王雪峰

（上海浦東威立雅自來水有限公司，上海 200127）

1.研究背景

城市供水管網(wǎng)是城市的重要基礎設施，由于管道老化、外部環(huán)境等諸多因素影響，在長期運行后供水管網(wǎng)漏損情況加劇，漏損率長期居高不下，不但造成了水資源的極大浪費，也給城市供水企業(yè)帶來了巨大的直接經(jīng)濟損失[1-2]。因此，盡早發(fā)現(xiàn)管道漏損點是降低管網(wǎng)漏損率和產(chǎn)銷差，提升供水效率的重點。

目前，用于管網(wǎng)漏損檢測的方法主要包括傳統(tǒng)聽音法（聽音桿、相關(guān)儀等）[3]、最小夜間流量法[4]、水量平衡分析法、噪音監(jiān)聽設備、光纖監(jiān)測法[5]、結(jié)合傳感器設備建立的仿真模型分析進行漏點定位[6-7]等技術(shù)。傳統(tǒng)聽音法采用人工巡檢方式遍歷所有管線進行檢漏，是目前供水行業(yè)最為普遍的檢漏手段，但該方法需要耗費大量的人力和時間，同時受人員技術(shù)水平、設備使用情況、績效考核方法等多種因素的影響，往往導致檢漏效率低下。而最小夜間流法、水平衡法、噪音監(jiān)聽法等方法都需要大量的前期設備投入和運行維護成本[8-9]，實施普查周期較長。

與其他檢漏方法的檢測原理不同， 衛(wèi)星探漏技術(shù)是以高空視角進行遠距離、非接觸、大范圍對地觀測來獲取地表甚至地下信息[10]。它通過數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，來提取分析地物的性質(zhì)和狀態(tài)，其算法核心是“異常檢測+水源識別”。 衛(wèi)星探漏技術(shù)利用長波段合成孔徑雷達衛(wèi)星穿透性強的特點，可以一次性掃描獲取上千平方公里范圍的雷達遙感數(shù)據(jù)，再通過算法模型分析提取由于管線滲漏導致的管線周邊土壤含水率差異，進而檢測識別疑似漏水區(qū)域[11]，輔助地面檢漏人員快速查找并定位漏點位置，將過去大范圍的盲檢方式聚焦到100-150米范圍的疑似區(qū)域核查，可以大幅提高探漏效率，切實降低管網(wǎng)漏損率，并且能探知到傳統(tǒng)巡檢較難到達的區(qū)域。

以下為衛(wèi)星探漏技術(shù)與其他檢漏技術(shù)的對比，通過對比可以發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星探漏在大區(qū)域范圍內(nèi)提升檢漏效率上具有明顯優(yōu)勢。（見表1）

表1 衛(wèi)星檢漏與其他檢漏技術(shù)對比

從全球多個國家利用雷達衛(wèi)星進行輔助探漏的應用實施效果來看，衛(wèi)星探測確認的疑似漏水區(qū)域的準確率在40%到60%之間。在國內(nèi)，衛(wèi)星探漏只在少數(shù)幾個城市如上海、北京、鄭州等地區(qū)的局部區(qū)域進行過試驗，實際效果各有差異。本研究基于對上海浦東區(qū)域的實際應用案例進行實證分析，同時對星地協(xié)同、檢漏平臺持續(xù)跟蹤監(jiān)管等方面進行改進，提升了應用效果，并為未來衛(wèi)星探漏技術(shù)的改進發(fā)展提出了建議。

2.衛(wèi)星探漏技術(shù)及應用

2.1 衛(wèi)星探漏技術(shù)方案

合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星通過發(fā)射雷達波并接收地面的回波信號，衛(wèi)星采集數(shù)據(jù)回傳地面后，通過地面成像、輻射及幾何校正處理，獲取大范圍的圖像信息。雷達波具有一定的穿透性，可穿透云層、植被，波段越長，穿透能力越強，L波段可以穿透裸土甚至柏油馬路，獲取地下土壤蘊含的信息。合成孔徑雷達具有對不同地物介電特性的敏感性，在波長、入射角、方位角等成像觀測條件一致的雷達圖像中，通過提取地物后向散射系數(shù)差異來提取介電特性異常，進而間接獲取土壤含水量的差異。

衛(wèi)星檢漏主要算法步驟包括圖像值域變換、特征變換及電磁噪聲計算、去噪處理、水粗糙度特征圖構(gòu)建、水源類型區(qū)分及飲用水識別、盲點區(qū)域計算及虛警過濾、道路及管線套合計算、疑似漏水區(qū)域規(guī)范化輸出等。衛(wèi)星探漏技術(shù)流程如下圖所示：

圖1 衛(wèi)星探漏技術(shù)流程

衛(wèi)星探漏必須天地結(jié)合，首先利用衛(wèi)星廣域覆蓋特點對目標區(qū)域進行普查，一次性、快速獲取整個城市區(qū)域的疑似漏水分布，然后聚焦到一個個100-150米半徑范圍的疑似漏損區(qū)域內(nèi)（Points Of Interest，POI）。衛(wèi)星掃描結(jié)果出來后，還需要開展地面人工檢漏核查工作，核查確認和上報漏點信息。衛(wèi)星探漏的流程如下圖所示：

圖2 衛(wèi)星探漏業(yè)務流程

2.2 上海地區(qū)衛(wèi)星探漏技術(shù)應用

2021年7月，利用雷達衛(wèi)星對上海浦東偏東的區(qū)域成像，開展了供水管道衛(wèi)星探漏應用驗證，經(jīng)過算法處理和分析，獲取了浦東區(qū)域的所有疑似漏水區(qū)域POI。第一期選取了A區(qū)（面積8.7平方公里）和B區(qū)（面積26平方公里）兩片小區(qū)域的一共91個疑似漏水區(qū)域POI進行地面核查確認。2021年12月，利用雷達衛(wèi)星對上海浦東偏西區(qū)域、浦西大部和奉賢等區(qū)域成像（衛(wèi)星掃描總面積共923平方公里），開展了第二期衛(wèi)星探漏應用實踐。衛(wèi)星掃描覆蓋范圍和地面核查區(qū)域及疑似漏水區(qū)域分布如下圖：

圖 3 上海地區(qū)第一期和第二期衛(wèi)星探漏掃描覆蓋范圍

3.衛(wèi)星探漏應用案例及探漏效果分析

3.1 上海地區(qū)衛(wèi)星探漏情況

3.1.1 第一期衛(wèi)星探漏情況

通過對A區(qū)域的31個POI和B區(qū)域的60個POI進行了聽漏核查作業(yè)，完成了漏點的查找和定位。其中，A區(qū)域發(fā)現(xiàn)17個漏點，B區(qū)域發(fā)現(xiàn)28個漏點，A、B兩區(qū)域的POI準確率分別為54.8%和46.7%。漏點分布如下圖所示：

圖4 第一期衛(wèi)星探漏核查漏點分布圖

在檢漏效率方面，采用衛(wèi)星探漏技術(shù)及星地協(xié)同方式，地面檢漏核查人員確認一個漏點需覆蓋的管線長度大幅降低，每人每天發(fā)現(xiàn)的漏點數(shù)量以及每人每公里發(fā)現(xiàn)的漏點數(shù)量分別提升了9.9倍和15.4倍。

3.1.2 第二期衛(wèi)星 探漏情況

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，獲取了浦東區(qū)域的POI為190個，通過聽漏公司人工巡檢，對浦東區(qū)域內(nèi)190個疑似漏水區(qū)域進行了快速初檢，發(fā)現(xiàn)漏點51個；之后對部分管線檢漏覆蓋不完整的POI進行了復檢，復檢POI共80個，新增發(fā)現(xiàn)漏點21個。由于巡檢時段內(nèi)還有部分其他探知來源的真實漏點已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)或已修好，這部分漏點共計41個坐落在POI中。因此，在衛(wèi)星探漏技術(shù)提供的190個POI中，合計共發(fā)現(xiàn)113個漏點，POI準確率為59.5%

在檢漏效率方面，通過浦東第二期衛(wèi)星探漏和星地協(xié)同實踐，地面檢漏人員單位漏點的管道巡檢距離同樣大幅減少，每人每天發(fā)現(xiàn)的漏點數(shù)量以及每人每公里發(fā)現(xiàn)的漏點數(shù)分別提高了12倍和19倍。

通過上述兩期衛(wèi)星探漏的應用實踐發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星探漏技術(shù)共提供了281個POI，檢出漏點158個，衛(wèi)星探漏技術(shù)提供的POI漏點檢出效率為56.2%，其中道路管道漏點和小區(qū)管道漏點的占比分別為30.8%和69.2%。

3.1.3衛(wèi)星探漏漏點口徑分布規(guī)律

為研究衛(wèi)星探漏效率是否受管徑的影響，通過對有效修復漏點數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)（如圖5所示），小口徑（≤ DN50）管道檢出漏點的占比為59.0%，大口徑（＞ DN50）管道檢出漏點的占比為41.0%，大口徑漏點中DN300、DN500、DN1000漏點各一處。該分析表明，當前衛(wèi)星探漏技術(shù)對小口徑漏點的探測效率相對較高，后續(xù)還需要對算法進行進一步優(yōu)化，提高大口徑管道的漏點檢出效率。

圖5 衛(wèi)星探漏有效修復漏點口徑分布圖

3.1.4衛(wèi)星探漏漏點故障元素分布規(guī)律

假設將某漏點修復后節(jié)約的漏水量稱為修漏收益水量。在本次衛(wèi)星探漏的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，水表配件和閥門配件部位的漏點數(shù)占有效修復漏點數(shù)的43.6%，占比較高。但這類漏點主要以滲漏為主，平均修漏收益水量僅為3.01 L/min左右，相比較而言，管道和管件部位的漏點則漏水量相對較大，平均修漏收益水量可達114.12L/min。另外本次衛(wèi)星探漏發(fā)現(xiàn)二次供水池水箱溢流2處，平均修漏收益水量為60.52 L/min，水量也相對較大。從漏控角度來說，我們希望衛(wèi)星探漏技術(shù)能夠更多地發(fā)現(xiàn)管道、管件及二供設施溢流等漏水量較大的漏點。

通過上述分析表明，衛(wèi)星探漏技術(shù)對水表、閥門、二供溢流等明漏檢出效果較好，但后續(xù)仍需繼續(xù)提高對管道、管件的漏點檢測效率。

圖6 衛(wèi)星探測漏點故障元素分布圖

3.1.5衛(wèi)星探漏漏點材料分布規(guī)律

在衛(wèi)星探漏技術(shù)的實際應用中發(fā)現(xiàn)，管材并未對其在漏點檢測方面產(chǎn)生較大影響。

由圖7可見，占比相對較大的PPR和銅是水表的配件漏水，PVC和白鐵則主要為部分集約化地區(qū)老舊管道和管件損壞導致，而閥門配件漏水則占鑄鐵材質(zhì)的67%。PVC、白鐵、鑄鐵三種管材均可探測出暗漏，說明衛(wèi)星探漏與管材的相關(guān)性較低。

圖7 衛(wèi)星探測漏點材料分布圖

3.1.6衛(wèi)星探漏漏點埋深分布規(guī)律

管道埋深也是影響檢漏效率的因素之一。在衛(wèi)星探漏檢測出并修復的漏點有效樣本中，埋深較淺的管道（≤0.5m）探出漏點為29處，占比為74.4%；而埋深較深的管道（＞0.5m）探出漏點為10處，僅占25.6%。通過數(shù)據(jù)初步分析來看，目前算法下的衛(wèi)星探漏技術(shù)可快速定位小口徑、淺埋深以及水表、閥門等地面可見的漏損，但對于是否能精準定位大口徑、埋深較深的管道漏損，還需后續(xù)實踐進一步驗證。

3.2 衛(wèi)星檢漏與傳統(tǒng)檢漏效果對比研究

3.2.1 衛(wèi)星探漏漏點水量控制分析

通過對衛(wèi)星探漏檢出并修復的39個有效樣本漏點分析，結(jié)合漏點開挖的照片、視頻，并通過量筒、燒杯等估算漏失水量，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星探漏與未使用衛(wèi)星探測的人工巡檢聽漏（以下簡稱“自主檢漏”）修漏收益水量比約為1:4。其中27個漏點的修漏收益水量＜1 L/min，主要漏點位置為水表（圖9a）、閥門（圖9b）、管道配件（圖9c）；12個漏點的修漏收益水量＞1 L/min，主要為管道漏水（圖9d）。該結(jié)果表明，目前算法下衛(wèi)星探漏技術(shù)檢出的漏點漏水量還相對較小，對較大口徑、埋深較深、漏水量較大的道路管道漏點檢出能力還有待提高。

圖8 衛(wèi)星探測漏失水量分布圖

圖9 衛(wèi)星探測漏點現(xiàn)場照片

衛(wèi)星探漏與自主檢漏效率分析

在應用衛(wèi)星探漏技術(shù)之前，檢漏主要依靠傳統(tǒng)的人工巡檢聽漏（自主檢漏）方式開展。在一期區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星獲得圖像后即開展了自主檢漏工作，小區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)了67處漏點。在通過衛(wèi)星圖像分析獲得POI后在小區(qū)內(nèi)共檢出27處漏點，其中17處為新檢出漏點，10處為已檢出漏點。該數(shù)據(jù)表明，在一期區(qū)域內(nèi)共有檢出漏點84處，而衛(wèi)星探漏發(fā)現(xiàn)了其中的27處，探出比例為32.1%，道路上的衛(wèi)星探漏檢出比例則為48.0%（詳見表2）。這意味著以半徑100-150米范圍的衛(wèi)星探漏POI可以探出目標區(qū)域內(nèi)約三分之一的小區(qū)漏點和約一半的道路漏點。

表2 衛(wèi)星探漏與自主檢漏效率分析表

衛(wèi)星探漏在小區(qū)內(nèi)探出漏點的比例比道路上略低，其原因是因為長波衛(wèi)星進行拍照時會受到拍照角度、地面性質(zhì)、是否有樓宇、是否有高架遮擋等因素影響，且由于衛(wèi)星檢漏技術(shù)最初用于較為干燥的沙漠地區(qū)尋找水源，而上海地區(qū)由于土壤含水率較高，土壤介電常數(shù)會有較大差異，因此對于上海地區(qū)的土壤介電常數(shù)區(qū)間還需要通過大量漏點復核進行優(yōu)化后，才能進一步提升衛(wèi)星探漏技術(shù)的檢漏效率。

4.結(jié)論及建議

上述應用實踐表明，衛(wèi)星探漏提供的半徑100-150米疑似漏損區(qū)域POI內(nèi)可檢出漏點的比例可以達到56.2%，通過與傳統(tǒng)的人工巡檢聽漏方式相結(jié)合，可以使其效率提升10倍以上，完全具備了實用價值。

未來提升衛(wèi)星探漏技術(shù)效率的手段可以包括三個方面，第一是衛(wèi)星技術(shù)本身，第二是衛(wèi)星探漏算法的完善，第三是天地結(jié)合、星地協(xié)同。隨著國產(chǎn)衛(wèi)星技術(shù)民用化的不斷推進，獲取衛(wèi)星圖像的便捷度越來越高，成本越來越低，這為衛(wèi)星探漏技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了基礎。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的衛(wèi)星探漏技術(shù)只能發(fā)現(xiàn)目標區(qū)域內(nèi)約三分之一的小區(qū)漏水點和約一半的道路漏水點，這方面還有提升空間。同時衛(wèi)星探漏技術(shù)還存在檢出漏點漏水量偏小，對大口徑管道、埋深較深管道以及漏水量大的漏點發(fā)現(xiàn)能力不足等問題，這些都需要通過完善算法來改進。另外，衛(wèi)星探漏技術(shù)提供的POI最終還是需要通過其他檢漏手段（比如傳統(tǒng)的人工聽音法或者相關(guān)儀法等）來確準漏點位置，相信通過加強天地結(jié)合以及星地協(xié)同方面工作，可以更大程度上提高衛(wèi)星探漏技術(shù)的檢漏效率。

衛(wèi)星探漏技術(shù)不是傳統(tǒng)人工巡查檢漏技術(shù)的替代品，而是人工巡查檢漏等技術(shù)的效率倍增器，它可以到達傳統(tǒng)人工巡檢很難到達的區(qū)域，還可以通過對目標區(qū)域進行高頻次掃描，快速提供疑似漏損區(qū)域POI，極大地節(jié)約檢漏時間并提升檢漏效率，優(yōu)勢明顯，值得對其進一步研究推廣。