基于生存分析的城市排水管网失效时间预测框架：以香港为例

《npj Clean Water》：Survival analysis framework for sewer failure time: evidence from Hong Kong

为解决传统CCTV检测成本高昂、覆盖有限，以及多因素模型数据需求严苛的问题，研究人员开展了一项基于生存分析的单因素框架研究。该研究利用Kaplan-Meier和Nelson-Aalen方法，系统评估了物理、功能及环境因素对管道失效时间的影响，并定义了T0、T1、T2等关键风险阈值。研究结果为数据资源受限的公用事业公司提供了一种实用工具，能够通过聚焦单一关键因素，实现风险优先级的精准排序和主动维护策略的制定。

　　

城市地下排水管网如同城市的“血管”，承担着污水排放和防洪排涝的重任。然而，随着管网的老化，管道失效事件日益频发，不仅威胁公共健康，还可能引发地面塌陷等次生灾害。传统的管道检测主要依赖闭路电视（CCTV）技术，虽然能直观发现裂缝、腐蚀等缺陷，但其高昂的成本限制了检测频率和覆盖范围，导致许多低优先级管道长期处于“失察”状态，直至发生严重损坏或完全失效。

为了变被动为主动，预测性维护应运而生。研究人员开发了物理模型、统计模型和人工智能（AI）模型等多种预测方法。然而，这些多因素模型往往需要海量且高质量的数据，在数据资源有限的环境中实施难度极大。相比之下，聚焦于单一关键因素的分析方法，不仅简化了实施流程，还能更清晰地揭示该因素对系统退化的独立影响，为基于风险的决策提供直接指导。

在此背景下，香港理工大学的研究团队在《npj Clean Water》上发表了一项研究，提出了一种基于生存分析的单因素框架，旨在系统性地分离和量化关键决定因素对管道退化的时间依赖性影响。该框架借鉴了医学研究中用于预测患者生存期的Kaplan-Meier分析和Nelson-Aalen技术，通过非参数方法，仅需生存年龄和分类属性即可进行预测，为数据资源受限的公用事业公司提供了一种实用且高效的风险管理工具。

主要技术方法

本研究构建了一个集成了生存分析和空间数据管理的动态分析框架。研究数据主要来源于香港渠务署（DSD）提供的GIS格式管道数据及CCTV检测报告，并整合了来自香港运输署、天文台、规划署及土木工程拓展署的交通、气候、土地利用及土壤条件等外部环境数据。通过ArcGIS平台进行数据集成与空间匹配，构建了包含物理参数、功能因素和环境因素的综合数据库。核心分析采用Kaplan-Meier方法估计生存函数，并通过Log-Rank检验评估组间差异；同时利用Nelson-Aalen方法估计累积风险函数，以量化管道失效风险。基于95%生存概率定义了关键时间阈值T₀，并进一步通过三分位数法划分了T₁和T₂，将管道划分为安全、低风险、中风险和高风险四个等级，最终通过GIS地图进行空间可视化。

研究结果

基于物理因素的分析

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  长度分析：长跨度管道在42年时达到临界点，其风险在60至70年间从0.1578急剧上升至0.3156，最终达到0.5401，表现出最显著的风险升级。中跨度和短跨度管道的临界点分别为47年和49年，风险累积速度相对较慢。
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  材料分析：混凝土管道在45年时达到临界点，在整个使用寿命中表现出持续较高的累积风险率，可能归因于酸碱腐蚀、开裂和碳化。而陶土管道虽然临界点稍晚（47年），但在后期因脆性和接头密封失效而出现加速退化。
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  管径分析：小管径管道在45年时最早达到临界点，其风险在60至70年间从0.1475急剧上升至0.3256，反映了其因横截面较小和管壁较薄而对沉积物堵塞和结构变形更为敏感。大管径管道则表现出最慢的退化速度。

基于功能因素的分析

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  功能类型分析：雨水系统在45年时达到临界点，其风险在60年后急剧上升，归因于变化的荷载条件、季节性流量变化和碎屑堆积。相比之下，污水系统在47年时达到临界点，尽管输送复杂的废水，但由于日常流量模式规律，风险水平保持相对稳定。

基于环境因素的分析

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  土地利用分析：工业区管道在41年时最早达到临界点，并在60至70年间风险急剧上升，这与恶劣的工业条件（如腐蚀性废水和波动的地面荷载）相关。商业区、住宅区和绿地开放空间的风险模式则相对稳定。
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  湿度分析：高湿度环境在43年时最早达到临界点，并在60至70年间风险加速上升。中湿度环境在48年时达到临界点，在60年后风险显著加速，这可能是由中度湿度侵蚀和干湿循环效应共同作用的结果。
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  区域分析：新界区管道在42年时最早达到临界点，九龙区在47年时达到临界点，并在59年后风险急剧上升。香港岛和离岛的风险模式则相对较晚。
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  温度分析：低温环境在43年时最早达到临界点，并在61年后出现加速退化。高温环境虽然临界点最晚（49年），但在75年后其失效概率超过其他类型，表明长期热暴露导致了加速老化。
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  交通荷载分析：重交通荷载下的管道在44年时最早达到临界点，并表现出最高的最终累积风险（0.7812），这源于增加的垂直压力和疲劳效应。无交通和中等交通荷载下的管道风险模式相似且相对较低。
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  降雨量分析：中降雨量区域在44年时最早达到临界点，高降雨量区域在48年时达到临界点，但在65至77年间风险急剧上升，这归因于增加的流量冲击和持续潮湿暴露导致的加速腐蚀。
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  土壤条件分析：回填区域在42年时达到临界点，并表现出较高的风险，而花岗岩区域在49年时达到临界点，风险相对较低。不同地质条件下的风险演化模式存在显著差异。

失效边界时间定义与基于风险的空间分析

研究采用三分位数分类系统，将管道划分为四个风险等级：安全等级（T₀之前）、低风险（T₀至T₁）、中风险（T₁至T₂）和高风险（T₂之后）。通过GIS地图可视化，研究人员发现中风险和高风险管道主要集中在九龙中部和香港岛北部的市区，而新界和离岛地区则以安全等级和低风险管道为主。这种空间可视化使管理人员能够识别不同风险等级的集群，并为资源分配提供信息支持。

研究结论与讨论

本研究通过整合组间比较检验和不确定性量化，系统评估了单一因素对失效模式的影响。Log-Rank检验证实了不同因素类别之间存在高度显著的差异，验证了分组标准的有效性。置信区间的计算进一步量化了估计值的不确定性，证明了预测的可靠性。

该框架在数据资源有限的环境中表现出显著优势。其核心统计方法（非参数Kaplan-Meier方法和Nelson-Aalen估计量）在数据类型有限的情况下具有固有优势。通过关注单因素效应而非复杂的多因素交互作用，该框架仅需关键数据类型即可进行决策，显著降低了数据需求。此外，该框架还表现出强大的可转移性，其方法论结构可以通过将本地数据代入已建立的分析框架中轻松适应。

然而，该框架也存在一定的局限性。其因素特定的分析方法虽然能够系统评估单个变量，但无法捕捉影响失效机制的多个因素之间的关键交互作用。此外，该框架主要预测由渐进退化引起的失效，可能无法完全捕捉由自然灾害或恶劣天气等异常事件引发的突然失效。在动态运行环境中，预测结果可能滞后于实际风险状况。

综上所述，该研究提出的生存分析框架为城市排水管网管理提供了一种科学、实用且可转移的工具。通过聚焦单一关键因素，该框架能够有效识别高风险管道，指导维护资源的优化配置，从而在数据资源受限的条件下，实现基础设施管理的主动化和精细化。