浅谈漏损控制新技术

李刚

摘要：本文首先从采用多级支持向量机识别泄漏区域、采用瞬变时间-频率分析法检测供水管线中的多故障、基于累计求和和多尺度小波分析的组合方法检测漏损、影子价格法、全天候管道预警平台等方面探讨了国内外漏损控制新技术，而后对利用光纤扰动方案、传感技术解决供水管网漏损控制问题的新理念进行了深入分析。

关键词：漏损控制、光纤传感

一、  国内外漏损控制新技术

随着城镇化进程的加快，城镇供水面积以及管线长度呈现快速上升的趋势，相对应

也伴随着供水系统漏损率（含挖掘破坏，下同）的不断增加。据不完全统计，2014 年， 我国城市公共供水系统（自来水）的管网漏损率平均达 15.6%。我国水资源相对缺乏，  660 个城市中有上百个城市供水短缺。由于供水管网漏损严重，全国城市供水年漏损量 近 100 亿立方米，这已经成为制约中国水务行业发展的瓶颈。

（一） 采用多级支持向量机识别泄漏区域

采用一种多级支持向量机的方法来识别管网系统的漏损区域。实际应用操作过程中，首先通过仿真将管网分为若干漏损区域;其次在不同区域内 随机生成若干处漏损事件，供水力仿真模型分析学习，得到漏损数据作为训练样本;再次训练 M-SVM 建立漏损区域识别模型，最后将训练后的 M-SVM 用于分析待检范围内观测 得到的流量和压力数據，从而鉴别出可能存在漏损的区域。采用该漏损区域识别法，结合压变漏损检测法，对大范围的实际供水系统进行漏损检测，能将漏损范围缩小到漏损点附近小区域的管网，再用管道检测设备对该区域进行检查，可迅速定位漏损位置，大大节省了时间和人力。

（二） 采用瞬变时间-频率分析法检测供水管线中的多故障

瞬变管道故障检测也是供水管网无损检测技术中应用较为广泛的手段，其原理是检 测管道内水流的瞬态水力学特征来识别管网系统中潜在的故障。

管网中的水流产生的瞬态压力波信号包含了水流在管网中流动和接触管道组件、设 备或管道故障如漏损、阻塞、异常分流或连接等状态下的大量系统信息，可用于评估管网系统的物理结构变化，一旦管网出现漏损，时域压力波就会出现反常的反射和衰减。然而该方法目前主要用于一些结构简单、构型已知的单一或混联管网的故障检测，且其故障类型也须为已知;对于具有多种未知故障类型的复杂混联管网，其应用较为有限。

（三） 基于累计求和和多尺度小波分析的组合方法检测漏损爆管造成的水流量漏失较大，当其超过平均流量的 20%时，就能被较为容易地检测 到;而对于泄漏水流来说，其流量远小于平均流量，检测较为困难，传统方法只有在夜晚其他干扰较小的情况下才能被检测到。

为此，提出一种基于累计求和的检测方法，当发生爆管时压力突然增大，其产生的峰超过人为设定的阈值，cusum 可通过算法检测到爆管和多尺度小波分析法通过将压力的测定分解为 4 个级别的系数来检测爆管，作为检测小流量泄漏的稳健方法。该方法克服了因人为设定阈值不明确而可能在噪声信号较大的条件下稳健性下降的问题，以及 MWA 法因时间信息的缺失而可能使每个感应器在估算泄漏效应的到达时间时精度下降的问题，并且引人了置信界限使得 cusum 法和 MWA 法的定位方法更符合实际情况。

（四） 影子价格法

智利的一项研究采用影子价格法来开展管网漏损经济评价方法的建立。结果表明 2014 年漏损的平均影子价格约为 0.23 欧元/平方米，即供水系统每损失1立方米的水，消耗的环境和资源成本约为 0.23 欧元，约占输水价格的31.7%。然而，不同的水务公司受地理位置、运营成本、经营状况等原因影响，算得的漏损影子价格差异较大;敏感性分析显示从水务公司角度、政府和社会角度计算得到的影子价格也不尽相同。这项研究的核心价值在于提出了更为科学和经济的漏损控制目标的确定方法，有利于帮助政府制定配套的奖励机制来促使水务公司更有效地减小漏损率，放缓水资源的投资开发.

（五） 在预防管道第三方破坏中，国内一些机构采取建立全天候管道预警平台的方式针对第三方施工具有的随机性、突发性、偶然性，利用“点+线+面+网”结合方式，即智能视频监控+无人机智能巡线+次声波智能检测系统全方位监控管道运行安全。随着5G 网络环境的推出，智能化监控手段将成为管道管理发展的重要组成部分，实现管道相关数据的图形、图像、视频、图表分析信息的多维度查询及可视化展示，结合传统的人防手段，能够达到“有图有真相，有图有分析”效果。

二、利用光纤扰动方案、传感技术解决供水管网漏损控制问题的新理念

采用天津大学、武汉理工大学光纤流量与光纤传感器及传感系统技术，应用于供水 领域解决供水漏损率偏高等问题，与现有管网减损系统相连动，实现预警报警功能。

1、基于光纤 F-P 压力传感器及其解调技术，开展智能管网流量监测方法研究，主 要是探索在闭环水务管网环境条件下，水资源流量变化引起的压力改变量化模型关系，开发可实用化的全光纤 F-P 压力传感器及其解调系统，对水务管网系统的流量和压力进 行智能监测，通过准分布式的压力/流量实时监测，评估管网的漏损检报。

2、基于全光纤 M-Z 双臂干涉技术，开展全光纤管网防挖掘预警方法研究，主要是

采用激光干涉的光纤传感技术分析，在外力即将破坏管网前预警，保证管网安全;管网泄漏时产生的振动较大，利用光纤扰动方案，采用光纤传感技术分析，对管网漏损初期进行预判并精确定位潜在的漏点位置（精度 10 米量级）。

3、基于上述传感系统和相关技术，开展海量数据深度学习智慧水务监测调度方法 研究，主要是构建用于海量数据处理的智慧水务监测预警与调度管理平台，通过深度学习与神经网络算法实现水务管网系统的预测、预警、预报，提高现有水务系统监测预警水平。

参考文献：

[1] 曹徐齐，阮辰旼.国内外城镇供水管网漏损检测最新技术及漏损管理策略汇编[J].净水技术，2017，36（2）：5-10.

[2] 刘琨，刘铁根，江俊峰，梁霄，贾大功，张红霞，井文才，张以谟，基于 FBG 传感系统的可调光滤波器非线性研究，光电子激光，2010，21（7）：970-973

[3] 刘琨，刘铁根，江俊峰，井文才，汪曣，张红霞，贾大功，张以谟.一种混合式光纤物理和化学传感系统，中国激光，2009，36（S2）：299-305