CN104864935A - 一种实时监测城市排水管道的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实时监测城市排水管道的系统，包括水面高程测试装置，所述水面高程测试装置包括测试装置外罩和其内串联的储能电池和水压力传感器，所述水压力传感器上下两面分别为上压力测试面和下压力测试面；所述水面高程测试装置通过信号传输系统将水压力传感器的输出信号传输到监控中心。本发明系统通过在管网节点处的管道系统检查井安装具有两个测试面的水压传感器，实现了对管道系统检查井液面高度的测试并排除了管道内杂物的干扰，并通过物联网相关技术实现了数据的实时传输。

Description

一种实时监测城市排水管道的系统及方法

技术领域

本发明涉及市政行业的管道检测监测领域，尤其是涉及一种实时监测城市排水管道的系统及方法。

背景技术

随着城市化进程的推进和极端气候现象的频发，城市排水系统发展相对滞后，一场大雨过后，城市里常常是一片泽国，一些局部区域总是被淹，这些已经严重威胁到人民的生命财产安全。若能对城市主要排水系统之一的市政雨水管道系统进行实时监控，就能及时掌握整个雨水管网系统的运行状况，出现问题及时预警，并采取相应应对措施，以保障城市排水安全。

目前针对城市排水管道系统的监控技术尚不是十分成熟，实时监控系统更是鲜见于各种城市雨水管网系统之中。目前相近的技术主要有：针对管道内部结构健康状况的管道机器人视频摄录检测、声呐检测、管道潜望镜检测等。这些检测都是通过将一些检测设备放入管道内部，通过人工判读检测图像(信号)，来判断管道的健康状况。无法满足对管道内部积水情况进行实时的智能化监测。部分学者提出了城市内涝实时监测系统，且探讨了通过在道路下方安装水深监测设备实现对淹没路段的实时监测。实际上由于道路上方的行人、车辆、积雪等荷载的影响可能会导致系统出现误判，导致系统可靠度降低。

由于我国市政排水管网大多建设于改革开放初期，许多管道的输送能力有限，面临扩容或修缮，而这些也需要管网在日常排水和行洪排涝时的实时监控数据。除此之外，实时监控系统的对于城市洪涝灾害的预警以及管道的日常维护工作均具有十分重要的意义。因此发明一种市政排水管道实时监测系统成为一个亟待解决的问题。

根据我国市政排水管道系统的现状，对其进行实时监控，尤其是对其内部流量的实时监控需要解决以下一些技术难题：

1.流量(液面)测试，如何对管道内部的水流进行实时监测是首先要解决的问题，由于排水管道内部常常伴有杂物，常规的测试设备(传感器)常常会由于这些杂物的存在而不能正常工作，如何开发出一种几乎不受管道内部水流中杂物干扰的传感测试设备是首先要解决的问题；另外需要注意的是这些测试设备不能够在管道内部形成明显阻碍水流的因素，那样会降低管道的排泄能力。

2.数据通讯系统，从管道系统内部实测的数据需要实时传输到监控中心，这样就需要解决数据从管道内部实时可靠地传输到地面并最终传输到控制中心的问题。

3.由于目前市政排水管线多分布于道路、广场下方，且管道系统内部及周围可能无法提供电源，这样就需要开发为管道内测试及信号传输系统供电的供电装置。

在解决以上技术问题的同时，要考虑我国市政管道系统目前的现状及城市发展现状，尽量在不影响目前城市运行的情况下能够建立起本监控系统且同时考虑成本造价问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种实时监测城市排水管道的系统，以实现管道系统检查井内液面高度的测试并排除了管道内杂物的干扰。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种实时监测城市排水管道的系统，包括水面高程测试装置，所述水面高程测试装置包括测试装置外罩和其内串联的储能电池和水压力传感器，所述水压力传感器上下两面分别为上压力测试面和下压力测试面；所述水面高程测试装置通过信号传输系统将水压力传感器的输出信号传输到监控中心。

进一步的，所述信号传输系统包括无线信号发射装置和无线信号接收装置，所述无线信号发射装置与水面高程测试装置线缆连接；所述无线信号发射装置通过无线信号接收装置与监控中心进行无线通信。

进一步的，所述储能电池与一发电装置连接。

进一步的，所述发电装置包括发电机、发电装置叶片、叶片罩和金属支架，多个所述发电装置叶片均匀分布在发电机上，发电装置叶片外设置叶片罩，发电机通过金属支架与测试装置外罩固定连接，所述发电机与储能电池电连接。

相对于现有技术，本发明所述的实时监测城市排水管道的系统具有以下优势：

(1)本发明通过在管网节点处的管道系统检查井安装具有两个测试面的水压传感器，巧妙地实现了对管道系统检查井液面高度的测试并排除了管道内杂物的干扰，并通过物联网相关技术实现了数据的实时传输；还通过自供电系统实现了管道系统检查井内设备的电源自给自足，无需额外提供供电系统，大大降低系统成本造价。

(2)本发明可以为城市洪涝灾害预警，为管网的日常维护提供支持，同时也可积累大量管网运行数据，为城市管网改造和设计提供可信赖的科学依据。

本发明的另一目的在于提出一种实时监测城市排水管道的方法，能够为城市雨水管网的日常维护、城市防洪减灾及管网的后期改造升级提供科学依据，具有重大实际意义。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种实时监测城市排水管道的方法，包括如下步骤：

1)通过带有两个测试面的水压力传感器测试管道系统检查井底部的水压力，水压力传感器将压力信息转换成电信号，

2)电信号通过线缆传输到管道系统检查井上部靠近其检查井井盖附近的无线信号发射装置；所述无线信号发射装置将接收到的信号通过无线通信，将信息传递给固定在地面上位于管道系统检查井附近的无线信号接收装置，无线信号接收装置通过有线数据传输系统将信号发送到监控中心；

3)所述监控中心通过对接收到的水压力信号进行分析计算得到管道系统检查井及整个排水管道系统内水位的情况。

进一步的，步骤3)中的得到水位情况的具体算法如下：通过水压力传感器的上下两个测试面分别测得所在位置处的水压力P₁和P₂，根据物理学知识可知P₁和P₂分别为：

P₁＝ρgh₁   (1)

P₂＝ρgh₂   (2)

式(1)、式(2)中的ρ—管道内液体的密度，g—重力加速度，h₁—水压传感器上测试面(附图中的‘G’)到液面顶部的高程差，h₂—水压传感器下测试面(附图中的‘H’)到液面顶部的高程差；

P₁和P₂的差值：

ΔP＝P₂-P₁＝ρgh₂-ρgh₁＝ρg(h₂-h₁)＝ρg×Δh   (3)

上式中ρ—管道内液体的密度，g—重力加速度，Δh—水压传感器上下两个测试面(附图中的‘G’和‘H’)的高程之差；

根据(3)式可得：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{g\×\mathrm{\Δh}}---\left(4\right)$

结合(1)(2)(4)式可得：

$h_1=\frac{P_1}{\mathrm{\ρg}}=\frac{P_1\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(5\right)$

$h_2=\frac{P_2}{\mathrm{\ρg}}=\frac{P_2\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(6\right)$

由于水压传感器上下两个测试面的绝对高程h₁₀和h₂₀在安装调试设备时可以精确测得(即两个测试面距离管道系统检查井底部的高度)，因此液面顶部的绝对标高H(即液面顶部到系统检查井底部的高度)为：

$H_1=h_{10}+h_1=h_{10}+\frac{P_1\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(7\right)$

$H_2=h_{20}+h_2=h_{20}+\frac{P_2\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(8\right)$

$H=\frac{H_1+H_2}{2}---\left(9\right).$

进一步的，所述水压传感器和无线信号发射装置所需要的电源由管道系统检查井内部安装的与水压传感器相连靠水流驱动的小型发电机所发电能提供。

所述实时监测城市排水管道的方法与上述实时监测城市排水管道的系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的实时监测城市排水管道的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的实时监测城市排水管道的系统的原理图。

附图标记说明：

1-管道系统检查井，2-检查井进水管道，3-检查井出水管道，4-水面高程测试装置，5-无线信号发射装置，6-检查井井盖，7-路面结构层，8-无线信号接收装置，9-监控中心，A-发电装置叶片；B-，发电机，C-叶片罩；D-金属支架，E-储能电池，F-水压力传感器，G-上压力测试面，H-下压力测试面，I-测试装置外罩，J-信号传输线，K-电线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种实时监测城市排水管道的系统，如图1、2所示，包括可安装在管道系统检查井1底部的水面高程测试装置4，所述水面高程测试装置4包括测试装置外罩I和其内串联的储能电池E和水压力传感器F，所述水压力传感器F上下两面分别为上压力测试面G和下压力测试面H；所述水面高程测试装置4通过信号传输系统将水压力传感器F的输出信号传输到监控中心9。

本发明所述信号传输系统包括无线信号发射装置5和无线信号接收装置8，所述无线信号发射装置5设置在管道系统检查井1的井口处并与水面高程测试装置4线缆连接；所述无线信号发射装置5通过管道系统检查井1外面的无线信号接收装置8与监控中心9进行无线通信。

施工时，一般管道系统检查井1顶部设有与其配合的检查井井盖6，所述管道系统检查井1下部两侧分别连通检查井进水管道2和检查井出水管道3，所述水面高程测试装置4设置在检查井进水管道2和检查井出水管道3之间；所述检查井井盖6下面的井口处安装水面高程测试装置4线缆连接的无线信号发射装置5；实施时可在管道系统检查井1附近的路灯杆、电线杆(城市视频监测系统的通信杆)等上安装无线信号接收装置8；所述管道系统检查井1设置在路面结构层7下面。

本发明所述储能电池与一发电装置连接。

本发明所述发电装置包括发电机B、发电装置叶片A、叶片罩C和金属支架D，多个所述发电装置叶片A均匀分布在发电机B上，发电装置叶片A外设置叶片罩C，发电机B通过金属支架D与测试装置外罩I固定连接，所述发电机B与储能电池E电连接，所述储能电池E通过信号传输线J和电线K为水压传感器F和无线信号发射装置5提供电能。

一种实时监测城市排水管道的方法，包括如下步骤：

步骤1，通过带有两个测试面的水压力传感器测试管道系统检查井底部的水压力，水压力传感器将压力信息转换成电信号；其中水压力传感器通过其上下两个测试面可以分别测得所在位置处的水压力P₁和P₂，根据物理学知识可知P₁和P₂分别为：

P₁＝ρgh₁   (1)

P₂＝ρgh₂   (2)

式(1)、式(2)中的ρ—管道内液体的密度，g—重力加速度，h₁—水压传感器上测试面(附图中的‘G’)到液面顶部的高程差，h₂—水压传感器下测试面(附图中的‘H’)到液面顶部的高程差；

P₁和P₂的差值：

ΔP＝P₂-P₁＝ρgh₂-ρgh₁＝ρg(h₂-h₁)＝ρg×Δh   (3)

上式中ρ—管道内液体的密度，g—重力加速度，Δh—水压传感器上下两个测试面(附图中的‘G’和‘H’)的高程之差；

根据(3)式可得：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{g\×\mathrm{\Δh}}---\left(4\right)$

结合(1)(2)(4)式可得：

$h_1=\frac{P_1}{\mathrm{\ρg}}=\frac{P_1\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(5\right)$

$h_2=\frac{P_2}{\mathrm{\ρg}}=\frac{P_2\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(6\right)$

由于水压传感器上下两个测试面的绝对高程h₁₀和h₂₀在安装调试设备时可以精确测得(即两个测试面距离管道系统检查井底部的高度)，因此液面顶部的绝对标高H(即液面顶部到系统检查井底部的高度)为：

$H_1=h_{10}+h_1=h_{10}+\frac{P_1\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(7\right)$

$H_2=h_{20}+h_2=h_{20}+\frac{P_2\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(8\right)$

$H=\frac{H_1+H_2}{2}---\left(9\right)$

H₁与H₂理论上应该一致，若二者相差较大，说明液面测试系统出现故障，因此亦可以起到自检作用。

运用水压力传感器最大的好处是即使在水压传感器附近堆积有部分杂物，根据阿基米德原理，只要水体能够覆盖传感器接触面，就能够准确的测得检查井内部相应高程位置处的水压力。

步骤2，为了能够使得液面测试装置测得的实时数据能够及时、可靠地传回监控中心，电信号通过线缆传输到管道系统检查井上部靠近其检查井井盖附近的无线信号发射装置；所述无线信号发射装置将接收到的信号通过无线通信，将信息传递给固定在地面上位于管道系统检查井附近的无线信号接收装置，无线信号接收装置通过有线数据传输系统将信号发送到监控中心；

步骤3，所述监控中心通过对接收到的水压力信号进行分析计算得到管道系统检查井及整个排水管道系统内水位的情况。

由于目前现状市政排水管道系统内部基本无供电系统可以使用，所以，所述水压传感器和无线信号发射装置所需要的电源由管道系统检查井内部安装的小型发电机所发电能提供，通过管道内的水流发电，通过把电能存储在储能电池内来保障电力供应；若排水管道内长期无水(发电机的叶片不转动)，系统可以自动关闭以节省电源。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实时监测城市排水管道的系统，其特征在于：包括水面高程测试装置，所述水面高程测试装置包括测试装置外罩和其内串联的储能电池和水压力传感器，所述水压力传感器上下两面分别为上压力测试面和下压力测试面；

所述水面高程测试装置通过信号传输系统将水压力传感器的输出信号传输到监控中心。

2.根据权利要求1所述的实时监测城市排水管道的系统，其特征在于：所述信号传输系统包括无线信号发射装置和无线信号接收装置，所述无线信号发射装置与水面高程测试装置线缆连接；所述无线信号发射装置通过无线信号接收装置与监控中心进行无线通信。

3.根据权利要求1所述的实时监测城市排水管道的系统，其特征在于：所述储能电池与一发电装置连接。

4.根据权利要求3所述的实时监测城市排水管道的系统，其特征在于：所述发电装置包括发电机、发电装置叶片、叶片罩和金属支架，多个所述发电装置叶片均匀分布在发电机上，发电装置叶片外设置叶片罩，发电机通过金属支架与测试装置外罩固定连接，所述发电机与储能电池电连接。

5.一种实时监测城市排水管道的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)通过带有两个测试面的水压力传感器测试管道系统检查井底部的水压力，水压力传感器将压力信息转换成电信号，

2)电信号通过线缆传输到管道系统检查井上部靠近其检查井井盖附近的无线信号发射装置；所述无线信号发射装置将接收到的信号通过无线通信，将信息传递给固定在地面上位于管道系统检查井附近的无线信号接收装置，无线信号接收装置通过有线数据传输系统将信号发送到监控中心；

3)所述监控中心通过对接收到的水压力信号进行分析计算得到管道系统检查井及整个排水管道系统内水位的情况。

6.根据权利要求5所述的实时监测城市排水管道的方法，其特征在于：步骤3)中对接收到的水压力信号进行分析计算得到管道系统检查井及整个排水管道系统内水位的情况的具体算法如下：通过水压力传感器的上下两个测试面分别测得所在位置处的水压力P₁和P₂，根据物理学知识可知P₁和P₂分别为：

P₁＝ρgh₁   (1)

P₂＝ρgh₂   (2)

式(1)、式(2)中的ρ—管道内液体的密度，g—重力加速度，h₁—水压传感器上测试面(附图中的‘G’)到液面顶部的高程差，h₂—水压传感器下测试面(附图中的‘H’)到液面顶部的高程差；

P₁和P₂的差值：

ΔP＝P₂-P₁＝ρgh₂-ρgh₁＝ρg(h₂-h₁)＝ρg×Δh   (3)

上式中ρ—管道内液体的密度，g—重力加速度，Δh—水压传感器上下两个测试面(附图中的‘G’和‘H’)的高程之差；

根据(3)式可得：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{g\×\mathrm{\Δh}}---\left(4\right)$

结合(1)(2)(4)式可得：

$h_1=\frac{P_1}{\mathrm{\ρg}}=\frac{P_1\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(5\right)$

$h_2=\frac{P_2}{\mathrm{\ρg}}=\frac{P_2\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(6\right)$

由于水压传感器上下两个测试面的绝对高程h₁₀和h₂₀在安装调试设备时可以精确测得(即两个测试面距离管道系统检查井底部的高度)，因此液面顶部的绝对标高H(即液面顶部到系统检查井底部的高度)为：

$H_1=h_{10}+h_1=h_{10}+\frac{P_1\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(7\right)$

$H_2=h_{20}+h_2=h_{20}+\frac{P_2\×\mathrm{\ΔP}}{g^2\×\mathrm{\ΔH}}---\left(8\right)$

$H=\frac{H_1+H_2}{2}---\left(9\right).$

7.根据权利要求5所述的实时监测城市排水管道的方法，其特征在于：所述水压传感器和无线信号发射装置所需要的电源由管道系统检查井内部安装的与水压传感器相连靠水流驱动的小型发电机所发电能提供。