据的管网系统状况评估，开展城市供水管网分区是前提与基础。另一方面，在日常漏失监测点信号收集过程中，也需要在供水管网分区的基础上进行分区监测与管理，以方便供水管理部门、应用部门对这种地理区域性明显的漏失监测工作的有效指导和相关信息的管理。为此，针对计算机信息管理特点与要求，以基于网格划分的层次模型为基础进行研究区域范围内的较大尺度层次的管网漏失监测区分区与编码；在此基础上，将七述分区结果进行进一步细化、调整与完善，形成了满足工程实际中记录仪布设与信号收集要求的漏失监测区划分，并对各监测区进行了适应于工人操作特点的编码方法。上述管网分级过程与方法充分体现了供水管网分级分区的理念，成为后续北京市供水管网分级分区管理的重要思路。2．3漏失预测、预警子系统漏失预测、预警子系统要求实现主要三个功能：(1)通过历史数据建立漏失概率模型，预测未来各年份管网的漏失概率，从而确定霞点监测区域；(2)根据记录仪报警信息以及真实排查结果，建立漏失报警判断模型，辨别真漏和误报；(3)根据记录仪戤铿～疆雹一蔫镯露疆尹，≥CITYANDTOWNWATERSUPPLY钞臣毒J一一J一(监测优化布点)图1基于GI$的管网漏失监测布设的技术流程圉信号以及管网工况，建立漏点辅助定位模型，提高漏点排查效率。首先，需要建立供水管网老化失效模型。由于管网老化过程非常复杂，很难建立基于物理机制的数值模型，因此通常采用数理统计的方法，包括贝叶斯分析、统计回归、人工神经网络等。本研究结合北京市供水管网现有数据情况，采用统计和决策树方法建立管网失效可能性模型，并利用遗传算法优化模型参数，从而确定漏失高发区，为优化漏失记录仪在供水管网中的布设提供支持。图3给出了利用上述模型对2008年北京市供水管道漏失可能性预测结果。管网漏失预警工作的开展以漏失监测信号为依据和基础，大规模漏失监测工作开展后，其面临的主要困难与问题在于如何有效管理并科学利用监测历史数据信息。正由于此，漏失预警工作的核心在于以海量监测数据为基础，对信号“真”、“伪”进行甄别辨识，并进一步对漏失监测点位(“点”)、管线(“线”)以及区域(“面”)的漏失状况进行预警分析。因此，构建漏失信号数据库实现漏失记录仪信号的管理，这是进行漏失预警的重要前提与基础。进一步利用决策树模型对获得的海量漏失信城镇供水增刊201014l 供水管鲥改造与漏损控翱目2n自$=*#0B■*＆■ti＆n*$*i$号进行处理与分析，建立了漏失信号“真”、“伪”的判别方法(公式1)，-f霎0．8387却》圳P；jln(b)+l⋯～(公式¨1ln(“)．【面面艿i丽“8。其中，“为信q-强度(Level)，sp为分布区间(Spread)。当读取Permlog的“和却值后，采用上述的公式判断实际漏失的可能性，当P≥n5时．可以基本确信存在实际的#乱点，应谤静去排查。由于记录仅仪能告知可能存在漏点，无法提供漏失点可能的位置信息。本研究以记录仪工作原理为基础．结合声学基奉原理，在进行大量现场掘失信号衰减实验的基础上建立了蒲失辅助定位模型(公式2)，从Ifl『提高工人现场漏失排查效率。k一344[1a(y．一6)一In(y8—6)]一一————r—————(公式2J其中⋯L为管段^B之间的距离(可在GI$中直接确定)；y．、h为A，B两点布设记录仪的b值。24管网DMA榍失控制子系统DM^(Distnct№l耐ngArea，即独立计量区】是指供水管网中有永久性边界的相对独立的供水区域，一般通过关闭阀门使区域内管网独立于其它市政管网．进出区域的流量都用流量计计量。大量文献资料及茸外发选国家、地区供求企业的管理经验证明，对供水管网进行DMA划分、实施基于DMA的管阿管理是进行管网漏失主动控制的根本、有效措施。通过对供水管网进行DMA分区，可以对供水管阿进行有效的祸失监酒控制管理和管网系统压力揣孕 ·供水管网改造与漏损控制·控制管理。尽管国外和我国台湾地区有较为成熟的应用经验，但国外主要以支状管网为主，对于我国大陆地区普遍使用的环状管网，仍缺乏城市管网DMA分区成功实践案例，尤其对于北京市特大型环状管网，更是没有经验町循。在系统把握并充分把握北京市环状管网特点的基础上，本研究确定了DMA分区的基本原则：1)确定适宜的DMA大小。综合考虑了用户数量和管线长度两个参数，通过调整DMA的上述两个参数来控制DMA的大小；需尽可能结合现有管网具体情况，尽量不要对现有管网进行大规模的改造。2)保持管网的完整性。DMA管网的完整性决定着DMA的实际可操作性，需要在规划时保证管网的完整性，充分尊重原有管网的结构，减少对DMA的管线改造。北京市区部分供水管网不适合规划为DMA，特别是二环以内老城区内的一些地方，存在很多平行管网，划分为DMA不能保证管网的完整性，不能保证供水的安伞性。若对这些管网进行大规模改造，则投资会特别大。3)将供水干线排除在DMA之外。北京市四环内供水管网属环状网与枝状网相结合的形式，二环以内的城市中心区和二环外人口密集的住宅小区多属环状管网，在部分稍偏远的地区供水管线属于枝状网。四环内供水干线整体呈环状结构，在划分DMA时将供水干线排除在外，保持其原有的环状结构以保证供水安全，只对供水支线进行DMA分区。排除供水干线还可以避免关闭大的边界阀门，减少对DMA水质的影响。4)输水管上有细小支线用户情况的处理。供水干线主要铺设在主干道的人行道或绿化带下，就近接出支线供水给两侧用户。当从主干线接出的支线比较多且分散时，这些地方如果划进配水管线DMA，实施时需要较多新管线连接，投资大，因此把这类支线划入输水管DMA，用户仍然由供水干线供水。5)保障输配水过程水质。由于DMA分区要关闭区域边界上的阀门，这样在DMA管网末梢会产生较多的死端，从而使末端水流长期滞留而造成水质下降。DMA中的阀门数量越多，水质下降程度越严重。以此为基础，本研究选择了3个典型小区进行DMA分区实践，探索了DMA实施流程与方法，并进行了最小夜间流鼍测试、DMA漏失检出限、DMA水压与水质安全性评价等工作，最终总结出针对北京市供水管网的DMA建立流程图(图4)。域铿弋翻雹4然灞黪翻尹，弓CITYANDTOWNWATERSUPPLY帮。YESI流量il选型、，奠装lJI试运行l令丽拎漏、修漏1．确定MNF田4趸立DMA的流程图2．5漏失I监测一预警一控制系统平台开发以上述子系统的主要功能为基础，围绕管网漏失监测、预警与控制过程中的设备管理与数据管理需求，以城市供水管网及漏失监测中数据信息有效利用为目标，开发了漏失监测一预警一控制系统平台。该系统通过先进的漏失监测设备、基于C／S的GIS技术、漏失监测预测分析算法以及信息技术融合实现对城市供水管网漏失的信息化监控，将传统的被动式漏失判断转变为主动的预测、监测、报警和控制，提高管网漏损点的判断和定位效率，从而为降低漏失监测盲目性、有效提升供水管网漏失管理水平提供平台基础。管网运行过程中需要管理的信息主要包括：管线基本属性信息(管龄、管径、材质等)、管线空间信息(布设位置、走向等)、管线关联信息(与其城镇供水增刊2010143 孕嬲黼麓一，关联的管线或附属构筑物)、管线历史漏失事件(漏失H恫、漏失类弛、精失原因、赫失水量等)、耩失监测仪器等资产信息、漏失信号信息(强度、带宽等)。以上述倩息管理及前述功能为依据，本研究开发的漏失监测一顶昔一控制系统涵盖了资产管理子系统、自动优化布没模块、漏失预测模块、漏失监测模块、监测点管理模块、DMA分析模块等。系统主界面如图5所示。3供水管罔鬻失监禹一预蕾一控制系统应甩2006年，供水管网漏失监浏项目组采取边研究、边宴践的研发应用模式，开始在北京市中心区大规模应用，并取得显著成效。2006～2009年，项目共布设记录仪11243处，采集试验数据66988处，其中报警2184处．经排查确定管网漏损共728趾．其中管网暗漏16l处，闸门、消火栓、排气门等附属设备褥损567处，约折台水量416万立方米。系统应用使得北京市区管网DN75噩以E漏损总数逐年下降，2006—2009年由1381处下降至1326、1130和862处。其中2007年全年，记录仪报警895供水管网改造与漏损控制处，通过排在确定漏损358处，其中管网暗漏102处、附属设备漏损256处；检暗漏数量占2007年全年全市暗漏总数的142％，所柱暗漏折合水量2，385．072一。此外．该系统在北京市重大政治括动的供水安全保障过程中也发挥丁重要作用。2006年中非合作论坛北京峰会及后续试验期间，共布设记录位523处，采集数据2016处，其中报警186处，确定暗漏6处，附属设备漏56处。2008年北京奥运会及残奥会期间，项目组在奥运中心区、奥运比赛训练场馆，相关寅馆驻地等开展了固定监测，共布设记录仪4229处，采集数据22909赴，其中报警765处，确定暗漏19处，附属设备漏146处，为平安北京、平安奥运做出了突H：贡献。2009年围庆60周年供水保障期间，共布设监测点3313处，其中国庆安保警戒区及行驶路线共755处．共采集数据21993处次．其总报警629处，通过排查确定管阿破损143处，其中暗漏34处，闸门等设备井谓木109处。4结论与展望围绕北京市供水管阿特征与运行管理需求，以记录仪为基础开发丁供水管网漏失监测一顶昔一控箭系统．井在北京市中心区供水管网运行维护中得到了大规漠应用，取得了较好的成效，获得了较为成熟的应用经验，为今后该技术系统在北京市供水管两的大规模实拖奠定了重要基础。今后将进一步结合管网管理业务现状．逐渐实现系统应用的标准化、规范化、制度化。从而为系统在北京市全市及在其他城市应用推广提供基础经验。DevelopmentandApplyofLeakageDetection，AdvanceWarningandControlSystemonBeijingWaterDistributionSystemPrej∞tGroupofWaterLeakageConnoll2(1＆日1llgWue肿rksGroup，酬lllg，100089；2B删w吐c∞时for‰一En删scien∞．Chin眦AcademyofSei帆ce，酬mg．100085)Abstract：Forthe耐e咖“岵endk＆k8#。曲ddwarndlsnlbutimq“鲫，B嘶l唱Wate～orksc伽p^咖叩4leakage∞ntrdP叫删groupwithR∞∞”hC柚Ⅱfor如。一EⅡⅧ帅nmlScience，Cittn＆eAeedemyofScien∞Ith蝴H岍dimibutlonsyst舢GISn脚t“∞theScrmlog∞岫h啪device．h唧B岫“姆畸∞6∞，^d珊∞WamiagandControl唧Bkm‰‰systemis,,ppl；cdintheimpmbxlt∞r瞄∞m日嘲kr删，嘶皿pi口“B，impcc；am—j’咿andwerP嘲ere，nhasfonnedIkpreliminaq棚“p砷e⋯a一”噌P“锄ofI舶婚Eh∞6∞，AdviceWaning州Ccmml蛳mOff嘲吣wmHDiB廿jhtin耐虬emKq"曲：wmH阢舾¨m即Ie“；Leakagec劬d；D咖“”；AdvanceWarning删c∞帅I5ydem嘶do删'