数字孪生驱动的市政供水管网泄漏检测与压力控制集成系统

《Scientific Reports》：Construction of a leak detection and pressure regulation system for municipal water distribution networks integrating digital twin technology

　　

摘要

老化的市政供水管网因泄漏损失了大量处理后的水，然而泄漏检测与压力控制仍基于独立的模型进行，导致两者无法相互反馈信息。本文构建了一个集成系统，使检测与控制功能均能够从一个持续同步的数字孪生体中读取和写入数据。该数字孪生体将开源水力内核、压力相关需求模型及基于出流计的泄漏模型与集合卡尔曼滤波器及加权最小二乘重新校准步骤相结合，使得水头、流量、哈森 - 威廉姆斯粗糙系数及需求倍数能够根据多源遥测数据更新，而非固定在调试时的初始状态。检测模块将孪生体残差根据日需求模式进行归一化，并结合滑动窗口 CUSUM 统计量与马氏联合检验；随后，残差场输入图注意力网络，该网络对每个节点进行评分，并将节点后验概率聚合为按嫌疑程度排序的管段列表。控制模块通过求解基于阀门设置和泵速的双目标优化问题，并根据节点的泄漏后验概率对节点进行加权，从而在实际发生泄漏的位置最大程度地降低水头，同时满足服务水头、切换及韧性约束。结果按各个管网分别报告，而非仅报告汇总数据。汇总后的 F1 值达到 0.916，前 5 命中率（Top-5 hit rate）为 0.816，而最强基线模型分别为 0.836 和 0.573；各管网的 F1 值介于 C-Town 的 0.903 至 Net3 的 0.932 之间，平均检测延迟降至约四小时。在作为独立验证集保留的官方 BattLeDIM 2019 场景中，同一模型保留了 0.818 的 F1 值，但前 5 命中率下降了约二十个百分点，这界定了内部训练分布的泛化能力上限。在 C-Town 管网实施闭环控制，将均匀减压条件下的泄漏减少量从 24.6% 提升至 37.5%，同时将服务合规率保持在 99.4%。消融实验表明，状态同化是系统中的核心组件。代码及结果记录随论文附上；针对数千节点以上的可扩展性、瞬态水力过程以及密集仪器配置的资本成本，仍是当前面临的局限。