CN109827074A - 基于ofdr的污水管道健康监测与破裂预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统及方法，系统包括分布式光纤传感器、温度补偿光纤、光纤数据采集与传输系统、光纤数据处理与分析系统、小波处理和降噪系统、监测结果显示系统与预警系统；通过在城市污水管道上敷设光纤，并使用光纤数据采集与传输系统进行光纤数据的实时采集与传输，再通过光纤数据处理与分析系统对光纤数据进行处理，获得污水管道的变形情况等信息，再通过小波处理和降噪系统对数据进行平滑、去噪处理，在监测结果显示系统中以图表等形式显示，了解污水管道的健康信息，在破裂前进行预警。本发明具有精度高、存活率高、分布式测量等优点，实现了对管道变形的健康监测和对破裂进行预警的功能。

Description

基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统及方法

技术领域

本发明涉及污水管道健康监测与破裂预警系统，尤其涉及基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统及方法。

背景技术

随着改革开放的不断深入和人民生活水平的不断提高，人们对城市地下污水管道建设的要求也越来越高，城市地下污水管道的数量也越来越多。但是，由于施工质量、不良地质作用等问题的存在，很多城市地下污水管道出现了较大的变形甚至开裂，产生了巨大的经济损失，同时也极大地影响了人们的生活，甚至对人民的安全造成了一定的威胁。基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统能够实时地监测污水管道的变形，并能及时预警污水管道的破裂，大大地减少了经济损失，方便了人们的生活，排除了污水管道的破裂对人民的安全造成的威胁。

污水管道安全检测方法可以分为污水管道泄漏检测方法和污水管道防破坏预警方法，污水管道泄漏检测方法主要有人工巡线检测法、漏磁检测法、超声检测法、照相检测法、质量/流量检测法和负压波检测法等，目前技术发展已较为成熟，但受制于检测机理的原因，不能对污水管道的泄漏作出前期预报，只能用于事后的抢险与补救。污水管道防破坏预警方法目前运用较为成熟的是基于声信号检测的污水管道防破坏预警检测方法，其原理是污水管道的破坏通常伴随着挖掘、打孔、敲击、切割、焊接等动作发生，而这些动作又不可避免地产生较大的声音，这些声音则会借助岩土层、管壁以及污水管道内的流体传输出去，基于声信号检测的污水管道防破坏预警检测方法就是通过这些声音信号来发现破坏活动并进行定位的。但基于声信号检测的污水管道防破坏预警检测方法也存在着诸多不足：系统复杂程度高、维护困难、检测距离短等。

OFDR作为一种新兴技术，具有精度高、抗干扰能力强等特点，现已得到较为广泛的应用；然而OFDR技术比较适合小应变的位移检测，而污水管道破裂变形较大，因此如何将OFDR技术合理的应用到城市污水管道变形监测中，使其能够与污水管道一起协同变形并且能够精确监测位移变化成为一个亟需解决的技术难题。同时，为了达到预警的目的，就要求该系统能够做到自动化采集、处理数据并与预警值对比，这同样也是一个技术难题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统及方法，使OFDR技术与污水管道一起协同变形并且精确监测位移变化，了解污水管道的健康信息，同时能够定时的自动化采集处理数据并与预警值对比，达到预警的效果。

技术方案：本发明污水管道健康监测与破裂预警系统，包括分布式光纤传感器、温度补偿光纤、光纤数据采集与传输系统、光纤数据处理与分析系统、小波处理和降噪系统、监测结果显示系统，以及预警系统；光纤数据采集与传输系统内置数据自动采集功能和无线传输功能，通过跳线与分布式光纤传感器连接，对原始数据进行采集后无线传输至光纤数据处理与分析系统，光纤数据处理与分析系统对由于污水管道变形引起分布式光纤波长数据的变化进行分析后，由小波处理与降噪系统记录分布式光纤传感器的波长数据，并对数据进行平滑、去噪等处理，捕捉并记录峰值；监测结果显示系统对小波处理与降噪系统得到的峰值进行接收和显示，并在预警系统中将峰值与与预先设定的预警值进行对比，以预警污水管道破裂问题的发生。

使用者在管道壁放线，根据不同的施工方式，画出不同的预定敷设线路，使得敷设线路平直，并与管道轴线方向平行，使用电动打磨机等方法沿预定敷设线路打磨出一条宽3cm的光滑平整的线路，并对预定敷设线路进行清洁，清除表面的异物，使其表面平整光滑；将分布式光纤传感器和套有圆管的温度补偿光纤用黏结剂如环氧树脂等黏贴于清洁后的预定敷设线路上，分布式光纤传感器即可与污水管道协调变形，从而达到监测污水管道变形、对污水管道破裂进行预警的效果。

基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统的使用方法，包括以下步骤：

(1)使用墨盒画线的方式在管道壁放线，根据不同的施工方式，画出不同的预定敷设线路，使得敷设线路平直，并与管道轴线方向平行。

(2)使用电动打磨机等方法沿预定敷设线路打磨出一条宽3cm的光滑平整的线路，以便于后期分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)的敷设。

(3)对预定敷设线路进行清洁，清除表面的异物，使其表面平整光滑。

(4)在敷设前将温度补偿光纤(1b)套上具有一定刚度的空心圆管，以保证圆管中的光纤不受力，并在光纤底部用AB胶黏结空心圆管与光纤，防止空心圆管沿光纤发生相对位移。

(5)将分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)敷设在打磨面上，并用焊接或用夹具固定的方式将光缆分段固定在管道的表面，并预留一定的长度，以便后期与跳线进行熔接。在固定时，应对分布式光纤传感器(1a)进行预拉伸，避免松弛弯曲影响后期测试效果，在管道与管道之间的接口处，光缆应呈现出平滑的曲线，并且应在接口两侧5厘米左右的地方用焊接或用夹具固定的方式对光缆进行固定，以减小变径对光纤数据的影响范围。

(6)沿敷设线路，用环氧树脂等黏结剂对全线路的光缆进行黏结，使光缆与管道黏结紧密，再使用电吹风机热化胶体，使光缆与管道表面充分黏结，达到变形协调的状态。

(7)采用专用保护夹具，将光缆中的纤芯在出线部位转化为高强度的铠装护套进行保护引出，便于后续的光缆熔接。

(8)将预留一定长度的光纤(1c)与跳线进行熔接，连接至光纤数据自动采集与传输系统(2)，对光纤数据进行采集和传输；

(9)将光纤数据处理与分析系统(3)连接至小波处理与降噪系统(4)，对光纤信号发射器发射的数据进行接收，记录分布式光纤传感器的波长数据，对数据进行平滑、去噪等处理，捕捉并记录峰值；

(10)将小波处理与降噪系统(4)连接至监测结果显示系统(5)，监测结果显示系统(5)对小波处理与降噪系统(4)得到的峰值进行接收和显示，并在预警系统(6)中将峰值与预先设定的预警值进行对比，以判断是否需要预警；

(11)监测完将跳线及外露段的光纤盘起放入带槽口的铁盒进行保护，并在旁边贴上警示标志。

步骤(5)中，确保光纤处于绷直状态；其中用夹具固定的方式是利用钻机打孔的方式安装夹具，使用膨胀螺丝固定夹具，以使得光纤与管道变形更加协调。

步骤(6)中，分布式光纤传感器应紧密固定在污水管道内壁或外壁上，使其与污水管道能够达到变形协调的效果。

步骤(7)中，预留的光纤用高强度的铠装护套进行保护。

步骤(8)中，光纤熔接的步骤包括：

a、用剥线钳剥除光纤端头表面的涂面保护层，用无尘纸蘸取少量酒精擦拭裸纤表面的灰尘及石蜡；

b、采用专用的光纤切割刀对擦拭好的裸纤接头进行切割，切割时要保证光纤固定在切割刀预留的凹槽中，切割后的光纤端面断口要平整，避免切割角度超限、断纤、裂痕、毛刺等现象出现；

c、两根切割好的光纤固定于熔接机凹槽中，分别对好两根端头，然后启动熔接机对两端头进行自动放电熔接；

d、待熔接完成后将套在光纤端头附近的热膨胀管移至熔接位置，将熔接部位放置于熔接机加热装置内进行加热，使热膨胀管固定在光纤熔接部位来达到保护光纤的目的。

步骤(10)中，采用轴向应变作为判断是否需要进行预警的标准，当本次监测的结果与上次相比最大差距超过400με时，认为该点处应变发生突变，即认为该处污水管道发生较大变形，即将发生破裂。

工作原理：本发明将传输与传感合二为一的光频域反射OFDR(Optical FrequencyDomain Reflectometry)技术应用于污水管道破坏预警监测中并设计了相应的数据处理系统，可以准确地监测管道应变的动态变化信息，从而得出管道变形变化规律。具体为，通过在城市污水管道上敷设光纤，并使用光纤数据采集与传输系统进行光纤数据的实时采集与传输，再通过光纤数据处理与分析系统对光纤数据进行处理，获得污水管道的变形情况等信息，再通过小波处理和降噪系统对数据进行平滑、去噪处理，在监测结果显示系统中以图表等形式显示，了解污水管道的健康信息，在破裂前进行预警。

其中采用的OFDR技术是分布式光纤传感技术的一种，具有灵敏度与空间分辨率高、测量精度大、抗电磁干扰和辐射与环境适应能力强等优点。其应变分辨率达到了1.0με，温度分辨率达到0.12℃，测量范围达到±30000με和-270～900℃，该技术基于脉冲雷达的调频连续波技术，两束相干光入射入光纤后，在接收端探测光和本征光发生干涉，如果测试环境参数变化引起光信号相位发生变化或调制，则信号探测端检测信号将发生变化，对干涉光进行信号的解调就能得到待测光纤的具体信息。监测系统中，分布式光纤传感器按照规范要求布设在管道表面，污水管道的变形会带动分布式光纤传感器的变形，从而实现对污水管道变形的监测；同时，运用自动化采集装置也可以实现对污水管道变形的定时监测和及时预警的效果。本系统将OFDR技术与自动化采集系统相结合，同时达到健康监测与预警的目的。

有益效果：与现有技术相比，本发明与污水管道一起协同变形并且能够精确监测位移变化，实现定时自动化监测及预警，具有监测精度高、存活率高、施工简单、稳定性好等优点。

附图说明

图1为基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统示意图；

图2为顶管施工段光纤敷设剖面图；

图3为明挖施工段光纤敷设剖面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的污水管道健康监测与破裂预警系统，包括分布式光纤传感器la、温度补偿光纤1b、光纤数据自动采集装置2a、光纤数据自动传输装置及太阳能板供电装置2b、光纤数据处理与分析系统3、小波处理和降噪系统4、监测结果显示系统5和预警系统6。

如图2所示，在顶管施工段，分布式光纤传感器1a和温度补偿光纤1b敷设于管道内壁，在管道的内壁的顶部、底部及两腰的地方各敷设一根，共计4根分布式光纤传感器1a和4根温度补偿光纤1b。

如图3所示，在明挖段，分布式光纤传感器1a和温度补偿光纤1b敷设于管道外壁，在管道外壁上侧与竖直面成45度角处各敷设1根，在管道外壁下侧与竖直面成65度角处各敷设1根，共计4根分布式光纤传感器1a和4根温度补偿光纤1b。

将分布式光纤传感器1a和温度补偿光纤1b敷设在污水管道内壁或外壁上，可实现对污水管道变形实时的监测和预警。

分布式光纤传感器la和温度补偿光纤1b线性敷设在管道表面，而后接入光纤数据自动采集装置2a，光纤数据自动采集装置2a自动采集监测数据并通过光纤数据自动传输装置及太阳能板供电装置2b将数据发送到光纤数据处理与分析系统3；光纤数据处理与分析系统3接收光纤数据自动采集与传输系统2发送的数据，输出端与小波处理和降噪系统4连接，小波处理和降噪系统4输出端与监测结果显示系统5连接，小波处理和降噪系统4将小波处理和降噪后的数据传输给监测结果显示系统5，监测结果显示系统5将监测的应变结果传输至预警系统6，预警系统6将数据与预先设定的预警值进行对比，以确定是否需要预警。

其中分布式光纤传感器la和温度补偿光纤1b均为PE光纤，lc为裸露在路面以上的光纤，需用高强度的铠装护套进行保护；光纤数据自动采集装置2a，采用一台基于OFDR技术的光纤数据采集仪，配以光纤数据自动传输装置及太阳能板供电装置2b以实现数据的及时传输，同时配以太阳能电池板供电；光纤数据处理与分析系统3，根据光纤数据的特点自动判断监测对象的所在位置并提取出相关数据；小波处理和降噪系统4，对数据进行平滑、去噪等处理；监测结果显示系统5，将处理后的光纤数据以图表等直观的形式显示出来；预警系统6，将监测结果显示系统5记录的数据与预先设定的预警值对比，达到预警效果。

本发明监测与预警系统的安装及测试方法如下：

(1)使用墨盒画线的方式在管道壁放线，根据不同的施工方式，画出不同的预定敷设线路，使得敷设线路平直，并与管道轴线方向平行。

(2)使用电动打磨机等方法沿预定敷设线路打磨出一条宽约3cm的光滑平整的线路，以备分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)的敷设。

(3)对预定敷设线路进行清洁，清除表面的异物，使其表面平整光滑。

(4)在敷设前将温度补偿光纤(1b)套上具有一定刚度的空心圆管，以保证圆管中的光纤不受力，并在光纤底部用AB胶黏结空心圆管与光纤，防止空心圆管沿光纤发生相对位移。

(5)将分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)敷设在打磨面上，并用焊接或用夹具固定的方式将光缆分段固定在管道的表面，并预留一定的长度，以便后期与跳线进行熔接。在固定时，应对分布式光纤传感器(1a)进行预拉伸，避免松弛弯曲影响后期测试效果，在管道与管道之间的接口处，光缆应呈现出平滑的曲线，并且应在接口两侧5厘米左右的地方用焊接或用夹具固定的方式对光缆进行固定，以减小变径对光纤数据的影响范围。

(6)沿敷设线路，用环氧树脂等黏结剂对全线路的光缆进行黏结，使光缆与管道黏结紧密，再使用电吹风机热化胶体，使光缆与管道表面充分黏结，达到变形协调的状态。

(7)采用专用保护夹具，将光缆中的纤芯在出线部位转化为高强度的铠装护套进行保护引出，便于后续的光缆熔接。

(8)将预留一定长度的光纤(1c)与跳线进行熔接，用热膨胀管进行保护，连接至光纤数据自动采集与传输系统(2)，对光纤数据进行采集和传输；

(9)将光纤数据处理与分析系统(3)连接至小波处理与降噪系统(4)，对光纤信号发射器发射的数据进行接收，记录分布式光纤传感器的波长数据，对数据进行平滑、去噪等处理，捕捉并记录峰值；

(10)将小波处理与降噪系统(4)连接至监测结果显示系统(5)，监测结果显示系统(5)对小波处理与降噪系统(4)得到的峰值进行接收和显示，并在预警系统(6)中将峰值与预先设定的预警值进行对比，以判断是否需要预警；预警时，采用轴向应变作为判断是否需要进行预警的标准，当本次监测的结果与上次相比最大差距超过400με时，认为该点处应变发生突变，即认为该处污水管道发生较大变形，即将发生破裂。

(11)监测完将跳线及外露段的光纤盘起放入带槽口的铁盒进行保护，并在旁边贴上警示标志。

Claims (10)

1.一种基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统，其特征在于：包括分布式光纤传感器(la)和温度补偿光纤(1b)、光纤数据自动采集与传输系统(2)、光纤数据处理与分析系统(3)、小波处理和降噪系统(4)、监测结果显示系统(5)和预警系统(6)；所述分布式光纤传感器(la)和温度补偿光纤(1b)均与光纤数据自动采集与传输系统(2)连接；所述光纤数据自动采集与传输系统(2)将数据采集后无线传输至光纤数据处理与分析系统(3)；所述光纤数据处理与分析系统(3)输出端与小波处理和降噪系统系统(4)连接，以对数据进行处理；所述小波处理和降噪系统(4)与监测结果显示系统(5)连接；所述监测结果显示系统(5)与预警系统(6)连接。

2.根据权利要求1所述的基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统，其特征在于：所述分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)敷设在污水管道内壁或外壁上以实现对污水管道变形实时的监测和预警。

3.根据权利要求1所述的基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统，其特征在于：所述光纤数据自动采集与传输系统(2)定时进行数据采集和传输。

4.根据权利要求1所述的基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统，其特征在于：所述预警系统(6)将处理后的数据与预警值进行对比以实现远程监测和预警。

5.一种采用如权利要求1至4中任一项所述的基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在管道壁放线，使得敷设线路平直，并与管道轴线方向平行；

(2)沿敷设线路打磨出一条线路以便于后期分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)的敷设；

(3)对预定敷设线路进行清洁；

(4)在敷设前将温度补偿光纤(1b)套上空心圆管，并黏结空心圆管与光纤，以防止空心圆管沿光纤发生相对位移；

(5)将分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)敷设在打磨面上，并将光纤分段固定在管道的表面；

(6)沿敷设线路对全线路的光缆进行黏结；

(7)将光缆中的纤芯在出线部位进行保护引出，以便于后续的光缆熔接；

(8)将光纤(1c)与跳线进行熔接，并进行保护，连接至光纤数据自动采集与传输系统(2)，对光纤数据进行采集和传输；

(9)将光纤数据处理与分析系统(3)连接至小波处理与降噪系统(4)，对光纤信号发射器发射的数据进行接收，记录分布式光纤传感器的波长数据，对数据进行平滑、去噪处理，捕捉并记录峰值；

(10)将小波处理与降噪系统(4)连接至监测结果显示系统(5)，监测结果显示系统(5)对小波处理与降噪系统(4)得到的峰值进行接收和显示，并在预警系统(6)中将峰值与预先设定的预警值进行对比，以判断并预警；

(11)监测完将跳线及外露段的光纤盘收起。

6.根据权利要求5所述的采用基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统的使用方法，其特征在于：步骤(5)中，将所述分布式光纤传感器(1a)绷直并固定在管道表面。

7.根据权利要求5所述的采用基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统的使用方法，其特征在于：步骤(6)中，所述分布式光纤传感器固定在污水管道内壁上，以与污水管道变形协调。

8.根据权利要求5所述的采用基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统的使用方法，其特征在于：步骤(7)中，采用铠装护套对外露段光纤进行保护。

9.根据权利要求5所述的采用基于OFDR的污水管道监测与破裂预警系统的使用方法，其特征在于：步骤(8)中，光纤熔接的步骤包括：

(a)、剥除光纤端头表面的保护层，并擦拭裸纤表面灰尘及石蜡；

(b)、对擦拭好的裸纤接头进行切割；

(c)、将切割好的光纤固定于熔接机凹槽中，启动熔接机对两端头进行熔接；

(d)、熔接完成后将套在光纤端头附近的热膨胀管移至熔接位置，将熔接部位放置于熔接机加热装置内进行加热，使热膨胀管固定在光纤熔接部位。

10.根据权利要求5所述的基于OFDR的污水管道健康监测与破裂预警系统的使用方法，其特征在于：采用轴向应变作为判断预警的标准，当本次监测结果与上次结果相比最大差距超过400με时，进行管道破裂预警。