張銀嘉

（廈門(mén)水務(wù)集團(tuán)有限公司）

漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張銀嘉

（廈門(mén)水務(wù)集團(tuán)有限公司）

通過(guò)安裝在管道的監(jiān)控探頭感知漏水聲，利用數(shù)據(jù)信號(hào)處理方法理論完成對(duì)漏水聲信號(hào)的分析處理，之后將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至后臺(tái)系統(tǒng)，進(jìn)而將漏水信號(hào)在軟件系統(tǒng)中分析、展示及應(yīng)用，指導(dǎo)漏損控制管理工作。

漏水聲頻率探頭監(jiān)控系統(tǒng)；FFT

1 引言

供水管網(wǎng)漏水檢測(cè)的方法有人工巡檢聽(tīng)音法、流量監(jiān)測(cè)、壓力監(jiān)控等方法。流量監(jiān)測(cè)和壓力監(jiān)控均需要投入大量的硬件設(shè)備，結(jié)合管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)漏水的區(qū)域。而人工巡檢聽(tīng)音法，對(duì)周邊環(huán)境、人員素質(zhì)等要求高，對(duì)漏水點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)有一定的滯后性。

因此，基于漏水聲檢測(cè)原理，結(jié)合信號(hào)采集、處理、實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)是目前實(shí)用的漏水檢測(cè)先進(jìn)技術(shù)。

2 供水管道漏水聲的傳播機(jī)理

根據(jù)振動(dòng)發(fā)生區(qū)域的不同，通常供水管道漏水有3種聲源。

1）管道漏水口處的摩擦聲

由于管壁具有彈性，發(fā)生漏水時(shí)，打亂了管道內(nèi)水流的正常狀態(tài)，出現(xiàn)紊流，且流水與管道相互摩擦，誘發(fā)振動(dòng)，并沿著管道傳播，傳播距離與水壓、管材、管徑、接口數(shù)量相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，可在閥門(mén)、消防栓等管道附屬設(shè)施的暴露點(diǎn)聽(tīng)到該類(lèi)聲音。

圖1　不同管材的漏水音頻率范圍

2）撞擊聲

撞擊聲指漏水管道噴出的高壓水與周?chē)裨O(shè)的介質(zhì)撞擊產(chǎn)生的聲音，并以漏斗形式通過(guò)土壤向地面擴(kuò)散，可在地面通過(guò)聽(tīng)音棒等設(shè)備聽(tīng)到該類(lèi)聲音，其頻率通常為20～300Hz。

3）介質(zhì)碰撞摩擦聲

它是指管道內(nèi)噴出的高壓水帶動(dòng)周邊的粒子（小石粒、砂粒等）相互碰撞摩擦以及和管道外壁相互碰撞摩擦產(chǎn)生的聲音，其頻率較低，當(dāng)聽(tīng)音棒插入地下漏水點(diǎn)附近時(shí)，才可聽(tīng)到該類(lèi)聲音，其頻率通常為20～300Hz。

3 漏水聲音的特征

3.1不同管材的漏水音頻率特征

漏水聲是多頻率的聲音，主要頻率為20～20000Hz。漏水聲受管材的影響較大，金屬管漏水聲相對(duì)刺耳，頻率主要為1000～2500Hz；球墨管、水泥管的聲音頻率主要為600～1800Hz；塑料管的聲音較低，頻率主要為500～1000Hz（見(jiàn)圖1）。

3.2漏水聲的影響因素

漏水聲音的傳播及探知，受管道的埋設(shè)深度、覆土層的密度、管徑、漏水量、水壓等影響。城市環(huán)境中的下水道的流水音、地下電纜的電磁聲、汽車(chē)行駛的聲音與風(fēng)聲等噪音與漏水音有相似之處，影響探測(cè)的判斷。

4 漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

4.1監(jiān)控探頭構(gòu)件組成及工作模式

監(jiān)控探頭構(gòu)件由振動(dòng)信號(hào)傳感器、信號(hào)放大及帶通濾波電路模塊、嵌入式處理器模塊、存儲(chǔ)模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊，通信電路電源控制模塊、信號(hào)調(diào)理電路電源控制模塊、電源模塊等組成。

電路模塊放置在防水的密閉金屬或塑料外殼中，用防水填料封裝成整體結(jié)構(gòu)。振動(dòng)信號(hào)傳感器采用壓電陶瓷振動(dòng)傳感器。探頭用強(qiáng)磁底座吸附或用防盜繩固定在管道上。振動(dòng)傳感器感知漏水聲，并輸出信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大及濾波后，被嵌入式處理器模塊通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行采集及處理。嵌入式處理器模塊選用低功耗DSP芯片，采用了16位長(zhǎng)的定點(diǎn)運(yùn)算。運(yùn)算過(guò)程是通過(guò)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行時(shí)—頻變換，得到信號(hào)的頻譜特征；通過(guò)漏水聲頻段，判斷管道是否漏水，并根據(jù)頻段的位置和幅度，判斷漏水量的大小。電源模塊對(duì)各電路模塊進(jìn)行供電，電源采用內(nèi)置電池供電。

4.2監(jiān)控探頭數(shù)據(jù)處理流程

嵌入式處理器模塊不工作時(shí)處于低功耗模式，每天在固定的時(shí)間被喚醒，每間隔30s采樣一次管道的音頻信號(hào)。采樣的信號(hào)通過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)的數(shù)據(jù)濾波后，進(jìn)行FFT變換成頻譜信號(hào)，然后將計(jì)算得到的頻域信息保存在存儲(chǔ)模塊上。采用的串行flash存儲(chǔ)器，保存數(shù)據(jù)后進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài)。

4.3后臺(tái)系統(tǒng)

后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)包括主機(jī)服務(wù)器和無(wú)線(xiàn)通信模塊，主機(jī)服務(wù)器上安裝有軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)是由無(wú)線(xiàn)信號(hào)接收模塊、漏水信息存儲(chǔ)與判別模塊、報(bào)警與移動(dòng)終端模塊、GIS與用戶(hù)界面模塊構(gòu)成。無(wú)線(xiàn)信號(hào)接收模塊實(shí)時(shí)接收來(lái)自探頭發(fā)來(lái)的信息，并將該信息傳輸?shù)酱鎯?chǔ)與判別模塊。漏水信息存儲(chǔ)與判別模塊對(duì)接收到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、并且根據(jù)當(dāng)前信息和歷史信息，判別管網(wǎng)的綜合運(yùn)行狀況，輸出判別結(jié)果。GIS與用戶(hù)界面模塊將判別結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在主機(jī)服務(wù)器的顯示設(shè)備上，包括地圖信息以及文字信息，并且進(jìn)行信息的統(tǒng)計(jì)、匯報(bào)以及打印輸出。

4.3信號(hào)解譯

漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)是利用數(shù)據(jù)信號(hào)處理理論完成對(duì)漏水聲信號(hào)的濾波與檢測(cè)、參數(shù)提取和估計(jì)、頻譜分析等工作，使4漏水信號(hào)更易于識(shí)別、分析和使用。

時(shí)間和頻率是描述漏水信號(hào)的最重要物理量，兩者具有非常緊密的聯(lián)系。時(shí)頻分析（JTFA）即時(shí)頻聯(lián)合域分析（Join Time-Frequency Analysisi），是分析時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)的工具，其基本思想：設(shè)計(jì)時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數(shù)，描述信號(hào)在不同時(shí)間和頻率的能量密度和強(qiáng)度，這種聯(lián)合函數(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)為時(shí)頻分布。利用時(shí)頻分布來(lái)分析信號(hào)，能給出各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)頻率以及幅值，并且能夠進(jìn)行時(shí)頻濾波和時(shí)變信號(hào)研究。

頻域分析利用FFT（快速傅氏變換，fash fourier transformation）變換，即離散傅里葉變換的快速算法，可以將一個(gè)信號(hào)變換到頻域，進(jìn)而知道信號(hào)序列中含有哪些頻率成分，各頻率成分的振幅多大，得出信號(hào)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的特征。

5 漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用探析

5.1安裝概況

2015年12月，在地鐵建設(shè)站點(diǎn)沿線(xiàn)完成安裝漏水探測(cè)頭50個(gè)，安裝位置全部為供水閥門(mén)井內(nèi)，利用探頭磁力吸附在閥門(mén)上，并設(shè)置有防盜鎖鏈連接探頭和閥門(mén)。通信傳輸通過(guò)中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)卡。探頭安裝圖見(jiàn)圖2。

圖2　系統(tǒng)圖譜（305號(hào)探頭）

數(shù)據(jù)采集時(shí)間設(shè)置：每個(gè)探頭每天采集4個(gè)時(shí)段，8組數(shù)據(jù)。分別為1時(shí)、7時(shí)、13時(shí)、19時(shí)，每個(gè)時(shí)段采集2組數(shù)據(jù)。

5.2數(shù)據(jù)采集與分析

至2016年1月5日，發(fā)現(xiàn)疑似漏水點(diǎn)6處，編號(hào)為305、319、333、342、348、327。

疑似漏水點(diǎn)案例：探頭編號(hào)305圖譜。左圖為采集聲音的頻譜圖，表示采集到聲音的振幅變化；右圖為采集聲音的頻率分析圖，表示采集到聲音頻率統(tǒng)計(jì)。供水管道的漏水聲音頻率一般為500～2500Hz，右圖符合管道漏水聲音的頻率范圍。經(jīng)過(guò)證實(shí)（見(jiàn)圖2），該地點(diǎn)附近確實(shí)有管道漏水，漏水量約10m3/h。

6 結(jié)語(yǔ)

漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于檢測(cè)供水管網(wǎng)系統(tǒng)的漏水有良好感知和及時(shí)預(yù)警的工作性能，可大大縮短發(fā)生管網(wǎng)漏水到發(fā)現(xiàn)管道漏水的時(shí)間，可節(jié)約大量的水資源，有效節(jié)能降耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 盧其倫.城市供水管網(wǎng)中漏水音探測(cè)法的研究.給水排水，2012（38）：412-414.

［2］ 張明陽(yáng)，茍先太，肖和飛.信號(hào)的時(shí)頻分析在System View中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.信息技術(shù)， 2010（11）：149-151.

Study on the Application of Monitoring System of Water Leakage

ZHANG Yin-jia

（Xiamen Water Group Co.， Ltd.）

Through the installation in pipeline monitoring probe for sensing leakage sound， with a data signal processing theory and method on water leakage acoustic signal analysis and processing is completed， after which the monitoring data by wireless transmission sent to the backend system and leakage signal in software system analysis， display and application， guide leakage control and management work.

leaky acoustic frequency probe monitoring system； FFT