淺談漏損控制新技術(shù)

李剛

摘要：本文首先從采用多級支持向量機(jī)識別泄漏區(qū)域、采用瞬變時間-頻率分析法檢測供水管線中的多故障、基于累計求和和多尺度小波分析的組合方法檢測漏損、影子價格法、全天候管道預(yù)警平臺等方面探討了國內(nèi)外漏損控制新技術(shù)，而后對利用光纖擾動方案、傳感技術(shù)解決供水管網(wǎng)漏損控制問題的新理念進(jìn)行了深入分析。

關(guān)鍵詞：漏損控制、光纖傳感

一、 ?國內(nèi)外漏損控制新技術(shù)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)供水面積以及管線長度呈現(xiàn)快速上升的趨勢，相對應(yīng)

也伴隨著供水系統(tǒng)漏損率（含挖掘破壞，下同）的不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，2014 年， 我國城市公共供水系統(tǒng)（自來水）的管網(wǎng)漏損率平均達(dá) 15.6%。我國水資源相對缺乏， ?660 個城市中有上百個城市供水短缺。由于供水管網(wǎng)漏損嚴(yán)重，全國城市供水年漏損量 近 100 億立方米，這已經(jīng)成為制約中國水務(wù)行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

（一） 采用多級支持向量機(jī)識別泄漏區(qū)域

采用一種多級支持向量機(jī)的方法來識別管網(wǎng)系統(tǒng)的漏損區(qū)域。實際應(yīng)用操作過程中，首先通過仿真將管網(wǎng)分為若干漏損區(qū)域;其次在不同區(qū)域內(nèi) 隨機(jī)生成若干處漏損事件，供水力仿真模型分析學(xué)習(xí)，得到漏損數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本;再次訓(xùn)練 M-SVM 建立漏損區(qū)域識別模型，最后將訓(xùn)練后的 M-SVM 用于分析待檢范圍內(nèi)觀測 得到的流量和壓力數(shù)據(jù)，從而鑒別出可能存在漏損的區(qū)域。采用該漏損區(qū)域識別法，結(jié)合壓變漏損檢測法，對大范圍的實際供水系統(tǒng)進(jìn)行漏損檢測，能將漏損范圍縮小到漏損點附近小區(qū)域的管網(wǎng)，再用管道檢測設(shè)備對該區(qū)域進(jìn)行檢查，可迅速定位漏損位置，大大節(jié)省了時間和人力。

（二） 采用瞬變時間-頻率分析法檢測供水管線中的多故障

瞬變管道故障檢測也是供水管網(wǎng)無損檢測技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的手段，其原理是檢 測管道內(nèi)水流的瞬態(tài)水力學(xué)特征來識別管網(wǎng)系統(tǒng)中潛在的故障。

管網(wǎng)中的水流產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力波信號包含了水流在管網(wǎng)中流動和接觸管道組件、設(shè) 備或管道故障如漏損、阻塞、異常分流或連接等狀態(tài)下的大量系統(tǒng)信息，可用于評估管網(wǎng)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)變化，一旦管網(wǎng)出現(xiàn)漏損，時域壓力波就會出現(xiàn)反常的反射和衰減。然而該方法目前主要用于一些結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)型已知的單一或混聯(lián)管網(wǎng)的故障檢測，且其故障類型也須為已知;對于具有多種未知故障類型的復(fù)雜混聯(lián)管網(wǎng)，其應(yīng)用較為有限。

（三） 基于累計求和和多尺度小波分析的組合方法檢測漏損爆管造成的水流量漏失較大，當(dāng)其超過平均流量的 20%時，就能被較為容易地檢測 到;而對于泄漏水流來說，其流量遠(yuǎn)小于平均流量，檢測較為困難，傳統(tǒng)方法只有在夜晚其他干擾較小的情況下才能被檢測到。

為此，提出一種基于累計求和的檢測方法，當(dāng)發(fā)生爆管時壓力突然增大，其產(chǎn)生的峰超過人為設(shè)定的閾值，cusum 可通過算法檢測到爆管和多尺度小波分析法通過將壓力的測定分解為 4 個級別的系數(shù)來檢測爆管，作為檢測小流量泄漏的穩(wěn)健方法。該方法克服了因人為設(shè)定閾值不明確而可能在噪聲信號較大的條件下穩(wěn)健性下降的問題，以及 MWA 法因時間信息的缺失而可能使每個感應(yīng)器在估算泄漏效應(yīng)的到達(dá)時間時精度下降的問題，并且引人了置信界限使得 cusum 法和 MWA 法的定位方法更符合實際情況。

（四） 影子價格法

智利的一項研究采用影子價格法來開展管網(wǎng)漏損經(jīng)濟(jì)評價方法的建立。結(jié)果表明 2014 年漏損的平均影子價格約為 0.23 歐元/平方米，即供水系統(tǒng)每損失1立方米的水，消耗的環(huán)境和資源成本約為 0.23 歐元，約占輸水價格的31.7%。然而，不同的水務(wù)公司受地理位置、運(yùn)營成本、經(jīng)營狀況等原因影響，算得的漏損影子價格差異較大;敏感性分析顯示從水務(wù)公司角度、政府和社會角度計算得到的影子價格也不盡相同。這項研究的核心價值在于提出了更為科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的漏損控制目標(biāo)的確定方法，有利于幫助政府制定配套的獎勵機(jī)制來促使水務(wù)公司更有效地減小漏損率，放緩水資源的投資開發(fā).

（五） 在預(yù)防管道第三方破壞中，國內(nèi)一些機(jī)構(gòu)采取建立全天候管道預(yù)警平臺的方式針對第三方施工具有的隨機(jī)性、突發(fā)性、偶然性，利用“點+線+面+網(wǎng)”結(jié)合方式，即智能視頻監(jiān)控+無人機(jī)智能巡線+次聲波智能檢測系統(tǒng)全方位監(jiān)控管道運(yùn)行安全。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的推出，智能化監(jiān)控手段將成為管道管理發(fā)展的重要組成部分，實現(xiàn)管道相關(guān)數(shù)據(jù)的圖形、圖像、視頻、圖表分析信息的多維度查詢及可視化展示，結(jié)合傳統(tǒng)的人防手段，能夠達(dá)到“有圖有真相，有圖有分析”效果。

二、利用光纖擾動方案、傳感技術(shù)解決供水管網(wǎng)漏損控制問題的新理念

采用天津大學(xué)、武漢理工大學(xué)光纖流量與光纖傳感器及傳感系統(tǒng)技術(shù)，應(yīng)用于供水 領(lǐng)域解決供水漏損率偏高等問題，與現(xiàn)有管網(wǎng)減損系統(tǒng)相連動，實現(xiàn)預(yù)警報警功能。

1、基于光纖 F-P 壓力傳感器及其解調(diào)技術(shù)，開展智能管網(wǎng)流量監(jiān)測方法研究，主 要是探索在閉環(huán)水務(wù)管網(wǎng)環(huán)境條件下，水資源流量變化引起的壓力改變量化模型關(guān)系，開發(fā)可實用化的全光纖 F-P 壓力傳感器及其解調(diào)系統(tǒng)，對水務(wù)管網(wǎng)系統(tǒng)的流量和壓力進(jìn) 行智能監(jiān)測，通過準(zhǔn)分布式的壓力/流量實時監(jiān)測，評估管網(wǎng)的漏損檢報。

2、基于全光纖 M-Z 雙臂干涉技術(shù)，開展全光纖管網(wǎng)防挖掘預(yù)警方法研究，主要是

采用激光干涉的光纖傳感技術(shù)分析，在外力即將破壞管網(wǎng)前預(yù)警，保證管網(wǎng)安全;管網(wǎng)泄漏時產(chǎn)生的振動較大，利用光纖擾動方案，采用光纖傳感技術(shù)分析，對管網(wǎng)漏損初期進(jìn)行預(yù)判并精確定位潛在的漏點位置（精度 10 米量級）。

3、基于上述傳感系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)，開展海量數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)智慧水務(wù)監(jiān)測調(diào)度方法 研究，主要是構(gòu)建用于海量數(shù)據(jù)處理的智慧水務(wù)監(jiān)測預(yù)警與調(diào)度管理平臺，通過深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)水務(wù)管網(wǎng)系統(tǒng)的預(yù)測、預(yù)警、預(yù)報，提高現(xiàn)有水務(wù)系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警水平。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 劉琨，劉鐵根，江俊峰，井文才，汪曣，張紅霞，賈大功，張以謨.一種混合式光纖物理和化學(xué)傳感系統(tǒng)，中國激光，2009，36（S2）：299-305