摘要：隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施的高速發(fā)展， 城市差壓變送器的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。由于管網(wǎng)拓?fù)湓桨l(fā)復(fù)雜， 管網(wǎng)設(shè)施逐年老化等原�崳娨蛩鶎�(dǎo)致的漏損問(wèn)題和爆管事故已經(jīng)成為如今供水企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理的難點(diǎn)。引人國(guó)外先金的基礎(chǔ)設(shè)施分析技術(shù)將有效地降低管網(wǎng)漏損、保障管網(wǎng)安全、優(yōu)化管網(wǎng)環(huán)境。

guojia“十三五”規(guī)劃綱要明確指出，要實(shí)行#嚴(yán)格的水資源管理制度。地下差壓變送器作為城市基礎(chǔ)運(yùn)行的“生命線”，承擔(dān)著保障社會(huì)民生、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)的重要作用。然而，差壓變送器本身也容易因各種原因發(fā)生損壞，引起管網(wǎng)漏損，導(dǎo)致企業(yè)供水成本上升。此外，如發(fā)生更為嚴(yán)重的損壞，例如爆管事故，將直接影響到社會(huì)公共安全，并給企業(yè)和城市帶來(lái)負(fù)面效應(yīng)。

因此，幾乎所有的供水企業(yè)都非常重視對(duì)差壓變送器的管理。很多企業(yè)通過(guò)建立地理信息系統(tǒng)（ GIS)和分區(qū)計(jì)量系統(tǒng)（ DMA ）來(lái)管理差壓變送器和降低產(chǎn)銷差。這兩個(gè)系統(tǒng)確實(shí)能通過(guò)信息化的手段來(lái)提高了管網(wǎng)管理水平并可以縮小漏點(diǎn)檢測(cè)范圍，但受限于技術(shù)本身的特點(diǎn)，未能實(shí)現(xiàn)漏損、爆管的實(shí)時(shí)定位和報(bào)警以及管網(wǎng)壓力瞬變的定位和分析。國(guó)外尤其是西方發(fā)達(dá)guojia都非常重視差壓變送器漏損的監(jiān)測(cè)工作，作為2014 年國(guó)際水協(xié)創(chuàng)新項(xiàng)目獎(jiǎng)的Visenti 項(xiàng)目是基于麻省理工學(xué)院（ MIT ）提出的智能研究項(xiàng)目所創(chuàng)立的，在美國(guó)、新加坡、澳大利亞、新西蘭、阿聯(lián)酋等國(guó)均有非常成功的項(xiàng)目案例。目前，國(guó)內(nèi)在上海、鎮(zhèn)江、溫州、深圳等多個(gè)城市展開(kāi)試點(diǎn)。項(xiàng)目專注于利用先金基礎(chǔ)設(shè)施分析技術(shù)（包含高頻壓力分析和聲學(xué)分析）幫助供水企業(yè)監(jiān)控差壓變送器、優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)。

1 基于高頻壓力的差壓變送器分析的基本原理

根據(jù)已有的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，聲波和壓力波可以在水中以一定的速度進(jìn)行傳播，通過(guò)采集漏水、爆管、壓力瞬變生成的噪聲聲波和的壓力波。并通過(guò)時(shí)間、空間、數(shù)值的相關(guān)性來(lái)定位泄漏點(diǎn)和瞬變?cè)�。聲波定位主要通過(guò)聲學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)漏損定位，傳感器或聽(tīng)水器可以暫時(shí)或永久安裝在管道上，按照管網(wǎng)材質(zhì)和拓?fù)鋸?fù)雜程度一般間隔200-500 mo考慮到背景噪音的因素，重點(diǎn)采集夜間聲學(xué)數(shù)據(jù)，→般是凌晨2-4 點(diǎn)，然后服務(wù)器端接收到遠(yuǎn)程傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)漏損信號(hào)。壓力瞬變來(lái)監(jiān)測(cè)定位漏損在國(guó)內(nèi)外已有多位學(xué)者展開(kāi)研究。Wiggert 的研究發(fā)現(xiàn)可以利用水力瞬變分析方法檢測(cè)漏損。伍悅濱等也提出來(lái)基于水力瞬變分析的漏失數(shù)值模擬理論框架。利用水力瞬變分析的漏損檢測(cè)也已經(jīng)逐漸成熟，檢測(cè)原理主要通過(guò)短時(shí)間內(nèi)收集到大量關(guān)于水流的數(shù)據(jù)。相對(duì)于穩(wěn)態(tài)而言，瞬態(tài)的主要優(yōu)勢(shì)是壓力波受摩擦影響較小。因此，對(duì)于摩擦系數(shù)無(wú)法確定的情況，也可以通過(guò)水力瞬變信息進(jìn)行漏損檢測(cè)和校準(zhǔn)。

許多基于瞬變流態(tài)的水力模型被用于檢測(cè)和定位漏損，例如漏損反射法（ LRM ）、水力瞬變反問(wèn)題分析法（ ITA ）、脈沖響應(yīng)分析法（ IRA ）等。所有水力瞬變分析漏損檢測(cè)方法具有相同目的，即提取瞬變流數(shù)據(jù)中漏損的信息［飛其中壓瞬變采集的關(guān)鍵設(shè)備是高頻壓力傳感器。

2 設(shè)備傳感器及系統(tǒng)部署

試點(diǎn)項(xiàng)目的部署主要分為2 個(gè)部分，分別是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備以及數(shù)據(jù)分析信息系統(tǒng)。前者負(fù)責(zé)采集管網(wǎng)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)上傳，后者負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和展示。如圖1 所示。

2.1 終端設(shè)備和安裝

Visenti 遠(yuǎn)程終端設(shè)備由RTU、連接器、電池、電池線纜、聲學(xué)傳感器、高頻傳感器和GPS&GSM組合天線構(gòu)成。先金的高頻壓力傳感器和聲學(xué)傳感器可以準(zhǔn)確檢測(cè)管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)遠(yuǎn)程終端設(shè)備將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳送到系統(tǒng)服務(wù)器。Visenti 的傳感器性能和安裝要求如表1所示。壓力傳感器和聲學(xué)傳感器的組合運(yùn)用和分析，可以應(yīng)對(duì)各種類型的泄漏情況提高分析的準(zhǔn)確率。

安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布，可按照監(jiān)測(cè)管網(wǎng)的管網(wǎng)拓?fù)洹⒐芫W(wǎng)材質(zhì)和監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)，系統(tǒng)也可以按照已有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布數(shù)據(jù)提供一個(gè)監(jiān)測(cè)覆蓋范圍，為監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)人員提供參考依據(jù)。安裝方式可以按照情況分為井下安裝、消防栓上安裝和明管安裝，以適配不同的安裝條件和檢測(cè)需求。

2.2 數(shù)據(jù)分析信息系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析信息系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合供水企業(yè)原有的差壓變送器地理信息系統(tǒng)（ GIS ）接口數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析并在地圖上進(jìn)行展示。結(jié)合高頻壓力數(shù)據(jù)（#高頻率256 Hz ）可以實(shí)現(xiàn)爆管及大流量泄漏（大于3.6 m3/h ）的監(jiān)測(cè)和定位。結(jié)合水昕器數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)微小的泄漏檢測(cè)和定位（大于0.3 m3/h ）。同時(shí)，我們可以進(jìn)一步通過(guò)高頻壓力數(shù)據(jù)來(lái)捕獲到管網(wǎng)內(nèi)壓力瞬變。監(jiān)測(cè)、定位和分析可能會(huì)造成管網(wǎng)資產(chǎn)損壞的瞬變?cè)矗ɡ�如、水泵故障、閥門故障等），降低水錘效應(yīng)造成的管網(wǎng)資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)據(jù)分析信息系統(tǒng)通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，學(xué)習(xí)管網(wǎng)不同部位的壓力變化模式，從而監(jiān)測(cè)管網(wǎng)的運(yùn)行狀況和衰變狀況，預(yù)測(cè)管網(wǎng)的爆管風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于供水企業(yè)來(lái)說(shuō)，能提早預(yù)測(cè)管網(wǎng)故障，及早作出預(yù)防措施防止管網(wǎng)破損，對(duì)差壓變送器運(yùn)營(yíng)及管網(wǎng)漏損控制提供系統(tǒng)決策依據(jù)。

通過(guò)系統(tǒng)分析，監(jiān)控和識(shí)別導(dǎo)致管網(wǎng)故障的壓力瞬變的因素，這些壓力瞬變往往會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)破裂。一旦確認(rèn)了壓力瞬變?cè)�，供水企業(yè)就采取措施，例如安裝緩沖減壓設(shè)備來(lái)進(jìn)行干預(yù)。使得供水企業(yè)可以具備i9J1tl ，，排查處置高風(fēng)險(xiǎn)的管網(wǎng)有效方法。

3 案例分析

3.1 基于聲學(xué)的管網(wǎng)漏損分析

試點(diǎn)安排在上海城技制造局路某小區(qū)內(nèi)，共部署了五個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)篩選出夜間聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)一處漏點(diǎn)。由圖2 所示，夜間聲學(xué)噪音呈現(xiàn)出典型的線性增強(qiáng)的趨勢(shì)。進(jìn)一步通過(guò)周邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)相關(guān)性分析和人工昕漏定位對(duì)該處漏損點(diǎn)進(jìn)行了開(kāi)挖修復(fù)。后期供水企業(yè)通過(guò)DMA系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)計(jì)量比對(duì)，通過(guò)修復(fù)該漏點(diǎn)可以節(jié)約50 000 m.3／年。

3.2 基于高頻壓力的管網(wǎng)爆管分析

爆管發(fā)生時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高頻壓力傳感器會(huì)接收到一個(gè)明顯的壓力下降的瞬變，通過(guò)對(duì)至少2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所收集到的壓力下降瞬變相關(guān)性可以提供警報(bào)和定位。試點(diǎn)采用消防栓放水來(lái)模擬管網(wǎng)爆管事故的發(fā)生。由圖3 所示，瞬間開(kāi)啟消防栓后，管網(wǎng)的壓力迅速下降，系統(tǒng)在地衣時(shí)間發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，周邊數(shù)個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)捕捉到了壓力下降的數(shù)據(jù)，并通過(guò)系統(tǒng)對(duì)高頻壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提示和定位管網(wǎng)爆管事故發(fā)生的位置。

3.3 基于高頻壓力的管網(wǎng)壓力瞬變分析

管網(wǎng)的壓力瞬變是造成管網(wǎng)漏損和爆管的重要原因，通過(guò)高頻壓力分析可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到管網(wǎng)瞬變的壓力范圍以及造成管網(wǎng)壓力瞬變的瞬變?cè)�。瞬變�?lái)灑、可能是由于水泵的啟停、大型閥門的開(kāi)合等原因造成，分析案例采用上海城投復(fù)興路泵站附近部署的一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)對(duì)該泵站所造成的管網(wǎng)壓力瞬變進(jìn)行分析。

通過(guò)高頻壓力數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)（圖4 ），水泵在啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成一個(gè)8m 的壓力瞬變，這個(gè)壓力瞬變?cè)诠芫W(wǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中時(shí)可以被接受的。水泵在停止時(shí)會(huì)造成一個(gè)11 m 的壓力下降和→個(gè)15 m 的壓力瞬變。壓力瞬變區(qū)間是可以被接收的，但是壓力短暫的下降到約lO m 的位置會(huì)造成附近高海拔區(qū)間（與監(jiān)測(cè)點(diǎn)水泵海拔差＞10 m ）會(huì)造成回水現(xiàn)象或者是氣囊現(xiàn)象。可能會(huì)對(duì)這部分的管網(wǎng)的造成污染。目前，已通知供水企業(yè)對(duì)泵站周邊高海拔的管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控和處置。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)引人聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)和高頻壓力檢測(cè)技術(shù)，并在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)漏損的監(jiān)測(cè)和定位。一定程度上解決了管網(wǎng)管理上的難點(diǎn)，供水企業(yè)可以依靠系統(tǒng)建立監(jiān)控中心，對(duì)差壓變送器的漏損、爆管和壓力瞬變進(jìn)行監(jiān)測(cè)、定位和分析，從而優(yōu)化管網(wǎng)運(yùn)營(yíng)保障供水安全。本次試點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)施是一次很有成效的探索和實(shí)踐，也可以為國(guó)內(nèi)其他供水企業(yè)的管網(wǎng)管理提供借鑒。