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導(dǎo) 讀
介紹了供水系統(tǒng)爆管監(jiān)測的研究框架，針對爆管是否可監(jiān)測問題，結(jié)合供水監(jiān)測系統(tǒng)實際情況，提出了監(jiān)測系統(tǒng)的背景噪聲、爆管最小可監(jiān)控管徑等基本概念及分析方法。從設(shè)計的角度提出了爆管強度的概念，同時提出了監(jiān)測網(wǎng)數(shù)量優(yōu)化要考慮投入產(chǎn)出比，建議參考邊際效益（如爆管監(jiān)測覆蓋率）來確定監(jiān)測設(shè)備的數(shù)量。還提出了監(jiān)測網(wǎng)的空間優(yōu)化目標函數(shù)，并認為最終的優(yōu)化成果要明確哪些管線在監(jiān)測范圍之內(nèi)。在爆管監(jiān)測技術(shù)方面，針對國內(nèi)外研究工作中極少討論的成果驗證與評估方面提出了一些參考性指標。
城市供水系統(tǒng)是城市生命線工程，對維持正常的社會生活、生產(chǎn)秩序和公共安全至關(guān)重要。如果發(fā)生主干管“爆管”，極易引起全城供水危機，交通癱瘓等。目前主要是根據(jù)地面是否有水溢出（居民報告或人工巡視）來發(fā)現(xiàn)爆管事故和尋找爆管位置，往往到發(fā)現(xiàn)爆管事故和找到爆管位置時，已經(jīng)造成大量水資源流失并嚴重影響到城市的正常運行。鑒于給水管道爆管事故帶來的負面影響是比較嚴重的，如何預(yù)防、減少爆管，并能夠快速應(yīng)對這類突發(fā)事件是生產(chǎn)實踐和理論研究的熱點之一。本文僅就體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)點進行闡述，具體的技術(shù)實現(xiàn)方法不進行詳細討論，旨在為理論研究者和工程應(yīng)用單位提供比較系統(tǒng)的參考。同時協(xié)助應(yīng)用單位在工程建設(shè)中提出合理的技術(shù)要求和目標，盡可能避免在研究和工程實踐中的風(fēng)險，在技術(shù)可達的范圍內(nèi)提高資金的利用效率，提升社會服務(wù)能力。
1爆管監(jiān)測研究的理論體系
1.1 現(xiàn)階段技術(shù)方向的選擇
爆管監(jiān)測有非常明確的社會需求，是供水領(lǐng)域尚未得到較好解決的工程問題之一，其中也蘊含著復(fù)雜的科學(xué)問題。不管采用什么技術(shù)路線，面向工程應(yīng)用都要兼顧技術(shù)的實用性、可操作性，尤其是在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定和可靠性。目前國內(nèi)外關(guān)于爆管監(jiān)測的研究主要有兩個技術(shù)方向：基于擬穩(wěn)態(tài)壓力和流量監(jiān)測數(shù)據(jù)狀態(tài)（采樣周期>1 s）突變的分析法和基于壓力波（瞬態(tài)波）的分析法。基于擬穩(wěn)態(tài)壓力和流量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法的物理基礎(chǔ)是：供水爆管后，管網(wǎng)的壓力通常出現(xiàn)比較明顯的下降，管網(wǎng)流量也會增加，據(jù)此判斷管網(wǎng)可能出現(xiàn)爆管。從技術(shù)經(jīng)濟條件比較來看，基于擬穩(wěn)態(tài)壓力和流量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法在目前階段相對更現(xiàn)實：
擬穩(wěn)態(tài)的壓力監(jiān)控設(shè)備價格遠低于瞬態(tài)波監(jiān)控設(shè)備,現(xiàn)有供水管網(wǎng)絕大部分采用擬穩(wěn)態(tài)的監(jiān)控設(shè)備，建設(shè)成本已經(jīng)下降到一般自來水公司完全可接受的范圍，并且可進一步提高布設(shè)密度，經(jīng)濟條件上較優(yōu)。
擬穩(wěn)態(tài)的設(shè)備的現(xiàn)場適應(yīng)性要好于瞬態(tài)波監(jiān)控設(shè)備，雖然瞬態(tài)波監(jiān)控能夠獲取更多信息，但是越是精密的儀器，環(huán)境要求越高。室外監(jiān)測條件對儀表來講都比較惡劣，絕大部分只能布置在潮濕的管道井內(nèi)，甚至長期浸泡在水中。
高頻采集設(shè)備也意味著對供電有較高的要求，大部分現(xiàn)場條件難以滿足。
從成本和應(yīng)用環(huán)境來看，采用擬穩(wěn)態(tài)監(jiān)控設(shè)備目前較為現(xiàn)實，以此為基礎(chǔ)的研究和工程應(yīng)用是當前較為可行的方向，也不排除今后高頻采集設(shè)備的成本和環(huán)境適應(yīng)性大幅度提升，成為主流研究方向。
1.2 爆管監(jiān)測的基本問題與技術(shù)路線
許多學(xué)者探索采用不同算法來監(jiān)測爆管。不管采用什么算法，首先要確認研究對象物理條件的可行性，由此筆者提出了3個基本問題：
采用現(xiàn)有的設(shè)備，爆管是否可以監(jiān)測；如果可以監(jiān)測，監(jiān)測可以到什么水平。
在可以監(jiān)測的前提下，如何較好地布置監(jiān)測網(wǎng)，提高監(jiān)測效率和可靠性。
在爆管監(jiān)測網(wǎng)已建立的基礎(chǔ)上，如何利用監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，在第一時間有效識別爆管的地點。
本文將爆管監(jiān)測3個基本問題分解為10個技術(shù)要點，10個技術(shù)要點有的是現(xiàn)有成熟技術(shù)的應(yīng)用，有的是待進一步拓展和探索的技術(shù)，有的是新概念，它們之間的邏輯關(guān)系如圖1所示。針對第②、③個問題文獻較多，但對第一個問題幾乎無涉及。筆者認為第一個問題非常關(guān)鍵，如果沒有解釋清楚，后續(xù)應(yīng)用層面將受到很大影響，因此第一問題的解決是開展后續(xù)兩個問題研究的重要前提。
2爆管監(jiān)測的最大監(jiān)測能力
不管算法如何先進，研究工作必須基于研究對象的物理特征、測試設(shè)備的精度和工作環(huán)境所能提供的條件，綜合表述為“管網(wǎng)爆管的監(jiān)測能力”，包括兩個方面：爆管對管網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊信號有多大和監(jiān)測設(shè)備能夠接受到什么水平的信號。在探索這個問題時，先要找到一種分析爆管的監(jiān)測能力的方法,對應(yīng)圖1中描述的前5個技術(shù)要點。其中第1、2要點合成后可以用于量化分析爆管對管網(wǎng)的沖擊。根據(jù)爆管對管網(wǎng)的沖擊大小和管網(wǎng)監(jiān)測信號物理特征，可初步判斷監(jiān)測系統(tǒng)能否可感知到爆管的沖擊。管網(wǎng)的壓力、流量是在一定范圍內(nèi)波動的，這種波動包含了管網(wǎng)系統(tǒng)自身波動和監(jiān)測儀表的誤差，物理上是不可消除的，可視為管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的背景噪聲。監(jiān)測系統(tǒng)能夠感知爆管，客觀上要求爆管產(chǎn)生的沖擊信號大于背景噪聲，否則被淹沒在背景噪聲之下，文獻提出了“爆管最小可監(jiān)控管徑”的概念。簡單的例子可幫助理解這一概念：一個管網(wǎng)系統(tǒng)中DN500管道的爆管是比較容易被SCADA監(jiān)測到，但是DN50的管道爆管后，即使監(jiān)測設(shè)備放在非常近的位置也無法正常判別。在爆管可被感知和不被感知中間存在一個界限，這條界限就是“爆管最小可監(jiān)控管徑”。這個界限沒有考慮管道破裂的程度，但是說明了，即使最嚴重的破裂，當管徑小于這一界限時，監(jiān)測系統(tǒng)很難正常判別。這一指標可作為應(yīng)用單位和設(shè)計單位的系統(tǒng)建設(shè)參考目標。
2.1 爆管漏水量估計
管道爆裂之后，水會通過裂口流出。供水企業(yè)通常利用水廠瞬時流量變化估計爆管漏水量，這是一種事后分析的方法。在進行爆管可監(jiān)測水平的估計過程時，需要預(yù)先估計。一些研究按照孔口出流的方式進行估算，筆者通過模型試驗發(fā)現(xiàn)，實際流量系數(shù)范圍較寬。管道上的孔口出流與來流速度、孔口的大小均有關(guān)系，可采用兩個經(jīng)驗公式估算。在EPANET模型中應(yīng)用時，可折算成相應(yīng)的射流系數(shù)來計算爆管的泄露量。
2.2 管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征與背景
噪聲供水管網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測到的壓力和流量數(shù)據(jù)以天為周期變化，同時包含一定的隨機性。通常采用3σ法則對實測數(shù)據(jù)進行異常的初步判斷。這種觀點源于統(tǒng)計學(xué)中3倍方差以外的事件屬于小概率事件，但是在實際供水系統(tǒng)中是否正確并無充分實證資料。筆者采取另一個觀點來說明合理數(shù)據(jù)范圍，對幫助判斷爆管或者優(yōu)化爆管監(jiān)測網(wǎng)可能更有說服力。
任何系統(tǒng)都存在一定的環(huán)境背景噪聲，供水系統(tǒng)也不例外。引起城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)水力波動的因素包括用戶用水量、水泵閥門啟閉等，這些因素都是隨機變化的。同時儀器儀表本身也會受各種因素影響波動。采集到的信號包含了儀表和被監(jiān)測對象隨機波動，這兩部分波動構(gòu)成了環(huán)境背景噪聲。
2.3 爆管沖擊影響分析
爆管是偶發(fā)現(xiàn)象，很難進行現(xiàn)場測試，一般只能借助管網(wǎng)水力模型。在進行一般的爆管沖擊影響分析時，可采用設(shè)定漏水量或節(jié)點的射流系數(shù)進行水力分析。水力模型包括傳統(tǒng)的流量驅(qū)動和壓力驅(qū)動模型。壓力驅(qū)動模型中有一些經(jīng)驗參數(shù)是與具體的供水系統(tǒng)有關(guān)，不易確定，增加了分析的難度。如果僅僅考慮某一管道爆管壓力下降是否超過背景噪聲（閾值為0.6~1.5 m），傳統(tǒng)的流量驅(qū)動模型雖有誤差，也基本能滿足要求。以圖3模型為例，指定背景噪聲閾值ΔPc為0.8 m，爆管管道流速增加了1 m/s。假設(shè)當節(jié)點水壓低于16 m后按照線性比例和周建華模型進行折減，壓力驅(qū)動法與傳統(tǒng)的流量驅(qū)動法區(qū)別不明顯。如果僅評估爆管影響范圍，采用普通的流量驅(qū)動模式能夠滿足基本要求。
2.4 爆管最小可監(jiān)控管徑
實際供水管網(wǎng)系統(tǒng)中，爆管事故的范圍受管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、管徑大小，爆管漏水口的大小影響。小型供水系統(tǒng)中，DN200的管道爆裂后，在水廠泵站就可以看到明顯的變化，但是在大型供水系統(tǒng)中，也許DN500的管道爆裂后，監(jiān)測系統(tǒng)沒有顯著的變化，本質(zhì)上是由于管網(wǎng)自身耐沖擊負荷能力決定的。由此提出了一個供水系統(tǒng)“爆管可監(jiān)控最小管徑”的概念：對于一個特定的管網(wǎng)，當爆管管徑小于某一臨界值時，由于爆管泄露后引起的流量和壓力變化低于背景噪聲水平，很難通過現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)判斷是否出現(xiàn)了爆管。筆者以南方某大型城市供水系統(tǒng)為例進行了模擬分析，其“爆管最小可監(jiān)控管徑”大體在DN500~600，這一值與該市調(diào)度部門實際情況與比較吻合，主要體現(xiàn)在兩個方面：
長期運營過程中，對于DN400及以下的爆漏，不需要立即上報調(diào)度中心進行處理，由各營業(yè)分區(qū)自行處理，其中一個內(nèi)在原因就是調(diào)度中心很少觀察到這一級別的爆管對系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的沖擊，一般不調(diào)整現(xiàn)有運行方案。
筆者在以該市為對象的爆管監(jiān)測系統(tǒng)研究中，對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了回測，DN500以上的爆管，檢出率較高，而該級別以下的爆管檢出率較低。雖然爆管的監(jiān)測與監(jiān)測網(wǎng)的布置情況和爆管識別算法有密切關(guān)系，但是從另一個側(cè)面反映了監(jiān)測能力主要由管網(wǎng)系統(tǒng)自身物理結(jié)構(gòu)決定。最小可監(jiān)控管徑不是一個非常嚴格的數(shù)字，受到各種因素影響，大體在1~2個管徑級別范圍內(nèi)，建設(shè)單位在應(yīng)用中要把握好尺度，不宜提出超出實際技術(shù)能力要求，造成項目實施困難。
3爆管監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計
爆管是必然會發(fā)生的偶然事件，影響大，供水管網(wǎng)的設(shè)計過程中一般也有相關(guān)考慮。監(jiān)測網(wǎng)在設(shè)計階段應(yīng)該充分考慮投入產(chǎn)出比，一味追求“高大上”或“高精尖”會給后期的運行管理造成較大的負擔。監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計的目標是在經(jīng)濟條件許可的情況下，監(jiān)測網(wǎng)能夠及時、準確地發(fā)現(xiàn)爆管事件，并能夠較好的定位。管網(wǎng)水力監(jiān)測設(shè)備包括流量和壓力兩種。目前壓力監(jiān)測設(shè)備成本較低，安裝也較為簡單，主要受制于供電和設(shè)備維護。流量監(jiān)測設(shè)備采購和安裝成本較高，設(shè)備使用條件也較為苛刻。同時監(jiān)測設(shè)備數(shù)量并非越多越好，當監(jiān)測設(shè)備超過一定數(shù)量時，監(jiān)測能力提升有限，性價比不高。研究過程中可以從邊際效用的角度考慮設(shè)備的布設(shè)效果。從運營成本的角度，現(xiàn)階段監(jiān)控儀表設(shè)備的選取建議為：盡可能采用壓力監(jiān)控設(shè)備，有條件的地方利用現(xiàn)有分區(qū)計量的流量監(jiān)控設(shè)備。
3.1 爆管強度
上一節(jié)已經(jīng)介紹了管網(wǎng)爆管最小可監(jiān)測管徑分析，這僅是給出了能夠被監(jiān)測到的最高水平。實際情況中同一根管道不同條件下爆管產(chǎn)生的漏水量不一樣。影響因素包括：壓力、管道漏水口尺寸、管道來水直徑等。對于可監(jiān)控DN500的管道，其爆管泄漏量可能是600 m3/h，也可能是10 m3/h。從設(shè)計角度，需要明確、合理的技術(shù)指標作為參數(shù)。從自來水公司的角度來考慮，不僅關(guān)心多大管徑的管道破壞了被監(jiān)測到，還非常關(guān)注漏水量的水平，希望以爆管后的漏水量作為判斷爆管事件嚴重程度的直接指標，類似于房屋抗震設(shè)計就要考慮地震的烈度。由此筆者提出了爆管強度概念：管道爆裂后的漏水量水平。直接或間接指定設(shè)計用爆管漏水量有三種方式（見表1）：
指定管道破裂面積A：當管道破裂面積A統(tǒng)一指定時，漏水量可根據(jù)Q=μA2gh計算，這個計算公式涉及到壓力h，而壓力h往往是未知的，事先較難確定漏水量Q。同時管道破裂的面積是隨機的，對一個供水管網(wǎng)系統(tǒng)里的所有管道指定破裂面積較難。
指定管道泄漏量Q：這一方式能直接反映漏水量，但是對于不同管徑的管道，統(tǒng)一指定泄漏量不一定符合實際情況，例如指定管道的泄漏量為1 000 m3/h時，對于DN600的管道是合理的，但對于DN100、DN200等的管道是不合理的。
指定管道流速增加量ΔV：根據(jù)ΔQ=ΔVπd2/4計算可快捷得到漏水量。該公式考慮了管徑d的影響，并且不需要考慮壓力。定義的漏水量根據(jù)管徑變化在一個合理的范圍內(nèi)，計算簡單。
本文建議采用指定爆管后流速增加量ΔV這一方式作為爆管強度的指標，同時建議用于設(shè)計爆管監(jiān)測網(wǎng)管道流速增加量ΔV在0.8~1.2 m/s，大約是正常速度的0.5~1.5倍。這一指標有水力學(xué)因素的考慮：實際管網(wǎng)時的水力坡降在0.5‰~2‰之間，在城市管網(wǎng)中管道的經(jīng)濟流速通常在1.0 m/s上下，2~3 km布設(shè)一個測點，當流速增加一倍時，壓力變化大體能超過背景噪聲界限。圖4中紅色節(jié)點表示壓力下降超過背景噪聲閾值的區(qū)域,也就是當圖中標記的管道爆管漏水量超過指定的標準時，布置在紅色節(jié)點區(qū)域內(nèi)的壓力傳感器可以感應(yīng)到爆管影響。
3.2 監(jiān)測網(wǎng)的傳感器數(shù)量選擇
監(jiān)測網(wǎng)的布局優(yōu)化包含了兩個問題：
合理的監(jiān)測數(shù)量；
盡可能多的管線納入爆管監(jiān)測。
通常來講，隨著監(jiān)測設(shè)備的增加，整體監(jiān)測能力會上升。管網(wǎng)系統(tǒng)中被監(jiān)控的管道長度可以較直接反映監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對整個管網(wǎng)的監(jiān)控能力。當一根管道發(fā)生爆管時，可能被一個傳感器監(jiān)測到，也可能被多個傳感器監(jiān)測到。筆者在分析實際監(jiān)測設(shè)備量與正確判斷爆管之間的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)：至少要兩個及以上傳感器同時感應(yīng)爆管沖擊效應(yīng)才能做出比較可靠的判斷。當監(jiān)測點數(shù)量為n時，管網(wǎng)爆管監(jiān)測能力用管道覆蓋率表示見式（1）：
式中l(wèi)kbi——第i根管道被k個或更多個傳感器監(jiān)測到爆管的管長；
li——第i根管道的長度。
邊際效用就是ΔSkn=Skn-Skn-1。通過觀測覆蓋率隨著監(jiān)測設(shè)備數(shù)量的變化，可了解傳感器數(shù)量的投入效益。圖5描述了監(jiān)測成本與監(jiān)測能力之間的關(guān)系。
3.3 監(jiān)測網(wǎng)的空間布局優(yōu)化
爆管監(jiān)測系統(tǒng)一般優(yōu)先監(jiān)測重要管線和重要用戶，研究人員可以根據(jù)各自的理解和客戶的需求制定相關(guān)的目標函數(shù)?；谝话阈钥紤]，筆者提出了一個爆管監(jiān)測布局的優(yōu)化函數(shù)供讀者參考：在同等爆管強度水平下，漏水量體現(xiàn)了管道的重要性；當給定監(jiān)測點數(shù)量n時，最大可能監(jiān)控到漏水量。以壓力監(jiān)測點布局優(yōu)化為例，供水管網(wǎng)爆管監(jiān)測網(wǎng)布局優(yōu)化函數(shù)見式（2）：
式中 i——管道編號；
j——節(jié)點編號；
n——監(jiān)測點數(shù)量;
k——同時監(jiān)控到的測點數(shù);
m——被監(jiān)控的管道數(shù)；
ΔQi——第i根管道爆管產(chǎn)生的漏水量，根據(jù)指定爆管強度ΔQ=ΔVπd2/4確定，能夠較好地反映管道重要性；
Wi,jli——權(quán)重函數(shù)：管道越長出現(xiàn)爆管的概率越大，li體現(xiàn)了管道長度的影響，Wi,j與材料、用戶重要性等因素有關(guān)，可視情況而定；
ΔPi,j——第i根管道爆管，使編號為j的節(jié)點壓力下降的絕對值；
ΔPc——根據(jù)管網(wǎng)壓力波動背景噪聲確定的可監(jiān)測閾值；
Fkn——基于爆管模擬分析，以最大可能監(jiān)控泄漏量為目標，同時考慮了管徑、管長和管材等因素的最優(yōu)空間布局目標函數(shù)。
3.4 監(jiān)測設(shè)備數(shù)量與空間布局優(yōu)化與成果表述
總體來講，大管徑的供水通道應(yīng)該優(yōu)先受到監(jiān)控，同時監(jiān)測點布設(shè)應(yīng)相對均勻，盡量保證每根管道均在監(jiān)測點有效監(jiān)控范圍內(nèi)。監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化的流程如下：首先設(shè)定一個最少的監(jiān)測設(shè)備數(shù)，然后進行空間布置優(yōu)化，再不斷的增加設(shè)備數(shù)量，進行空間優(yōu)化，同時監(jiān)控管道覆蓋率的增長情況，直到增加量小于設(shè)定目標。圖6是爆管監(jiān)測優(yōu)化后的成果。當監(jiān)測點數(shù)量一樣時，S1n≥S2n≥S3n；隨著監(jiān)測點數(shù)目的增加，S1n、S2n、S3n均增加。當監(jiān)測點數(shù)目到某一數(shù)值時，覆蓋率增加效果不明顯。當監(jiān)測點數(shù)量足夠多，S1n、S2n和S3n趨于相等?？紤]到爆管監(jiān)測的可靠性要求，建議S2n為判斷準則。圖6顯示合理的監(jiān)測點數(shù)量為20~25。優(yōu)化算法非常多，利用筆者開發(fā)的程序CSWatetNet，在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理工作后，百萬噸級的供水管網(wǎng)一般1 min即可完成優(yōu)化工作。不管算法是否先進，關(guān)鍵點在于要讓自來水公司在建設(shè)系統(tǒng)器能夠非常清晰的了解哪些管道被納入監(jiān)控范圍。圖6顯示靠近水源的管道基本被標注出來，表明主要的供水通道被納入了監(jiān)測范圍；其次在管網(wǎng)的末梢布設(shè)點較多，說明與供水企業(yè)對管網(wǎng)末梢壓力監(jiān)控的目標一致；最后監(jiān)測點布置比較均勻，符合一般的常識，是工程上可接受的布局。在實際工程中，由于供電等因素的約束，布設(shè)位置會有調(diào)整，但也應(yīng)該根據(jù)相關(guān)的程序繪制被監(jiān)測管線，給應(yīng)用單位明確、清晰的管線監(jiān)控分布圖，而不是一個抽象的數(shù)字。
4爆管的在線監(jiān)測研究技術(shù)
4.1 爆管監(jiān)測步驟與方法
爆管監(jiān)測的算法研究非常多，本文不再論述。不管采用什么算法，實際爆管監(jiān)測系統(tǒng)需要一個完整的運行流程。
收集管網(wǎng)中的傳感器信息和水廠、泵站的運行狀態(tài)；
實際的SCADA系統(tǒng)中存在大量的數(shù)據(jù)異常或數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象；在爆管分析前，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，確保有效數(shù)據(jù)進入分析模型，防止因為錯誤數(shù)據(jù)導(dǎo)致錯誤判斷；
利用數(shù)據(jù)和模型進行分析是否可能出現(xiàn)爆管，對異常現(xiàn)象進行解釋，期間可能需要人為干預(yù)，才能給出最終的結(jié)論。
應(yīng)用單位應(yīng)理解爆管監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的目標是通過其分析功能自動篩選絕大部分的異常，給出初步的結(jié)論，提高分析效率，降低一線工作人員的工作強度，而不是給出一步到位的結(jié)果。
在理論研究與工程實踐的過程，筆者建議爆管的監(jiān)測評估分兩個級別：
第一級別是識別是否有爆管，即判斷是否發(fā)生了爆管；
第二級別是判斷爆管的位置，為實際的搶修提供指導(dǎo)。
由于各種干擾信息非常復(fù)雜，現(xiàn)有算法都尚難完美的處理好。一些管網(wǎng)的真實用水與爆管特征一致，如打開消防栓放水，現(xiàn)有算法也難以區(qū)別。因此在這個階段仍然要進行一些人工干預(yù)。定位分析階段并不是意味第一階段完全做好后才進行，計算機自動分析算法認為在發(fā)生了爆管時就可以進行，在發(fā)布相關(guān)信息時，結(jié)合人工判斷，如熱線信息作為參考，提供更可靠性的指導(dǎo)信息。
現(xiàn)有的爆管監(jiān)測算法大部分都是判斷是否發(fā)生了爆管，判斷爆管位置主要通過“漏斗法”進行估計，圖7是某輸水管線爆管后5 min內(nèi)形成的壓力下降漏斗。“漏斗法”根據(jù)爆管后產(chǎn)生的現(xiàn)象進行判斷，有充分的物理基礎(chǔ)，但也是有“時間窗口”限制。筆者根據(jù)已有案例初步認為對于長距離輸水管線有效時間窗口約5 min，大型供水管網(wǎng)時間窗口可以15 min左右。考慮數(shù)據(jù)延遲等因素，爆管監(jiān)測分析程序必須在1 min以內(nèi)完成，傳感器采集和傳輸時間周期也不能超過時間窗口。同時也沒有必要過高的采集頻率，一方面對供電要求高，另一方面周期太短，“隨機干擾信號”的比重過高，也會影響正確判斷。受背景噪聲的干擾，“漏斗法”僅在大爆管時有較好效果，筆者在實踐中利用水力模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)耦合分析可以取得更好的效果，本文不再贅述。
4.2 爆管在線監(jiān)測成果驗證與評估
爆管監(jiān)測的目標是一旦發(fā)現(xiàn)可疑情況，能夠迅速反應(yīng)，提供決策指導(dǎo)。爆管監(jiān)測算法不是預(yù)報準確性唯一因素，同時也受設(shè)備的投入、管網(wǎng)現(xiàn)狀和爆管的嚴重程度影響。無論使用方還是研發(fā)方，都要科學(xué)和實用的態(tài)度來評估系統(tǒng)的有效性，完全否定或依賴監(jiān)測系統(tǒng)都不是科學(xué)的態(tài)度。
許多文獻介紹了爆管監(jiān)測算法，不足之處都以個別案例方式評價效果如何。鑒于爆管監(jiān)測的復(fù)雜性，在投入工業(yè)使用前，應(yīng)該對算法和整個軟硬件系統(tǒng)進行統(tǒng)計驗證。爆管監(jiān)測結(jié)果有3種情況：準確預(yù)報、誤報和漏報。漏報和誤報是普遍存在的現(xiàn)象。誤報是阻礙推廣應(yīng)用的主要因素之一：過高誤報率嚴重影響使用者的信心，導(dǎo)致一線工作人員對系統(tǒng)的厭惡。作為監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)允許一定的誤報率。從工業(yè)心理的角度來看，不宜超過1~2次/d以上的誤報。對于管理部門，也應(yīng)該從制度上要求一線人員接受并理解一定程度的誤報屬于監(jiān)測系統(tǒng)的正?，F(xiàn)象。出現(xiàn)報警后，積極通過人工核實情況。這樣既可以促進監(jiān)測人員保持一定的警覺性，又可以敦促一線人員觀察設(shè)備的完好狀態(tài)，對供水系統(tǒng)的管理是有益的。
爆管的準確率建議從兩個層次來進行評估。前文已經(jīng)介紹了爆管監(jiān)測預(yù)警包括是否發(fā)生爆管和爆管定位兩個方面。筆者認為首先要從“是否發(fā)生爆管”的角度評估有效性，在確認了爆管后，將判斷爆管的位置作為更高一個層次的要求。以某市監(jiān)測預(yù)警的爆管監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)驗證為例，將爆管監(jiān)測預(yù)警的精度分類兩級：第一級為監(jiān)測到爆管，但是位置難以確定；第二級精度為不僅預(yù)警到爆管，而且大體位置預(yù)測準確。不同級別管徑的預(yù)報精度也是有差異的，表2就是針對DN600以上爆管進行的統(tǒng)計案例，詳細的內(nèi)容可參閱文獻。在與一些自來水公司的基層人員溝通情況來看，對于重要的管線，監(jiān)測系統(tǒng)漏報率不低于50%是當前可以接受的一個水平。從空間定位精度來看，筆者認為城市管網(wǎng)到“街區(qū)”即可：從搶修的角度來看，工人只需要到達相關(guān)街區(qū)就可以通過人工判斷進行操作了；爆定位精度到米或十米級對實際工作意義不大，只會增大設(shè)備投入和算法難度。對于農(nóng)村偏遠長距離輸水，500~1 000 m基本滿足要求，巡查人員可以循著管線進行人工搜索，不要出現(xiàn)方向性錯誤即可。
5總結(jié)與展望
供水管網(wǎng)系統(tǒng)作為生命線工程，爆管監(jiān)測是安全保障中的重要一環(huán)，非常有必要加強相關(guān)研究。本文提出了開展相關(guān)研究的三個基本問題和現(xiàn)階段可行技術(shù)路線，并且認為基于被研究對象的物理特性和設(shè)備運行條件開展相關(guān)研究在今后的實際應(yīng)用中成功的概率更高。本文初步認為現(xiàn)階段采用現(xiàn)有擬穩(wěn)態(tài)的壓力流量監(jiān)測系統(tǒng)是較為可行的技術(shù)路徑。在研究過程中，筆者根據(jù)實測資料提出了一些新的概念：
供水管網(wǎng)背景噪聲;
爆管最小可監(jiān)測管徑；
爆管強度;
爆管監(jiān)測覆蓋率，同時也介紹了如何對監(jiān)測系統(tǒng)的有效性進行評估。
爆管監(jiān)測水平是受事物自身物理特性約束，不能簡單依靠投資突破，要尊重客觀規(guī)律，設(shè)定合理建設(shè)目標。供水系統(tǒng)爆管監(jiān)測的預(yù)報與定位目前沒用得到完全解決，還待進一步提升，既有理論和算法的原因，也有硬件設(shè)施的原因，需要同步提高。
來源：給水排水
微信對原文有修改。原文標題：供水管網(wǎng)爆管監(jiān)測體系研究；作者：程偉平；作者單位：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院。刊登在《給水排水》2021年第8期。