市政给水管网漏损检测与处置系统设计研究
韦健
现如今，随着我国城镇化进程的不断加快，城市居住人口不断增加，城市内部对于水资源的使用需求也在逐渐地增大，市政给水管网的铺设在城市内部不断延伸，满足每家每户的用水需要。但是，在实际运行中，我国市政给水管网的漏损检测以及处置方式仍处在相对落后的阶段，大多仍在使用传统的人工巡检方式，这已经难以满足实际的检测需要，需要针对现存的漏损特点来进行市政给水管网漏损检测与处置系统的设计与优化使用。
在市政给水管网的漏损上，主要分为明漏和暗漏两种方式。前者常常是用肉眼可以直接看到的管线漏损，有着明显的漏水情况，例如：像管道爆管、管道破损等，后者主要是不容易直接观察到的地下管道漏损。具体来说主要的市政给水管道漏损种类分为以下四种。第一，是管道系统漏水。按照不同漏水发生部位、漏水起因以及漏水量，可以细致划分成多种漏水类型，例如管线配件漏水、管道老化腐蚀漏水、爆管漏水等；
第二，管道附件漏水。在市政给水管网中，管道附件常常是作为重要的配件组成部分来运行的，通常包括水阀、水表等内容。通常在整个市政给水管网中会包括大量的市政给水管网附件，在给水管网长时间运行中，管道附件出现漏水现象的可能性也比较高，其中比较常见的就是水阀、水表漏水；
第三，调节构筑物漏水。在整个市政给水管网中，存在着一部分调节构筑物来对内部的供水情况进行调整调度，保证在市政给水管线的覆盖范围内，百姓能够均匀平稳地用到生活用水，起到缓解供水与用水之间的供需矛盾的作用。通常主要会涉及的供水构筑物为水塔、水池，在实际运行中可能会受到水源进出口管道的影响，出现一定程度的漏水现象；
第四，未计费耗水。未计费耗水主要是指在进行对市政给水管网的升级更新时，产生的大量未计费耗水，这也会造成对水资源一定的浪费。在实际操作中主要就是对管道灌水试压用水、管道抢修耗水等。
1.市政给水管网自身的质量问题
首先，在市政给水管网的规划上，没有综合考虑整个城市的人口发展数量以及未来居民区建设可能产生的供水需求，导致整个市政给水管网的规划设计水平相对较低，在实际建成之后，无法满足居民点用水需要，只能够临时对供水管线进行改造，导致整个供水管线在使用上出现问题，导致漏损的产生；
其次，市政给水管网所使用的管道质量往往决定了市政给水管线漏损现象发生的可能性，如果选择使用的管道材质较差，在使用中没有表现出应有的耐压性特征，就可能会导致在运行中出现管道漏损的现象；
最后，市政给水管网所使用的管道配件质量较差时，也可能会对管网的安全稳定性造成较大的影响，当水阀阀门、消防栓等配件的阀杆、螺栓密封不严，内置的法兰密封件出现脱落就可能会产生漏损现象。
2.安装施工问题
第一，在市政给水管网铺设时，对于管道沟槽基础的施工质量不佳。在施工前期的施工现场实地勘察阶段中，没有建立起完整的勘查机制，这就导致在一些软土地基上进行施工时，没有进行砂垫层的预设，导致市政给水管网的基础管道沟槽强度条件不足，在开启正式的管道施工之后，就容易产生管道受力不均匀的情况，增加管道出现漏损的可能性；
第二，在市政给水管网进行施工时，需要进行大量的管道连接施工，在进行管道连接施工的过程中，施工人员一旦对相关的工艺技巧掌握得不够熟练，很可能就会出现在实际作业中操作不合理的情况出现，导致在进行管网焊接时出现焊缝宽度不均匀、有气孔等现象的产生。这类管道一旦投入到实际使用当中，就可能会造成管网出现漏损；
第三，施工过程中工程监管的不到位。通常在市政给水管网的施工中，需要进行严格的施工监管，以保证在建设以后管网能够保证严格的质量完成施工，而施工监管不到位时，很容易由于一些施工操作上的失误，导致整个管网出现漏损的问题。
3.市政给水管网运行问题
首先，在市政给水管网的运行中，需要时刻承受水流所产生的压力，管网供水的压力不断增加，一旦超过整个管网自身的实际耐压上限，产生爆管的风险也就直线上升；
其次，水锤破坏问题。在市政给水管网的运行过程中，常常需要进行给水管网的开启关闭，通过水泵的开停来实现对区域面积内供水水量的调节作用，但是，在实际操作中，这种行为会使得市政给水管网中的水流流速产生巨大的变化，速度变化所产生的压力波动也被称为水锤，会对管道造成一定的破坏，一旦压力波动超出水管承受的上限，很可能就会产生管道漏损；
第三，市政给水管网的定期维护运行不足，通常市政给水管网中所设计到较多的设备内容角度，导致在检修过程中需要进行项目内容比较复杂，对于一些隐藏较深的安全隐患难以及时发现，产生管道漏损问题的可能性比较高。
4.外界环境影响
市政给水管网还会受到外界环境的影响。一方面，市政给水管网通常都处在外界的自然条件环境下，会受到外界自然条件的温度变化影响，从管道周边的土质到管道自身的材质都会受到冬季低温的影响，热胀冷缩，在温差变化比较剧烈的情况下，很可能就会发生市政给水管网的漏损现象；
另一方面，随着市政给水管网的铺设不断延伸，管道自身所承受的外部荷载也在不断变化，随着时间变化以及居民生活环境的变化，会出现一定程度上的管道位移现象，严重情况下会出现一定的管道漏损现象。
1.市政给水管网漏损检测方法
通常在市政给水管网中使用的漏损检测方法，是在管网上进行若干的传感器安装，通过计算机数据实时对管网运行中的水压变化数据进行采集，从而做到对管网是否发生漏损进行检测。这就使得管网中传感器的布置方位以及密度决定了对管网检测的全面性，如果压力传感器的布置不准确，那么获得的管网压力变化信息就会差强人意，影响到检测的正确性。对此需要专业的工作人员在此基础上进行对市政给水管网供水压力变化监测点的调整。
首先，需要明确给水管网压力监测点的布置方法。通常在压力监测点的选择上，仅从压力等非空间属性来对市政给水管网的压力变化情况进行分布分析，容易缺少对市政给水管网整体运行上的空间分布相关性了解，无法做到对市政给水管网整体运行的内在状态分析，因此，需要选择整个市政给水管网的节点坐标以及节点压力状态，来对市政给水管网进行圈定，运用包含空间特征的坐标以及非空间特征的节点压力数值来描述整个市政给水管网的运行属性，并进行相应的数据采集，绘制出整个市政给水管网节点在正常运行与产生漏损下的压力变化图。同时可以使用一种基于分布密度来实现的聚类算法，来依照预设监测点的原始特征进行各个节点的特征矩阵构建，进而对整个特征矩阵进行聚类分析，保证聚集在一起的监测节点能够在其空间属性和非空间属性上表现出一定的相似性。
其次，根据收集到的选点方法以及压力变化图进行市政给水管网的样本数据收集。整个市政给水管网检测其核心是对卷积神经网络的算法思想的运用，所以在实践中需要进行一定的数据样本来作为基本的运行训练。因此，一方面需要进行整个市政给水管网的历史数据采集，按照上述办法在管网内进行20个压力传感点的布置，在试验中以人工的方式进行轻微的漏损处理，让传感器采集到漏损发生时，市政给水管网所检测到的供水压力变化，之后将漏损数据和正常数据按照不同的市政给水管段进行打乱，再取一定的数据样本作为模拟训练的数据样本，再从剩下的样本数据中选取相同的数量来作为测试样本。
最后进行数据的预处理，并以此建立起市政给水管网漏损的检测模型。通常在卷积神经网络建立的过程中，比较常用的是归一化方法来进行对神经网络数据的预处理。归一化方法能够有效地消除收集到的数据之间不同量纲的影响，具体公式表达为：
在公式中，X1主要表示归一化运算之后的数据，X为原始数据，Xmax表示原始数据中数值最大的数据，Xmin表示原始数据中数值最小的数据。在应用归一化方式对数据进行预处理之后，就可以使用卷积神经网络中产生的最优模型来进行市政给水管网漏损检测模型的功能性检验，验证整个模型在使用中的准确性，保证其符合市政给水管网的水力学标准。
2.市政给水管网漏损检测与处置系统
（1）最优调度工况调整
当管网发生漏损情况时，一方面，需要降低整个市政给水管线的损失，另一方面，则需要尽可能地保证其他区域的居民用水状况，而传统的人工处理与调度方式过慢，已经无法满足现如今快速恢复供水的实际需求，因此，需要使用计算机系统来更加精准地应对市政给水管线出现的漏损。
在实际的漏损处置工作中，通常会先进行漏损点位的寻找，再主要通过阀门来对市政给水管线内部的管段水流进行截停，从而开展维修工作。然而在关闭泄露管网段落之后，很可能会由于内部管线的压力变化，导致在整体上产生一系列破坏，因此，需要进行管网的处置调整。在通过上述的漏损检测模型检验到市政给水管网中存在的漏损之后，通过线上关闭阀门的方式将产生漏损的管道的两端阀门进行关闭，而在实际工作中直接对管网的阀门直接进行调控时的随机性较大，对管网造成损伤的可能性也会相对提高，因此，需要通过适当的阀门优化调度来调整其他非漏损管段的阀门，实现对管段内部压力的均衡化分布。当阀门处于调度状态时，常常默认其为100%开启，而随着调度工况的变化，阀门开关的局部阻力系数变化会使得水头的损失变大，导致管段内部的压力下降。下面是局部水头损失量的计算公式：
其中Hm为主要的局部水头损失量，v为过水断面的平流速，g为重力加速度。通过该计算公式能够获得每一个水压检测点的压力数据值，并以此来进行对阀门的优化调节，保证内部水压的均衡性。
（2）市政给水管网处置系统结构
整体上市政给水管网的漏损检测和处置系统的主要结构功能设计为以下三层。首先是设备控制层。设备控制层是整个系统运行的基础层级，主要包括装载在市政给水管网上的压力传感器、阀门等设备内容，通过传感器市政给水管网现场运行中的水压、水质、流量进行信息收集，再通过数据传输传递给PLC。PLC将采集到的模拟信息转换成为数字信息，并将其存储起来。同时PLC还会对转化好的数字信息进行扫描，针对其中存在漏损风险的管段数据做出反馈，由PLC将指令传输给市政给水管网的现场设备，通过阀门将管段关闭；
其次，是数据传输层。数据传输层主要通过市政给水管网连接节点上安装的交换机以及光纤，与PLC和上位管理用的计算机设备连接起来，以此实现市政给水管网两端供水与用水之间的信息交流。最后是中央管理层。中央管理层在整个系统结构中主要承载着功能模组，将设备控制层收集到的数据按照漏损检测模型进行检验，并针对其中可能存在风险的数据内容进行示警，再由数据传输层，将现场控制指令传递到设备控制层，对阀门的开度进行调解。
在整个系统上最主要搭载的还是上文中阐明的基础的对市政给水管网节点压力数据收集、检测、漏损检测、漏损部位的智能化处置等功能性需求设计。同时还需要搭载一定的系统上的非功能性需求设计。例如安全性需求。这就需要针对不同的访问人员的访问权限进行不同的设定，避免不法人员对整个检测处置系统进行恶意的设置修改，影响到在实际使用中对市政给水管网的检测与处置能力。又或者是稳定性需求。该系统关系到地区市政给水管线的运行稳定性，针对稳定性特点，为保障居民的用水需求，就需要保证一定的稳定性。最后是便捷性特点。平时使用系统对市政给水管网进行维护的是相关的水务工作人员。水务工作人员通常对于计算机的相关实用技术并不是十分了解，因此，在系统设计上也应当尽可能的简洁化操作，保证操作界面清楚明了，发生故障时也能够精准地进行定位，保证在使用上的方便程度。
（3）市政给水管网漏损检测与处置系统的使用关键
在使用市政给水管管网漏损检测与处置系统时，需要注重对于整个管网的更新改造。在使用前期需要对管网进行一定的压力传感器的安装，传统的管网布局不一定能够适合进行压力传感器的安装，并且一些年岁比较久远的市政给水管网中，管线的材质较差，也可能会存在老化严重的显现，对此在进行管网改造时，就需要对管线进行一定的更新换代。需要多角度对升级改造计划进行设计，并且在改造过程中加强工作监督，尤其是对其中涉及新旧管道连接的节点，要进行重点关注。在整体的市政给水管网升级完成，并且漏损检测与处置系统安装结束以后，需要进行一定的试运行工作，将检测到的市政给水管网的运行数据与之前的运行数据进行比较，保证整个市政给水管网保持正常的运行。在后续的运行过程中，水务工作人员除了利用系统对市政给水管网进行检查以外，还需要定期请专业人员来对漏损检测与处置系统进行运行监测，针对其中的算法运行以及系统安全漏洞做好安全监测，保证运行上的稳定性，实现对市政给水管网的长效检测。
在市政给水管网的运行中，一旦出现意外的漏损现象，就很有可能会对区域居民的用水情况造成干扰，因此应当积极开发市政给水管网漏损检测与处置系统，通过信息化技术来改变传统的人力巡查检测方式，提高对漏损现象的检验效率，进一步加强居民用水稳定性的有效把控，从基础上实现及早发现、及早修理，实现市政给水领域的可持续长效发展。
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