【情报汇编】国内外城镇供水管网漏损检测最新技术——上篇
管网漏损是国内外城镇供水系统中存在的一个普遍性问题，对经济、环境、社会等多方面的均会带来不利效应。一方面，由于漏损的水资源不会给水务公司带来任何营收，较高的漏损率往往使得水务公司的经济效益受到巨大损失；另一方面，较高的漏损率会提高管网内的水流速度，从而造成水压损失，影响居民用水的稳定性；此外，漏损还会造成能源和资源的浪费，与可持续发展理念不符。因此降低管网漏损率对于城市水资源利用效率的提高和经济的可持续化，具有重要意义。“水十条”明确提出到2017年，全国公共供水管网漏损率应控制在12%以内，这对国内不少城市的供水系统提出了较高的要求。
对于水务公司而言，探索有效的漏损检测方法是漏损率管理中的重要环节。但一些传统的漏损检测方法，如音听法、声波法等，不仅耗时而且人力成本较高，对于城市规模大、管网结构复杂的供水系统，上述方法的应用效果十分有限。近年来，有越来越多的研究投入到管网漏损检测方法的开发中。对2016年的国内外文献进行梳理发现，以下3种技术较为新颖。
Zhang等采用一种多级支持向量机（M-SVM，multiclass support vector machines）的方法来识别管网系统的漏损区域。支持向量机（SVM）方法是一种能根据有限的样本信息在模型的复杂性（即对特定训练样本的学习精度）和学习能力（即无错误地识别任意样本的能力）之间寻求最佳方案的方法。SVM可通过在分区计量区域（DMA，districtmetering area）的入口处处理流量、压力等系列数据来测定该区域是否存在爆管、泄漏、传感器故障等异常情况；在此基础上，M-SVM可用于多处DMAs的漏损检查和判定分类。
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-SVMs，建立漏损区域识别模型；最后将训练后的M-SVMs用于分析待检范围内观测得到的流量和压力数据，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（PDLD，pressure-dependent leakage detection），对一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。
瞬变管道故障检测（transient-based pipefault detection）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（transient pressure wave signal）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）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（time-domain pressure waves）就会出现反常的反射和衰减；而管网阻塞和异常连接等则会使频域压力波（frequency-domain pressure waves）产生不同的频率位移和衰减。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。
Sun等提出了一种可用于检测简单管网系统中多种未知故障的瞬变检测方法。该方法对现有的数据分析技术提出了改进，采用经验模态分解法（EMD，empirical mode decomposition）和希尔伯特变换（HT，Hilbert transform）算法，对管网中非线性和非稳态的瞬态压力波信号进行时间-频率分析，对管网中的原始压力波信号进行分解，并提取不同类型的管网故障产生的特性波信号，最终得到准确的故障类型判定。
在小试研究中，研究团队在实验室设置了一个小型管网模型，如图1所示。该模型模拟了阻塞、漏损、异常相接等几种不同的管网故障，用所研究的方法对故障的类型、位置等特性分别进行分析鉴定，结果表明其能准确判别各个管网故障的类型，且测得故障发生位置的相对误差在5%以内。与此同时，该瞬变时间-频率分析法还能分离和降低原始测得的瞬态压力波信号中的噪声信号，使得系统的确定度和稳定度大大提高。该方法为日后精确检测实际复杂管网系统中未知的故障，提供了研究基础，值得关注。
图示：（a）控制阀（V）；（b）压力传感器（S1和S2）；（c）泄漏口（L1和L2）；（d）异常连接（J1）；（e）阻塞（B1）
图1 瞬变时间-频率分析法检测供水管网多故障的试验装置图
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，Kim等提出了一种基于累计求和的检测方法（CUSUM，cumulative sum，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（MWA，multiscale wavelet analysis，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CUSUM法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，并且引入了置信界限使得CUSUM法和MWA法的定位方法更符合实际情况。
在实际应用中，研究采用Yeongwol（韩国宁越）和Yangsan（韩国梁山）两座城市的实际数据来验证该方法的可靠性，结果表明相比单一应用CUSUM法和MWA法，研究所提出的方法产生的爆管误报更少，泄漏点检测的准确率更高，并且泄漏点区间估计的方法更适合实际的管理维护工作。
想了解国外管网漏损目标控制的评估方法和漏损控制管理策略的制定方法，可阅读下篇。