塑料水管泄漏监测中分布式土壤湿度传感的专家知情工程需求规范

《Applied Sciences》：Expert-Informed Engineering Requirements for Distributed Soil-Moisture Sensing in Plastic Water-Pipe Leak Monitoring

　　

地下饮用水管网中的泄漏检测在塑料管道中尤为困难，因为泄漏产生的声学与振动信号衰减强烈。本研究探讨将分布式土壤湿度监测作为一种潜在互补性早期预警方法的概念，并推导面向未来系统开发的利益相关方需求。研究人员通过电子邮件向瑞士图尔高州、苏黎世州和阿劳州90家供水企业发放了一份专家问卷。共收到55份提交（相对邀请的61.1%），其中52份包含研究使用同意并纳入分析（占邀请的57.8%）。分析采用了逐项分母、Wilson 95%置信区间以及探索性精确检验与非参数亚组检验。当前实践以声学方法（48/52）和基线用水量监测（41/52）为主。在有效定量回答中，29/47名受访者期望检测能力达到或优于20 L/h（61.7%，95% CI 47.4–74.2%），44/46名受访者偏好至少每日采样（95.7%，85.5–98.8%），41/45名受访者选择了等于或低于20 EUR/m的价格（91.1%，79.3–96.5%），36/46名受访者规定误报容限不超过每年一次（78.3%，64.4–87.7%），39/44名受访者规定漏检容限不超过5%（88.6%，76.0–95.0%）。这些累积比例包含更严格的需求类别，并不确立对恰好处于各边界处性能的接受度。经Holm校正后，经验组间比较未产生统计学显著差异。本研究的贡献在于一份可追溯、具不确定性意识的需求规范，该规范与功率、间距、时延、成本、误报和漏检的工程关系及验证规划相衔接。有限精度、区域性招募以及对监测方法的不熟悉制约了结果解读。这些需求为暂定性设计输入；技术可行性与最终验收标准需要实验室、现场及利益相关方验证。

【研究背景与问题】地下饮用水管网的水量损失是长期存在的技术、经济与环境问题。非收益水（non-revenue water）既包括物理泄漏，也包括表观损失与授权未计费用水，因此不应与泄漏等同对待。ISO 24528为基于水量平衡的损失调查与管理提供了结构化框架。更早识别与定位物理泄漏可减少可避免的水量损失、次生损害与被动修复工作量。当前泄漏检测实践结合系统级指标与局部调查：水量平衡与最小夜间流量分析支持网络或区域筛查；基于压力的方法包括无需主动激励的被动压力变化监测与主动瞬变试验检测技术（TTBTs）；移动声学巡检、相关仪与固定噪声记录仪利用泄漏产生的声信号；示踪气体检测逸出气体，红外成像与探地雷达（GPR）识别热异常或地下电磁异常；其他方法包括管内检测与分布式光纤传感，水力学模型、统计方法与机器学习支持测量解读。方法适用性取决于泄漏尺寸、压力、管材、埋设条件、传感器可达性、背景噪声以及任务是筛查、检测还是精确定位，因此近期综述强调互补传感与分阶段确认。对声学方法而言，管材尤为关键：聚氯乙烯（PVC）与聚乙烯（PE）管道中的泄漏信号强烈衰减、窄带并集中于低频；瑞士SVGW W4指南同样按管材与管径区分实际泄漏定位条件；近期受控比较确认传感器类型与耦合方式实质影响PVC管道上的检测性能。这些发现并不意味声学检测在塑料管网中无效，而是意味实际作用距离更短且更依赖测量条件。塑料管道也是当代供水主管清单的重要组成，尽管其占比与管径分布因国家和企业而异；一项2022年开展并于2023年报告的北美供水企业调查发现，PVC约占报告在役主管长度的29%，在详细管径数据中超过75%的PVC主管长度处于3–8英寸（约76–203 mm）范围。这些数字并非瑞士的估计值，但表明在现代大型供水企业数据集中，较小配水主管管径的塑料资产具有运行重要性。因此，材料相关的传感局限可能产生更密集的测量需求与更高的巡检工作量。一种互补策略是感知泄漏的地下后果而非泄漏噪声：埋地泄漏产生湿润羽流，其幅度与传播时间取决于泄漏率、土壤质地与结构、前期含水量、压力、管道埋深、优先流、地下水与天气；原型研究已在受控环境中对泄漏相关土壤湿度模式进行分类，近期微波成像工作估计了埋地滴水管附近的湿度，一种可嵌入管道的阻抗传感器也在实验室测试中检测到PVC管周围释放的水；低成本电容式探头是一种可能实现方式，但本需求研究不选择也不验证特定换能器技术。无论传感原理如何，土壤特性、温度、传感器间差异、老化、安装接触以及传感器输出向湿度量的转换都可能影响解读；长期土壤湿度记录进一步显示显著的季节性与深度相关变异性。近期关于无线地下传感器网络与地下物联网（IoUT）的工作展示了相关构建模块，包括埋地低功耗传感、土壤相关无线电传播、多跳LoRa链路、空中网关与长时部署；这些研究确立了技术可能性，但并未联合提供此处用于推导灵敏度、采样、可靠性、成本与维护需求的公用事业特定证据与解读规则。近期小泄漏综述梳理了可用技术。本研究填补的空白是 practitioner期望与沿塑料管道局部土壤湿润监测的可追溯应用需求集之间的连接。农业与农村监测提供邻近证据：基于无人机（UAV）的热成像与RGB观测已被用于识别葡萄园灌溉系统中的泄漏区域，农业田间研究展示了地下土壤监测与通信；但灌溉制度、地表条件、埋设几何与水力学运行不同于埋地饮用水主管，这些研究为传感背景与环境混杂因素提供信息，但其结果不能直接验证此处引出的泄漏率与可靠性需求。本研究提出一份可追溯的从业者需求规范，以指导分布式土壤湿度泄漏监测的开发与评估；该规范考虑区域招募策略、受访者对监测技术的熟悉程度以及调查估计的精度。所提出的需求集为技术设计提供基础，而实验室与现场研究是评估特定实现是否满足这些需求的后续步骤。置信区间与探索性亚组比较使需求收集中的统计不确定性可见，但不意味经验组间等价。本研究作出四项贡献：(i) 由近期泄漏检测、管道清单、土壤湿度与地下物联网文献支持的塑料管道特定问题框架；(ii) 由52份同意回答推导的可追溯利益相关方需求集，含明确重编码规则、逐项分母与不确定性区间；(iii) 描述可能经验相关异质性及可用样本支持比较之局限的次级探索性亚组分析；(iv) 识别评估采样能量、间距与检测时延、安装成本与可靠性所需输入的工程关系与验证规划。因此学术贡献在于一份具不确定性意识且面向验证的需求基线，而非问卷技术或单个传感器的新颖性。ISO/IEC/IEEE 29148为使用唯一标识、可测量需求以及从利益相关方证据到拟议验证的可追溯性提供参考。关于泄漏灵敏度、误报、漏检、采样、成本、维护与长期可靠性的需求也可作为其他分布式监测方法的基准；当被监测变量为土壤湿度时，传感器特定校准与水文混杂仍然重要。据此，研究目标是引出应用需求；选择或验证传感器技术不在其范围内。

【研究方法】本研究结合聚焦的叙述性文献更新、结构化专家问卷、具不确定性意识的统计分析、需求推导以及工程关系与验证规划。文献界定系统边界与证据空白；问卷引出从业者需求与阈值期望；分析量化不确定性并探索经验相关异质性；工程关系识别依赖关系与后续工程工作的拟议验证条件。不呈现实验室或现场性能数据。文献部分为有针对性的叙述性综述而非系统综述，更新使用塑料/PVC/PE管道、泄漏检测/定位、地下小泄漏、水力学监测、基于瞬变试验的泄漏检测、土壤湿度传感、地下无线传感器网络、IoUT、LoRa、校准与长期监测等概念组合；选择优先考虑2021年以来同行评审工作、相关实验研究、权威标准以及解释声学传播与土壤湿度变异性所需的较早期基础论文。当来源为问题定义、概念监测方法、环境混杂因素、工程依赖关系或需求方法学提供信息时予以保留。所关注的系统是安装于地下水管附近的分布式土壤湿度监测层，主要适用于存在沟槽通道的新建、更新或修复场景；其意图是持续监测管段并触发由既有定位方法进行的确认，不估计水量平衡、不替代网络水力学监测、也不声称厘米级定位。在假设部署中，土壤湿度传感器沿埋地管道分布，以便在管段层面观察周围土壤湿度条件的局部变化；传感技术刻意保持开放。泄漏候选将由相对于基线和邻近位置的持续局部增加来指示，而降雨、地下水变化、灌溉、季节动态与传感器漂移需要考虑；确切传感器技术、信号表示与检测算法不在本需求研究范围内。传感器间距、传感器深度与偏移、封装、供电、通信拓扑、持续时长与报警阈值仍为设计变量；后续实验必须声明所选传感原理、土壤类别、压实度、盐度、前期含水量、埋设几何、泄漏方向与压力、天气/地下水条件以及校准程序。问卷设计为结构化需求引出工具，目标是将从业者经验、验收标准与运行约束转化为所关注系统的初步利益相关方需求；目标人群为瑞士供水从业者，属目的性/便利样本，并非为估计全国流行率而设计。问卷在Microsoft Forms中实现，并以德语通过匿名链接分发；向图尔高州、苏黎世州和阿劳州的供水企业发送90份标准化电子邮件邀请，收到55份调查提交，提交与邀请之比为61.1%；3名受访者不同意匿名研究发表，因此52份同意回答占全部邀请的57.8%、占提交问卷的94.5%。这些比率描述相对于邀请的提交情况；匿名回答未与个别受邀企业关联。当拒绝匿名研究使用时，同意项终止调查。未收集姓名、联系方式、IP地址、企业规模、受访者级区域标识或管材组合。分析导出日期为2026年3月31日，首份回答于2025年11月4日收到。研究按苏黎世应用科学大学程序审查，并经埃因霍温理工大学（TU/e）伦理审查委员会批准（ERB-470，2025年10月28日）。15项问卷刻意简短且以封闭式为主，遵循简洁从业者调查的一般原则；其模块涵盖同意（Q1）、角色与经验（Q2–Q3）、当前方法与基础设施背景（Q4–Q7）、认知、前景与障碍（Q8–Q10）以及预期泄漏灵敏度、采样、每米价格、误报与漏检（Q11–Q15）。工具包括单选、多选、矩阵评分与5点序数项以及可选自由文本；未包含企业规模与材料份额，这限制了审查期间要求的亚组分析。问卷引出对未来监测概念的期望，旨在捕捉期望的运行结果，例如企业希望检测的泄漏率，从业者可结合现有方法与基础设施约束加以考虑。Q8询问受访者此前是否听说或使用过沿供水管道的土壤湿度传感；其二元回答不能区分认知与实践使用。Q11–Q12明确提及基于土壤湿度的系统，而Q13–Q15在同一问卷序列中引出价格与报警性能期望；这些项目询问未来系统应实现什么或受访者认为可接受什么，而非现有实现已证明什么。所得值为在该概念背景下表达的运行期望，独立于所选换能器原理，但不一定独立于技术框架。Q7涉及预期管道使用寿命，而非所需传感器寿命。项目映射到需求维度：Q2–Q3映射到专业知识；Q4–Q7映射到当前实践与基础设施视野；Q8–Q10映射到概念熟悉度与采用约束；Q11–Q15映射到定量期望。每个数值需求获得唯一标识符、其确切调查证据与可行性状态；拟议验证方法在第4.2节单独讨论；该结构遵循ISO/IEC/IEEE 29148的可追溯性与可测试性原则。补充电子表格S1包含原始问卷措辞与翻译、52份同意回答记录（省略精确时间戳）、有记录的重编码词典、处理后变量、逐项分布、置信区间、亚组检验输出与原生电子表格图；保持原始层与处理层分离使所有排除与重编码可审计。对52份同意问卷记录的分析分三步进行：首先，封闭式回答以计数与百分比进行描述性汇总，报告逐项有效分母，因为并非所有受访者对每个问题都提供可量化回答；仅当自由文本回答的定量含义明确时才重编码，所有重编码决定记录于补充文件S1，不可量化回答从相关分母中排除；对Q10，一个空白回答与一个仅回答“无经验”的回答被排除，留下50份实质性障碍回答；事后主题使用S1中的定义与回答ID映射编码，允许多重编码且未进行独立双编码；对单个类别与累积期望比例计算双侧Wilson 95%置信区间，这些为边际二项模型精度摘要，而非同时区间或便利样本具人群代表性的证据。其次，回答模式按上述问题映射解读：背景项定义从业者基线，障碍项识别采用约束，阈值项定义候选工程目标。为探索专业经验可能差异，使用带并列校正的Kruskal–Wallis检验（卡方p值，3个自由度）在四个经验组（0–5、6–10、11–20与>20年）间比较序数结果；效应量计算为η2H = max[0, (H ? k + 1)/(n ? k)]，其中k = 4，n为完整案例样本量，负估计报告为零。使用双侧Fisher精确检验、比值比与带符号phi系数在≤10年与≥11年经验受访者间比较每个预定义障碍的选择；比值比与phi定向为更有经验者相对于早期职业受访者。Holm校正分别在六项序数结果检验与五项障碍选择检验内应用，α = 0.05。这些分析在修订期间添加，并因样本为目的性且面向实践而非随机选择而视为探索性。未拟合多变量逻辑回归，因为问卷未收集企业规模或管材份额，而专业角色与先前认知高度不平衡；所提出的基于基础设施的模型未被这些数据充分支持。亚组分析为对回答样本内可观察异质性的次级检查，不决定需求阈值也不检验等价；合并回答模式描述按招募的样本，其使用不由非显著亚组检验证明合理。第三，通过选择反映主导或累积回答模式的值，将候选目标转化为初步系统需求。例如，47名受访者中29名期望在20 L/h或以下检测，47名中42名期望在50 L/h或以下检测；这些发现支持≤20 L/h的优选目标与≤50 L/h的初始基准。累积比例包含选择更严格类别的受访者，并不确立所有被计数受访者会接受恰好在该边界处运行的系统。第3.5节的解读水平为作者定义的描述性规则，所提需求需要进一步利益相关方确认；完整统计计算、置信区间、亚组分析与重编码细节提供于补充文件S1。调查阈值被视为候选利益相关方需求；工程关系识别工程依赖关系与后续评估所需测量，但不确立技术可行性。方程(1)–(3)分别表达能量核算、传感器几何与条件采样延迟以及成本归一化；附录A推导这些关系并陈述其假设。传感节点的日能量需求通过累加其不同活动的能量获得；此处核算边界包括边缘节点电子设备及其服务的土壤湿度传感器。占空比实现使用活动期之间的低功耗状态进行唤醒、传感、处理与传输数据；每个活动期在睡眠基线之上增加能量。将采样与传输事件分别计数并将其增量能量加到一天基线消耗上得到方程(1)。其中Nsamp与Ntx为每日采样周期与传输次数，ns为一个节点服务的传感器数量，Psleep为节点基线睡眠功率（瓦特）；因子86,400为一天秒数，因此结果单位为焦耳/日；Ewake、Esensor、Eprocess与Etx为高于该基线的增量事件能量（焦耳）。若改用总事件能量，则睡眠项必须使用实际睡眠时间以避免重复计数；传感器预热、接收、重传与其他活动操作必须纳入测量事件预算；采样可比无线电传输更频繁；所有能量项必须指同一电气边界，转换损耗只计一次；每传感器项假设事件能量相等，否则必须对单个传感器能量求和。传感器间距与采样频率影响泄漏相关变化可被观察的速度；对于规则间隔且在段端有覆盖的传感器，到最近传感器的最大轴向距离为间距的一半；若足够持续、可检测的湿润信号到达传感器，检测延迟包括湿润时间、等待下一次测量以及任何额外持续期；在测量间信号到达时间均匀分布时，平均采样等待为采样间隔的一半；这些关系给出方程(2)。对于段端有覆盖的均匀一维传感器间距s，dax,max = s/2为从泄漏到最近传感器的最大轴向间隔；它不是三维湿润路径：在固定垂直偏移r下，到最近传感器的最大直线间隔为sqrt[(s/2)2 + r2]。时延关系以可检测湿润信号在受监测传感器处可用并保持足以满足决策规则为条件；此处twet,avg为在声明条件下到该信号的平均时间，tpersist为首次合格观察后的固定持续延迟；若信号可用性相对于间隔Δt的规则采样具有均匀相位，则平均采样延迟为Δt/2；采样等待以Δt为界；处理和通信延迟必须加到公用事业收到的警报上。湿润可能绕过传感器或保持低于其检测阈值；因此方程(2)不能确立泄漏灵敏度、检测概率或合适间距；这些需要在声明土壤与水力学条件下测量。可负担性的工程评估要求成本以每米监测管道表示；此处使用的安装成本边界加上传感器及其保护、电缆、共享节点或网关以及安装与调试；将该总计除以监测管道长度得到方程(3)。方程(3)中L > 0为监测管道长度（米）；Lcable为实际安装电缆长度（米），不必等于L；Nsens为安装传感器总数；Csensor与Cprotect为每传感器成本（EUR）；ccable,m为电缆成本（EUR/m）；Cshared,total与Cinstall,total为共享节点/网关与安装/调试总成本（EUR）；分子中总成本除以L得到每监测米安装成本。问卷引出每米价格但未说明受访者包含其中哪些组成部分；该安装成本边界为作者为后续评估定义的转换；运行、维护与更换需要单独的生命周期视野与成本模型。可靠性验证还需要充分暴露；在齐次泊松模型下，暴露T内零误报给出单侧95%上界率?ln(0.05)/T = 2.996/T；若T以一致定义的段-年计量，三个段-年给出每段-年0.999次误报的上界。问卷未定义段长度，因此该归一化仍待与企业商定。对于n次独立、合格泄漏试验中零漏检且共同漏检概率，单侧精确二项上界为1 ? 0.05(1/n)；59次试验给出4.95%，60次给出4.87%。这些单侧验证规划边界不同于用于调查比例的双侧Wilson区间，并不确立已实现性能。

【研究结果】受访者概况与当前实践：在90家受邀供水企业中收到55份调查提交（61.1%）；52份包含同意并纳入分析（占邀请57.8%；占提交94.5%）。48名受访者自认为供水企业运营者或员工，4名担任其他水务部门角色。51名受访者报告经验：8名0–5年，17名6–10年，14名11–20年，12名超过20年。预期管道使用寿命较长：44/52（84.6%，95% CI 72.5–92.0）选择至少51年。当前实践以声学方法（48/52）、基线用水量异常监测（41/52）、压力监测（27/52）与智能水表/数据分析（17/52）为主；卫星/遥感与GPR未被选为当前使用的方法，管道摄像检查被选一次。在提供有效性评分的受访者中，声学方法在四级量表上中位数为3（IQR 3–4）；基线用水量监测中位数为3（IQR 2–3）；压力监测中位数为2（IQR 2–3）；智能水表/数据分析中位数为3（IQR 3–3）。感知前景与采用障碍：52名受访者中4名在询问此前是否听说或使用过沿管道分布式土壤湿度传感时回答是，48名回答否；由于Q8合并认知与使用，无法确定具有实践 experience 的人数。前景项有51份有效回答，中位数为2（IQR 2–3），在1–5量表上均值为2.49；该分布表明谨慎至中等的初步评价，并不确立技术可行性或采用特定实现的意愿。在50份实质性障碍回答中，预定义选择为成本（32；64.0%）、数据可靠性（22；44.0%）、维护工作量（19；38.0%）、传感器生命周期（19；38.0%）与与现有系统集成（10；20.0%）；对自由文本回答的事后编码额外识别出水文/环境混杂（9；18.0%）、现场访问/安装/覆盖（4；8.0%）与通信可用性（1；2.0%）。这些编码主题补充预定义类别；其自发提及率与提示复选框选择率不可直接比较。性能期望：对于泄漏灵敏度，29/47名受访者选择20 L/h或以下（61.7%，95% CI 47.4–74.2%），42/47名选择50 L/h或以下（89.4%，77.4–95.4%）；这些嵌套比例促成优选≤20 L/h目标与初始≤50 L/h基准；两个比例均不确立对恰好在其边界处性能的接受。至少每日采样由44/46名受访者选择（95.7%，95% CI 85.5–98.8%）；28/46名选择每日多于一次测量（60.9%，46.5–73.6%）；该偏好通过方程(1)为占空比提供信息，尽管本地采集与无线电传输可解耦；每日测量间隔本身不意味24小时内检测。每米价格有45份可量化回答：30名选择探索性亚组分析：经Holm校正后，六项序数结果中未检测到经验组关联；观察到的最大经验组效应为采样频率（H = 5.47，校正p = 0.841，η2H = 0.060），但研究未具备排除实际相关亚组差异的效能。Fisher精确检验同样未发现经验（≤10年对≥11年）与任何预定义障碍之间的校正关联（所有校正p ≥ 0.438；完整案例n = 49）；最大的未校正对比为数据可靠性，由14/24名更有经验与8/25名早期职业受访者选择（比值比2.98，带符号φ = 0.265，原始p = 0.088，校正p = 0.438）。这些发现表明校正后未检测到关联，并不确立等价。角色、企业规模与材料组合比较因前者稀疏、后两变量未收集而无法辩护。调查推导的系统需求：调查发现被转化为两组暂定需求；第一组汇总可测量性能与经济目标，可在后续实验室或现场研究中评估；第二组汇总运行与背景约束，应指导后续架构决策但不能简化为单一调查推导阈值。需求推导使用两个作者定义解读水平：累积期望比例高于50%分类为回答样本内多数支持，比例至少80%分类为该样本内广泛支持；这些标签为描述性决策规则，而非推断性截断或对边界处性能的直接背书。分类使用观察点比例；双侧Wilson 95%置信区间描述二项模型精度，未用于重新分类需求；由于样本为目的性，区间不确立人群代表性覆盖也不考虑选择与无回答偏差。每个需求分配唯一标识符并链接到确切回答计数；拟议的应/宜陈述为暂定作者转换，需要进一步利益相关方确认，包括安装成本边界与误报监测单元；由于未实验评估硬件或系统性能，每项需求仍未验证；拟议验证路线在第4.2节与表4讨论。

【讨论与结论】学术贡献与解读：本研究的新颖性在于证据的整合与可追溯性，而非使用问卷或发明新湿度传感器；它将塑料管道特定监测空白与明确系统边界连接，量化从业者期望与不确定性，探索经验相关异质性，并识别工程依赖关系与拟议验证条件。现有标准提供一般水量损失与需求工程流程，而综述的原型研究特定传感或通信功能；本研究贡献一份公用事业知情需求基线，含分布式土壤湿润监测的明确解读规则；个别阈值不被声称为新传感能力或普遍接受的需求。分析权衡与拟议验证：所要求采样频率能否持续取决于测得节点能量需求与可用能量供应；近期埋地传感器研究展示特定硬件与通信条件下的运行，但未验证本架构或其采样/传输计划；方程(1)应用测得事件能量填充，包括重传与传感器预热；能量自主还取决于存储容量、低温降额、转换损耗、峰值需求以及季节性或间歇性能源供应；仅平均日需求不能确立自主性。≤20 L/h灵敏度目标不能独立于传感器间距与湿润锋行进判断；方程(2)将最近传感器几何与采样/持续延迟同未知湿润响应分离；平均湿润时间与获得可检测信号的概率必须针对声明土壤、泄漏、压力、深度与前期条件实验估计；可辩护的设计过程应从响应时间与检测概率曲面选择间距，而非假设更湿传感器必然意味更近或更大泄漏。未来间距研究可将测得湿润响应与参数化土壤水运移模型（如Richards方程实现）结合；这需要土壤水力特性、初始湿度、泄漏几何与边界条件，随后与独立观测比较；仅模拟湿润羽流不能确立传感系统的灵敏度或误报性能。成本与可靠性目标需要多于原型物料清单或短期演示；方程(3)定义安装成本边界，涵盖传感器、电缆、保护、共享节点/网关与安装/调试；后续生命周期分析必须在声明视野内加入运行、维护与更换；该边界未在Q13中说明，必须与企业确认；同样，≤1次误报/年的监测长度与报警聚合规则在使用该值作为每段标准前需要商定；可靠性试验需要预先指定的合格事件与警报定义、代表性水文季节与独立泄漏试验；第2.6节单侧边界将这些假设转化为验证规划量。因此可行性仍未验证；当前证据支持相关性与测试规划，而非采购就绪。部署在新安装、管道更新或大修期间最可信，此时沟槽通道降低边际安装成本并允许受控放置；对所有遗留网络的改造声明不被调查或技术证据支持；表4提出未来工作的验证路线；这些路线为作者建议，不是本研究实验测试结果。候选缓解逻辑应针对环境混杂因素测试：相对于时间基线以及邻近或参考位置的局部上升可要求在警报前持续，降雨与地下水信息用于解读空间广泛湿润；滞后可限制阈值附近重复警报，而传感器健康与通信标志可将缺失或不可信数据与泄漏指示区分；这些为拟议选项而非选定算法；其对误报与漏检率的影响必须在湿/干、降雨、地下水与漂移场景中测试。在公用事业工作流中的互补作用：分布式土壤湿度传感应定位为有界管段的连续早期预警；警报将指导后续检查；既有声学、示踪、水力学或开挖方法仍将确认与定位泄漏；该分工匹配调查的中等前景评级以及声学与用水量方法的主导地位；本研究不规定算法，仅要求未来检测方法在定义与企业确认后针对候选误报与漏检标准评估，并提供足够证据供公用事业解读。可转移性与研究议程：泄漏率灵敏度、响应频率、安装成本、误报负担、漏检率、可维护性与工作流集成为应用级基准，可在利益相关方重新确认与技术特定验证前提下为替代分布式传感技术评估提供信息；传感器校准与信号调理为技术特定，而湿润锋动力学与降雨/地下水干扰更普遍源于土壤湿度监测概念；因此转移需要保留利益相关方级结果同时调整传感特定验证条件。近期研究顺序为：(i) 候选传感器技术的比较评估与土壤特定表征，包括传感器间差异与漂移；(ii) 跨土壤、深度、压力、前期湿度与间距的因子土壤箱泄漏试验；(iii) 测得能量、地下链路、封装与安装成本测试；(iv) 包括降雨与地下水混杂的盲法户外试验；(v) 规模足以估计误报与漏检率的多季节公用事业试点；每阶段应更新需求状态并保持可追溯性。边界条件、局限与外部效度：本研究提供从业者期望与用户需求的证据，并将其转化为有记录的工程需求；灵敏度、采样、成本与可靠性目标为技术评估提供设计目标与优先级；已实现系统的实验室与现场测试超出本需求研究范围；此类测试需要确定哪些目标可在何种运行条件下共同实现；例如与≤20 L/h泄漏率相关的湿度响应取决于土壤特性、前期湿度、水力条件、安装几何、传感器响应与检测规则；水流路径与降雨或地下水变化等环境变化也影响可检测性；邻近应用证据支持研究该方法，而第4.2与4.4节概述的土壤箱试验、盲法户外试验与多季节公用事业试点为针对引出需求评估检测概率、响应时间、定位精度与长期漂移提供路线。方程(1)–(3)表达能量核算、传感器几何与条件时序以及安装成本分配，其推导与假设在附录A陈述；其作用是识别设计评估必须考虑的量与权衡；数值应用需要实现特定输入并检查所述假设；对公式(1)，这包括测得活动能量、事件计数以及载荷与损耗的完整分配；自主性评估还需考虑存储容量、供应可变性与峰值需求以及平均日能量需求；方程(2)描述以可检测湿润信号到达传感器为条件的轴向间隔与平均观察延迟；土壤水运移、信号可检测性以及不产生合格信号的泄漏需要单独评估；该关系不为那些泄漏分配检测延迟；方程(3)在声明安装成本边界内使用组件数量、价格、劳动力与共享设备分配；生命周期成本可通过扩展成本模型纳入。招募与可转移性：目的性/便利招募策略通过德语问卷针对图尔高州、苏黎世州和阿劳州90家供水企业的从业者；55份提交与52份同意记录分别对应邀请的61.1%与57.8%；这些比率描述相对于外联的参与，因为匿名回答未与受邀组织关联，不应解读为所代表不同企业的已验证比例；同样匿名性阻止评估可能的企业内部依赖性；自我选择与无回答可能影响所代表的观点，尽管其程度无法从可用记录量化；未收集企业规模、网络长度、管材份额与受访者级区域，因此其影响及与更广泛企业人群的对应关系无法考察；48名供水企业运营者/员工与4名其他角色受访者使证据主要反映运营人员；因此发现作为该从业者群体的需求证据具有相关性；转移到其他企业类型、角色或地理环境需要与其当地条件与优先级比较。概念熟悉度与问卷解读：与本调查相关的专业知识是具备供水运营、现有泄漏检测方法与基础设施约束方面的经验；此类经验为表达期望灵敏度、可负担性与可接受报警负担提供基础，而无需先前使用所提监测方法；在Q8中，48/52名受访者报告此前无认知或使用；由于该项目合并认知与经验，无法单独区分实践熟悉度；因此回答被解读为由运行实践与问卷概念描述提供信息的期望；Q11–Q12明确提及土壤湿度监测，价格与报警问题在该背景下随后出现；该框架、问题顺序与所提供类别的可能影响未单独评估；偏好采样频率表达运行偏好；可靠检测所需的采集率还必须考虑传感与决策过程；性能、成本与维护权衡的演示与讨论将有助于将这些期望转化为特定实现的验收标准。五项主要定量项目的逐项分母44–47使缺失或不可量化回答的程度明确；分析描述有效回答而不假设被排除回答会遵循相同分布；系统差异仍可能存在；有记录的自由文本映射与重编码规则支持可审计性，尽管未进行独立双编码。统计精度与探索性比较：Wilson区间在独立回答与共同概率的二项模型下使每个估计类别或累积比例的精度明确；对于≤20 L/h阈值，观察比例为29/47（61.7%），95%区间为47.4–74.2%；按所述推导规则分类为多数支持描述观察样本；基于模型的区间包括低于50%的比例；由于招募非随机，这些基于模型的区间不是代表性度量，也不考虑选择偏差、无回答或可能聚类；图5与图6中的区间为分别估计比例的边际覆盖，而非同时覆盖或成对显著性检验；区间宽度描述比例不确定性，而类别间回答分布描述从业者期望的变异。经验组比较提供样本内变异的探索性视图并补充描述性分析；四个经验组在逐项排除前分别包含8、17、14与12名受访者；这些组大小、序数回答类别、并列秩与缺失回答限制灵敏度；Kruskal–Wallis卡方近似在小样本与并列时也可能较不准确；非显著校正结果表明这些分析未检测到差异；它们不证明等价也不排除实际相关差异；需求推导使用有记录的回答模式与决策规则，独立于这些检验。需求的解读与确认：>50%多数与≥80%广泛支持水平使作者对回答模式的解读明确且可重复；它们为描述性决策规则而非正式共识标准；累积比例包含选择更严格类别的受访者并描述期望分布；因此恰好处于拟议边界处性能的接受度应与企业确认；表2与表3中的需求提供证据知情设计输入，其运行定义可与企业细化；特别是Q13未说明安装或生命周期成本边界，Q14未定义监测长度或警报聚合单元，漏检容限需要商定合格事件与观察窗口；预期管道使用寿命提供基础设施背景而非直接传感器寿命需求；灵敏度、采样、能量需求、成本与可靠性之间的联合权衡未被引出，应在商定实现验收标准时考虑。结论：本研究为分布式土壤湿度传感作为塑料水管附近泄漏的互补早期预警方法提供可追溯利益相关方需求基线；逐项分析显示29/47名受访者期望在≤20 L/h检测，44/46名偏好至少每日采样，41/45名选择≤20 EUR/m价格，36/46名规定误报容限≤1次/年，39/44名规定漏检容限≤5%；这些累积比例包含更严格类别并为暂定需求提供信息；它们不确立恰好处于各边界处性能会满足每个被计数受访者；预期≥51年管道使用寿命提供基础设施背景，不是所需传感器寿命；Wilson区间暴露二项模型下有限精度；探索性亚组分析并非为确立等价而设计，并留下可能重要的经验相关差异未解决；贡献在于从业者证据、独立于所选土壤湿度换能器的监测概念、可测量应用需求以及工程关系与验证规划之间的连接；未选择特定土壤湿度传感器或检测算法，也未证明任何阈值性能；下一步是利益相关方确认与分阶段实验室和现场验证，涉及灵敏度、间距与响应时间、能量与通信、安装成本、水文误报、漏检、漂移与可维护性。