城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，包括分別位于供水管道首端和末端的首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊、分布在供水管道首端和末端之間的聲波檢測(cè)模塊、以及上位機(jī)；首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)相同，均包括依次連接的壓力傳感器和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置；聲波檢測(cè)模塊用于檢測(cè)供水管道中水流的聲波；上位機(jī)用于通過(guò)首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊獲取的供水管道內(nèi)負(fù)壓波產(chǎn)生的下降拐點(diǎn)進(jìn)行泄漏的粗定位，再通過(guò)聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)到的聲波進(jìn)行精確定位。本發(fā)明首先利用壓力傳感器對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行粗定位，然后利用聲波傳感器進(jìn)行精確定位，從而實(shí)現(xiàn)城市地下管廊供水管道泄漏的快速定位和精確報(bào)警。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于市政公用設(shè)施運(yùn)營(yíng)與維護(hù)領(lǐng)域，尤其涉及一種城市地下管廊供水管道 泄漏檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，城市地下綜合管廊建設(shè)已經(jīng)成為國(guó)家層面的重大民生和社會(huì)安全項(xiàng)目， 直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定與發(fā)展。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，管廊建設(shè)與維護(hù)面 臨著管線管理復(fù)雜、管線故障難以精確檢測(cè)、維護(hù)成本高等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因此，將多種介質(zhì)管 線（如供水、燃?xì)?、排水、電力、石油管道?融合到城市地下綜合管廊中進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)和 管理。提高城市管網(wǎng)的運(yùn)行效率和質(zhì)量，是本領(lǐng)域研究人員和工程技術(shù)人員所面對(duì)的重要 任務(wù)。
[0003] 供水管道是城市地下綜合管廊的重要組成部分，其運(yùn)行故障診斷和減少故障率均 是城市地下綜合管廊的共性問(wèn)題。由于供水管線的超期服役或者施工破壞等因素，城市供 水管道的泄漏問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。目前，國(guó)內(nèi)檢測(cè)供水管道泄漏技術(shù)主要采用常規(guī)的負(fù)壓波檢 測(cè)法，它的基本原理是依據(jù)管道泄漏時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓波來(lái)預(yù)報(bào)泄漏事故的發(fā)生，并且根據(jù)上 下游兩個(gè)壓力傳感器接收到壓力波的時(shí)間差和波速來(lái)對(duì)泄漏進(jìn)行定位。負(fù)壓波檢測(cè)法適用 于長(zhǎng)距離輸送管道，具有計(jì)算量小、靈敏度高，能夠迅速檢查并報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)。從技術(shù)指標(biāo)上 來(lái)講，負(fù)壓波檢測(cè)法的定位精度不高，并且容易受到一些管道正常操作的影響而產(chǎn)生誤報(bào)， 例如上下游栗站的開(kāi)栗、停栗、調(diào)栗等常規(guī)操作。另一方面，聲波檢測(cè)法是當(dāng)管道發(fā)生泄漏 時(shí)會(huì)產(chǎn)生噴水的聲音，這種聲音會(huì)沿著管道向上下游快速傳播。利用聲波傳感器檢測(cè)泄漏 點(diǎn)發(fā)出的噴水聲的到達(dá)時(shí)刻，也可以對(duì)泄漏位置進(jìn)行定位且其定位精度通常比負(fù)壓波檢測(cè) 法要高;但是，聲波檢測(cè)法由于其在管道上的傳播機(jī)理的特殊性，衰減的很快，因此只適合 在短距離管道檢測(cè)中使用。概括來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有供水管道泄漏檢測(cè)方法均具有明顯的短板，因此 城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)精度不高這一技術(shù)問(wèn)題仍未得到很好的解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)及方法，以解決 現(xiàn)有供水管道泄漏檢測(cè)方法的泄漏點(diǎn)定位效率不高這一技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)城市地下管廊供水 管道泄漏的精確報(bào)警和快速定位。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案為:一種城市地下管廊供水管道泄 漏檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:它包括分別位于供水管道首端和末端的首端壓力檢測(cè)模塊和末 端壓力檢測(cè)模塊、分布在供水管道首端和末端之間的聲波檢測(cè)模塊、以及上位機(jī);其中
[0006] 首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)相同，均包括依次連接的壓力傳感器 和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置的輸出端與所述的上位機(jī)連接；
[0007] 聲波檢測(cè)模塊用于檢測(cè)供水管道中水流的聲波，并發(fā)送給上位機(jī)；
[0008] 上位機(jī)用于通過(guò)首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊獲取的供水管道內(nèi)負(fù)壓 波產(chǎn)生的下降拐點(diǎn)進(jìn)行泄漏的粗定位，再通過(guò)聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)到的聲波進(jìn)行精確定位。
[0009] 按上述系統(tǒng)，所述的聲波檢測(cè)模塊包括聲波傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)處理單 元、定位模塊和無(wú)線通訊模塊;聲波傳感器通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路與信號(hào)處理單元的輸入端連 接，定位模塊的輸出端與信號(hào)處理單元的輸入端連接，信號(hào)處理單元與無(wú)線通訊模塊連接。
[0010] 按上述系統(tǒng)，所述的聲波檢測(cè)模塊沿供水管道每隔2-3km設(shè)置一個(gè)。
[0011] 利用上述城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)方法，其特征在于：它 包括以下步驟：
[0012] S1、當(dāng)首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊檢測(cè)到供水管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓波，則 判斷供水管道內(nèi)已發(fā)生泄漏，通過(guò)確認(rèn)負(fù)壓波的下降拐點(diǎn)，對(duì)供水管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行粗定位；
[0013] S2、選出與粗定位的泄漏點(diǎn)最接近的兩個(gè)聲波檢測(cè)模塊，記粗定位的泄漏點(diǎn)上游 的最后一個(gè)聲波檢測(cè)模塊序號(hào)為n，則粗定位泄漏點(diǎn)下游的第一個(gè)聲波檢測(cè)模塊序號(hào)為n+ 1;上位機(jī)通過(guò)無(wú)線通訊模塊向這兩個(gè)聲波檢測(cè)模塊發(fā)送接收聲波信號(hào)請(qǐng)求；
[0014] S3、聲波檢測(cè)模塊接收到聲波信號(hào)請(qǐng)求后，在已存儲(chǔ)的聲波信號(hào)中選取第一個(gè)幅 值小于警戒值的聲波信號(hào)，并將該聲波信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)刻和其下一時(shí)刻的平均值作為泄漏產(chǎn)生 的聲波到達(dá)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻，將計(jì)算得到的泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻 發(fā)送給上位機(jī)；
[0015] S4、上位機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊接收來(lái)自2個(gè)聲波檢測(cè)模塊的泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá) 對(duì)應(yīng)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻，結(jié)合聲波傳播速度和2個(gè)聲波檢測(cè)模塊在供水管道的位置，對(duì)泄 漏點(diǎn)進(jìn)行精確定位。
[0016] 按上述方法，所述的S1按照如下公式對(duì)供水管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行粗定位：
[0018] 其中，Χι為粗定位的泄漏點(diǎn)離供水管道的首站的距離，單位為m;Vp為負(fù)壓波在供水 管道內(nèi)的傳播速度，單位為m/s; L為首末兩站之間供水管道的長(zhǎng)度，單位為m; h為安裝在首 站的壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)供水管道內(nèi)負(fù)壓波產(chǎn)生的下降拐點(diǎn)的時(shí)間，單位為S;T2*安裝在 末站的壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)供水管道內(nèi)負(fù)壓波產(chǎn)生的下降拐點(diǎn)的時(shí)間，單位為s。
[0019] 按上述方法，所述的S3具體為：
[0020] 聲波檢測(cè)模塊接收到聲波信號(hào)請(qǐng)求后，暫停聲波傳感器采集聲波信號(hào)，并將存儲(chǔ) 的聲波信號(hào)按時(shí)間倒序逐個(gè)取出，并進(jìn)行去噪處理；
[0021] 按時(shí)間倒序逐個(gè)查詢(xún)?nèi)ピ胩幚砗蟮穆暡ㄐ盘?hào)，直到找到第一個(gè)幅值小于警戒值的 聲波信號(hào)，并將該聲波信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)刻和其下一時(shí)刻的平均值作為泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)聲波 檢測(cè)模塊的時(shí)刻；
[0022] 將計(jì)算得到的泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻發(fā)送給上位機(jī)；
[0023]重啟聲波傳感器采集聲波信號(hào)。
[0024 ]按上述方法，所述的S4按照如下公式進(jìn)行精確定位：
[0026]其中，Y為準(zhǔn)確定位的泄漏點(diǎn)離供水管道首端的距離，單位為m;YnS序號(hào)為η的聲 波檢測(cè)模塊離供水管道首端的距離，單位為m;Yn+1為序號(hào)為n+1的聲波檢測(cè)模塊離供水管道 的首站的距離，單位為m; Vs為聲波沿供水管道管壁的傳播速度，單位為m/s; Τ2η*序號(hào)為η的 聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)到泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)序號(hào)為η的聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻，單位為s;T2 n+1 為序號(hào)為n+1的聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)到泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)序號(hào)為n+1的聲波檢測(cè)模塊的時(shí) 亥IJ，單位為s。
[0027]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明通過(guò)壓力傳感器和聲波傳感器的組合，首先利用壓 力傳感器對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行粗定位，然后利用聲波傳感器進(jìn)行精確定位，從而實(shí)現(xiàn)城市地下管 廊供水管道泄漏的快速定位和精確報(bào)警。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0029] 圖2為聲波檢測(cè)模塊的硬件原理框圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的方法流程圖。
[0031] 圖中：1-首端壓力檢測(cè)模塊，2-末端壓力檢測(cè)模塊，3-供水管道，4-聲波檢測(cè)模塊， 5-上位機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0033] 本發(fā)明提供一種城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示，它包括分別位 于供水管道3首端和末端的首端壓力檢測(cè)模塊1和末端壓力檢測(cè)模塊2、分布在供水管道1首 端和末端之間的聲波檢測(cè)模塊4、以及上位機(jī)5;其中首端壓力檢測(cè)模塊1和末端壓力檢測(cè)模 塊2結(jié)構(gòu)相同，均包括依次連接的壓力傳感器和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置的輸 出端與所述的上位機(jī)5連接;聲波檢測(cè)模塊4用于檢測(cè)供水管道中水流的聲波，并發(fā)送給上 位機(jī)5;上位機(jī)5用于通過(guò)首端壓力檢測(cè)模塊1和末端壓力檢測(cè)模塊2獲取的供水管道3內(nèi)負(fù) 壓波產(chǎn)生的下降拐點(diǎn)進(jìn)行泄漏的粗定位，再通過(guò)聲波檢測(cè)模塊4檢測(cè)到的聲波進(jìn)行精確定 位。
[0034] 進(jìn)一步細(xì)化的，所述的聲波檢測(cè)模塊如圖2所示，包括聲波傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、 信號(hào)處理單元、定位模塊和無(wú)線通訊模塊;聲波傳感器通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路與信號(hào)處理單元 的輸入端連接，定位模塊的輸出端與信號(hào)處理單元的輸入端連接，信號(hào)處理單元與無(wú)線通 訊模塊連接。定位模塊可以為GPS模塊或者北斗定位模塊，無(wú)線通訊模塊可以為wifi或GPRS 豐旲塊。
[0035]優(yōu)選的，所述的聲波檢測(cè)模塊沿供水管道每隔2_3km設(shè)置一個(gè)。本實(shí)施例中，所安 裝的聲波檢測(cè)模塊的總個(gè)數(shù)記為Num，且將其從首端開(kāi)始沿供水管道依次取序號(hào)為1，2,…， Num。所述上位機(jī)由工控機(jī)和不間斷電源組成。還可以設(shè)置2個(gè)上位機(jī)，一個(gè)作為備用。
[0036]具體地，供電裝置分別連接聲波傳感器供電端口、信號(hào)調(diào)理單元供電端口和信號(hào) 處理單元供電端口，以為聲波傳感器、信號(hào)調(diào)理單元和信號(hào)處理單元提供電力支持;聲波傳 感器數(shù)據(jù)輸出端口連接信號(hào)調(diào)理單元的輸入端口，信號(hào)調(diào)理單元的輸出端口連接信號(hào)處理 單元的輸入端口，GPS模塊的地理和時(shí)間數(shù)據(jù)輸出端口連接信號(hào)處理單元的數(shù)據(jù)總線端口， 以為定位系統(tǒng)提供同步時(shí)間信息；信號(hào)處理單元的輸出端口連接GPRS模塊的輸入端口， GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸終端發(fā)送供水管道泄漏信息到工控機(jī)，工控機(jī)的輸出端口連接顯示 器，不間斷電源連接工控機(jī)、智能高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣裝置和壓力傳感器，壓力傳感器輸出端 口連接智能高速數(shù)據(jù)采樣裝置的輸出端口，智能高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣裝置的輸出端連接工控 機(jī)的輸入端口。
[0037]利用上述城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)方法，如圖3所示，它包 括以下步驟：
[0038] S1、當(dāng)首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊檢測(cè)到供水管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓波，則 判斷供水管道內(nèi)已發(fā)生泄漏，通過(guò)確認(rèn)負(fù)壓波的下降拐點(diǎn)，對(duì)供水管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行粗定位。 [0039]本實(shí)施例中，按照如下公式對(duì)供水管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行粗定位：
[0041] 其中，Χι為粗定位的泄漏點(diǎn)離供水管道的首站的距離，單位為m;Vp為負(fù)壓波在供水 管道內(nèi)的傳播速度，單位為m/s; L為首末兩站之間供水管道的長(zhǎng)度，單位為m; h為安裝在首 站的壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)供水管道內(nèi)負(fù)壓波產(chǎn)生的下降拐點(diǎn)的時(shí)間，單位為S;T2*安裝在 末站的壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)供水管道內(nèi)負(fù)壓波產(chǎn)生的下降拐點(diǎn)的時(shí)間，單位為s。
[0042] S2、選出與粗定位的泄漏點(diǎn)最接近的兩個(gè)聲波檢測(cè)模塊，記粗定位的泄漏點(diǎn)上游 的最后一個(gè)聲波檢測(cè)模塊序號(hào)為n，則粗定位泄漏點(diǎn)下游的第一個(gè)聲波檢測(cè)模塊序號(hào)為n+ 1;上位機(jī)通過(guò)無(wú)線通訊模塊向這兩個(gè)聲波檢測(cè)模塊發(fā)送接收聲波信號(hào)請(qǐng)求。
[0043] S3、聲波檢測(cè)模塊接收到聲波信號(hào)請(qǐng)求后，在已存儲(chǔ)的聲波信號(hào)中選取第一個(gè)幅 值小于警戒值的聲波信號(hào)（原理為:泄漏時(shí)，水壓下降，水流的聲波降低），并將該聲波信號(hào) 對(duì)應(yīng)時(shí)刻和其下一時(shí)刻的平均值作為泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻，將計(jì)算得 到的泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻發(fā)送給上位機(jī)。
[0044] S3具體為：
[0045] 聲波檢測(cè)模塊接收到聲波信號(hào)請(qǐng)求后，暫停聲波傳感器采集聲波信號(hào)，并將存儲(chǔ) 的聲波信號(hào)按時(shí)間倒序逐個(gè)取出，并進(jìn)行去噪處理；
[0046] 按時(shí)間倒序逐個(gè)查詢(xún)?nèi)ピ胩幚砗蟮穆暡ㄐ盘?hào)，直到找到第一個(gè)幅值小于警戒值的 聲波信號(hào)，并將該聲波信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)刻和其下一時(shí)刻的平均值作為泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)聲波 檢測(cè)模塊的時(shí)刻；
[0047]將計(jì)算得到的泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻發(fā)送給上位機(jī)；
[0048]重啟聲波傳感器采集聲波信號(hào)。
[0049] S4、上位機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊接收來(lái)自2個(gè)聲波檢測(cè)模塊的泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá) 對(duì)應(yīng)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻，結(jié)合聲波傳播速度和2個(gè)聲波檢測(cè)模塊在供水管道的位置，對(duì)泄 漏點(diǎn)進(jìn)行精確定位。
[0050] 優(yōu)選的，S4按照如下公式進(jìn)行精確定位：
[0052]其中，Y為準(zhǔn)確定位的泄漏點(diǎn)離供水管道首端的距離，單位為m;YnS序號(hào)為η的聲 波檢測(cè)模塊離供水管道首端的距離，單位為m;Yn+1為序號(hào)為η+1的聲波檢測(cè)模塊離供水管道 的首站的距離，單位為m; Vs為聲波沿供水管道管壁的傳播速度，單位為m/s; Τ2η*序號(hào)為η的 聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)到泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)序號(hào)為η的聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻，單位為s;T2n+1 為序號(hào)為n+1的聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)到泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)序號(hào)為n+1的聲波檢測(cè)模塊的時(shí) 亥IJ，單位為s。
[0053] 定位后，在顯示界面中進(jìn)行顯示，還可以發(fā)送報(bào)警信號(hào)。
[0054]本發(fā)明創(chuàng)新性提出一種負(fù)壓波與聲波協(xié)同檢測(cè)的新思路進(jìn)行城市地下管廊供水 管道泄漏檢測(cè)，發(fā)揮了負(fù)壓波檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行泄漏故障的粗定位，在粗定位后觸發(fā)泄 漏點(diǎn)附件的兩個(gè)聲波信號(hào)檢測(cè)下位機(jī)進(jìn)行聲波信號(hào)的采集和聲波定位計(jì)算，這樣可以發(fā)揮 聲波定位方法的高精度優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，只有泄漏點(diǎn)附件的兩個(gè)聲波信號(hào)檢測(cè)下位機(jī)投入到泄 漏定位中，大大節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)傳送量，提高了聲波信號(hào)檢測(cè)下位機(jī)的服役壽命。概括 來(lái)講本發(fā)明提供的一種基于GPRS的城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)及方法能夠解決 現(xiàn)有供水管道泄漏檢測(cè)方法的泄漏點(diǎn)定位效率不高這一技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)城市地下管廊供水 管道泄漏的精確報(bào)警和快速定位。
[0055]本實(shí)施例，GPS模塊選用型號(hào)為SIRF 3111，采用全新的sirf 3代芯片;GPRS模塊選 用西門(mén)子公司型號(hào)為MC55/55i ;聲波傳感器選型為朗斯公司的LC01系列內(nèi)裝壓電加速度傳 感器;壓力傳感器選用型號(hào)為美國(guó)OMEGA公司的309系列高精度壓力傳感器;信號(hào)處理單元 選用TI公司的TMS320F28335型號(hào)的DSP芯片;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置采用PCI e高速數(shù)據(jù)采集卡 M4i.44xx。
[0056] 本實(shí)施例中，選取一段地下管廊供水管道長(zhǎng)度為10km，在距離首站上位機(jī)5.5km處 設(shè)置模擬泄漏位置。沿管道每隔2km安裝一個(gè)聲波檢測(cè)模塊，這樣全線管道共安裝6個(gè)聲波 檢測(cè)模塊，且在管道首末兩端同時(shí)安裝壓力檢測(cè)模塊和上位機(jī)。
[0057]該基于GPRS的城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的工作進(jìn)程為:壓力傳感器周 期性采集壓力信號(hào)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)聲波傳感器周期性采集聲波信號(hào)并通過(guò)信號(hào)調(diào)理單 元濾波放大處理后送入信號(hào)處理單元，繼而通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后存入RAM且附上其時(shí)間標(biāo)簽。 當(dāng)供水管道發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)造成局部流體物質(zhì)的損失，引起局部密度減小而形式負(fù)壓波并 沿著上下游傳播，此時(shí)通過(guò)設(shè)置在供水管道首末兩端的壓力傳感器檢測(cè)到負(fù)壓波產(chǎn)生時(shí)產(chǎn) 生的壓力下降拐點(diǎn)的時(shí)間差和負(fù)壓波在供水管道中的傳輸波速就可以大致確定出泄漏發(fā) 生的位置，相應(yīng)地也就確定了泄漏點(diǎn)處在哪兩個(gè)聲波檢測(cè)模塊之間。此時(shí)，上位機(jī)向剛剛確 定的兩個(gè)聲波檢測(cè)模塊發(fā)送接收數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并等待其回應(yīng);聲波檢測(cè)模塊收到指令后，啟動(dòng) 信號(hào)處理單元并同時(shí)停止聲波傳感器的數(shù)據(jù)采集，接著從信號(hào)處理單元的RAM中按時(shí)間逆 序逐個(gè)取出聲波數(shù)據(jù)并做小波去噪處理，然后將處理后的聲波數(shù)據(jù)的幅值與按照工藝制度 確定的報(bào)警值比較，尋找幅值小于報(bào)警值的第一個(gè)采樣點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即是聲波傳感 器接收到由于供水管道泄漏產(chǎn)生的聲音到達(dá)時(shí)刻。特別指出的是，這種事件觸發(fā)式的信號(hào) 處理方式，能夠迅速確定出由于供水管道泄漏產(chǎn)生的聲音到達(dá)時(shí)刻，避免了常規(guī)周期性發(fā) 送聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)通信機(jī)制的數(shù)據(jù)傳輸量大的弊端，顯著提高了通訊的效率。接下來(lái)，將該采 樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻和幅值信息按照規(guī)定的傳輸格式以總線方式傳給無(wú)線通訊模塊并向上位 機(jī)發(fā)送。無(wú)線通訊模式采用基于TCP/IP協(xié)議的GPRS通訊方式，并且在發(fā)送的數(shù)據(jù)包中打上 時(shí)間標(biāo)簽和裝置標(biāo)號(hào)。上位機(jī)在接收到聲波檢測(cè)模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包后，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換成時(shí) 間和幅值數(shù)據(jù)存入工控機(jī)的內(nèi)存中，按照定位算法精確計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置并在顯示器界 面上顯示，且再次啟動(dòng)無(wú)線通訊模塊將定位信息以短信形式向管道管理部門(mén)負(fù)責(zé)人的手機(jī) 上發(fā)送，最后將所得報(bào)警信息涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)備份。
[0058] 各個(gè)功能模塊的具體作用和實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
[0059] 聲波傳感器收取外界各種聲波信號(hào)，要求傳感器的靈敏度和采樣率足夠高，同時(shí) 耗能要盡量低，將其安裝于供水管道上在線收集泄漏點(diǎn)發(fā)出的聲音，并把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成 電信號(hào)。系統(tǒng)中采用的型號(hào)為L(zhǎng)anceLC0108系列的振動(dòng)傳感器，配合LanceLC0108恒流源使 用。
[0060] GPS模塊為系統(tǒng)各個(gè)組成單元提供準(zhǔn)確的同步時(shí)間信息，本實(shí)施例中選用型號(hào)為 SIRF 3111，采用全新的sirf 3代芯片。
[0061] 信號(hào)調(diào)理單元負(fù)責(zé)把聲波傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波放大，根據(jù)時(shí)間的工作狀 況和分析數(shù)據(jù)可以推斷出供水管道泄漏時(shí)液體摩擦管壁發(fā)出的聲音頻段和信噪比。通過(guò)設(shè) 定濾波頻段和放大倍數(shù)可有效提高信噪比，濾除大部分噪聲信號(hào)。
[0062] 信號(hào)處理單元選用TI公司的TMS320F28335型號(hào)的DSP芯片，將信號(hào)調(diào)理單元輸出 的模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)DSP芯片上自帶的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)打上時(shí)間標(biāo)簽 后存入RAM。當(dāng)無(wú)線通訊單元收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制信號(hào)時(shí)，DSP芯片利用中斷指令啟動(dòng)對(duì) 數(shù)據(jù)的處理。按照時(shí)間倒序逐個(gè)從RAM中取出聲波數(shù)據(jù)先做去噪處理，再將處理后的信號(hào)幅 值與預(yù)先由工作狀況設(shè)定的報(bào)警值進(jìn)行比較，獲得首個(gè)幅值小于報(bào)警值的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù) 點(diǎn)對(duì)于的時(shí)間信息和幅值信息保存起來(lái)，這樣就完成了整個(gè)信號(hào)處理的過(guò)程。
[0063] GPRS模塊選用西門(mén)子公司型號(hào)為MC55/55i。與其他通訊方式相比，GPRS技術(shù)具有 接入范圍廣，傳輸速率高，恒定在線等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，為了防止傳輸延時(shí)、數(shù)據(jù)丟包以及多 個(gè)裝置同時(shí)向控制臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)混淆的特殊情況，無(wú)線通訊方式基于TCP/IP協(xié)議，并要求傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)應(yīng)按照規(guī)定的傳輸格式打包傳輸，以確保上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)是唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)分 站信號(hào)檢測(cè)裝置的情形。
[0064] 本系統(tǒng)由位于首末兩端的壓力檢測(cè)模塊、沿供水管道布置的若干個(gè)聲波檢測(cè)模塊 和上位機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)每隔24小時(shí)要對(duì)各個(gè)聲波檢測(cè)模塊進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括:判 斷與上位機(jī)的通訊情況，如果連接中斷或者不暢則重新建立連接;判斷各個(gè)聲波檢測(cè)模塊 的時(shí)間是否一致，每隔一段時(shí)間用GPS模塊對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)。另外，聲波檢測(cè) 模塊本身還具有自檢功能，GPRS模塊在不發(fā)生數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)應(yīng)處于待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省電能。僅 當(dāng)聲波檢測(cè)模塊收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制信號(hào)時(shí)，GPRS模塊才會(huì)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸終端發(fā)送數(shù)據(jù) 包;當(dāng)上位機(jī)完成數(shù)據(jù)接收后檢測(cè)裝置的GPRS模塊又會(huì)變成待機(jī)狀態(tài)。
[0065] 基于負(fù)壓波和聲波協(xié)同檢測(cè)的供水管道泄漏檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了兩種檢測(cè)機(jī)制下的 連鎖報(bào)警功能，即只有負(fù)壓波檢測(cè)和聲波檢測(cè)都認(rèn)為泄漏發(fā)生時(shí)才會(huì)給出報(bào)警信息，從根 本上減少了系統(tǒng)誤報(bào)的可能，降低了誤報(bào)率。更為重要的是，充分利用了兩種檢測(cè)方法的各 自?xún)?yōu)勢(shì)，對(duì)于整個(gè)長(zhǎng)距離的供水管道利用負(fù)壓波檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)發(fā)生泄漏時(shí)候的大致位置， 并利用該信息啟動(dòng)發(fā)生泄漏處附近的兩個(gè)聲波檢測(cè)裝置，繼而利用聲波檢測(cè)方法對(duì)泄漏點(diǎn) 進(jìn)行準(zhǔn)確定位。
[0066] 本實(shí)施例選取一具體案例，包括以下步驟：
[0067]步驟1)當(dāng)供水管道發(fā)生泄漏時(shí)，管道首末兩端的壓力傳感器均會(huì)檢測(cè)到壓力下降 信號(hào)，計(jì)算其時(shí)間差，且負(fù)壓波在水中的傳播速度為l〇66m/s，壓力信號(hào)的采用率為50Hz，檢 測(cè)到的時(shí)間差為1400ms，通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以根據(jù)負(fù)壓波檢測(cè)算法計(jì)算出泄漏大致發(fā)生的位 置為距離供水管道首端5740m處，從而確定出泄漏發(fā)生在第3個(gè)和第4個(gè)聲波檢測(cè)模塊之間。 [0068]步驟2)由安裝在供水管道末端的上位機(jī)通過(guò)GPRS模塊向泄漏點(diǎn)兩側(cè)的第3個(gè)和第 4個(gè)聲波檢測(cè)模塊發(fā)送接收聲波信號(hào)請(qǐng)求，并等待回應(yīng)。
[0069]步驟3)聲波檢測(cè)模塊收到聲波信號(hào)請(qǐng)求后，信號(hào)處理單元開(kāi)始處理數(shù)據(jù)，將分析 后的信息按照約定格式打包后通過(guò)GPRS模塊向所述上位機(jī)發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)。
[0070] 步驟4)上位機(jī)接收到聲波檢測(cè)模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后將其存入工控機(jī)內(nèi)存中，計(jì) 算其時(shí)間差為188ms，聲波檢測(cè)模塊的采樣率為10000Hz，聲波產(chǎn)生的振動(dòng)沿供水管道壁的 傳播速度為5320m/s;此時(shí)已經(jīng)聲波檢測(cè)算法計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置為距離供水管道首端 5501m處，將計(jì)算結(jié)果在上位機(jī)顯示界面中顯示。
[0071] 由本實(shí)施例的驗(yàn)證結(jié)果可以看出，本發(fā)明所述方法最終得到的管道泄漏定位精度 偏差將由負(fù)壓波計(jì)算法的12%提高到最終的0.05%，也就是說(shuō)，將泄漏點(diǎn)定位從240米精確 到在lm范圍內(nèi)，這在實(shí)際中會(huì)使得維修人員在泄漏事故發(fā)生時(shí)快速找到泄漏點(diǎn)，將損失降 到最低，實(shí)現(xiàn)了提高供水管道泄漏準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和精確定位的目標(biāo)。
[0072] 以上實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和特點(diǎn)，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù) 人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實(shí)施例。所以，凡依 據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計(jì)思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：它包括分別位于供水管道 首端和末端的首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊、分布在供水管道首端和末端之間的 聲波檢測(cè)模塊、W及上位機(jī);其中 首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)相同，均包括依次連接的壓力傳感器和實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置的輸出端與所述的上位機(jī)連接； 聲波檢測(cè)模塊用于檢測(cè)供水管道中水流的聲波，并發(fā)送給上位機(jī)； 上位機(jī)用于通過(guò)首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊獲取的供水管道內(nèi)負(fù)壓波產(chǎn) 生的下降拐點(diǎn)進(jìn)行泄漏的粗定位，再通過(guò)聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)到的聲波進(jìn)行精確定位。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述的聲 波檢測(cè)模塊包括聲波傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)處理單元、定位模塊和無(wú)線通訊模塊;聲 波傳感器通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路與信號(hào)處理單元的輸入端連接，定位模塊的輸出端與信號(hào)處理 單元的輸入端連接，信號(hào)處理單元與無(wú)線通訊模塊連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述 的聲波檢測(cè)模塊沿供水管道每隔2-3km設(shè)置一個(gè)。4. 利用權(quán)利要求1所述的城市地下管廊供水管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)方法，其特 征在于:它包括W下步驟： 51、 當(dāng)首端壓力檢測(cè)模塊和末端壓力檢測(cè)模塊檢測(cè)到供水管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓波，則判斷 供水管道內(nèi)已發(fā)生泄漏，通過(guò)確認(rèn)負(fù)壓波的下降拐點(diǎn)，對(duì)供水管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行粗定位； 52、 選出與粗定位的泄漏點(diǎn)最接近的兩個(gè)聲波檢測(cè)模塊，記粗定位的泄漏點(diǎn)上游的最 后一個(gè)聲波檢測(cè)模塊序號(hào)為η,則粗定位泄漏點(diǎn)下游的第一個(gè)聲波檢測(cè)模塊序號(hào)為n+1;上 位機(jī)通過(guò)無(wú)線通訊模塊向運(yùn)兩個(gè)聲波檢測(cè)模塊發(fā)送接收聲波信號(hào)請(qǐng)求； 53、 聲波檢測(cè)模塊接收到聲波信號(hào)請(qǐng)求后，在已存儲(chǔ)的聲波信號(hào)中選取第一個(gè)幅值小 于警戒值的聲波信號(hào)，并將該聲波信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)刻和其下一時(shí)刻的平均值作為泄漏產(chǎn)生的聲 波到達(dá)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻，將計(jì)算得到的泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻發(fā)送 給上位機(jī)； 54、 上位機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊接收來(lái)自2個(gè)聲波檢測(cè)模塊的泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)對(duì)應(yīng) 聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻，結(jié)合聲波傳播速度和2個(gè)聲波檢測(cè)模塊在供水管道的位置，對(duì)泄漏點(diǎn) 進(jìn)行精確定位。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的檢測(cè)方法，其特征在于:所述的S1按照如下公式對(duì)供水管道泄 漏點(diǎn)進(jìn)行粗定位：其中，沿為粗定位的泄漏點(diǎn)離供水管道的首站的距離，單位為m;Vp為負(fù)壓波在供水管道 內(nèi)的傳播速度，單位為m/s;L為首末兩站之間供水管道的長(zhǎng)度，單位為m;Ti為安裝在首站的 壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)供水管道內(nèi)負(fù)壓波產(chǎn)生的下降拐點(diǎn)的時(shí)間，單位為S;T2為安裝在末站 的壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)供水管道內(nèi)負(fù)壓波產(chǎn)生的下降拐點(diǎn)的時(shí)間，單位為S。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的檢測(cè)方法，其特征在于:所述的S3具體為： 聲波檢測(cè)模塊接收到聲波信號(hào)請(qǐng)求后，暫停聲波傳感器采集聲波信號(hào)，并將存儲(chǔ)的聲 波信號(hào)按時(shí)間倒序逐個(gè)取出，并進(jìn)行去噪處理； 按時(shí)間倒序逐個(gè)查詢(xún)?nèi)ピ胩幚砗蟮穆暡ㄐ盘?hào)，直到找到第一個(gè)幅值小于警戒值的聲波 信號(hào)，并將該聲波信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)刻和其下一時(shí)刻的平均值作為泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)聲波檢測(cè) 模塊的時(shí)刻； 將計(jì)算得到的泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻發(fā)送給上位機(jī)； 重啟聲波傳感器采集聲波信號(hào)。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的檢測(cè)方法，其特征在于：所述的S4按照如下公式進(jìn)行精確定 位：其中，Y為準(zhǔn)確定位的泄漏點(diǎn)離供水管道首端的距離，單位為m;Yn為序號(hào)為η的聲波檢測(cè) 模塊離供水管道首端的距離，單位為m;Yn+i為序號(hào)為η+1的聲波檢測(cè)模塊離供水管道的首站 的距離，單位為m; Vs為聲波沿供水管道管壁的傳播速度，單位為m/s; Τ2η為序號(hào)為η的聲波檢 測(cè)模塊檢測(cè)到泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)序號(hào)為η的聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻，單位為s;T2n+i為序號(hào) 為n+1的聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)到泄漏產(chǎn)生的聲波到達(dá)序號(hào)為n+1的聲波檢測(cè)模塊的時(shí)刻，單位 為S。
【文檔編號(hào)】F17D5/06GK106090629SQ201610425108
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】趙昊裔
【申請(qǐng)人】中冶南方工程技術(shù)有限公司