供水管网运行故障预警：英国案例
加深对管道故障的认识，有助促进环境科学家对模型输入数据和建模方法的选择。为了帮助数据科学家搭建更准确的预测模型，最近英国Cranfield University的水、能源和环境学院的科学家对影响5种常见材质的水管故障的典型因素进行了总结分析。
水管材质
英国团队在这份报告里考察的5种常见水管材质包括：
1) 铸铁
2) 球墨铸铁
3) 石棉水泥
4) 聚氯乙烯 (PVC)
5) 聚乙烯 (PE)
他们对这五种材料的使用年份、管网长度及其在2005-2008年间的故障率进行了统计(表1)。
表1. 英国某水务公司提供的管道历史数据
典型水管故障模式包括了圆周断裂、纵向破裂、连接位置的故障以及破损小孔。其中圆周环形断裂一般因为拉力(土壤运动或者热胀冷缩)和负载承重(峰时流量)引起。纵向破裂则是因为横向力和径向力(例如内部水压)引起，也可能因管道本身存在缺陷使然。接头故障一般由拉力或压力产生，下图是这四种故障的示例图。
图1. 4种常见故障模式的示例图
水管故障有许多不同的模式和原因，而且对每种管材和地区而言，故障因素和相对贡献都是独一无二的。研究团队大致将这些因素分为了管材自身、运行和环境三大类。然后每一大类里边还可以继续分析，他们将这些细分因素用下边这个圆盘图来表示：
图2. 影响水管故障的主要因素
下面我们对这三种因素分别进行讨论。管道自身因素
在英国，铸铁是使用年份最久的管道材料，可以追溯至19世纪中期。在上世纪50年代左右，英国人发明了离心铸造机，韧性更好的球墨铸铁和钢材开始进入市场。球墨铸铁因为在合金里加入镁，使得微观结构里的石墨从薄片状变成球形，使材质更坚韧。钢材更加坚固，延展性也好于铸铁，和球墨铸铁相比，还更加便宜，但抗拉强度和抗腐蚀能力较弱，因此需要更多维护。两种材料各有优点，一般来说，球墨铸铁适用于DN 300-800的管道，而钢材是DN>800管道的首选材料。
图3. 英国各种材料的饮用水管道的安装时间分布
英国水务公司早在1929年就引入石棉水泥(AC)管材，但大部分石棉水泥管的鼎盛期在1950-1960s这段时间。它的建造和运费都较便宜，一般来说也抗腐蚀，除了富含硫酸盐的土壤。但它的韧性不及球墨铸铁和钢材，因此受地质运动影响严重，另外，在1986年，英国禁止了石棉水泥管的生产，原因是发现了石棉对健康的负面危害。尽管如此，到了上世纪80年代末，AC管仍占英国水管总长的约11%。聚氯乙烯(PVC)管跟球墨铸铁的引入时间相近，它的抗腐蚀性和韧性优于AC管，并在70年代开始流行，如今PVC管约占英国水管的13%。从上世纪80年代开始，聚乙烯管 (PE)也开始流行，并逐渐取代PVC管，因为PE管承压能力更强，更耐用，因而沿用至今。
表2. 现代自来水管道的材质概况
研究团队总结的管道自身造成故障的因素包括了接头(腐蚀、漏损、连接不当)、管道涂层和衬里(抗腐蚀)、生产过程中产生的缺陷(壁厚不均、裂缝、杂质、冷疤)、运输和存储过程中损坏、化学品腐蚀、管道的老化和管道直径尺寸。值得一提的是，研究团队总结了由材质、尺寸引起故障率趋势图：
图4. 不同材料的故障率随时间的变化趋势图
图5.各种材料随管道直径增大的故障率变化趋势图
环境因素的影响除了管道内在因素，管道周围的环境也是重要的因素。一般来说，装在天气条件稳定、土壤温和湿润的管道发生故障的频率会更低。因此，预测模型需要考虑当地环境条件的数据。总的来说，主要的环境因素包括了季节更替、低温、高温和地质运动和土壤属性等。如下图所示，研究团队统计发现，所有材料在春天故障最低，因为春季温度适中，土壤湿度也适中，而夏季是AC和PVC管故障率最高的时间，因为这时候地下活动较频繁，而铸铁管因为低温影响在冬季故障率最高。
图6. 不同管材随月份变化的故障率趋势图
下面两张图则分别解释了低温造成管道破裂的机理(图7)，以及土壤因气温和降水变化是如何造成管道故障的(图8)。
图7. 霜冻对管道造成的压力
图8. 富含粘土的土壤产生的季节性收缩膨胀效应
运行因素最后，研究团队讨论了操作运行对管道故障的影响。他们表示过去的文献里很少关于故障率的讨论。其中一个可能的原因是对模型友好的有记录的运行数据并不多。可能也因为如此，这部分的内容远少于前两个因素。他们首先罗列了日常运行会导致的管道故障的因素，包括压力管理、冲洗事件、管网变更(如止回阀的更换)、消火栓测试、水温变化以及靠近用水大户等（例如农业设施）。然后重点对内部水压和过往故障进行了展开讨论。值得一提的是，他们指出许多模型对管道过往的故障历史没有足够重视，尽管早在1988年就有文献显示22％的故障发生在前一次故障的1米范围内，而42％的故障发生在第一次故障随后的1天内。作者认为，除了老化之外，首次故障对周围环境造成破坏，反过来增大了反复故障的可能性。
小结
环境数据科学家虽然熟悉环境数据的调用，但往往缺乏现场的运行经验。英国Cranfield大学团队这篇综述，可以帮助数据科学家更好地了解管道故障发生的原因和模式，帮助后者减少对基建和环境数据的错误解读，继而建立更准确的故障预测模型。
通过这次统计研究，他们也发现了目前的数据库的不足，例如运行因素，目前这部分的数据欠缺一致性和完整性，例如模型的内部水压大多是基于假设，而不是实际测量值。这部分数据的补全，将进一步提高模型的准确性，这也反过来提高模型对公共服务决策的影响。