基于GIS 的城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實時監(jiān)測方法

彭慧馨, 魏 超

(北京檀州自來水有限責(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受到地表沉降、土壤腐蝕、地下水長期浸泡以及地下植物根系破壞等影響,再加上極端天氣對管線運(yùn)行產(chǎn)生的不利影響,這些會導(dǎo)致爆管發(fā)生。 外力破壞主要指周圍施工破壞、長期受到重型車輛碾壓,在這種外力作用下也會發(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,也會造成管線出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。 一旦出現(xiàn)管線爆管,不僅會導(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圍擴(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,對管線爆管狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,具體做法是在各管段中間添加節(jié)點(diǎn),針對爆管流量進(jìn)行模擬,結(jié)合各個節(jié)點(diǎn)壓力變化值,構(gòu)建爆管判斷矩陣,通過對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化布置,結(jié)合NSDE 算法分析監(jiān)測點(diǎn)的特征,實現(xiàn)對管線爆管狀態(tài)的監(jiān)測。 吳以文等[3]考慮到水壓監(jiān)測布點(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),對供水管網(wǎng)爆管狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測,在管線多個點(diǎn)位布設(shè)監(jiān)測點(diǎn),采集監(jiān)測數(shù)據(jù),構(gòu)建LSSVM 交互預(yù)測模型,對管線爆管進(jìn)行有效監(jiān)測。

上述兩種監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中,存在較大的監(jiān)測誤差,并且響應(yīng)時間較長,影響了管線爆管狀態(tài)的監(jiān)測效果,無法滿足實際應(yīng)用需求。 為解決這一問題,本文提出基于GIS 的城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實時監(jiān)測方法。

1 供水管網(wǎng)管線數(shù)據(jù)無線感知及狀態(tài)識別

通常情況下,發(fā)生爆管的管線流量會突然增大、壓力會降低,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)管線實際情況在管線上布設(shè)測點(diǎn),測點(diǎn)間距在100 ～150 m 之間,在測點(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)實時監(jiān)測需求,選擇OFAHA-4FA88 型號流量傳感器和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)測電源總線上,并根據(jù)實際情況對無線傳感器的無線脈沖信號發(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算出管線爆管概率值,其計算公式見式(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)實際情況設(shè)定閾值,如果公式(1)計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)識別到管線爆管狀態(tài)后,利用GIS 技術(shù)對爆管節(jié)點(diǎn)定位,并確定爆管影響范圍和爆管狀態(tài)等級。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,通過對管線實地探測,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問題[6]。 將收集的所有數(shù)據(jù)上傳到GIS 軟件平臺上,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)庫中,建立供水管網(wǎng)管線表,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,見表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,制成管線三維場景[8]。 在場景中通過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,并通過數(shù)學(xué)方法,自動進(jìn)行兩線銜接建模。

3 爆管定位及狀態(tài)預(yù)警監(jiān)測

在建立的管線三維模型中標(biāo)記監(jiān)測節(jié)點(diǎn),根據(jù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)射的無線脈沖信號與接收信號的時間差,計算出管線爆管節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測點(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)測點(diǎn)距離,m;t1表示無線脈沖信號發(fā)射時間,s;t2表示無線脈沖信號接收時間,s;v表示無線脈沖信號傳播速度,m/s[9]。

在管線三維模型中已知監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo),根據(jù)無線脈沖信號走向,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,會對周圍用戶用水造成停水影響,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。 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1/3,則表示管線爆管狀態(tài)比較輕,預(yù)警等級為一級;如果比例超過1/3,但是小于1/2,則表示管線爆管狀態(tài)一般,預(yù)警等級為二級;如果比例超過1/2,則表示管線爆管狀態(tài)比較嚴(yán)重,預(yù)警等級為三級。 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,生成監(jiān)測報告,以此實現(xiàn)基于GIS 的城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實時監(jiān)測。

4 試驗論證

4.1 試驗準(zhǔn)備與設(shè)計

完成上述基于GIS 的城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實時監(jiān)測方法方法設(shè)計后,為實現(xiàn)對設(shè)計方法在實際應(yīng)用中的效果檢驗,以下將采用對比試驗的方式對設(shè)計方法的適用性與可靠性進(jìn)行檢驗。 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)測方法(傳統(tǒng)方法2)作為對比方法,與本文方法共同進(jìn)行測試。

選擇某城市供水管網(wǎng)為試驗對象,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,總長度約為394.64 km。 由于該供水管網(wǎng)自建成投入運(yùn)營時間已經(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,符合試驗需求,利用本文設(shè)計方法對該城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實時監(jiān)測。

根據(jù)該供水管網(wǎng)實際情況,隨機(jī)選擇供水管網(wǎng)中供水管線A13 作為測試管線,該管線全長22.35 km,為保證整條管線的正常運(yùn)行,僅對該管線中E22-E23 段進(jìn)行爆管狀態(tài)監(jiān)測。 E22-E23 段長度為3.15 km,設(shè)有30 個監(jiān)測節(jié)點(diǎn),每100 m 布置1 臺壓力傳感器,共使用31 臺壓力傳感器,采集到1.26 GB 管線運(yùn)行數(shù)據(jù),按照上文通過對數(shù)據(jù)分析,識別管線爆管狀態(tài),并對爆管節(jié)點(diǎn)定位以及爆管狀態(tài)等級預(yù)警監(jiān)測,以下對具體監(jiān)測效果進(jìn)行評定。

4.2 試驗結(jié)果與討論

相對誤差可以反映出管線爆管狀態(tài)實時監(jiān)測精度,因此,將管線壓力監(jiān)測的相對誤差作為3 種方法精度評價指標(biāo),實驗共設(shè)計8 組,選擇8 個管線爆管數(shù)據(jù)樣本,將監(jiān)測結(jié)果與實際情況比對,確定監(jiān)測相對誤差,使用電子表格對試驗數(shù)據(jù)記錄,具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 3 種方法管線壓力監(jiān)測的相對誤差對比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)測的相對誤差方面表現(xiàn)出明顯的差異,本設(shè)計方法爆管狀態(tài)監(jiān)測相對誤差范圍在0.26%～1.41%,平均相對誤差為0.86%,數(shù)值較小,基本可以忽略不計,說明設(shè)計方法可以實現(xiàn)對城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)的高精度監(jiān)測。 而傳統(tǒng)方法1 爆管狀態(tài)監(jiān)測相對誤差范圍在10.25%～14.23%,平均相對誤差為12.56%,比設(shè)計方法高將近12%,傳統(tǒng)方法2爆管狀態(tài)監(jiān)測相對誤差范圍在13.56%～15.43%,平均相對誤差為14.23%,比設(shè)計方法高將近14%。通過以上分析證明,在準(zhǔn)確性方面本設(shè)計方法優(yōu)于兩種傳統(tǒng)方法。

單一的指標(biāo)無法全面反映出設(shè)計方法的監(jiān)測效果,故將監(jiān)測響應(yīng)時間作為3 種方法監(jiān)測效果第二評價指標(biāo),以獲取到管線爆管數(shù)據(jù)時間為開始時間,以預(yù)警監(jiān)測最終響應(yīng)時間作為終止時間,使用電子表格記錄試驗數(shù)據(jù),見表3。

表3 3 種方法監(jiān)測響應(yīng)時間對比Tab.3 Comparison of response time monitoring using three methods

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

通過以上試驗結(jié)果證明,無論是在監(jiān)測精度方面還是在監(jiān)測響應(yīng)速度方面,本文的設(shè)計方法均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,這是因為本方法采用了GIS 技術(shù)對供水管網(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)測精度和速度,相比較兩種傳統(tǒng)方法,本設(shè)計方法更適用于城市供水管網(wǎng)管線爆管狀態(tài)實時監(jiān)測。

5 結(jié)論

爆管是城市供水管網(wǎng)管線一種常見的故障,對于管線爆管故障實時監(jiān)測,對管線及時維修、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,針對當(dāng)前城市供水管網(wǎng)管線曝管狀態(tài)監(jiān)測需求,提出了一個新的監(jiān)測思路,有效減小了爆管狀態(tài)監(jiān)測相對誤差,縮短了爆管狀態(tài)監(jiān)測響應(yīng)時間,為監(jiān)測實踐提供了理論支撐,同時也為相關(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,尚未在實際工程中得到大量的實踐與操作,在某些方面或許存在不足,今后會在方法優(yōu)化設(shè)計方面展開深層次探究,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。