大型城市供水管網漏損管理系統建設實踐

張昭君， 鐘偉峰， 楊 濤， 阮貴全， 鐘汶均， 盧俊軒

(1.廣東粵港供水有限公司，廣東深圳518000；2.香港特別行政區政府水務署，香港灣仔999077)

1 背景

XG水務公司(下稱水司)運營長度超過8 000 km的供水管網，為超過700萬人口提供供水服務?；赬G的山丘地形，很多住所都位于高處，水壓一般在60～80 m，較其他城市和地區要高。而且XG的地下公共管線密集，道路交通及工程頻繁，給地下供水管道帶來不少振動和干擾。另外XG的老舊管網較多，據不完全統計，50 a以上的舊管道超過3000 km。這些因素均增加了水管爆裂或滲漏的發生概率，令XG在處理供水管網漏損問題時面臨極大的挑戰。

參考相關城市成功經驗及粵港澳大灣區推行“智慧城市群”的要求，加之先進科技運用，正逐步將XG的供水管網提升為一個“智慧漏損管理管網”(簡稱智管網)。在智管網下，整個城市的自來水管網將被分成超過2 000個大小易于管理的獨立監測區域，每個區域的管網內均安裝傳感器和監測設備。

隨著智管網工作的推進，傳統的漏損分析方法已不能滿足水司日常的漏控工作。為了應對上述挑戰和公眾對優質供水服務日益增加的期望，水司計劃將信息科技(IT)應用于供水系統，以達成最具成本效益及可持續的解決方案。通過智能管網漏損管理系統(INMS)的構建和應用，使上千個分區自動進行漏損分析成為可能，漏損管理也變得更為高效。

2 系統概況

INMS系統是通過分區管理、水平衡分析、KPI(key performance index)管理等供水行業專業知識的深入應用，基于ArcGIS、數據倉庫、ETL等多類IT技術構建的一套綜合應用系統，實現對管網和漏損全面分析。系統按照數據流轉邏輯自下而上分為采集層、數據層、應用層和展示層，按照功能分為系統門戶、管網資產、管網監測和漏損分析4套子系統，系統整體架構如圖1所示。

圖1 INMS系統整體架構Fig.1 Overall architecture of INMS system

2.1 門戶子系統

INMS系統展示層，對各應用子系統進行了整合，為用戶提供統一的展示界面；同時具有單點登錄(SSO)、系統日志管理、用戶管理、權限管理、配置管理等功能，進一步為應用子系統提供基礎支撐。

2.2 管網監測子系統

管網監測子系統構建統一時序數據庫，支持多廠商、多品牌的壓力、流量及噪聲等監測數據的集中存儲、統一分析，核心應用包括運行分析、報警管理等功能模塊。

2.3 管網資產管理子系統

管網資產管理子系統對地理空間數據、管網數據、基礎地形數據、地理編碼數據等多種數據資源進行一體化管理，支持對管網資產按圖層查詢，同時提供管網資產分類統計、分析能力。

2.4 漏損分析子系統

系統基于成熟商業化BI工具，以漏損管理KPI為牽引，對指標進行多維分析及分層、分級圖表展示，為水司各單位提供決策支持。漏損分析子系統基于成熟ETL工具對XG水司數字制圖(DMS)、客服收費系統(CCBS)等現有業務系統數據進行抽取、清洗、聚合，構建水司數據倉庫。

圖2 漏損分析子系統應用架構Fig.2 Application architecture of the leakage analysis subsystem

3 關鍵技術

3.1 SFTP數據傳輸技術

INMS為一套決策分析系統，數據均來源于水司現有業務系統，系統可靠、穩定集成是INMS發揮效能的前提條件?，F有業務系統基本通過文件的方式提供數據，故采用SFTP進行系統間文件傳輸，保證數據傳輸的可靠性和安全性；同時，為保障系統數據傳輸的效率，對部分大數據量文件進行壓縮傳輸。

3.2 海量數據采集和存儲技術

INMS需要對接多個監測和計量數據系統以獲取數據，數據上傳頻率高、數據量大，據估算2026年系統數據量接近30億條(表1)。

面對數以億計的數據如何保障系統性能，是系統構建中面臨的首要問題。INMS通過ETL工具對海量數據進行抽取、加工、裝載，通過數據倉庫的方式構建大數據應用，采用多級數據預處理(字段冗余、橫豎表轉換、分域匯總、分時匯總等)，減少數據實時處理過程，提升系統數據查詢展示性能。

3.3 空間數據處理及展示技術

INMS系統采用ArcGIS作為地理信息數據存儲、處理和展示的平臺，利用ArcGIS地圖制作、空間數據管理、空間分析、空間信息整合、發布及共享的能力，結合大數據分析，為用戶提供基于地圖的基礎數據、統計分析數據和指標的查詢展示。同時，系統采用EChart作為數據圖表化展示工具，為用戶提供穩定可靠、便捷美觀的曲線圖、柱狀圖、餅圖等數據動態展示功能。

4 功能與應用

INMS系統的最終目標是實現漏損統計并為漏損控制提供決策依據，主要功能包含管網資產管理、管網監測和漏損分析。

4.1 管網資產管理

4.1.1系統管理的管網資產

① 原水管線、淡水管線、沖廁海水管線3套合計約8 000 km長的供水管線，包含2 000余DMAs/PMAs、17個蓄水水庫、21個水處理廠、196個泵站和228個服務水庫。

② 5 000余個管網監測點和900余個噪聲監測點。

③ 300萬余個用戶水表。

4.1.2INMS的主要應用功能

① 資產查詢。實現指定區域或類型的3套管網、閥門、消火栓、水表、監測點等數量及屬性查詢，并可在地圖上進行定位。

② 結合分區的資產查詢。結合供應區域(SZ)、計量分區(DMA)、壓力分區(PMA)漏損排名，可方便漏損管理人員篩選分區管網在指定管齡、管徑范圍或特定管材下的管道列表，從而為進一步進行物理漏損分析提供依據，見圖3。

③ 管網運行和維護事件查看。通過INMS的系統接口，可查看來自 MWMS 的爆管/泄漏記錄及日常操作和維護事件，以及來自MGIS的開關閥門記錄，這些記錄均可在地圖上進行定位。

④ 資產分布專題圖。以管齡、管徑或管材為專題在地圖上展示整個城市的管網資產，并可疊加各種分區邊界、歷史爆管/泄漏等數據，從而為有針對性的檢漏或管網更新改造提供科學依據。

⑤ 關閥分析。該模塊根據指定管道的爆管事故發生位置，分析其影響區域、需要關閉的閥門及影響的用戶等情況。

圖3 指定區域指定管徑范圍下的管線查詢和定位Fig.3 Pipeline query and location within the specified area and diameter

4.2 管網監測

4.2.1監測類型

① 來自3個廠家20余種品牌監測設備的壓力流量數據。

② 來自3個廠家8種品牌的漏水噪聲監測設備的噪聲數據。

③ 來自現有的SIS、RTMDLS等外部系統的壓力流量數據。

4.2.2主要功能

① 監測數據集中展示。對不同來源的壓力、流量、噪聲等監測數據，進行集中展示。

② 監測點運行詳情查看。支持按分區、管網類型、用途等進行監測點過濾，可查看每個監測點的基本信息、歷史數據曲線、報警記錄等。

③ 異常報警。監測點數據異常時可在地圖上高亮展示，并支持多種方式的報警通知。INMS報警類型有3種：離線報警，設備長時間未上傳數據產生離線報警；限值報警，監測點數據超過預先設定的上、下限值產生報警，另外系統支持自動產生閾值包絡線來設置動態報警限(圖4)；趨勢報警，根據監測數據的變化趨勢設置告警。

圖4 監測點報警閾值包絡線生成樣例Fig.4 Sample of generation of alarm threshold envelope line at monitoring site

4.3 漏損分析

基于多級分區計量的漏損分析是INMS系統的核心思想，從分區計量的角度具有以下相關功能。

4.3.1XG管網分區類型

① DMA/PMA分區，以獨立計量與漏損管理為直接目的的分區，DMA/PMA一般為單一入口，部分DMA有多達3～5個流入及流出的計量，DMA與DMA間可能存在包含關系。

② SZ(supply zone)分區，多數為單一淡水配水庫供應的區域，也有屬于水廠直供的區域，另外有部分SZ存在淡水補充海水庫的現象，但均有計量，一個SZ一般包含多個DMA/PMA。

③ Region分區，分為4大行政管理區，不是計量分區，但可由SZ分區的供水量加和得到，該分區的漏損計算在管理上存在意義。

④ DC(district council)分區，選區，不是計量分區，不作漏損分析，但可評估其DMA/PMA覆蓋情況。

如圖5所示，某SZ分區SR134包含KE015、KE016、KE024、KE034、KE042共5個DMA/PMA，其中黑色是未被DMA/PMA覆蓋區域(簡稱No DMA in SZ)，另外DMA分區KE024包含KE034。

圖5 SZ分區與DMA/PMA分區的關系Fig.5 Relationship between SZ partition and DMA/PMA partition

圖6 SZ分區定位和漏損分析Fig.6 Positioning and leakage analysis of SZ partition

4.3.2計量表與分區關系的建立

為正確計算漏損，需建立考核表與監測設備、考核表與分區、分區與收費水表之間的對應關系，根據XG管網供水狀況，各級的對應關系可分為：A，水廠出廠計量表-配水庫計量表；B，配水庫計量表-收費水表；C，配水庫計量表-DMA/PMA考核表-收費水表；D，配水庫計量表-DMA/PMA考核表-下一級DMA/PMA考核表-收費水表。

系統提供干管上、下游計量儀表、SZ與計量儀表、DMA/PMA與計量儀表間對應關系的導入和維護功能，收費水表與SZ及DMA/PMA的關系通過GIS的空間分析自動獲得。

需要說明的是，對于已運作的分區，資料信息正確可靠，可直接讀取。對于后期增加的分區或無確切竣工資料的分區，現場應先進行閉水實驗[1]，確認供水區域后再整理出分區與水表的關系。

4.3.3漏損計算

系統支持水廠-干管-配水管，以及全網-Region-SZ-DMA/PMA的多級漏損分析。

(1)漏損分析指標

根據漏損分析方法[2]，不同分區級別分析的漏損指標如表2所示，其中“差比”為度量不明水量的參數，以日為周期，差比=DMA日均供水量/DMA日均用水量。

(2)計算方法

一般水損量的計算采用：漏損量=分區供水總量-抄收總量。

在實際工作中，水表的抄表工作并不是處于理想狀況，而漏損計算卻需要準確數據代入。因此，如何讓系統自動處理非理想狀況，使計算結果接近真實值，是較為重要的問題。針對可能出現的幾種狀況，分別給出了計算方法。

針對戶表抄表頻率不是每月一次的情況，由于抄表戶數較多，很多用戶為4個月抄表一次，而為了及時掌握分區管網漏損動態，要求每月都能計算出漏損情況：①對于當月有抄表數據的，以當月止碼減去最近一次的水表止碼，得出水量后以平均值計算；②對于當月無抄表數據的，采用去年同期抄表水量計算，即抄表量=去年同期量×(1+增長率)，增長率由最近有水量的12個月數據計算得到。

表2 不同類型分區的漏損分析指標Tab.2 Leakage analysis indicators of partitions of different types

針對抄表時間不同步的問題，由于不可能保證每個分區在同一天抄到所有的用戶水表及分區考核表，就無法保證抄讀的考核表和戶表水量是同一時段的水量。同時，對于每塊水表，每月的抄表時間不可能完全重合，抄表時間的提前或滯后均會對漏損的準備計算帶來負面影響。因此，需要將每塊表的抄表水量轉成標準月用水量。例如某塊水表2018年11月20日抄表止碼7 890，2019年3月20日抄表止碼7 950，則計算得到Q5月=15.5 m3。

4.3.4漏損預警

INMS為漏損分析提供2種漏損評價方案，一是計算出每日的供水量與日均抄表量的差別，即差比率；二是計算夜間最小流量，與夜間合理的經驗用水量對比。第一種方案中，系統可對差比大于1.22的DMAs/PMAs進行篩選，提供排名，并在地圖上進行告警展示。第二種方案中，通過平均每戶的夜間最小流量評估漏損。經過長期的漏損控制經驗，總結出當平均每戶夜間最小流量小于1.7 L/s時，該分區不會存在大的漏損，反之則需要投入人工進行檢漏。由此，將夜間最小流量1.7 L/s作為臨界值。

實際應用時將這2種方法互為補充，同時結合資產分析、漏點分析、噪聲數據，從不同角度評估DMAs/PMAs的漏損狀況。

4.3.5其他特色漏損分析功能

① 虛擬分區漏損計算

如圖5所示，當1個SZ分區中已實施DMAs/PMAs部分只占小部分時，針對未被DMA/PMA覆蓋區域，此時可采用“虛擬分區”對其進行漏損分析。此外，系統還可對具有相鄰關系的分區進行合并漏損分析，或對具有包含關系的DMA的非包含部分進行漏損分析。

② 漏損專題圖和KPI

對Region、SZ、DC、DMA/PMA等不同分區的近20余種漏損指標，按指定時間段進行專題展示，對漏損KPI按全網-SZ分區-DMA/PMA分區逐級分解，有助于管理人員分析漏損構成，并及時采用有效的漏控措施。

③ 個性化分區關注和漏損報警

XG管網管理實行片區責任制，每個管理人員比較關注自己管轄范圍內特定分區的漏損。INMS提供個性化的分區關注功能，每個系統用戶可只查看自己已關注的分區漏損情況。另外，當發生漏損報警時，也可設置對關注的用戶發送報警信息。

④ 豐富的分析報表

系統提供水平衡分析、漏損分析、分區監測、管網管理4大方面共計30余種分析報表，為用戶提供資產-監測-漏損的全方位分析數據。

5 應用效果

5.1 經濟效益

5.1.1減少人工成本

(1)節約人力資源

在未實施系統輔助漏損管理時，檢索、監視和分析不同來源的海量的壓力、流量數據及所有其他相關的管網信息(例如用水數據及操作和維護記錄)需要耗費極大的人力，因此將漏損管理引入智能化系統平臺可節約人力資源。

(2)解放勞動力，減少數據錯誤

利用INMS系統可降低數據人工出錯概率和復核成本，減少重復性勞動，使員工可更高效地投入到更具有創造性的工作中。

5.1.2降低生產成本

通過INMS系統及時發現可疑漏損區域，快速定位和維修，降低漏損量，節約制水和輸水成本。

5.2 社會效益

5.2.1節約資源

XG是一個缺水型城市，降低漏失量，意味著淡水資源得到充分利用，有利于建設節水型城市。

5.2.2提高供水服務滿意度

在計算機輔助下及時發現漏損并開展工作(如維修更換漏損嚴重的管道，降低管道爆管率)，使用戶得到連續、安全、可靠的飲用水，提高供水可靠性，客戶服務滿意度提升。

6 結語

INMS建立后，每日及時計算出1000余個分區的漏損情況，有效地縮小了漏損目標區域，在更小的范圍內進行檢漏與排查作業，做到實時監控、有的放矢，發現問題及時解決，使有效、成熟的漏損控制方法得以固化，提高了漏損控制工作的效率和質量。

目前系統還存在待完善的地方，例如新報裝的用戶暫無法做到及時歸集到指定的分區中。隨著分區計量工作的不斷深化，漏控技術的不斷完善，相信INMS系統將為XG大型城市漏損管理發揮更大的作用。