農村人飲管網水損失監測與分析系統設計及應用

張守軍

摘要：針對農村管網供水漏損率高、爆管監控定位困難、檢修運維成本高等問題，基于管網綜合預測診斷模型設計了農村人飲管網水損失監測與分析系統，并成功應用。該系統通過建立管網數據存儲平臺，直觀了解和掌控管網運行狀態，并應用大數據技術分析節點的流量和壓力數據，預測爆管風險和確定爆管位置，得到爆管分析診斷結果，并提供處理策略，有效保障了管網安全運行，提高了運維效率。該系統的應用對于彭陽縣農村人飲供水工程綜合管理、科學運營具有較大經濟和安全意義。

關鍵詞：農村人飲管網;管網漏水監測;系統設計;寧夏回族自治區

中圖法分類號：TU991.3 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.013

1人飲管網漏損問題

管網漏損率是管網漏水量與供水總量之比。目前供水管網漏損的主要原因是早期的管道材質與施工質量較差。我國供水管網平均漏損率為15.7%，有些地方甚至高達30%以上，中小型城鎮的管網漏失情況更加嚴重，而發達國家漏損率為6%～8%。管網水量的流失不僅損害經濟效益，同時還極易引起地下土層的流失，由此引發災害，對人民的生命財產安全造成威脅。

農村人飲管網漏損情況較為普遍。由于農村管網具有范圍廣、管線長、用水量低等特點，農村管網漏損率較城鎮高出許多;因漏損導致供水企業制水成本增加，使原本供水緊張的農村更加困難。管網漏損不僅浪費了寶貴的水資源，而且還使供水企業蒙受巨大的經濟損失。因此，供水管網的漏損分析與控制工作是供水工程運行管理的重點。管網漏損點的確定需要運維人員排查整條供水管道，耗時費力，運維成本高。農村供水管網鋪設位置遠離城區，地形復雜，導致故障排查更加困難，檢修成本更高。本文通過將自動化監控設備與管網分析診斷模型相結合，可有效地解決以上問題。

彭陽縣位于寧夏回族自治區東南部邊緣，山大溝深，居民居住分散，全縣人飲工程點多、面廣、線長，農村飲水干支管達6200km，已建工程標準偏低、跑冒滴漏、事故頻發、供水保障率低等問題亟需解決。

通過建立農村人飲管網水損失監測與分析系統，可以掌控管網運行狀態、預測爆管風險和確定爆管位置，無需耗費大量人力查驗管道情況。運維人員根據系統分析結果可以直接排查爆管點，提高工作效率，保障供水工程安全穩定運行，對于彭陽縣供水工程的運行管理具有較大經濟和安全意義。

2系統建設內容

農村人飲管網損失監測與分析系統建設內容包括多級人飲供水管網爆管判定、預測診斷和處理模型的確定、數據庫建設、人飲供水管網預測診斷業務應用系統的開發等，具體建設內容如下。

（1）開發管網綜合預測診斷模型。采集分析了管網的壓力和流量數據，依據歷史爆管記錄，計算得到管網各位置的爆管風險，推斷出爆管點位置。

（2）搭建良好的數據架構和系統架構。存儲管網的爆管歷史記錄、所處地質、管材、坡度等多方面的數據和管網運行過程中產生的大量監測數據，為管網大數據分析提供數據支撐。

（3）研發業務應用系統和“一張圖”。綜合展示匯集數據、關鍵指標、模型預測診斷結果。

3管網綜合預測診斷模型

分析管網運行的實時監測值、歷史爆管信息和管網工程檔案等數據，自主研發管網綜合預測診斷模型，判斷爆管事件，分析爆管位置，提供處理測量。模型主要分為管網爆管判定、管網爆管診斷分析和管網爆管處理3部分。

3.1管網爆管判定

采集和分析供水管網運行監測數據，包括各節點的流量和壓力。根據供水管道管徑材質等工程數據和管道運行歷史數據確定正常狀態閾值，建立管道爆管判定標準。當流量或壓力值發生異常時，判斷是否發生爆管。

3.2管網爆管診斷分析

（1）流量壓力檢測分析。建立流量壓力值分析模型，通過采集和分析管道各節點處的流量和壓力監測數據，發現讀數異常的監測點，標識可能爆管的管道區域，并分析各段管道或具體點位的爆管概率，推測該管道最可能發生爆管的位置。

（2）管網大數據診斷分析。分析人飲供水管網運行期間所有供水管道監測信息：各節點的流量和壓力數據以及供水管網工程數據，如管網周圍地質、坡度、管道管徑、材質、建設年代、施工隊伍等。統計管網運行期間所有歷史爆管事件，分析爆管歷史記錄詳細信息，包括爆管點位置、發生原因及時間、各管道爆管次數等。依據各類數據，建立爆管診斷分析模型，根據管網不同管道的特性給出不同地點的爆管風險。

3.3管網爆管處理

（1）閥門關閉策略。當爆管發生時，首先根據管網分析診斷模型得到各疑似爆管點的爆管風險，然后分析人飲供水管網各處的運行狀態，根據管網的拓撲結構、各節點的流量和壓力、用戶的用水量等信息，提出爆管的閥門關閉策略，在最小化爆管對整個供水系統影響和損失的同時，盡可能保障供水率。

（2）管道維修策略。將各疑似爆管點的信息進行分析，綜合考慮各節點地理位置和爆管幾率，得到各爆管點維修優先級順序，生成管道維修線路圖，方便運維人員排查和維修。

4管網數據監測和控制體系

管網數據監測和控制體系是為了監測管理管網壓力、流量等數據，根據采集數據擴展業務內容，包括管網的跑冒爆管、管道日常巡查維護檢修、遇到異常情況或者需要人為干預時對電動閥門進行控制建設的一套測控體系。

供水管網測控體系需要通過遠程監測、控制等自動化設施建設，實現壓力、流量的快速采集傳輸，實現對重要分水節點的水情在線監測、聯合控制邏輯。當出現水管破裂、用水戶停水、設備檢修、管網整改等問題時，能夠通過判斷全局的供水情況進行控制，保證供水工程的正常運轉，為農村人飲管網損失監測與分析系統提供數據服務和業務支撐。

考慮到該工程項目自動化監測設備施工安裝條件多為野外環境，故解決方案采用的自動化采集控制設備具備智能休眠、低功耗、鋰電池+太陽能供電、GPRS通訊、多通訊協議、多端口、多種傳感器接人、設備軟件功能遠程升級，同時支持云平臺邏輯及自運行、保護邏輯。自動化監測設備可有效解決野外供電、數據采集、控制及通訊問題，保證數據最短每5min上報云平臺、設備及時通訊、控制操作及時響應、實時監測自動化設備運行，保障了整個供水管網體系的可測可控。

（1）系統架構。管網數據監測和控制設備布置結構見圖1。

（2）監控設備布設。①高位水池：水位計、出口流量及閥門;②泵站前水池：控泵、閥門、壓力、水位計、流量計;③低位水池（減壓池）：閥門、壓力、水位、出口流。主要設備配置見表1。

5系統功能設計和實現

該系統的用戶包括彭陽縣水務局及其下屬單位。其中，水務局的用戶包括領導和各科室的業務人員，下屬單位用戶包括農村供水總站、管理站、水利工作站及水廠等。

5.1技術路線

該系統的總體業務邏輯為：收集管網相關的海量大數據，建立各種管網分析模型，包括管網爆管判定、診斷分析和處理。首先判定模型可實時監測管道爆管，然后運用分析預測模型在爆管范圍標識可能爆管的管道區域，即可根據爆管風險推測爆管的具體管道，最后通過歷史信息分析推測該管道中最可能發生爆管的位置，并基于爆管處理模型給出相應的處理策略。將分析結果在“一張圖”上進行展示，提供各種信息的查詢和解析。

基于java開發，應用Spring+springMvc+Mybatis框架，前端界面應用JavaScript、CSS和openlayers技術，實現圖形界面交互，后臺將模型進行封裝，前端采用接口的形式調用模型，得到優化計算結果。系統可滿足本地化部署和云端部署，將通用化供水管網分析診斷模型部署到云端，提供多處供水工程的預測診斷服務，可應用于高并發、高重用性、高效率的各類供水工程。

5.2數據庫建設

配置適度規模的存儲系統，滿足信息存儲的需要。建設信息匯聚系統，將供水管網實時監控數據、管網材質、管道周圍地質、坡度、管網歷史爆管記錄等信息匯聚到存儲中心數據庫，供管網分析診斷、系統調用（見圖2）。此外，每次管網分析診斷的結果也將存儲于數據庫中，后臺提供接口服務，以便運維人員對管網歷史運行情況進行管理和查詢。數據庫建設包含基礎數據庫、業務數據庫、監測數據庫、地圖數據庫和非結構化數據庫5類。不同的數據通過數據交換平臺，可實現數據庫復制及數據遷移、轉換與加載。

通過自動化監控信息、流量信息采集、視頻監控信息采集與集成，以數據接口的形式，匯聚寧夏回族自治區水利廳各科室管理過程的業務信息，并交換共享氣象、國土等部門的數據信息;基于彭陽縣安全管理總站信息化基礎設施、專線工程水管所信息化設施和自治區水利云平臺，借助云計算、大數據技術，建設彭陽縣人飲數據資源中心，并與水利廳數據資源中心互為災備體系，實現為彭陽縣人飲供水工程科學管理提供數據挖掘和輔助決策服務。

5.3系統架構

（1）數據架構。彭陽縣人飲系統數據庫可分為基礎數據和實時監控數據兩大類，系統數據架構見圖3。

（2）網絡架構。系統由上位機服務器、WEB應用服務器、數據庫服務器、消息隊列服務器、流媒體服務器、帶GPRS/GSM模塊的采集器、流量計、液位傳感器及水質儀器等組成。系統網絡架構見圖4。

（3）功能架構。基于供水管網診斷“一張圖”，開發人飲管網水損失監測與分析系統，結合地理位置信息、管網位置信息、管網運行監測信息以及管網分析結果，通過“一張圖”的直觀方式，既能掌握管網的實時運行狀態，也可從空間維度上智能檢索和查詢管網相關的信息詳情。系統功能結構如圖5所示。

5.4業務應用系統

（1）供水管網診斷一張圖。建立供水管網診斷一張圖，通過GIS應用創建地圖文檔，指定矢量和柵格數據源，創建專題圖，設置注記，然后通過GISServer管理器發布為地圖服務。供水管網診斷一張圖包括基礎地圖圖層、供水管道圖層、供水管網監測點圖層及人飲供水工程點圖層。管網診斷一張圖可以展示地理信息、供水管道材質、管徑、建設日期、建設單位、供水范圍、供水人口及管道周圍地質等基本信息。供水管網圖層界面見圖6。

（2）管網運行形勢解析。可以展現供水管網全局運行形勢，也可在電子地圖上點擊或圖形框選，查詢相應范圍內供水管網的運行信息，并匯總得到管網運行形勢解析表。該解析功能既可監測單個管網節點的壓力、流量等狀態數據，也能查看管網故障率和綜合評價等整體運行形勢，并支持柱狀圖、餅圖及報表等多種清晰直觀的表達方式。

（3）爆管分析結果展示。結合“一張圖”，對爆管的分析結果進行詳細直觀展示。可以在電子地圖上點擊或圖形框選，查詢出相應范圍內供水管網的爆管分析結果。分析和展示的內容包括異常的流量和壓力數據、各管段的爆管風險、可能發生爆管的區域及爆管的位置點等信息。爆管分析結果展示功能可以選擇年、月、日等不同時段的條件，查詢管網歷史爆管記錄，支持柱狀圖、餅圖、報表等多種清晰直觀的表達方式。爆管分析界面見圖7。

（4）爆管處理策略展示。結合“一張圖”，對爆管的處理策略進行詳細直觀的展示。根據分析結果，提供相應的供水管網爆管處理策略。分析和展示的內容包括閥門關閉位置、管道維修線路等信息，方便運維人員進行排查維修。爆管處理策略展示功能可以選擇年、月、日等不同時段或不同區域的查詢條件，查詢管網爆管的處理方案。

5.5系統部署

該軟件系統部署在自治區水利廳云平臺，而調度中心、泵站和水廠均采用wEB方式訪問，并通過用戶權限管理，實現不同單位、層級、角色的用戶的分級訪問。本項目網絡安全設備充分利用寧夏回族自治區公共云平臺現有網絡安全設備實現，并使用該平臺提供的安全服務。系統部署示意見圖8。

6結語

農村人飲管網損失監測與分析系統的設計及應用成果主要有：①建立了管網數據存儲平臺，為綜合評價管網奠定了基礎。②應用大數據技術分析各節點的流量和壓力數據，建立了管網預測診斷模型。③根據爆管分析診斷結果，提供處理策略。

在農村人飲管網損失監測與分析系統應用后，彭陽縣供水公司運維人員從90人減至40人，工資成本每年減少120萬元;供水保證率由65%提高至95%;管網漏失率由40%降至15%;故障排查的時間由數天縮短到幾小時以內;達到了減員、降本、節水、增效的良好效果，對供水工程運行管理具有較大經濟和安全意義。