排水管网检测数据可视化管理系统

杨卫国 董紫乾 张 良 栗俊涛

1. 烟台市城市排水服务中心 山东 烟台 264001

2. 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津 300074

1 研究背景与意义

排水管网是城市重要的基础设施之一，是城市水污染防治、排渍防涝和防洪的骨干工程，担负着收集、转输城市生活污水和工业废水，及时排除城区雨水的任务，是保证城市正常运转的重要生命线。而排水管道的结构、功能问题日益突出，若不及时养护修复，可能导致严重的水环境问题甚至引发地面坍塌等严重事故[1]。因此，定期开展管道的检测，查明管道病害，能够及时指导开展必要的维修和养护工作，降低管道的生命周期成本[2]。

目前，已有较多成熟的管道缺陷检测技术得到应用，如闭路电视（CCTV）检测技术、激光检测技术、潜望镜检测技术、红外热成像技术、超声波检测技术及探地雷达检测技术[3]。其中，CCTV应用最为普遍，利用管道机器人进行探测和摄像，同步记录管道内状况，直观展示下水管道内部信息。由于摄像机拍摄环境复杂，以及判读人员专业技术可能存在一定的局限[4]，管道检测数据往往存在错误和不确定性。在对荷兰四个城市排水集水区进行的一项调查中表明，在第一次检查中观察到的多达30%的缺陷在第二次检查中“消失”了。然而，开展多轮检测并进行检测结果对比将会增添不必要的人力投入，不利于分析和统计。此外，仅依靠管道检测技术也难以为旧管道修复和新管道铺设提供决策支持[5]。

为解决上述问题，已有很多专家和学者做出了努力和尝试[6]。中国市政工程华北院一直是排水行业中创新和推广实用技术的先锋，致力于为排水系统的规划设计和运行管理提供分析和决策支持，开发了多款服务于排水系统运维、检测和调度的工具。本文所描述的排水管网检测数据可视化管理系统（MESurvey）是借助烟台市排水服务中心对排水管网日常维修和养护的丰富经验，以及中国市政工程华北设计研究院智慧水务分院提供的技术支持共同开发完成的。该系统是一个资产可视化及决策分析工具，在准确的排水资产数据基础上，将管道检测数据与数字化的管道数据进行逐一绑定，实现对属性信息和管网空间数据的集成管理[7]。

MESurvey是一款集展示、分析、维护功能于一身的工具软件，该软件将历次检测数据与排水管道资产数据绑定并可视化，通过数据分析算法判断管道缺陷位置、了解缺陷类型、掌握缺陷区域大小，为管道修复提供依据。另外，通过对缺陷数据进行统计、分析和汇总，合理划分缺陷等级，找出管道最佳生命周期成本，供城市排水管理工作者和决策者分析和使用，为未来铺设管道提供合理化建议[8]。

2 系统介绍及描述

MESurvey是一种可视化及决策工具，在收集排水资产数据和管道检测数据的基础上，为排水管网规划管理、修复和养护提供直观依据和可靠方案。该系统可以解决的关键问题如下：

(1) 直观展示排水管道检测数据；

(2) 存储利用历次检测数据，提高循环管理次数，发挥数据的最大价值；

(3) 快速寻找排水管道最佳生命周期成本。

该系统利用完整的排水资产数据为底层数据，通过导入检测数据，可以为检测数据的存储、显示、查询、管理与分析提供平台。系统包含数据导入、数据管理展示、管段状态评估和成本估算四大模块。

2.1 数据导入模块

数据导入模块利用GIS技术可以统一存储和管理空间数据的特点，将基础地理信息和管网空间数据集成管理并动态显示在地图上，通过数据分层直观体现不同的数据表达对象，有序管理排水管网相关的数据[9]。同时数据导入模块提供检测数据的标准字段，用户只需要选择匹配的字段，即可将检测数据批量导入数据库，建立交换数据之间的列（或字段）的映射关系，如图 1所示。

图1 检测数据导入

该模块通过自动生成管网检测信息数据库，可以显著减少业务人员繁重、复杂的数据处理工作量，提升数据导入的效率和可靠性。

2.2 数据管理展示模块

数据管理模块可以对排水管网的管道内窥检测数据进行统一管理，存储作业编号、检测日期、检测单位、缺陷名称、缺陷位置、功能性缺陷、结构性缺陷等详细检测信息。该模块将检测信息与管网进行关联，可统计已进行管网检测的管段数量，对检测数据分级分类进行管段缺陷渲染，同时可根据“是否已进行检测”渲染排水管网系统，便于管理人员快速地了解管网系统检测情况。

当同一管段在不同时期进行了多次检测，系统将默认展示最新日期的排水管网检测数据，用户可根据“检测年限”字段，快速完成历次检测数据对比分析，提高管理循环性次数。

数据展示模块可以进行管段检测数据展示，通过点击已检测管段，可查看管段基本属性及检测视频信息，同时主界面下方将展示本管段各缺陷的纵向位置和环向位置，支持查看缺陷现场照片，如图2所示。

图2 缺陷展示

2.3 管段状况评估模块

已导入的检测数据可通过管段状况评估模块生成管段状况评估表和管段缺陷统计表，并按照CJJ181—2012《城镇排水管道检测与评估技术规程》中的计算公式对已判读为缺陷的管段的结构性缺陷平均值S、最大值Smax、缺陷等级、缺陷密度、修复指数RI、功能性缺陷中的平均值Y等进行更新评估[10]。

2.4 成本估算模块

该系统还包含成本估算模块，可以为管道修复提供决策，对修复价格进行评估，找到最具成本效益的修复和养护计划。排水管道需定期检查并随着时间的推移进行维护，管理者可通过成本估算模块采取主动和预防性维护和修复工作，当管段结构和功能缺陷等级小于3级将默认列入计划修复计划，3级及以上根据缺陷等级和管段所处位置选择对应的方法进行修复，图3展示了管道评估流程和修复方法的设置。如果某管道的缺陷程度严重，修复费用过高，需立即更换新管道，以减少对城市生活和环境的干扰，并最大限度地降低生命周期成本。

图3 管道评估流程

3 案例分析

3.1 项目概述

某城排水管网总长度约141km，包含雨水管道、污水管道、合流制管道、截污干管、主排水管道及小区内部等管道，管径范围在DN300至DN1500之间，多个检测厂商对其中6.07km的主干管网分批进行CCTV检测，并将检测后的成果导入到本系统中。

3.2 数据标准化及导入

针对检测数据质量与格式参差不齐的情况，使用MESurvey提供的检测数据标准字段进行数据标准化，将检测与评估信息表与判读缺陷信息表导入到系统中，并及时将异常数据与异常原因反馈给检测厂商，待检测厂商进行复核后，再次导入数据，最终完成检测成果的数字化移交，如图4所示。

图4 导入成果展示

3.3 项目成果

经统计，本次共检测管道数据142段，结构性缺陷4级占比16.20%，3级占比27.46%，需立即安排修复；2级及以下结构性缺陷管段占比50.70%，列入修复计划；正常管段5.63%。功能性缺陷4级占比4.23%，3级占比2.82%，需立即安排养护工作；2级及以下功能性缺陷管段占比47.89%，需安排周期性巡查养护工作；正常管段45.07%。通过缺陷等级渲染，快速锁定管段位置，安排修复工作，如图 5所示。

图5 管道结构性缺陷等级分布

根据管道所处位置、管径大小及重要程度选择不同方法对结构性缺陷进行工作，根据价格预估，进行该项工作的成本约166.8万元，如图 6所示。通过分析该区域的已检测管段，可发现该区域管段缺陷较为严重，应对剩余未展开检测的管网进行检测工作，对存在问题的管道进行修复。

图6 修复价格预估

4 结论和展望

排水管网检测数据可视化系统（MESurvey）通过对排水管网资产与检测数据的绑定，实现了检测数据的可视化动态管理，提高检测循环管理次数，帮助管理者科学有效地开展排水管网设施养护、修复或更换工作，提高排水管网的生命周期及设施的修复效率，降低修复或更换设施的成本，全面提升区域排水管网资产的运营管理水平，最大限度地发挥检测数据的效益。

由于诸多因素，本文的研究工作还需要进一步完善，整个系统构建的模式还不是十分精细，还有大量的工作要做，系统还需进一步改进与扩充，主要研究内容如下：

(1) 在现有C/S架构基础之上，开发B/S与M/S端检测数据管理的相关业务系统，打造多源数据与排水管理集一体的数据平台，进一步提高排水管网精细化管理能力；

(2) 积累检测数据，集成深度学习算法。对检测数据深度挖掘，提前预知未来管道面临的故障风险，提高对管道风险的应对能力。