张守军

摘要：针对农村管网供水漏损率高、爆管监控定位困难、检修运维成本高等问题，基于管网综合预测诊断模型设计了农村人饮管网水损失监测与分析系统，并成功应用。该系统通过建立管网数据存储平台，直观了解和掌控管网运行状态，并应用大数据技术分析节点的流量和压力数据，预测爆管风险和确定爆管位置，得到爆管分析诊断结果，并提供处理策略，有效保障了管网安全运行，提高了运维效率。该系统的应用对于彭阳县农村人饮供水工程综合管理、科学运营具有较大经济和安全意义。

关键词：农村人饮管网;管网漏水监测;系统设计;宁夏回族自治区

中图法分类号：TU991.3 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.013

1人饮管网漏损问题

管网漏损率是管网漏水量与供水总量之比。目前供水管网漏损的主要原因是早期的管道材质与施工质量较差。我国供水管网平均漏损率为15.7%，有些地方甚至高达30%以上，中小型城镇的管网漏失情况更加严重，而发达国家漏损率为6%～8%。管网水量的流失不仅损害经济效益，同时还极易引起地下土层的流失，由此引发灾害，对人民的生命财产安全造成威胁。

农村人饮管网漏损情况较为普遍。由于农村管网具有范围广、管线长、用水量低等特点，农村管网漏损率较城镇高出许多;因漏损导致供水企业制水成本增加，使原本供水紧张的农村更加困难。管网漏损不仅浪费了宝贵的水资源，而且还使供水企业蒙受巨大的经济损失。因此，供水管网的漏损分析与控制工作是供水工程运行管理的重点。管网漏损点的确定需要运维人员排查整条供水管道，耗时费力，运维成本高。农村供水管网铺设位置远离城区，地形复杂，导致故障排查更加困难，检修成本更高。本文通过将自动化监控设备与管网分析诊断模型相结合，可有效地解决以上问题。

彭阳县位于宁夏回族自治区东南部边缘，山大沟深，居民居住分散，全县人饮工程点多、面广、线长，农村饮水干支管达6200km，已建工程标准偏低、跑冒滴漏、事故频发、供水保障率低等问题亟需解决。

通过建立农村人饮管网水损失监测与分析系统，可以掌控管网运行状态、预测爆管风险和确定爆管位置，无需耗费大量人力查验管道情况。运维人员根据系统分析结果可以直接排查爆管点，提高工作效率，保障供水工程安全稳定运行，对于彭阳县供水工程的运行管理具有较大经济和安全意义。

2系统建设内容

农村人饮管网损失监测与分析系统建设内容包括多级人饮供水管网爆管判定、预测诊断和处理模型的确定、数据库建设、人饮供水管网预测诊断业务应用系统的开发等，具体建设内容如下。

（1）开发管网综合预测诊断模型。采集分析了管網的压力和流量数据，依据历史爆管记录，计算得到管网各位置的爆管风险，推断出爆管点位置。

（2）搭建良好的数据架构和系统架构。存储管网的爆管历史记录、所处地质、管材、坡度等多方面的数据和管网运行过程中产生的大量监测数据，为管网大数据分析提供数据支撑。

（3）研发业务应用系统和“一张图”。综合展示汇集数据、关键指标、模型预测诊断结果。

3管网综合预测诊断模型

分析管网运行的实时监测值、历史爆管信息和管网工程档案等数据，自主研发管网综合预测诊断模型，判断爆管事件，分析爆管位置，提供处理测量。模型主要分为管网爆管判定、管网爆管诊断分析和管网爆管处理3部分。

3.1管网爆管判定

采集和分析供水管网运行监测数据，包括各节点的流量和压力。根据供水管道管径材质等工程数据和管道运行历史数据确定正常状态阈值，建立管道爆管判定标准。当流量或压力值发生异常时，判断是否发生爆管。

3.2管网爆管诊断分析

（1）流量压力检测分析。建立流量压力值分析模型，通过采集和分析管道各节点处的流量和压力监测数据，发现读数异常的监测点，标识可能爆管的管道区域，并分析各段管道或具体点位的爆管概率，推测该管道最可能发生爆管的位置。

（2）管网大数据诊断分析。分析人饮供水管网运行期间所有供水管道监测信息：各节点的流量和压力数据以及供水管网工程数据，如管网周围地质、坡度、管道管径、材质、建设年代、施工队伍等。统计管网运行期间所有历史爆管事件，分析爆管历史记录详细信息，包括爆管点位置、发生原因及时间、各管道爆管次数等。依据各类数据，建立爆管诊断分析模型，根据管网不同管道的特性给出不同地点的爆管风险。

3.3管网爆管处理

（1）阀门关闭策略。当爆管发生时，首先根据管网分析诊断模型得到各疑似爆管点的爆管风险，然后分析人饮供水管网各处的运行状态，根据管网的拓扑结构、各节点的流量和压力、用户的用水量等信息，提出爆管的阀门关闭策略，在最小化爆管对整个供水系统影响和损失的同时，尽可能保障供水率。

（2）管道维修策略。将各疑似爆管点的信息进行分析，综合考虑各节点地理位置和爆管几率，得到各爆管点维修优先级顺序，生成管道维修线路图，方便运维人员排查和维修。

4管网数据监测和控制体系

管网数据监测和控制体系是为了监测管理管网压力、流量等数据，根据采集数据扩展业务内容，包括管网的跑冒爆管、管道日常巡查维护检修、遇到异常情况或者需要人为干预时对电动阀门进行控制建设的一套测控体系。

供水管网测控体系需要通过远程监测、控制等自动化设施建设，实现压力、流量的快速采集传输，实现对重要分水节点的水情在线监测、联合控制逻辑。当出现水管破裂、用水户停水、设备检修、管网整改等问题时，能够通过判断全局的供水情况进行控制，保证供水工程的正常运转，为农村人饮管网损失监测与分析系统提供数据服务和业务支撑。

考虑到该工程项目自动化监测设备施工安装条件多为野外环境，故解决方案采用的自动化采集控制设备具备智能休眠、低功耗、锂电池+太阳能供电、GPRS通讯、多通讯协议、多端口、多种传感器接人、设备软件功能远程升级，同时支持云平台逻辑及自运行、保护逻辑。自动化监测设备可有效解决野外供电、数据采集、控制及通讯问题，保证数据最短每5min上报云平台、设备及时通讯、控制操作及时响应、实时监测自动化设备运行，保障了整个供水管网体系的可测可控。

（1）系统架构。管网数据监测和控制设备布置结构见图1。

（2）监控设备布设。①高位水池：水位计、出口流量及阀门;②泵站前水池：控泵、阀门、压力、水位计、流量计;③低位水池（减压池）：阀门、压力、水位、出口流。主要设备配置见表1。

5系统功能设计和实现

该系统的用户包括彭阳县水务局及其下属单位。其中，水务局的用户包括领导和各科室的业务人员，下属单位用户包括农村供水总站、管理站、水利工作站及水厂等。

5.1技术路线

该系统的总体业务逻辑为：收集管网相关的海量大数据，建立各种管网分析模型，包括管网爆管判定、诊断分析和处理。首先判定模型可实时监测管道爆管，然后运用分析预测模型在爆管范围标识可能爆管的管道区域，即可根据爆管风险推测爆管的具体管道，最后通过历史信息分析推测该管道中最可能发生爆管的位置，并基于爆管处理模型给出相应的处理策略。将分析结果在“一张图”上进行展示，提供各种信息的查询和解析。

基于java开发，应用Spring+springMvc+Mybatis框架，前端界面应用JavaScript、CSS和openlayers技术，实现图形界面交互，后台将模型进行封装，前端采用接口的形式调用模型，得到优化计算结果。系统可满足本地化部署和云端部署，将通用化供水管网分析诊断模型部署到云端，提供多处供水工程的预测诊断服务，可应用于高并发、高重用性、高效率的各类供水工程。

5.2数据库建设

配置适度规模的存储系统，满足信息存储的需要。建设信息汇聚系统，将供水管网实时监控数据、管网材质、管道周围地质、坡度、管网历史爆管记录等信息汇聚到存储中心数据库，供管网分析诊断、系统调用（见图2）。此外，每次管网分析诊断的结果也将存储于数据库中，后台提供接口服务，以便运维人员对管网历史运行情况进行管理和查询。数据库建设包含基础数据库、业务数据库、监测数据库、地图数据库和非结构化数据库5类。不同的数据通过数据交换平台，可实现数据库复制及数据迁移、转换与加载。

通过自动化监控信息、流量信息采集、视频监控信息采集与集成，以数据接口的形式，汇聚宁夏回族自治区水利厅各科室管理过程的业务信息，并交换共享气象、国土等部门的数据信息;基于彭阳县安全管理总站信息化基础设施、专线工程水管所信息化设施和自治区水利云平台，借助云计算、大数据技术，建设彭阳县人饮数据资源中心，并与水利厅数据资源中心互为灾备体系，实现为彭阳县人饮供水工程科学管理提供数据挖掘和辅助决策服务。

5.3系统架构

（1）數据架构。彭阳县人饮系统数据库可分为基础数据和实时监控数据两大类，系统数据架构见图3。

（2）网络架构。系统由上位机服务器、WEB应用服务器、数据库服务器、消息队列服务器、流媒体服务器、带GPRS/GSM模块的采集器、流量计、液位传感器及水质仪器等组成。系统网络架构见图4。

（3）功能架构。基于供水管网诊断“一张图”，开发人饮管网水损失监测与分析系统，结合地理位置信息、管网位置信息、管网运行监测信息以及管网分析结果，通过“一张图”的直观方式，既能掌握管网的实时运行状态，也可从空间维度上智能检索和查询管网相关的信息详情。系统功能结构如图5所示。

5.4业务应用系统

（1）供水管网诊断一张图。建立供水管网诊断一张图，通过GIS应用创建地图文档，指定矢量和栅格数据源，创建专题图，设置注记，然后通过GISServer管理器发布为地图服务。供水管网诊断一张图包括基础地图图层、供水管道图层、供水管网监测点图层及人饮供水工程点图层。管网诊断一张图可以展示地理信息、供水管道材质、管径、建设日期、建设单位、供水范围、供水人口及管道周围地质等基本信息。供水管网图层界面见图6。

（2）管网运行形势解析。可以展现供水管网全局运行形势，也可在电子地图上点击或图形框选，查询相应范围内供水管网的运行信息，并汇总得到管网运行形势解析表。该解析功能既可监测单个管网节点的压力、流量等状态数据，也能查看管网故障率和综合评价等整体运行形势，并支持柱状图、饼图及报表等多种清晰直观的表达方式。

（3）爆管分析结果展示。结合“一张图”，对爆管的分析结果进行详细直观展示。可以在电子地图上点击或图形框选，查询出相应范围内供水管网的爆管分析结果。分析和展示的内容包括异常的流量和压力数据、各管段的爆管风险、可能发生爆管的区域及爆管的位置点等信息。爆管分析结果展示功能可以选择年、月、日等不同时段的条件，查询管网历史爆管记录，支持柱状图、饼图、报表等多种清晰直观的表达方式。爆管分析界面见图7。

（4）爆管处理策略展示。结合“一张图”，对爆管的处理策略进行详细直观的展示。根据分析结果，提供相应的供水管网爆管处理策略。分析和展示的内容包括阀门关闭位置、管道维修线路等信息，方便运维人员进行排查维修。爆管处理策略展示功能可以选择年、月、日等不同时段或不同区域的查询条件，查询管网爆管的处理方案。

5.5系统部署

该软件系统部署在自治区水利厅云平台，而调度中心、泵站和水厂均采用wEB方式访问，并通过用户权限管理，实现不同单位、层级、角色的用户的分级访问。本项目网络安全设备充分利用宁夏回族自治区公共云平台现有网络安全设备实现，并使用该平台提供的安全服务。系统部署示意见图8。

6结语

农村人饮管网损失监测与分析系统的设计及应用成果主要有：①建立了管网数据存储平台，为综合评价管网奠定了基础。②应用大数据技术分析各节点的流量和压力数据，建立了管网预测诊断模型。③根据爆管分析诊断结果，提供处理策略。

在农村人饮管网损失监测与分析系统应用后，彭阳县供水公司运维人员从90人减至40人，工资成本每年减少120万元;供水保证率由65%提高至95%;管网漏失率由40%降至15%;故障排查的时间由数天缩短到几小时以内;达到了减员、降本、节水、增效的良好效果，对供水工程运行管理具有较大经济和安全意义。