管網決策支援伺服系統

管網損壞分析決策支援系統的各類損壞水力模擬，皆以 Rossman (2000) 所發展的管網水力模擬模式 EPANET2 模擬分析。由於水力模擬通常需要

5.8 案例研討

為測試所發展的管網損壞分析決策支援系統，是否可有效的輔助分析 管理實際管網系統的損壞事件，因而採用兩個假想案例執行測試，包含一 個小型的假想案例，與另一個從實際管網系統資訊建構出近似實際管網狀 態的合理管網案例，該案例如圖 3.12 所示，其詳細資訊則如 3.6.5 節中所 述。伺服端在具有 Pentium-IV 2.4G CPU, 1000MB RAM 的 LINUX 作業系 統下運作，而用戶端則在具有 Intel Centrino Core Duo 2 T5500, 1000MB RAM 的 WINDOWS XP 系統下，以 Internet Explore 6 執行。 (level number, Ln) 與連接數(connection number, Cn)，以決定制水閥分區之 間的連通關係，該模組根據第三章所改善發展的關鍵制水閥分區判識演算 程序來判識決定。其中 Ln 為從包含蓄水槽的制水閥分區 S0 開始搜尋，優 先尋訪連接目前制水閥分區的第一個連接的下游制水閥分區，並重複該程 序直到網路中不再有其他尚未尋訪過的制水閥分區節點為止，其搜尋的次

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(a)

(b)

(c)

圖 5.6 (a) 小型假想管網案例；(b) 經判識轉換之制水閥分區輔助網路，其 中制水閥分區旁的數字為 level numbers；(c) 經判識出的關鍵制水閥 分 區 ， 以 雙 圓 形 標 示 之 ， 各 制 水 閥 分 區 旁 的 數 字 為 connection numbers。圖中以箭頭標示演算搜尋的路徑。

序為 Ln，如圖 5.6(b)中各制水閥分區節點旁所標示的數字，並以具有箭頭

分區 S4 與 S5，以及兩個其他鄰接制水閥分區 S0 與 S6。因此比較 S6 與

(a)

(b)

圖 5.7 假想管網案例之(a) 各制水閥分區之損壞缺水衝擊模擬結果，與其 損壞衝擊排序報表；(b) 損壞缺水衝擊部分統計長條圖與統計報表。

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因此雖然關閉 S2 並沒有直接關閉其他區域的供水量，但因可行供水路徑 數量的減少，而影響管網系統的供水能力，造成較大的關閉影響缺水量。

而圖 5.7(b)則顯示出關閉損壞影響缺水量的統計分佈圖，以便利自來水事 業人員，快速判識出在該管網系統具有較大損壞影響衝擊的制水閥分區，

以利後續之管理改善。

制水閥設置調整分析

為有效決策恰當的管網連通性改善策略，所發展系統亦允許改變各節 點的屬性，以輔助改善原始的管網可靠度。如圖 5.8 所示，為降低關鍵制 水閥分區 S3 的損壞影響，必須改變原始制水閥分區輔助網路的連通特性，

減少 S3 所包含的管件。因此在 n48 新增制水閥，改變原始的輔助網路，

將原本損壞影響過大的關鍵制水閥分區 S3，切割為兩個較小的制水閥分區 S11 與 S12。如此可以避免 S3 損壞，而關閉過多下游供水分區(包含 S4,S5,S6,S7)，造成過大的損壞影響衝擊。

(a)

(b)

(c)

圖 5.8 調整節點屬性以建構較可靠的網路系統。(a)原始輔助網路判識結 果；(b)在節點 n48 新增制水閥；(c)新輔助網路判識結果。

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大型管網案例

(a)

(b)

圖 5.9 (a) 大型測試管網合理案例之部分管網；(b) 同部位管網經判識轉換 之部分制水閥分區輔助網路系統，其中關鍵分區以雙同心圓標示。

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圖 5.10 關鍵制水閥分區 S151 損壞關閉分析，判斷受影響的下游制水閥分 區，以具虛線邊界的較大圓形標示之。

影響判識結果，可供管網可靠度分析與改善上的應用。比如，如果要增設

(a)

(b)

圖 5.11 (a) 損壞事件關閉維修的直接損壞影響區域，以較大的斜線填滿的 圓形標示，及其所影響的關閉擴張下游制水閥分區，以具虛線邊界斜 線填滿的較大圓形標示之；(b) 損壞影響資訊(由左到右)，損壞維修管 線、關閉區域包含管線與周圍制水閥。

圖 5.12 損壞事件所造成管網所有需水節點的供水滿足模擬比例結果。

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為研擬管網合理的損壞改善策略，應執行管網整體性的損壞影響分 析，其結果如圖 5.13 所示。實際管網系統的制水閥分區數量較大，因此以 統計報表模組將分析結果轉換成有意義的圖表，如圖 5.13(a)所示，由制水 閥分區的影響衝擊直條圖，可以大略瞭解制水閥分區損壞影響衝擊的分佈 情形。大部分的制水閥分區關閉所造成的損壞影響皆不是很大，不過某些 制水閥分區的損壞則明顯較其他區域為大。

其中制水閥分區 S0, S1 與 S7 的損壞關閉都將造成大於 100,000CMD 以上的損壞影響缺水量。這些重要的制水閥分區，包含輸送供水節點的水 到其他區域的重要主要管線或包含供水節點，因此造成較大的損壞缺水影 響。而圖 5.13(b)所示的直條圖呈現在不同損壞影響缺水量區間的制水閥分 區數量。由該圖可以發現，損壞影響缺水量的分佈有兩個主要集中的量 值，其較大者可能為關鍵制水閥分區所造成，而較小的部分可能為其他類 型的制水閥分區損壞所造成。

另外具有較大損壞影響的制水閥分區，為包含主要幹管的關鍵制水閥 分區，如制水閥分區 S32，其損壞影響缺水量為 8,448CMD。其他亦有些 非關鍵分區，但有較大的損壞影響缺水衝擊，如制水閥分區 S33，其損壞 影響缺水衝擊量為 4,884CMD，這類重要的制水閥分區通常較不容易從原 始的管網系統中判識出來，但在轉換建立的制水閥分區輔助網路中，則可 以根據其連通關係執行損壞模擬，而快速有效的判別出來。這些損壞分析 模擬的結果，將可以輔助管網管理維護者決定有效的管網改善與維護策 略，提升自來水管網系統的可靠度。

圖 5.13 (a) 管網系統中個別制水閥分區損壞關閉的影響缺水量，與(b) 影 響缺水量的統計直條圖與報表。

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5.8.1 停水分析

執行管網停水維護，可以所發展管網停水分析模組協助管理案例管網 的管線損壞事件，其運作畫面如圖 5.14 所示。為便利停水分析判識，將不 同的節點類型以不同地理資訊圖層顯示，節點樣式則如圖左所示。由於管 網停水分析與後續的制水閥連通關鍵性分析皆以制水閥分區為分析單 位，因此原始管網系統所對應的制水閥分區輔助網路亦在啟動停水分析系 統時一併判識產生，以作為後續分析的基礎。經制水閥分區判識演算後的 部分管網如圖 5.15 所示。

管線 22697_1 停水維修工作，經執行停水影響分析，其結果如圖 5.16 所示。停水分析模組首先將包含該損壞管線的直接停水維修制水閥分區判 識出，如圖 5.16(a)箭頭所指的分區，並利用制水閥分區輔助網路的連通關 係，判斷是否有因維修分區停水維修，而關閉下游供水分區，並以虛線較 大圓形表示之，如圖 5.16(a)所示，直接停水分區為的右上方的那些制水閥 分區。另外制水閥分區關閉將影響到相鄰的制水閥分區，這些相鄰分區不 會直接被截斷供水，如圖 5.16(a)中具虛線顏色較淺的較大圓形所示。而執 行停水作業所需關閉的周圍制水閥，與停水作業將造成的直接維修分區影 響用水量、下游被關閉的影響用水量以及間接影響分區用水量，與這些受 影響制水閥分區所包含管線等資訊，如圖 5.16(b)所示，可以停水分析報表 功能模組列出，輔助評估損壞維修事件對於供水用戶的影響。

圖 5.14 管網停水分析管理系統畫面

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圖 5.15 管網停水分析示範範例部分管網

(a)

(b)

圖 5.16 (a) 管線 22697_1 損壞停水關閉造成之各類影響制水閥分區與(b) 停水分析資訊報表。

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5.8.2 制水閥損壞擴張樹分析

當系統執行停水分析時，亦會因制水閥損壞而有擴張影響，故以擴張 樹進行分析，在以前述管線 22697_1 損壞的制水閥損壞擴張影響，其分析 結果畫面如圖 5.17 所示，其中左邊為制水閥損壞擴張樹的分析結果，右邊 為相對應的損壞分析結果呈現在管網地理資訊介面的結果，其中關鍵制水 閥分區仍以雙層圓圈圓形標示之。損壞擴張樹分析直接判識出該損壞管線 所在的關鍵制水閥分區 S3980，並將因關閉損壞制水閥分區所造成的下游 影響制水閥分區一併判識出，且以階層式的架構呈現管件損壞的影響關 係，如圖 5.17 所示，S3980 的損壞將一併造成下游 S4324 等 9 個制水閥分 區的關閉。另由於管網損壞維修需關閉邊界制水閥才能執行，因此損壞制 水閥分區的邊界制水閥易直接在損壞擴張樹中判識顯示出，如圖所示的制 水閥 v16711、v16777 及 v16805。

制水閥在實務操作上可能有無法正常運作情形，進而擴張損壞操作的 影響範圍，雖然可以人工方式判斷下游應進一步關閉的制水閥，不過過程 較為繁瑣而容易出錯，而擴張損壞的連通關係亦不易顯現。因此，損壞擴 張樹分析模組亦發展制水閥損壞的動態分析程序。根據邊界制水閥的損壞 情形，分析應進一步關閉的下游邊界制水閥與其所造成的損壞擴張影響制 水閥分區。如圖 5.18(a)所示，制水閥 v16805 的損壞，將造成下游制水閥 分區 S4325 的關閉，而為截斷整個損壞維修區域的供水，必須關閉進一步 關閉另外的制水閥 v16781 與 v16782，而根據管網的連通性，下游的 S4668 與 S4966 亦將一併截斷供水。同樣的制水閥損壞動態分析程序可持續執 行，一直到所有邊界制水閥可正常操作而成功截斷維修區域為止，如圖 5.18(b)所示。制水閥損壞擴張樹分析，可簡化管網的連通關係，直接判識 呈現制水閥的損壞擴張影響，以輔助自來水公司評估管線損壞所可能造成 的停水影響，提升管網損壞維修效率。

圖 5.17 應用管線損壞擴張樹分析管線損壞之範例畫面。箭頭所指為直接 停水維修分區。

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(a)

(b)

圖 5.18 (a)單一邊界制水閥 v16805 損壞擴張之損壞擴張樹結果，與(b)多層

5.8.3 制水閥連通關鍵性分析 線，若是該管線損壞，需要關閉制水閥 v14901，當該制水閥損壞無法正常 運作的情況之下，則將擴張損壞區域到蓄水槽的唯一供水通道上，因此將

圖 5.19 制水閥連通關鍵性分析結果之損壞影響分佈統計長條圖。

(a)

(b)

圖 5.20 (a) 制水閥連通關鍵性分析之損壞影響分佈統計報表，與(b)具較大 連通關鍵性之制水閥列表。

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圖 5.21 制水閥連通關鍵性分析結果之制水閥排序報表。