基于GIS的城市供水管网漏失监测优化布设_网络分析

论文导读:：针对庞大的城市供水管网漏失监测问题，建立了基于GIS的漏失监测优化布设模式，并应用在北京市城区。结果表明，应用该模式可以快速、高效地实现漏失监测仪的优化布设，通过安置最少数量的记录仪，达到最大的监控范围。还能够自动获取由于无法安置监测仪的漏失监控“盲区”。
论文关键词：GIS，供水管网，漏失监测，网络分析

 

城市供水管网是城市的“生命线”，是城市基础设施的重要组成部分。随着城市数量及规模的不断扩大，由于规划、设计、管理、技术上的一些原因，管网漏失监测与控制成为国内外普遍面临的重大工程技术难题^[1,2]。对城市供水管网进行系统、全面、高效的漏失监测是快速、准确的进行漏失查找、定位，即时地进行抢修、维护的最直接、有效的措施。

近年来，国内外开发了基于漏失声音信号检测的漏失记录仪^[3]。漏失检测相关仪（如Permalog）的工作原理是记录仪放置在被检测的管道上，通过定时采集管道上漏失噪声的带宽信号，分析噪声的强度在所采集强度信号上的正态分布，判断管道是否漏水。在适当的位置放置记录仪就可以监控相应管段的运行情况，而噪声的传播距离由于管材和管径有关。因此，漏失记录仪有一个特定的有效监测范围，若超出此范围则难以做出正确的判断。但另一方面，对于庞大的城市供水管网系统，若漏失记录仪布设过密集，则所需要的漏失记录仪数量庞大，将大大增加设备投资成本和人工操作成本。因此，在确保有效覆盖管网范围的前提上网络分析，尽可能提高漏失记录仪利用效率、并减少记录仪数量，这对于大规模开展漏失检测具有重要意义，而对记录仪进行优化布设解决上述问题的重要途径。

因此，本文的研究目标是利用地理信息系统（GIS）技术，以网络分析理论为基础，设计了基于GIS的漏失监测优化布设方法。采用该方法可以快速、有效地确定任一目标区域内最优的漏失检测仪布设方案。

1网络优化原理

1.1网络可达性分析原理

GIS技术发展迅速，其应用领域不断扩大。网络分析功能是GIS的一个重要功能，主要包括最短路径分析，可达性、连通性、追踪问题等^[4-8]。其中，可达性分析是最基本的网络分析功能之一，也是应用非常广的。

可达性计算的理论基础是连通矩阵。一个网络的可达性可以针对个别节点，也可针对整个网络来评估。其核心算法是，建立可达性矩阵，称为T矩阵．T矩阵是所有有意义的C矩阵(从一阶直到阶数等于网络直径)的总和。T矩阵被定义为：

T= C1+ C2+ C3+ ? +C

T矩阵中的一个元素是C1，C2，C3，? 矩阵中相关行和列的值的总和核心期刊目录。行的总数表示从一个结点（行）通过网络到其他结点的不同路径的总数。换句话说，此值表示一个结点的可达性。很明显，一个具有较高的行总和的结点对于网络的其他部分具有较大的可达性，其中最大值所对应结点的可达性最好，最小值所对应结点的可达性最差。网络可达性代表了在一个网络中从一个结点移动到其他结点的难易程度。T矩阵中，所有元素的和代表了整个网络的可达性，该T矩阵所代表网络的可达性值越大，在系统中可选择的路线就越多，路径结点的连通性越好。

在城市供水管网系统上应用网络分析方法实现漏失监测仪优化布设的基本思想是，根据漏失检测仪的有效监测范围，通过可达性分析，计算出一个漏失监测记录仪沿着与它相连管网路径的最大监测范围，这个最大监测范围边缘位置就是布置下一个漏失监测仪的最佳位置。依此循环递进，通过对研究区域内的这种管网可达性计算，最后得到整个研究区域的最佳监测布设方案。

1.2基于GIS的漏失监测优化布点设计流程和步骤

（1）数据准备

针对需要进行漏失监测的管网区域范围，在GIS平台上提取管网管线及其附属设施的矢量图（如shp格式）。其中，管网附属设施包括检查井、消防栓、排气门、阀门、闸门等中的任意一种。

（2）漏失记录仪的布设原则

本项目中，采用了国际上先进的漏失监测系统网络分析，Permalog。其主要的工作原理是把记录仪放置在被检测的管道上，通过定时采集管道上漏失噪声的强度带宽信号，分析噪声的强度在所采集强度信号上的正态分布，判断管道是否漏水。当管道出现漏失时，发出的噪声会延管壁传播，因此在适当的位置放置记录仪就可以监控相应管段的运行情况，而噪声的传播距离由于管材、管径、压力、土壤情况有关。对于不同管材而言，通常情况噪声在普通铸铁管、球铁管、钢管等金属管材传播的距离大于在预应力管或塑料管传播的距离，而管径越小、压力越大、土壤质地越软噪声传播的距离越大，反之就越小。另外当漏失噪声经过管线上消防栓、排气门、闸门、测流井等设施时会有一定的衰减，因此还应当根据管线上消防栓、排气门、闸门、测流井的位置合理设定记录仪放置的位置。根据这些影响因素，结合Permalog管网漏失监测记录仪在已有应用实践中积累的经验，确定了漏失记录仪布设原则。根据研究区域管网结构特征，以记录仪生产厂商提供参数为基础，表1列出了不同条件下的漏失记录仪布设原则：

表1：漏失记录仪布设范围

（3）构建网络模型。针对管网管线和附属设施矢量图，以GIS为平台，构建管网网络拓扑关系，为后续网络路径分析可达性分析提供基础。网络结构图包括图形数据和属性数据，管线代表网络路径，附属设施代表网络节点。属性表表征每个路径的连通成本（cost属性列），这个属性值根据漏失检测仪漏失监测仪布设原则按照如下方法换算而得出来的：以漏失监测仪在某一管道上的有效检测距离为基准确定连通成本系数（coefficient），并计算连通成本（cost）。其中，连通成本为连通成本系数和管段长（shape_leng）的乘积。例如，以漏失监测仪在某管径为75mm（管段长为1.5m）的铸铁管上有效监测距离是200m为基准，那么该管段对应路径的连通成本系数（coefficient）设为1，则该管段的连通成本（cost）为1.5。对于其他管材的路径属性设置，除了连通成本系数是漏失记录仪在该种管材的有效监测距离除以基准值200的商，连通成本的计算方法和上面的相同。

（4）进行网络分析。随机选取任何一个网络节点作为第一个漏失记录仪的布设点，以该节点为第一级布设初始点（漏失记录仪布设的初始点），进行网络可达性分析。根据漏失监测仪布设原则所表达的路径连通成本（cost），计算距离初始点连通成本为200的可达范围，在这个可达范围内，确定距离初始点最远的节点为基于第一级初始节点的漏失记录仪最优布设点；进一步分别以上述方法获得的最优布设点为第二级初始点，重复上述重复计算过程网络分析，从而获得基于第二级初始节点的漏失记录仪最优布设点下一批最优的漏失记录仪布设节点位置。按照上述方法重复进行计算，直至覆盖所有需要进行漏失监测的管网区域范围。“覆盖所有区域”的定量判断依据任何连通成本cost为200的管段路径上都至少有2个节点来安装漏失监测仪。至此，漏失记录仪监测点优化布设工作完成。

图1是基于GIS的漏失检测仪的优化布设技术流程。

1.3“盲区”分析

由于目前漏失监测记录仪只考虑安装在管线上已有的附属设备上，如阀门、消火栓、检查井等，而有的管段上这些设施相对缺乏，故相邻的可供安装记录仪的附属设备井距离超过记录仪监测可达范围，因此，可能存在一些“盲区”。这些盲区是当前的最优监测方案无法覆盖的区域，也是潜在发生漏失、但又无法监测的区域。“盲区”分析主要基于网络的“服务范围”（New Service Area）分析，即分析上一步布设的所有监测点的有效监测范围。设置参数，主要参数是每个监测点的“监测距离”。通过这个分析过程，可以统计整个研究区域“盲区”的分布特征，统计“盲区”管段总长度等。2优化布设方案应用

根据前面介绍的技术原理，以北京市二环中心区为目标区域进行应用案例分析，完成了管网漏失监测的最优布设方案。整个最优布设方案的设计是基于GIS平台完成的。

（1） 研究区域概括

本项目的研究区域为北京市二环内北起平安大道、南至两广路、东起东二环、西至西二环，面积约35 km2的区域范围（图2）核心期刊目录。研究区域属于北京老城区，发展历史久，管网系统结构复杂，漏失问题较为严重。因此，在该研究区域开展漏失监测工作，对揭示大城市管网漏失特征和规律具有代表性和应用性。图2是研究区域管网分布图。表2列出了研究区域内供水管网管材分布特征，表3列出了研究区域内供水管网管径分布特征。

表2：北京市研究区区域供水管线管材分布特征

表3：研究区域内供水管网管径分布特征

（2） 漏失记录仪优化布设方案

根据网络优化分析结果，北京市中心区内共需布设2644个漏失监测记录仪，其分布如图3所示。

（3） “盲区”分析

根据“盲区”分析结果，北京市二环核心区内存在的漏失监测盲区分布如图4。

盲区分布零散，经统计，这些遗漏监测区域包括的管线总长度约为35 km。其中，主干管（管径>DN400）出现盲区的比例相对较高。这些盲区集中分布的区域是府右街、王府井大街、建国门内大街、前门大街、崇文门西小街、崇文门东大街、崇文门外大街、珠市口东大街等。除此之外，一些盲区分布在零散的管段或管线末端。总之，就目前的优化布设方案，存在一定数量的监测盲区，一旦这些区域发生漏失事件，难以及时发现，是自来水集团监测、维护的难点。

需要指出的是网络分析，上述盲区管网往往处于交通要道，管径通常较大，要进行人工开挖制造记录仪布设点位往往难度相当大，而且从经济角度而言，采用此方案成本过高但效益并不高（大口径管线往往记录仪之间距离较短，从而需要很多记录仪布设点）。另一方面，从漏失概率统计结果看来，上述盲区漏失概率相对较低。因此，对于上述盲区，可以考虑采用人工听漏监测与巡查、排查等方式进行漏失监测与控制。

3结论

1) 应用基于GIS的网络优化分析方法能够精确、高效地实现受多因素（管径、管材）影响的城市供水管网漏失监测点的最优化布设。

2) 由于记录仪布设在阀门、消火栓、检查井这些附属设备井内，一些管段附近有效距离内这些设施相对较少，因此在现有状况下，最终优化的布设方案中仍然存在一些盲区。建议针对这些盲区，采取新的布设方法或人工听漏等漏失监测方法。

3) 目前监测仪采用的监测范围是根据经验参数设定的，缺乏能够代表北京管网实际特征的实践参数。建议下一步，通过实践中的率定和校正，确定更加精确的监测范围参数，进一步优化监测布设网络。

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