導 讀
介紹了供水系統爆管監測的研究框架，針對爆管是否可監測問題，結合供水監測系統實際情況，提出了監測系統的背景噪聲、爆管最小可監控管徑等基本概念及分析方法。從設計的角度提出了爆管強度的概念，同時提出了監測網數量優化要考慮投入產出比，建議參考邊際效益（如爆管監測覆蓋率）來確定監測設備的數量。還提出了監測網的空間優化目標函數，并認為最終的優化成果要明確哪些管線在監測范圍之內。在爆管監測技術方面，針對國內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。
城市供水系統是城市生命線工程，對維持正常的社會生活、生產秩序和公共安全至關重要。如果發生主干管“爆管”，極易引起全城供水危機，交通癱瘓等。目前主要是根據地面是否有水溢出（居民報告或人工巡視）來發現爆管事故和尋找爆管位置，往往到發現爆管事故和找到爆管位置時，已經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，如何預防、減少爆管，并能夠快速應對這類突發事件是生產實踐和理論研究的熱點之一。本文僅就體系結構和關鍵技術點進行闡述，具體的技術實現方法不進行詳細討論，旨在為理論研究者和工程應用單位提供比較系統的參考。同時協助應用單位在工程建設中提出合理的技術要求和目標，盡可能避免在研究和工程實踐中的風險，在技術可達的范圍內提高資金的利用效率，提升社會服務能力。
1爆管監測研究的理論體系
1.1 現階段技術方向的選擇
爆管監測有非常明確的社會需求，是供水領域尚未得到較好解決的工程問題之一，其中也蘊含著復雜的科學問題。不管采用什么技術路線，面向工程應用都要兼顧技術的實用性、可操作性，尤其是在惡劣環境下的穩定和可靠性。目前國內外關于爆管監測的研究主要有兩個技術方向：基于擬穩態壓力和流量監測數據狀態（采樣周期>1 s）突變的分析法和基于壓力波（瞬態波）的分析法。基于擬穩態壓力和流量監測數據分析方法的物理基礎是：供水爆管后，管網的壓力通常出現比較明顯的下降，管網流量也會增加，據此判斷管網可能出現爆管。從技術經濟條件比較來看，基于擬穩態壓力和流量監測數據分析方法在目前階段相對更現實：
擬穩態的壓力監控設備價格遠低于瞬態波監控設備,現有供水管網絕大部分采用擬穩態的監控設備，建設成本已經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密度，經濟條件上較優。
擬穩態的設備的現場適應性要好于瞬態波監控設備，雖然瞬態波監控能夠獲取更多信息，但是越是精密的儀器，環境要求越高。室外監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，甚至長期浸泡在水中。
高頻采集設備也意味著對供電有較高的要求，大部分現場條件難以滿足。
從成本和應用環境來看，采用擬穩態監控設備目前較為現實，以此為基礎的研究和工程應用是當前較為可行的方向，也不排除今后高頻采集設備的成本和環境適應性大幅度提升，成為主流研究方向。
1.2 爆管監測的基本問題與技術路線
許多學者探索采用不同算法來監測爆管。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：
采用現有的設備，爆管是否可以監測；如果可以監測，監測可以到什么水平。
在可以監測的前提下，如何較好地布置監測網，提高監測效率和可靠性。
在爆管監測網已建立的基礎上，如何利用監控設備監測到的數據，在第一時間有效識別爆管的地點。
本文將爆管監測3個基本問題分解為10個技術要點，10個技術要點有的是現有成熟技術的應用，有的是待進一步拓展和探索的技術，有的是新概念，它們之間的邏輯關系如圖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鍵，如果沒有解釋清楚，后續應用層面將受到很大影響，因此第一問題的解決是開展后續兩個問題研究的重要前提。
2爆管監測的最大監測能力
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、測試設備的精度和工作環境所能提供的條件，綜合表述為“管網爆管的監測能力”，包括兩個方面：爆管對管網系統產生的沖擊信號有多大和監測設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測能力的方法,對應圖1中描述的前5個技術要點。其中第1、2要點合成后可以用于量化分析爆管對管網的沖擊。根據爆管對管網的沖擊大小和管網監測信號物理特征，可初步判斷監測系統能否可感知到爆管的沖擊。管網的壓力、流量是在一定范圍內波動的，這種波動包含了管網系統自身波動和監測儀表的誤差，物理上是不可消除的，可視為管網監測系統的背景噪聲。監測系統能夠感知爆管，客觀上要求爆管產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“爆管最小可監控管徑”的概念。簡單的例子可幫助理解這一概念：一個管網系統中DN500管道的爆管是比較容易被SCADA監測到，但是DN50的管道爆管后，即使監測設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，監測系統很難正常判別。這一指標可作為應用單位和設計單位的系統建設參考目標。
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。在進行爆管可監測水平的估計過程時，需要預先估計。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現，實際流量系數范圍較寬。管道上的孔口出流與來流速度、孔口的大小均有關系，可采用兩個經驗公式估算。在EPANET模型中應用時，可折算成相應的射流系數來計算爆管的泄露量。
2.2 管網監測數據的特征與背景
噪聲供水管網系統監測到的壓力和流量數據以天為周期變化，同時包含一定的隨機性。通常采用3σ法則對實測數據進行異常的初步判斷。這種觀點源于統計學中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據范圍，對幫助判斷爆管或者優化爆管監測網可能更有說服力。
任何系統都存在一定的環境背景噪聲，供水系統也不例外。引起城市供水管網系統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測對象隨機波動，這兩部分波動構成了環境背景噪聲。
2.3 爆管沖擊影響分析
爆管是偶發現象，很難進行現場測試，一般只能借助管網水力模型。在進行一般的爆管沖擊影響分析時，可采用設定漏水量或節點的射流系數進行水力分析。水力模型包括傳統的流量驅動和壓力驅動模型。壓力驅動模型中有一些經驗參數是與具體的供水系統有關，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），傳統的流量驅動模型雖有誤差，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。假設當節點水壓低于16 m后按照線性比例和周建華模型進行折減，壓力驅動法與傳統的流量驅動法區別不明顯。如果僅評估爆管影響范圍，采用普通的流量驅動模式能夠滿足基本要求。
2.4 爆管最小可監控管徑
實際供水管網系統中，爆管事故的范圍受管網系統結構、管徑大小，爆管漏水口的大小影響。小型供水系統中，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中，也許DN500的管道爆裂后，監測系統沒有顯著的變化，本質上是由于管網自身耐沖擊負荷能力決定的。由此提出了一個供水系統“爆管可監控最小管徑”的概念：對于一個特定的管網，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，很難通過現有監測系統判斷是否出現了爆管。筆者以南方某大型城市供水系統為例進行了模擬分析，其“爆管最小可監控管徑”大體在DN500~600，這一值與該市調度部門實際情況與比較吻合，主要體現在兩個方面：
長期運營過程中，對于DN400及以下的爆漏，不需要立即上報調度中心進行處理，由各營業分區自行處理，其中一個內在原因就是調度中心很少觀察到這一級別的爆管對系統產生明顯的沖擊，一般不調整現有運行方案。
筆者在以該市為對象的爆管監測系統研究中，對歷史監測數據進行了回測，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。雖然爆管的監測與監測網的布置情況和爆管識別算法有密切關系，但是從另一個側面反映了監測能力主要由管網系統自身物理結構決定。最小可監控管徑不是一個非常嚴格的數字，受到各種因素影響，大體在1~2個管徑級別范圍內，建設單位在應用中要把握好尺度，不宜提出超出實際技術能力要求，造成項目實施困難。
3爆管監測網的設計
爆管是必然會發生的偶然事件，影響大，供水管網的設計過程中一般也有相關考慮。監測網在設計階段應該充分考慮投入產出比，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。監測網設計的目標是在經濟條件許可的情況下，監測網能夠及時、準確地發現爆管事件，并能夠較好的定位。管網水力監測設備包括流量和壓力兩種。目前壓力監測設備成本較低，安裝也較為簡單，主要受制于供電和設備維護。流量監測設備采購和安裝成本較高，設備使用條件也較為苛刻。同時監測設備數量并非越多越好，當監測設備超過一定數量時，監測能力提升有限，性價比不高。研究過程中可以從邊際效用的角度考慮設備的布設效果。從運營成本的角度，現階段監控儀表設備的選取建議為：盡可能采用壓力監控設備，有條件的地方利用現有分區計量的流量監控設備。
3.1 爆管強度
上一節已經介紹了管網爆管最小可監測管徑分析，這僅是給出了能夠被監測到的最高水平。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。從設計角度，需要明確、合理的技術指標作為參數。從自來水公司的角度來考慮，不僅關心多大管徑的管道破壞了被監測到，還非常關注漏水量的水平，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統一指定時，漏水量可根據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，對一個供水管網系統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。定義的漏水量根據管徑變化在一個合理的范圍內，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，同時建議用于設計爆管監測網管道流速增加量ΔV在0.8~1.2 m/s，大約是正常速度的0.5~1.5倍。這一指標有水力學因素的考慮：實際管網時的水力坡降在0.5‰~2‰之間，在城市管網中管道的經濟流速通常在1.0 m/s上下，2~3 km布設一個測點，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中紅色節點表示壓力下降超過背景噪聲閾值的區域,也就是當圖中標記的管道爆管漏水量超過指定的標準時，布置在紅色節點區域內的壓力傳感器可以感應到爆管影響。
3.2 監測網的傳感器數量選擇
監測網的布局優化包含了兩個問題：
合理的監測數量；
盡可能多的管線納入爆管監測。
通常來講，隨著監測設備的增加，整體監測能力會上升。管網系統中被監控的管道長度可以較直接反映監測網絡對整個管網的監控能力。當一根管道發生爆管時，可能被一個傳感器監測到，也可能被多個傳感器監測到。筆者在分析實際監測設備量與正確判斷爆管之間的關系時發現：至少要兩個及以上傳感器同時感應爆管沖擊效應才能做出比較可靠的判斷。當監測點數量為n時，管網爆管監測能力用管道覆蓋率表示見式（1）：
式中lkbi——第i根管道被k個或更多個傳感器監測到爆管的管長；
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測設備數量的變化，可了解傳感器數量的投入效益。圖5描述了監測成本與監測能力之間的關系。
3.3 監測網的空間布局優化
爆管監測系統一般優先監測重要管線和重要用戶，研究人員可以根據各自的理解和客戶的需求制定相關的目標函數。基于一般性考慮，筆者提出了一個爆管監測布局的優化函數供讀者參考：在同等爆管強度水平下，漏水量體現了管道的重要性；當給定監測點數量n時，最大可能監控到漏水量。以壓力監測點布局優化為例，供水管網爆管監測網布局優化函數見式（2）：
式中 i——管道編號；
j——節點編號；
n——監測點數量;
k——同時監控到的測點數;
m——被監控的管道數；
ΔQi——第i根管道爆管產生的漏水量，根據指定爆管強度ΔQ=ΔVπd2/4確定，能夠較好地反映管道重要性；
Wi,jli——權重函數：管道越長出現爆管的概率越大，li體現了管道長度的影響，Wi,j與材料、用戶重要性等因素有關，可視情況而定；
ΔPi,j——第i根管道爆管，使編號為j的節點壓力下降的絕對值；
ΔPc——根據管網壓力波動背景噪聲確定的可監測閾值；
Fkn——基于爆管模擬分析，以最大可能監控泄漏量為目標，同時考慮了管徑、管長和管材等因素的最優空間布局目標函數。
3.4 監測設備數量與空間布局優化與成果表述
總體來講，大管徑的供水通道應該優先受到監控，同時監測點布設應相對均勻，盡量保證每根管道均在監測點有效監控范圍內。監測網優化的流程如下：首先設定一個最少的監測設備數，然后進行空間布置優化，再不斷的增加設備數量，進行空間優化，同時監控管道覆蓋率的增長情況，直到增加量小于設定目標。圖6是爆管監測優化后的成果。當監測點數量一樣時，S1n≥S2n≥S3n；隨著監測點數目的增加，S1n、S2n、S3n均增加。當監測點數目到某一數值時，覆蓋率增加效果不明顯。當監測點數量足夠多，S1n、S2n和S3n趨于相等。考慮到爆管監測的可靠性要求，建議S2n為判斷準則。圖6顯示合理的監測點數量為20~25。優化算法非常多，利用筆者開發的程序CSWatetNet，在完成數據預處理工作后，百萬噸級的供水管網一般1 min即可完成優化工作。不管算法是否先進，關鍵點在于要讓自來水公司在建設系統器能夠非常清晰的了解哪些管道被納入監控范圍。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測范圍；其次在管網的末梢布設點較多，說明與供水企業對管網末梢壓力監控的目標一致；最后監測點布置比較均勻，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，布設位置會有調整，但也應該根據相關的程序繪制被監測管線，給應用單位明確、清晰的管線監控分布圖，而不是一個抽象的數字。
4爆管的在線監測研究技術
4.1 爆管監測步驟與方法
爆管監測的算法研究非常多，本文不再論述。不管采用什么算法，實際爆管監測系統需要一個完整的運行流程。
收集管網中的傳感器信息和水廠、泵站的運行狀態；
實際的SCADA系統中存在大量的數據異常或數據丟失現象；在爆管分析前，進行數據預處理，確保有效數據進入分析模型，防止因為錯誤數據導致錯誤判斷；
利用數據和模型進行分析是否可能出現爆管，對異常現象進行解釋，期間可能需要人為干預，才能給出最終的結論。
應用單位應理解爆管監測系統建設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果。
在理論研究與工程實踐的過程，筆者建議爆管的監測評估分兩個級別：
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。
由于各種干擾信息非常復雜，現有算法都尚難完美的處理好。一些管網的真實用水與爆管特征一致，如打開消防栓放水，現有算法也難以區別。因此在這個階段仍然要進行一些人工干預。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生了爆管時就可以進行，在發布相關信息時，結合人工判斷，如熱線信息作為參考，提供更可靠性的指導信息。
現有的爆管監測算法大部分都是判斷是否發生了爆管，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內形成的壓力下降漏斗。“漏斗法”根據爆管后產生的現象進行判斷，有充分的物理基礎，但也是有“時間窗口”限制。筆者根據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，大型供水管網時間窗口可以15 min左右。考慮數據延遲等因素，爆管監測分析程序必須在1 min以內完成，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測數據耦合分析可以取得更好的效果，本文不再贅述。
4.2 爆管在線監測成果驗證與評估
爆管監測的目標是一旦發現可疑情況，能夠迅速反應，提供決策指導。爆管監測算法不是預報準確性唯一因素，同時也受設備的投入、管網現狀和爆管的嚴重程度影響。無論使用方還是研發方，都要科學和實用的態度來評估系統的有效性，完全否定或依賴監測系統都不是科學的態度。
許多文獻介紹了爆管監測算法，不足之處都以個別案例方式評價效果如何。鑒于爆管監測的復雜性，在投入工業使用前，應該對算法和整個軟硬件系統進行統計驗證。爆管監測結果有3種情況：準確預報、誤報和漏報。漏報和誤報是普遍存在的現象。誤報是阻礙推廣應用的主要因素之一：過高誤報率嚴重影響使用者的信心，導致一線工作人員對系統的厭惡。作為監測系統應允許一定的誤報率。從工業心理的角度來看，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測系統的正常現象。出現報警后，積極通過人工核實情況。這樣既可以促進監測人員保持一定的警覺性，又可以敦促一線人員觀察設備的完好狀態，對供水系統的管理是有益的。
爆管的準確率建議從兩個層次來進行評估。前文已經介紹了爆管監測預警包括是否發生爆管和爆管定位兩個方面。筆者認為首先要從“是否發生爆管”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。以某市監測預警的爆管監測預警數據驗證為例，將爆管監測預警的精度分類兩級：第一級為監測到爆管，但是位置難以確定；第二級精度為不僅預警到爆管，而且大體位置預測準確。不同級別管徑的預報精度也是有差異的，表2就是針對DN600以上爆管進行的統計案例，詳細的內容可參閱文獻。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，監測系統漏報率不低于50%是當前可以接受的一個水平。從空間定位精度來看，筆者認為城市管網到“街區”即可：從搶修的角度來看，工人只需要到達相關街區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，只會增大設備投入和算法難度。對于農村偏遠長距離輸水，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，不要出現方向性錯誤即可。
5總結與展望
供水管網系統作為生命線工程，爆管監測是安全保障中的重要一環，非常有必要加強相關研究。本文提出了開展相關研究的三個基本問題和現階段可行技術路線，并且認為基于被研究對象的物理特性和設備運行條件開展相關研究在今后的實際應用中成功的概率更高。本文初步認為現階段采用現有擬穩態的壓力流量監測系統是較為可行的技術路徑。在研究過程中，筆者根據實測資料提出了一些新的概念：
供水管網背景噪聲;
爆管最小可監測管徑；
爆管強度;
爆管監測覆蓋率，同時也介紹了如何對監測系統的有效性進行評估。
爆管監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，要尊重客觀規律，設定合理建設目標。供水系統爆管監測的預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：供水管網爆管監測體系研究；作者：程偉平；作者單位：浙江大學建筑工程學院。刊登在《給水排水》2021年第8期。