基于AMSI的DMA优化设计：引入资本支出效率目标的水损失管理新框架

《Water Research X》：USING AMSI IN DMA DESIGN TO INTRODUCE THE CAPEX GOAL

本研究针对城市供水管网老化导致的水损失问题，提出了一种基于资产管理系统指标(AMSI)的新型分区计量区域(DMA)优化设计框架。通过两阶段优化策略（拓扑分割和水力分析），结合新型模块化指数和AMSI指标，实现了在管网老化严重区域优先降低压力、减少背景渗漏的目标。案例研究表明，该方法能有效降低水损失和AMSI值，为资本支出(CAPEX)的效率优化提供了新思路，对提升供水管网资产管理水平具有重要意义。

　　

随着全球城市化进程的加速，城市供水管网系统面临着日益严峻的挑战。这些埋藏在地下的"血管"正悄然老化，导致宝贵的水资源在输送过程中不断流失。据统计，由于管道自然老化及压力作用导致的真实水损失量，已成为衡量供水系统健康状况的重要指标。这种水损失不仅造成巨大的经济损失，还加剧了水资源短缺和能源消耗问题，特别是在气候变化导致干旱频发的背景下，这一问题显得尤为紧迫。

传统上，供水企业主要依靠工程经验进行管网管理，但随着数字化时代的到来，基于数据的精细化管理成为可能。其中，分区计量区域(DMA)设计被认为是提高工程管理效率的重要手段。通过将供水网络划分为相对独立的区域，并在边界设置关闭阀门和流量计，可以显著改善系统监测和分析能力，从而提升渗漏管理活动的效率。

在这项发表于《Water Research X》的研究中，意大利巴里理工大学的Orazio Giustolisi和Antonietta Simone提出了一种创新的DMA设计框架，首次将资本支出(CAPEX)效率目标引入优化过程。该研究的创新之处在于使用了新型资产管理系统指标(AMSI)，这是一个可从管道级别扩展到整个供水网络的老化指标，为DMA设计提供了科学的决策依据。

研究人员采用了两阶段优化策略，结合复杂网络理论(CNT)和先进水力分析技术。首先通过拓扑分割将网络域划分成多个区域，然后进行水力分析以确定DMA边界关闭阀门的最佳位置。关键技术方法包括：基于模块化指数的网络分割优化、多目标遗传算法(GA)的决策优化、压力驱动的水力建模方法，以及AMSI指标的计算与应用。研究以意大利莫杜尼奥镇的真实供水网络为案例，该网络服务约37,000居民，管道总长81.6公里，平均管龄约80年。

关键方法技术概述

研究采用了两阶段优化策略，第一阶段基于改进的模块化指数进行网络拓扑分割，第二阶段运用多目标遗传算法进行水力优化。关键技术包括压力驱动的先进水力分析、AMSI指标计算模型（基于Germanopoulos功率模型或FAVAD模型）、以及复杂网络理论工具。案例研究使用了WDNetXL-GIS平台进行水力仿真分析，考虑了实际消费者数据和私人水箱等复杂因素。

3.1. 分割阶段

研究团队开发了一种新型模块化指数权重，不仅考虑管道长度，还纳入了与用户连接相关的信息。这种创新方法使得网络分割更倾向于在消费者水表密度较高的区域形成较小的DMA，这些区域被识别为更易老化的关键区域。通过最大化模块化指数和最小化概念切口数量的双目标优化，获得了具有嵌套特性的帕累托最优解集，为工程应用提供了灵活性。

3.2. 水力阶段

水力阶段采用四目标优化方法，包括：最小化流量计数量、最小化背景渗漏、最小化AMSI值以及最小化用户未供水量。研究表明，最小化背景渗漏和最小化AMSI之间存在冲突，前者倾向于在高压力区域降低压力，而后者针对高老化区域。通过多目标遗传算法优化关闭阀门的位置配置，实现了压力重新分布，特别关注了老化严重区域的压力控制。

4.1. 资产管理与DMA

研究强调了DMA设计在资产管理中的核心地位，指出其能够支持压力控制、主动渗漏检测、管道更换等关键活动。通过莫杜尼奥镇的案例应用，证明了基于AMSI的DMA设计能够有效识别管网中的关键老化区域，并为资本支出决策提供科学依据。

4. 案例研究

案例研究结果显示，采用新型长度-连接权重的方法比单纯使用长度权重能更有效地在老化严重区域降低压力。当使用15个DMA配置时，基于长度-连接权重的分割方案需要54个概念切口，而基于长度的方案仅需46个，但前者在城镇中心区域实现了更好的分割效果。优化结果表明，通过合理配置关闭阀门，可以同时实现水损失密度(D_leak)和AMSI值的显著降低，其中AMSI降低意味着对老化区域的有效靶向干预。

研究结论与意义

本研究提出的基于AMSI的DMA设计框架，为城市供水管网的水损失管理提供了创新解决方案。通过将资本支出效率目标引入优化过程，不仅实现了水损失减少的环境效益，还提高了公共资金使用的社会经济可持续性。该方法的核心优势在于其能够针对管网中最需要干预的老化区域进行精准管理，相当于通过压力控制实现了类似管道更换计划的资产管理效果，但成本显著降低。

值得注意的是，该研究首次将AMSI这一可扩展的老化指标系统性地应用于DMA设计，建立了资产管理与工程优化之间的桥梁。案例研究证实，该方法能够在不影响供水服务的前提下，有效降低系统压力和老化的综合影响。这一创新框架为供水行业应对基础设施老化挑战提供了新思路，特别是在公共支出有限的背景下，具有重要的实践指导意义。

未来研究可以进一步探索不同权重设置对模块化指数的影响，以及在更多样化的供水网络中的应用效果。同时，随着数字孪生等技术在供水行业的应用，基于AMSI的DMA设计框架有望与实时监测系统结合，实现更智能化的资产管理。