大型城市供水管网漏损管理系统建设实践

2020-10-24张昭君钟伟峰阮贵全钟汶均卢俊轩

供水技术 2020年4期

张昭君，钟伟峰，杨涛，阮贵全，钟汶均，卢俊轩

(1.广东粤港供水有限公司，广东深圳518000；2.香港特别行政区政府水务署，香港湾仔999077)

1 背景

XG水务公司(下称水司)运营长度超过8 000 km的供水管网，为超过700万人口提供供水服务。基于XG的山丘地形，很多住所都位于高处，水压一般在60～80 m，较其他城市和地区要高。而且XG的地下公共管线密集，道路交通及工程频繁，给地下供水管道带来不少振动和干扰。另外XG的老旧管网较多，据不完全统计，50 a以上的旧管道超过3000 km。这些因素均增加了水管爆裂或渗漏的发生概率，令XG在处理供水管网漏损问题时面临极大的挑战。

参考相关城市成功经验及粤港澳大湾区推行“智慧城市群”的要求，加之先进科技运用，正逐步将XG的供水管网提升为一个“智慧漏损管理管网”(简称智管网)。在智管网下，整个城市的自来水管网将被分成超过2 000个大小易于管理的独立监测区域，每个区域的管网内均安装传感器和监测设备。

随着智管网工作的推进，传统的漏损分析方法已不能满足水司日常的漏控工作。为了应对上述挑战和公众对优质供水服务日益增加的期望，水司计划将信息科技(IT)应用于供水系统，以达成最具成本效益及可持续的解决方案。通过智能管网漏损管理系统(INMS)的构建和应用，使上千个分区自动进行漏损分析成为可能，漏损管理也变得更为高效。

2 系统概况

INMS系统是通过分区管理、水平衡分析、KPI(key performance index)管理等供水行业专业知识的深入应用，基于ArcGIS、数据仓库、ETL等多类IT技术构建的一套综合应用系统，实现对管网和漏损全面分析。系统按照数据流转逻辑自下而上分为采集层、数据层、应用层和展示层，按照功能分为系统门户、管网资产、管网监测和漏损分析4套子系统，系统整体架构如图1所示。

图1 INMS系统整体架构Fig.1 Overall architecture of INMS system

2.1 门户子系统

INMS系统展示层，对各应用子系统进行了整合，为用户提供统一的展示界面；同时具有单点登录(SSO)、系统日志管理、用户管理、权限管理、配置管理等功能，进一步为应用子系统提供基础支撑。

2.2 管网监测子系统

管网监测子系统构建统一时序数据库，支持多厂商、多品牌的压力、流量及噪声等监测数据的集中存储、统一分析，核心应用包括运行分析、报警管理等功能模块。

2.3 管网资产管理子系统

管网资产管理子系统对地理空间数据、管网数据、基础地形数据、地理编码数据等多种数据资源进行一体化管理，支持对管网资产按图层查询，同时提供管网资产分类统计、分析能力。

2.4 漏损分析子系统

系统基于成熟商业化BI工具，以漏损管理KPI为牵引，对指标进行多维分析及分层、分级图表展示，为水司各单位提供决策支持。漏损分析子系统基于成熟ETL工具对XG水司数字制图(DMS)、客服收费系统(CCBS)等现有业务系统数据进行抽取、清洗、聚合，构建水司数据仓库。

图2 漏损分析子系统应用架构Fig.2 Application architecture of the leakage analysis subsystem

3 关键技术

3.1 SFTP数据传输技术

INMS为一套决策分析系统，数据均来源于水司现有业务系统，系统可靠、稳定集成是INMS发挥效能的前提条件。现有业务系统基本通过文件的方式提供数据，故采用SFTP进行系统间文件传输，保证数据传输的可靠性和安全性；同时，为保障系统数据传输的效率，对部分大数据量文件进行压缩传输。

3.2 海量数据采集和存储技术

INMS需要对接多个监测和计量数据系统以获取数据，数据上传频率高、数据量大，据估算2026年系统数据量接近30亿条(表1)。

面对数以亿计的数据如何保障系统性能，是系统构建中面临的首要问题。INMS通过ETL工具对海量数据进行抽取、加工、装载，通过数据仓库的方式构建大数据应用，采用多级数据预处理(字段冗余、横竖表转换、分域汇总、分时汇总等)，减少数据实时处理过程，提升系统数据查询展示性能。

3.3 空间数据处理及展示技术

INMS系统采用ArcGIS作为地理信息数据存储、处理和展示的平台，利用ArcGIS地图制作、空间数据管理、空间分析、空间信息整合、发布及共享的能力，结合大数据分析，为用户提供基于地图的基础数据、统计分析数据和指标的查询展示。同时，系统采用EChart作为数据图表化展示工具，为用户提供稳定可靠、便捷美观的曲线图、柱状图、饼图等数据动态展示功能。

4 功能与应用

INMS系统的最终目标是实现漏损统计并为漏损控制提供决策依据，主要功能包含管网资产管理、管网监测和漏损分析。

4.1 管网资产管理

4.1.1系统管理的管网资产

① 原水管线、淡水管线、冲厕海水管线3套合计约8 000 km长的供水管线，包含2 000余DMAs/PMAs、17个蓄水水库、21个水处理厂、196个泵站和228个服务水库。

② 5 000余个管网监测点和900余个噪声监测点。

③ 300万余个用户水表。

4.1.2INMS的主要应用功能

① 资产查询。实现指定区域或类型的3套管网、阀门、消火栓、水表、监测点等数量及属性查询，并可在地图上进行定位。

② 结合分区的资产查询。结合供应区域(SZ)、计量分区(DMA)、压力分区(PMA)漏损排名，可方便漏损管理人员筛选分区管网在指定管龄、管径范围或特定管材下的管道列表，从而为进一步进行物理漏损分析提供依据，见图3。

③ 管网运行和维护事件查看。通过INMS的系统接口，可查看来自 MWMS 的爆管/泄漏记录及日常操作和维护事件，以及来自MGIS的开关阀门记录，这些记录均可在地图上进行定位。

④ 资产分布专题图。以管龄、管径或管材为专题在地图上展示整个城市的管网资产，并可叠加各种分区边界、历史爆管/泄漏等数据，从而为有针对性的检漏或管网更新改造提供科学依据。

⑤ 关阀分析。该模块根据指定管道的爆管事故发生位置，分析其影响区域、需要关闭的阀门及影响的用户等情况。

图3 指定区域指定管径范围下的管线查询和定位Fig.3 Pipeline query and location within the specified area and diameter

4.2 管网监测

4.2.1监测类型

① 来自3个厂家20余种品牌监测设备的压力流量数据。

② 来自3个厂家8种品牌的漏水噪声监测设备的噪声数据。

③ 来自现有的SIS、RTMDLS等外部系统的压力流量数据。

4.2.2主要功能

① 监测数据集中展示。对不同来源的压力、流量、噪声等监测数据，进行集中展示。

② 监测点运行详情查看。支持按分区、管网类型、用途等进行监测点过滤，可查看每个监测点的基本信息、历史数据曲线、报警记录等。

③ 异常报警。监测点数据异常时可在地图上高亮展示，并支持多种方式的报警通知。INMS报警类型有3种：离线报警，设备长时间未上传数据产生离线报警；限值报警，监测点数据超过预先设定的上、下限值产生报警，另外系统支持自动产生阈值包络线来设置动态报警限(图4)；趋势报警，根据监测数据的变化趋势设置告警。

图4 监测点报警阈值包络线生成样例Fig.4 Sample of generation of alarm threshold envelope line at monitoring site

4.3 漏损分析

基于多级分区计量的漏损分析是INMS系统的核心思想，从分区计量的角度具有以下相关功能。

4.3.1XG管网分区类型

① DMA/PMA分区，以独立计量与漏损管理为直接目的的分区，DMA/PMA一般为单一入口，部分DMA有多达3～5个流入及流出的计量，DMA与DMA间可能存在包含关系。

② SZ(supply zone)分区，多数为单一淡水配水库供应的区域，也有属于水厂直供的区域，另外有部分SZ存在淡水补充海水库的现象，但均有计量，一个SZ一般包含多个DMA/PMA。

③ Region分区，分为4大行政管理区，不是计量分区，但可由SZ分区的供水量加和得到，该分区的漏损计算在管理上存在意义。

④ DC(district council)分区，选区，不是计量分区，不作漏损分析，但可评估其DMA/PMA覆盖情况。

如图5所示，某SZ分区SR134包含KE015、KE016、KE024、KE034、KE042共5个DMA/PMA，其中黑色是未被DMA/PMA覆盖区域(简称No DMA in SZ)，另外DMA分区KE024包含KE034。

图5 SZ分区与DMA/PMA分区的关系Fig.5 Relationship between SZ partition and DMA/PMA partition

图6 SZ分区定位和漏损分析Fig.6 Positioning and leakage analysis of SZ partition

4.3.2计量表与分区关系的建立

为正确计算漏损，需建立考核表与监测设备、考核表与分区、分区与收费水表之间的对应关系，根据XG管网供水状况，各级的对应关系可分为：A，水厂出厂计量表-配水库计量表；B，配水库计量表-收费水表；C，配水库计量表-DMA/PMA考核表-收费水表；D，配水库计量表-DMA/PMA考核表-下一级DMA/PMA考核表-收费水表。

系统提供干管上、下游计量仪表、SZ与计量仪表、DMA/PMA与计量仪表间对应关系的导入和维护功能，收费水表与SZ及DMA/PMA的关系通过GIS的空间分析自动获得。

需要说明的是，对于已运作的分区，资料信息正确可靠，可直接读取。对于后期增加的分区或无确切竣工资料的分区，现场应先进行闭水实验[1]，确认供水区域后再整理出分区与水表的关系。

4.3.3漏损计算

系统支持水厂-干管-配水管，以及全网-Region-SZ-DMA/PMA的多级漏损分析。

(1)漏损分析指标

根据漏损分析方法[2]，不同分区级别分析的漏损指标如表2所示，其中“差比”为度量不明水量的参数，以日为周期，差比=DMA日均供水量/DMA日均用水量。

(2)计算方法

一般水损量的计算采用：漏损量=分区供水总量-抄收总量。

在实际工作中，水表的抄表工作并不是处于理想状况，而漏损计算却需要准确数据代入。因此，如何让系统自动处理非理想状况，使计算结果接近真实值，是较为重要的问题。针对可能出现的几种状况，分别给出了计算方法。

针对户表抄表频率不是每月一次的情况，由于抄表户数较多，很多用户为4个月抄表一次，而为了及时掌握分区管网漏损动态，要求每月都能计算出漏损情况：①对于当月有抄表数据的，以当月止码减去最近一次的水表止码，得出水量后以平均值计算；②对于当月无抄表数据的，采用去年同期抄表水量计算，即抄表量=去年同期量×(1+增长率)，增长率由最近有水量的12个月数据计算得到。

表2 不同类型分区的漏损分析指标Tab.2 Leakage analysis indicators of partitions of different types

针对抄表时间不同步的问题，由于不可能保证每个分区在同一天抄到所有的用户水表及分区考核表，就无法保证抄读的考核表和户表水量是同一时段的水量。同时，对于每块水表，每月的抄表时间不可能完全重合，抄表时间的提前或滞后均会对漏损的准备计算带来负面影响。因此，需要将每块表的抄表水量转成标准月用水量。例如某块水表2018年11月20日抄表止码7 890，2019年3月20日抄表止码7 950，则计算得到Q5月=15.5 m3。

4.3.4漏损预警

INMS为漏损分析提供2种漏损评价方案，一是计算出每日的供水量与日均抄表量的差别，即差比率；二是计算夜间最小流量，与夜间合理的经验用水量对比。第一种方案中，系统可对差比大于1.22的DMAs/PMAs进行筛选，提供排名，并在地图上进行告警展示。第二种方案中，通过平均每户的夜间最小流量评估漏损。经过长期的漏损控制经验，总结出当平均每户夜间最小流量小于1.7 L/s时，该分区不会存在大的漏损，反之则需要投入人工进行检漏。由此，将夜间最小流量1.7 L/s作为临界值。

实际应用时将这2种方法互为补充，同时结合资产分析、漏点分析、噪声数据，从不同角度评估DMAs/PMAs的漏损状况。

4.3.5其他特色漏损分析功能

① 虚拟分区漏损计算

如图5所示，当1个SZ分区中已实施DMAs/PMAs部分只占小部分时，针对未被DMA/PMA覆盖区域，此时可采用“虚拟分区”对其进行漏损分析。此外，系统还可对具有相邻关系的分区进行合并漏损分析，或对具有包含关系的DMA的非包含部分进行漏损分析。

② 漏损专题图和KPI

对Region、SZ、DC、DMA/PMA等不同分区的近20余种漏损指标，按指定时间段进行专题展示，对漏损KPI按全网-SZ分区-DMA/PMA分区逐级分解，有助于管理人员分析漏损构成，并及时采用有效的漏控措施。

③ 个性化分区关注和漏损报警

XG管网管理实行片区责任制，每个管理人员比较关注自己管辖范围内特定分区的漏损。INMS提供个性化的分区关注功能，每个系统用户可只查看自己已关注的分区漏损情况。另外，当发生漏损报警时，也可设置对关注的用户发送报警信息。

④ 丰富的分析报表

系统提供水平衡分析、漏损分析、分区监测、管网管理4大方面共计30余种分析报表，为用户提供资产-监测-漏损的全方位分析数据。