基于傳感器的智能城市地下水管檢漏系統(tǒng)研究

伍作徐　呂　游　謝志鵬　劉　斌　湯　勝　彭代杰　朱湘萍

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基于傳感器的智能城市地下水管檢漏系統(tǒng)研究

伍作徐呂游謝志鵬劉斌湯勝彭代杰朱湘萍

（湖南科技學(xué)院理學(xué)院，湖南永州425199）

通過理論分析，對(duì)智能城市地下輸水管道進(jìn)行了檢漏和精確定位的研究。首先探討了漏點(diǎn)信號(hào)的采集和處理，利用水流量傳感器和振動(dòng)傳感器對(duì)地下輸水管漏點(diǎn)的信號(hào)采集，子終端對(duì)信號(hào)的處理。再探討了多漏點(diǎn)存在的情況，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)程序?qū)φ駝?dòng)信號(hào)的比對(duì)處理。其次探討了漏點(diǎn)定位的方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水管單漏點(diǎn)及多漏點(diǎn)情況下的精確定位。最后探討了檢漏裝置的報(bào)警處理。因此，利用傳感器對(duì)地下輸水管進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、信號(hào)處理以及智能化報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下輸水管的智能化控制，及時(shí)、高效的解決地下輸水管的泄漏、能源損耗等問題。

智能城市、傳感器、檢漏系統(tǒng)

1　引　言

“隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的飛躍，現(xiàn)在所有城市和大部分鄉(xiāng)村都用上了自來水。由于管網(wǎng)老化，管材質(zhì)量低、供水管網(wǎng)非正常工作情況運(yùn)行，負(fù)荷不均、管道埋深不夠或太深、管道腐蝕等[1-3]，常常會(huì)導(dǎo)致城市地下水管漏水。一旦地下水管泄漏，就會(huì)造成經(jīng)濟(jì)、能源的巨大浪費(fèi)。因此地下水管檢漏的研究成為當(dāng)下的熱點(diǎn)研究問題。對(duì)地下輸水管的撿漏主要有音聽檢漏法[4]，但是這種檢漏法受噪音的影響較大，甄別水管漏點(diǎn)主要依靠人的經(jīng)驗(yàn)；相關(guān)檢測(cè)法[5]，這種方法不能檢測(cè)出管道存在兩個(gè)及兩個(gè)以上的露點(diǎn)的具體位置；區(qū)域裝表法[6]，該方法投資大，還受水表的準(zhǔn)確率影響，不能準(zhǔn)確定位具體的漏水點(diǎn)。超聲波檢漏法[7]，由于管道截止頻率的存在，超聲頻段的漏水信號(hào)不可能傳遞得很遠(yuǎn)；核磁共振法[8]，由于管外核磁共振測(cè)漏儀必須采用強(qiáng)磁場(chǎng)，又因?yàn)榈乇硐碌耐寥来抛栎^大，所以該方法成本太高，另外管外核磁共振測(cè)漏儀的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)臨近的電力、通訊設(shè)施將產(chǎn)生電磁干擾；放射性示蹤法[9]，該方法在檢漏過程費(fèi)用非常昂貴，且在供水系統(tǒng)中通常不是很有效的方法。綜合各種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本文通過傳感器和單片機(jī)程序語言，對(duì)地下輸水管的檢漏系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

2　檢漏裝置的研究設(shè)計(jì)

2.1整體框架模型設(shè)計(jì)

由于管道之多，地下輸水管網(wǎng)需分區(qū)域監(jiān)控，每一個(gè)子終端控制監(jiān)測(cè)一個(gè)特定的管網(wǎng)區(qū)域。首先，輸水管的分支端口分別安裝有水流量傳感器和振動(dòng)傳感器，水流量傳感器先將某一段時(shí)間內(nèi)的水流量信號(hào)分別傳回至子終端，由預(yù)先設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行比對(duì)處理，判斷同一段管子的水流量差距。其次，通過振動(dòng)傳感器采集管道的振動(dòng)信號(hào)，子終端根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間差，精確計(jì)算出漏點(diǎn)的具體位置信息。然后，報(bào)警信號(hào)和具體位置信號(hào)傳遞至終端服務(wù)控制屏。最后，終端控制屏顯示報(bào)警信號(hào)和具體位置信號(hào)，得以檢修人員獲知泄漏位置信息。

圖1.地下輸水管撿漏裝置整體模型圖

2.2模塊設(shè)計(jì)

檢漏裝置整體模型分為信號(hào)采集模塊、信號(hào)傳輸模塊、信號(hào)處理模塊和終端報(bào)警顯示模塊四大模塊。

①信號(hào)采集模塊:

信號(hào)采集模塊的中心元件是傳感器，由于泄漏的振動(dòng)信號(hào)會(huì)因泄漏點(diǎn)的大小不同而產(chǎn)生較大的差距，因此要求傳感器的靈敏度要高，檢測(cè)信號(hào)的范圍要廣。

②信號(hào)傳輸模塊設(shè)計(jì):

信號(hào)傳輸是銜接信號(hào)采集和信號(hào)處理的中間模塊。主要負(fù)責(zé)傳感器與子終端、子終端與終端服務(wù)器之間的信號(hào)傳遞。

由于子終端的分區(qū)域監(jiān)控，對(duì)于每一個(gè)區(qū)域的信號(hào)只需近距離傳至子終端比對(duì)處理，可以避免信號(hào)長(zhǎng)距離輸運(yùn)的難點(diǎn)。子終端信息處理后只需將泄漏的報(bào)警信號(hào)和具體位置信號(hào)傳回終端服務(wù)器。

③信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì):

對(duì)于每一個(gè)區(qū)域，子終端需比對(duì)各自區(qū)域水流量傳感器的水流量信號(hào)，若水流量出入不是很大，則無需處理振動(dòng)信號(hào)；若水流量信號(hào)出入超出誤差范圍，則需要接收振動(dòng)傳感器傳回的振動(dòng)信號(hào)。處理振動(dòng)信號(hào)需要甄別和計(jì)算。由于水管存在一系列干擾振動(dòng)頻率，為了排除這些無關(guān)振動(dòng)信號(hào)的影響，子終端需要甄別比對(duì)傳感器傳回的信號(hào)和水管泄漏產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)。金屬管道漏水聲音頻率一般在300Hz-2500Hz之間。而非金屬管道漏水聲音頻率在100Hz-700Hz之間[10]。是否泄漏產(chǎn)生振動(dòng)，一比對(duì)即可判別。若是泄漏產(chǎn)生振動(dòng)，子終端根據(jù)傳感器接收到信號(hào)的時(shí)間差，做相應(yīng)的信號(hào)處理計(jì)算，對(duì)漏點(diǎn)進(jìn)行定位。

④終端報(bào)警顯示模塊的設(shè)計(jì):

報(bào)警裝置模塊和終端顯示屏聯(lián)系在一起、監(jiān)控著其它各模塊，一旦子終端甄別比對(duì)振動(dòng)信號(hào)在管道泄漏的振動(dòng)信號(hào)范圍之內(nèi)，則報(bào)警模塊立刻提示報(bào)警，并顯示出泄漏點(diǎn)的具體位置，檢修人員通過總終端服務(wù)器可以第一時(shí)間獲知檢修泄漏點(diǎn)位置信息。

3　漏點(diǎn)定位原理

圖2.單漏點(diǎn)精確定位原理圖

4　創(chuàng)新點(diǎn)

（1）綜合傳統(tǒng)的檢漏方法，該檢漏裝置具有實(shí)時(shí)性、精確性、安全性等優(yōu)點(diǎn)。水管泄漏時(shí)第一時(shí)間反饋給維修人員，使水管得以維修。

（2）管道存在兩個(gè)以及兩個(gè)以上的漏點(diǎn)，水管檢漏裝置同樣可以實(shí)時(shí)檢測(cè)出漏點(diǎn)的位置。

圖3.多漏點(diǎn)精確定位原理圖

振動(dòng)信號(hào)沿著管壁傳播過程中振動(dòng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生衰減[11]，而且漏點(diǎn)1和漏點(diǎn)2的位置不同，所以振動(dòng)信號(hào)沿著管壁傳播到傳感器1或者傳感器2的振動(dòng)頻率就會(huì)產(chǎn)生頻率不同。所以傳感器接收到漏點(diǎn)1和漏點(diǎn)2的振動(dòng)信號(hào)就會(huì)不同，利用振動(dòng)信號(hào)的差距所以就可以判別振動(dòng)信號(hào)是漏點(diǎn)1產(chǎn)生的還是漏點(diǎn)2產(chǎn)生的。

5　結(jié)束語

由于振動(dòng)信號(hào)的衰減，地下輸水管存在兩個(gè)漏點(diǎn)以及兩個(gè)漏點(diǎn)以上時(shí)，傳感器檢測(cè)到不同漏點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)的頻率就不同，根據(jù)傳播的信號(hào)頻率不同和傳感器接受信號(hào)的時(shí)間不同就可以計(jì)算出相鄰兩個(gè)漏點(diǎn)之間的距離，根據(jù)傳感器（左）最大振動(dòng)頻率和傳感器（右）最小振動(dòng)頻率的信號(hào)分別傳到左右兩端傳感器的時(shí)間差，就可以計(jì)算出離左端傳感器最近的漏點(diǎn)的位置，這樣就可以解決所有的漏點(diǎn)的具體位置。基于傳感器的智能城市地下水管撿漏裝置，通過對(duì)漏點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)比對(duì)、處理、并及時(shí)報(bào)警，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了水管監(jiān)控的自動(dòng)化，實(shí)時(shí)的檢測(cè)到漏點(diǎn)的存在，有效避免了資源浪費(fèi)，比傳統(tǒng)的檢測(cè)方法更具可行性。

[1]蘇桂明.城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏水原因分析及防治措施探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2001,(7):51-52.

[2]凌振寶,潘志偉,穰瑜,張?zhí)?城市自來水管道漏點(diǎn)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2005,(3):263-266.

[3]石亮民.地下給水管網(wǎng)漏水檢修實(shí)踐[J].中國(guó)給水排水,1994,(2):44-46.

[4]王菲.城市供水管網(wǎng)漏損控制技術(shù)研究[D].太原理工大學(xué),2010.

[5]邱增凱,王啟萬,孫中,白江.地下自來水管道測(cè)漏儀的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].氣象水文海洋儀器,2003,(3):30-35.

[6]張?bào)@雷,王勇,黃惟一.自來水管網(wǎng)檢漏技術(shù)[J].電子器件,2007,(1):340-343.

[7]徐潔,丁金婷,江浩.管道泄露方法綜述[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2004,(4):56-60.

[8]張連文.管道泄漏檢測(cè)技術(shù)及評(píng)價(jià)[J].油氣田地面工程,2003,(4):1-2.

[9]任宏微,劉耀煒,孫小龍,張磊.單孔同位素稀釋示蹤法測(cè)定地下水滲流速度、流向的技術(shù)發(fā)展[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài),2013,(2):5-7.

[10]高偉.供水管道檢漏的基本內(nèi)容及常規(guī)方法[J].管道技術(shù)與設(shè)備,1999,(4):19-21.

[11]劉濤.管道檢測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)處理技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué),2007.

（責(zé)任編校：宮彥軍）

2015－12－08

2015年省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃資助項(xiàng)目（湘教通【2015】269號(hào)）。

伍作徐（1995－），男，湖南婁底人，湖南科技學(xué)院物理學(xué)院學(xué)生。

TP277

A

1673-2219（2016）10-0020-03