一種市政排水管道堵塞的檢測預警系統的研究

徐唯瑋 張振峰 曾啟星 劉文鑫

摘? ?要：針對市政排水管道堵塞信息獲取的不便性與滯后性，及由此導致污水溢出等的危害性，本文提出并設計一套市政排水管道堵塞的檢測預警系統。系統能在日常管理中，從水位、管徑變化兩個角度智能收集、評估市政排水管道堵塞情況。并基于單片機與無線互聯技術，及時向管理部門發出預警信號，從而提早、準確地發現有堵塞風險的管道，并定位管道所在的位置。本系統還可接入智慧小區安防系統中，助力于智慧小區排水安全及衛生環境的構建。

關鍵詞：市政排水管道? 堵塞檢測? 預警系統

中圖分類號：TU992? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0022-03

當前，國內常應用于市政排水管道堵塞檢測方法，如管道潛望鏡檢測等，都需要人工直接或間接地參與操作，堵塞信息獲取往往滯后。同時，由于市政排水管網復雜，堵塞信息獲取甚為不便，一旦堵塞發生，輕則造成排水不暢，重則污水溢出影響環境，造成通行不便或其他安全問題。再者，現有的管道堵塞檢測系統，主要針對水位進行測定，檢測指標較為單一。且現有系統的無線網絡組網較困難，也存在無線傳輸信號不穩定、維護麻煩等問題。

鑒于上述問題，本文提出設計一種新型的市政排水管道堵塞檢測預警系統。基于現有的研究，本系統在基本功能、檢測指標等方面進行了完善，并展望了系統的應用前景。

1? 研究目的

（1）基本功能方面，本系統能在日常管理中智能收集、評估市政排水管道堵塞情況，并向管理部門發出預警信號，從而解決市政排水管道堵塞信息獲取的不便性與滯后性，減少由此導致污水溢出的危害性等問題。

（2）檢測指標方面，考慮淤泥是造成管道堵塞一個重要原因，本系統結合了水位檢測與管道淤泥重量檢測，能在符合市政排水管道水力特性下，直接、間接地從水位、管徑變化兩個角度評估堵塞情況，提高評估的準確性。

（3）無線網絡傳輸方面，基于現有系統無線網絡組網困難問題，本系統采用了基于Logi-IoT協議的無線通信技術和產品優化了檢測預警系統網絡，提高了系統的性能和可靠性。

（4）應用場合和范圍方面，本系統在“雨洪管理”概念提出下，可承擔監控城市排水管網堵塞情況的任務。同時，除了用于日常的市政管理，本系統還可接入智慧社區的安防系統中，補充、完善現有的安防系統。

2? 研究內容

本系統由檢查井內測量裝置、信息檢測與數據傳輸網絡、上位機三個主要部分構成。

2.1 檢查井內測量裝置

檢查井內測量裝置由集成管段、水位檢測裝置、淤泥稱重裝置、導線和信號控制裝置五個部分組成，見圖1。這些裝置外部采用透明的防水材料封裝，內部電路板采用環氧樹脂膠進行防水處理，以保證供電可靠性[1]。

（1）集成管段。

集成管段放置在檢查井內，接駁在連接檢查井的上游排水管道。稱重管段制作材料可選用HPDE或UPVC，尺寸與需要連接的上游管道一致，且兩者間的連接方式根據具體尺寸、材質可采用承插式、卡箍式等。

（2）水位檢測裝置。

水位檢測裝置集成在設置于管段中間位置的內頂壁上，內部裝載著非接觸式液位傳感器，該傳感器通過計算超聲波發送、接收產生的時間差與聲速的關系，從而確定集成管段內的水位高度[2]。

（3）淤泥稱重裝置。

淤泥稱重裝置設置于管段中間位置的底部外壁，稱重裝置底部埋入檢查井井底預留的槽內以作固定。裝載在淤泥稱重裝置的電阻應變式稱重傳感器伸入集成管段內，用于檢測稱重管道內某一橫截面上的淤泥重量。后期通過建立相關的數學模型可將淤泥重量轉化為對應淤泥厚度，從而間接反映出排水管道管徑的變化量。其中，電阻應變式稱重傳感器通過稱重面在外力作用下產生彈性形變，同時使附著在稱重面上的電阻也發生形變影響其阻值變化，其后通過測量電路將這一阻值變化換算一定的電壓或電流變化。此外，該稱重面為水平面，略突出于稱重管道底部。稱重面制作材料可以選擇Tc4、Tc9鈦合金。這種材料適合用作動態測量傳感器的彈性元件，同時具有很強的抗腐蝕性[3]。

（4）導線。

用于分別連接水位檢測裝置、淤泥稱重裝置與信號控制裝置。導線外部可以采用乙丙橡膠等防水套管進行保護。

（5）信號控制裝置。

信號控制裝置安裝在檢查井側壁的指定位置和高度上，裝置內部以STC15W4K32S4系列單片機為控制器，并裝載著基于Logi-IoT無線通信協議的DTU、電源模塊。

系統選用STC15W4K32S4系列單片機具有以下特點：RAM、ROM容量大適用于多數據的儲存;供電電壓為2.5～5.5V并有3種省電模式，可用電池供電且符合低功耗要求;內部帶8路10位ADC和高精度時鐘，無需外部集成這些模塊等[4]。這些特點與由于本裝置安裝在地下、需要采用低功耗獨立電源等要求相符合。

且單片機采用RS232串口與采用基于Logi-IoT無線通信協議的DTU連接。Logi-IoT通信距離達0.1m～15km，并可通過增加中繼（深度可達64級）的方式進行網絡覆蓋，且網關可通過Logi-IoT無線網絡輪詢各終端數據，使上位機通過無線網絡獲取預警信號更高效便捷。同時，Logi-IoT具有強穿透能力（最強可穿透20層樓）、低功耗（發射1W，待機25mW）、自帶定位功能（精度為3m）、無運行費用（相較4G通信）的優點[5]，這些特點與本系統處于地下、安裝量大等特性相匹配。

2.2 信息檢測與數據傳輸網絡

（1）信息檢測。

首先，通過信息控制裝置內的單片機設定傳感器檢測周期與報警閾值。其中，檢測周期可根據裝置安裝地的具體堵塞嚴重情況或當地的重現期設定。水位報警閾值為恒定值;淤泥重量報警閾值是與水位檢測值有關的函數，該水位檢測值為最近一次檢測值。

裝置通過導線獲取水位檢測裝置的水位檢測信息與淤泥稱重裝置內的淤泥重量檢測信息，當檢測值大于各自裝置內設置的報警閾值時，單片機將立即啟動無線通信模塊，將對應的堵塞預警信號傳送至臨近的DTU 1500中繼。當檢測值小于各自裝置內設定的報警閾值時，可設計程序將這些數據按時間順序先保存在單片機，當達到一定時間后再一次性將數據打包發送，上位機再對數據進行解析。

（2）數據傳輸網絡結構。

考慮到市政管網具有復雜、連接量大等特性，數據傳輸網絡采用樹形無線網絡結構。該網絡結構采用DTU 1500作為骨干節點，組成多層的樹形網絡，并支持Modbus RTU透傳（見圖2）。該網絡結構可用：Logi-IoT DTU*m*n + DTU 1500（Modbus從站）*m + GW 160（Modbus主站）+HMI 表示。（其中m、n為正整數，m≤64、n≤500）。

2.3 上位機

上位機人機界面要有預警信號提示、數據記錄等功能，支持上位機實現獲取并定位有堵塞風險的管段信息，同時能回看不同管段的水位高度、淤泥厚度數據。

3? 應用分析

3.1 應用前景

（1）市政管理中的監測環節。

本系統適用于市政排水管理中，或在“雨洪管理”模式下起城市排水管網監控作用。功能上，本系統能在日常工作中智能收集、評估排水管道的堵塞情況，并向管理部門發出預警信號。隨著本系統的應用，一方面能解決當下市政排水管道堵塞信息獲取的不便性與滯后性問題。其次，能幫助管理部門及時掌握排水管道淤塞度情況，便于管理者合理安排相關的清淤、防范工作，降低因管道堵塞造成的城市水浸等危害。

（2）智慧社區的運用。

本系統除了運用在市政管理上，還可應用于智慧社區的安防系統中，對現有的安防系統進行補充。隨著人們生活水平的提高，一些高端社區的住戶對居住環境或物業管理有更嚴格的要求。將本系統引入這些社區，能幫助管理者及時發現有堵塞風險的管網，降低因堵塞發生路面積水等隱患，為社區住戶提供更舒適的居住環境。

3.2 存在的問題及其分析

（1）裝置的安裝與尺寸。

在系統建立前期，應進一步深入調研，根據實際堵塞情況，在相應圖紙上對安裝點進行標記，并獲取其排水管網尺寸等信息。根據獲取的信息，確定集成管段、淤泥稱重裝置與水位檢測裝置的尺寸。由于城市排水管道直徑有確定的一系列的規格，因此可以根據排水管道規格建立相關的資料庫，減少實際調研的次數。

其次，信號控制裝置安裝在檢查井內壁上，但為了提高供電可靠性和安全性，應結合現場調研情況，最終確定具體的位置與高度。

（2）報警閾值的確定。

如何合理地確定各檢測指標的報警閾值是本系統的重難點之一。由于當下市政排水管道一般的清堵模式為定時清堵、產生水浸等危害后的應急清堵兩種，因此有關管理部門應當結合歷史堵塞情況、下水管道管徑、降雨情況等綜合情況，反復實測并確定出合理的報警閾值。

水位報警閾值可以根據實際調研確定具體的高度。而為了確定淤泥重量報警閾值，還需要推算出一種新穎且較為復雜的算法或模型。淤泥稱重裝置在管道有水流動的情況下，測得的是淤泥重量和水重力之和。但結合不同尺寸的管徑和最新的水位高度信息，可相應換算出此刻稱得的水重力。排除了水的重力后，還需要分析淤泥內部成分的比重變化對淤泥稱重的影響，因為同等重量但成分比重不同的淤泥，對排水管橫截面面積改變的程度都不相同。因此，想要確定最精確的淤泥檢測報警閾值，需要在日后進行大量的數據收集工作，并開展相關實驗進行測試與分析。

4? 結語

本文提出了一種市政排水管道堵塞檢測預警系統，相較其他研究，本系統在基本功能、檢測指標上進行了完善，并提高了系統無線傳輸網絡可靠性、穩定性，同時展望了系統的應用前景——可同時運用在市政管理及智慧社區安防系統中。但本系統想得到廣泛的實際運用，還需要對實測數據、檢測數據反復對比，詳細分析水位、淤泥厚度檢測數據與堵塞程度之間的數學關系，并不斷修正預警參數以提高檢測準確率。通過不斷完善，相信本系統能在智慧社區、城市排水管網管理，乃至流域雨洪管理中成為必不可缺的一環。

參考文獻

[1] 于華成，楊光軍.路面下水道堵塞檢測及沼氣提醒器的研究與設計[J].內蒙古科技與經濟，2018（18）：98-99.

[2] 顧佩月，賀文晨，周雨薇.基于SI1000的下水道堵塞裝置[J].物聯網技術，2015（3）：19-20.

[3] 劉九卿.稱重傳感器彈性元件金屬材料的分析與選擇[J].衡器，2001（10）：10-16.

[4] 宏晶科技.STC15系列單片機器件手冊[EB].http：//www.STCMCU.com.

[5] 圖倫科技.圖倫科技Logi-IoT在工業領域的應用[EB].http：//www.logi-iot.com.

[6] 王偉客，陳田力.試述市政排水管道運行維護及管理對策[J].建材與裝飾，2017（7）：165-166.