CN111765389A - 一种智能城市管网状态实时监测方法及系统 - Google Patents

一种智能城市管网状态实时监测方法及系统 Download PDF

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陈建中
任哲皓
吕泳
李鹏
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Abstract

本发明公开了一种智能城市管网状态实时监测方法及系统，可以对城市管网的状态进行实时监测，并向用户反馈管道状态信息。该系统包括：感知模块、传输模块、处理模块以及用户终端；感知模块由管网及负责采集管网状态信息的传感设备构成；传输模块基于无线通讯网络，以及计算机资源、网络资源、存储资源的利用；处理模块负责对监测数据进行可视化处理，并发送至用户终端；用户可通过用户终端了解管网的实时状态，并在管网出现异常时接收报警信息。本发明通过对管网中介质流量、压力以及管道自身应变和变形进行监测，以实现对多种数据的采集、传输和处理，通过对多种数据的综合分析，可以获得管道内介质流量、压力以及管道的腐蚀、变形及泄漏等情况。

Description

一种智能城市管网状态实时监测方法及系统
技术领域
本发明属于管网线路管理领域，更具体地，涉及一种智能城市管网状态实时监测方法及系统。
背景技术
管道运输在流体运输方面有着巨大的优越性，在城市建设中被广泛应用。如今各大城市的地下管道运输系统，已经成为了一个巨大的管道网络，甚至被称为城市的生命线。然而，由于管道老化、地理条件变化以及人为原因等，管道淤积、泄漏事故时有发生，而城市管网通常是埋藏于地下的，对其的安全性能检测也比较困难，从而导致管道损坏不能及时维修，影响城市功能的正常运转。因此，对于管道性能的实时监测显得尤为重要。
现有的技术通常采用单一方法对管道工作状态进行监测，而由于精度、故障等原因可能会发生漏报误报的现象，且对管道失效点定位不够精确，对管网维护工作带来了诸多不便。更重要的是，现有的监测技术对于管道失效状态的监测通常有着一定的滞后性，这给用户带来了更多的损失，也增加了管网维护工作的难度。
因此，管网监测手段单一、失效点定位不精确及管网失效监测滞后等问题，是城市管网运行和维护工作面临的巨大挑战。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种智能城市管网状态实时监测方法及系统，由此解决现有管网监测手段单一、失效点定位不精确及管网失效监测滞后等的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种智能城市管网状态实时监测系统，包括：感知模块、传输模块、处理模块以及用户终端；
所述感知模块，用于采集管道状态信息，其中，所述管道状态信息包括管道内介质的流量、压力，以及管道环向和轴向的应变；
所述传输模块，用于向所述处理模块传输所述管道状态信息；
所述处理模块，用于基于流量数据及管道环向应变确定管道是否发生泄漏，基于压力数据及管道环向数据确定管道局部强度是否降低，基于压力数据、管道环向和轴向的应变确定管道的受力和变形情况，并向所述用户终端发送处理结果及异常时的报警信息，其中，所述报警信息中包括异常点及具体异常信息。
优选地，所述感知模块由设置于管网关键节点处的流量计、通过螺旋缠绕于管道的环向光纤光栅应变计和沿管道轴线布置的轴向光纤光栅应变计；
其中，所述流量计用于采集管道内介质的流量和压力；
所述环向光纤光栅应变计用于采集管道环向应变；
所述轴向光纤光栅应变计用于采集管道轴向应变。
优选地，在所述流量计安装处的上下游应有一定的直管段，支管汇入处附近的预设位置处应布置流量计。
优选地，所述处理模块，用于通过对相邻两个流量计采集的流量数据进行比较，根据两测点流量差异是否异常判断两测点间管道是否可能出现泄漏，并在判定两测点间管道可能发生泄漏后，通过所述环向光纤光栅应变计测得的环向应变分析两测点间管道是否有负压波通过，若有负压波通过，则对负压波起始点定位以获知管道泄漏点的精确位置。
优选地，所述处理模块，还用于结合流量计所得管道内压数据，若发现某测点处环向光纤光栅应变计的测量值相比管道内压下正常的应变值偏大，确定该应变测点处可能已经发生导致管道局部强度降低的情况。
优选地，所述处理模块，还用于由所述环向光纤光栅应变计和所述轴向光纤光栅应变计分别测得的管道应变测点处的实际环向应变和轴向应变，结合管道在各种受力和变形情况下的理论应变，通过对测得的实际应变反演计算，综合流量计测得的管道内压数据得到管道此时的受力和变形情况，进而得到管道实时的全场应变情况。
按照本发明的另一个方面，提供了一种智能城市管网状态实时监测方法，包括：
采集管道状态信息，其中，所述管道状态信息包括管道内介质的流量、压力，以及管道环向和轴向的应变；
基于流量数据及管道环向应变确定管道是否发生泄漏，基于压力数据及管道环向数据确定管道局部强度是否降低，基于压力数据、管道环向和轴向的应变确定管道的受力和变形情况，并向用户发送处理结果及异常时的报警信息，其中，所述报警信息中包括异常点及具体异常信息。
优选地，所述基于流量数据及管道环向应变确定管道是否发生泄漏，包括：
通过对相邻两个流量计采集的流量数据进行比较，根据两测点流量差异是否异常判断两测点间管道是否可能出现泄漏，并在判定两测点间管道可能发生泄漏后，通过管道环向应变分析两测点间管道是否有负压波通过，若有负压波通过，则对负压波起始点定位以获知管道泄漏点的精确位置。
优选地，所述基于压力数据及管道环向数据确定管道局部强度是否降低，包括：
结合流量计所得管道内压数据，若发现某测点处环向光纤光栅应变计的测量值相比管道内压下正常的应变值偏大，确定该应变测点处可能已经发生导致管道局部强度降低的情况。
优选地，所述基于压力数据、管道环向和轴向的应变确定管道的受力和变形情况，包括：
由实际测得的管道应变测点处的实际环向应变和轴向应变，结合管道在各种受力和变形情况下的理论应变，通过对测得的实际应变反演计算，综合流量计测得的管道内压数据得到管道此时的受力和变形情况，进而得到管道实时的全场应变情况。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明可以通过对管网中介质的流量和压力以及管道自身的应变和变形进行监测，以实现对多种数据的采集、传输和处理，通过对多种数据的综合分析，可以获得管道内介质的流量、压力以及管道的腐蚀、变形及泄漏等情况。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种智能城市管网状态实时监测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种应变测点示意图；
图3是本发明实施例提供的一种智能城市管网状态实时监测方法的流程示意图；
其中，1-管道，2-流量计，3-环向光纤光栅应变计，4-轴向光纤光栅应变计，5-传输模块，6-处理模块，7-电脑，8-手机，9-垂直方向的应变测点，10-水平方向的应变测点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示是本发明实施例提供的一种智能城市管网状态实时监测系统的结构示意图，在图1所示的系统中包括：感知模块、传输模块5、处理模块6以及用户终端；
在本发明实施例中，感知模块由管网及负责采集管网状态信息的传感设备构成。传感设备主要为布置于管道1关键节点处的流量计2以及分别通过螺旋缠绕于管道的环向光纤光栅应变计3和沿管道轴线布置的轴向光纤光栅应变计4，分别用于测量管道内介质的流量、压力，以及管道环向和轴向的应变。
在本发明实施例中，流量计2安装于管道1重要节点处，以便监测管道1内水流变化情况。要求上下游应有一定的直管段，支管汇入处附近的预设位置处应布置流量计2，流量监测点应布置于方便检修和数据传输的地方，如检查井等。
其中，预设位置可以根据实际情况确定，本发明实施例不做唯一性限定。
在本发明实施例中，通过对相邻两个流量计2采集数据的比较，根据两测点流量差异是否异常，即可判断两测点间管道1是否可能出现泄漏。具体地，当管道状态正常时，下游处管道流量应不小于上游处管道流量；当下游处管道流量小于上游处管道流量时，则两点间管道可能出现泄漏。
如图2所示是本发明实施例提供的一种应变测点示意图，光纤光栅应变计以螺旋缠绕于管身和沿管道轴向布置两种方式安装，分别用于测量图2所示的管道1水平方向9和垂直方向10四个测点的环向和轴向应变，应理解，本发明所述的测点位置不局限于图2所示的四个测点位置。
在本发明实施例中，上述光纤光栅应变计可以于管道制作时集成于管道内部，还可以在后续进行安装，本发明实施例不做唯一性限定。
在本发明实施例中，在通过流量计2采集数据判定管道1某段可能发生泄漏后，通过螺旋缠绕于管身的环向光纤光栅应变计3测得的环向应变分析此段管道是否有负压波通过。若有，则对负压波起始点定位即可获知管道1泄漏点的精确位置。具体地，当管道发生泄漏时，由于管道内压力大于管道外压力，泄漏点处的液体迅速流出，泄漏点两侧液体由于压力差而向泄漏点处补充。这一过程依次向上下游传递，即所谓在管道泄漏点处出现了以一定速度向上下游传播的负压波。根据负压波传播至上下游的时间差和管道内压力波的传播速度即可计算出管道泄漏点的位置。
在本发明实施例中，结合流量计2所得管道内压数据，若发现某测点处环向光纤光栅应变计3测量值相比管道内压下正常的应变值偏大，即可获知该处可能已经发生管道1腐蚀等导致管道局部强度降低情况。
在本发明实施例中，根据材料力学理论计算、有限元模拟等方法可以得到管道1在各种受力和变形情况下的理论应变ε理，由环向光纤光栅应变计3和轴向光纤光栅应变计4可测得管道应变测点处的实际环向应变和轴向应变ε实，通过对测得的实际应变ε实反演分析，综合流量计2测得的管道1内压数据即可得到管道此时的受力和变形情况，如此一来，便可以得到管道实时的全场应变情况。
在本发明实施例中，传输模块5基于GPRS、3G、4G等无线通讯网络，以及计算机资源、网络资源、存储资源的利用。通过无线信号收发器、网络基站等设施将感知模块采集的数据发送至处理模块6。
在本发明实施例中，处理模块6主要负责对监测数据进行可视化处理，即将管道状态与管网地图相结合，并将处理结果发送至用户终端，向用户提供直观的管道状态情况。处理模块6可以通过分析感知模块所采集的数据，判断管道1状态是否正常。
如图3所示，当感知模块测得的管道1状态数据出现异常时，处理模块6将异常点及具体异常信息发送至用户终端进行报警。
在本发明实施例中，用户终端可以称之为用户设备(User Equipment，UE)、移动台(Mobile Station，MS)、移动终端设备(Mobile Terminal)等，该终端设备可以经无线接入网与处理模块6进行通信，例如，用户终端可以是移动电话(或称为“蜂窝”电话)、具有移动终端设备的计算机等，例如，用户终端还可以是便携式、袖珍式、手持式、计算机内置的或者车载的移动终端设备以及未来5G网络中的终端设备，它们与无线接入网交换语音和/或数据。如图1中所示的用户终端可以为电脑7和手机8，其上安装有管网实时监测软件，用户可以通过软件了解管网的实时状态，并在管网出现异常时接收报警信息。
具体地，用户终端既可以在管道运行正常时用于查看管道内介质的实时物化性质，也可以在管道状态异常时及时向用户发送预警信息。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能城市管网状态实时监测系统，其特征在于，包括：感知模块、传输模块、处理模块以及用户终端；
所述感知模块，用于采集管道状态信息，其中，所述管道状态信息包括管道内介质的流量、压力，以及管道环向和轴向的应变；
所述传输模块，用于向所述处理模块传输所述管道状态信息；
所述处理模块，用于基于流量数据及管道环向应变确定管道是否发生泄漏，基于压力数据及管道环向数据确定管道局部强度是否降低，基于压力数据、管道环向和轴向的应变确定管道的受力和变形情况，并向所述用户终端发送处理结果及异常时的报警信息，其中，所述报警信息中包括异常点及具体异常信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感知模块由设置于管网关键节点处的流量计、通过螺旋缠绕于管道的环向光纤光栅应变计和沿管道轴线布置的轴向光纤光栅应变计；
其中，所述流量计用于采集管道内介质的流量和压力；
所述环向光纤光栅应变计用于采集管道环向应变；
所述轴向光纤光栅应变计用于采集管道轴向应变。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述流量计安装处的上下游应有一定的直管段，支管汇入处附近的预设位置处应布置流量计。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的系统，其特征在于，所述处理模块，用于通过对相邻两个流量计采集的流量数据进行比较，根据两测点流量差异是否异常判断两测点间管道是否可能出现泄漏，并在判定两测点间管道可能发生泄漏后，通过所述环向光纤光栅应变计测得的环向应变分析两测点间管道是否有负压波通过，若有负压波通过，则对负压波起始点定位以获知管道泄漏点的精确位置。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的系统，其特征在于，所述处理模块，还用于结合流量计所得管道内压数据，若发现某测点处环向光纤光栅应变计的测量值相比管道内压下正常的应变值偏大，确定该应变测点处可能已经发生导致管道局部强度降低的情况。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的系统，其特征在于，所述处理模块，还用于由所述环向光纤光栅应变计和所述轴向光纤光栅应变计分别测得的管道应变测点处的实际环向应变和轴向应变，结合管道在各种受力和变形情况下的理论应变，通过对测得的实际应变反演计算，综合流量计测得的管道内压数据得到管道此时的受力和变形情况，进而得到管道实时的全场应变情况。
7.一种智能城市管网状态实时监测方法，其特征在于，包括：
采集管道状态信息，其中，所述管道状态信息包括管道内介质的流量、压力，以及管道环向和轴向的应变；
基于流量数据及管道环向应变确定管道是否发生泄漏，基于压力数据及管道环向数据确定管道局部强度是否降低，基于压力数据、管道环向和轴向的应变确定管道的受力和变形情况，并向用户发送处理结果及异常时的报警信息，其中，所述报警信息中包括异常点及具体异常信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于流量数据及管道环向应变确定管道是否发生泄漏，包括：
通过对相邻两个流量计采集的流量数据进行比较，根据两测点流量差异是否异常判断两测点间管道是否可能出现泄漏，并在判定两测点间管道可能发生泄漏后，通过管道环向应变分析两测点间管道是否有负压波通过，若有负压波通过，则对负压波起始点定位以获知管道泄漏点的精确位置。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于压力数据及管道环向数据确定管道局部强度是否降低，包括：
结合流量计所得管道内压数据，若发现某测点处环向光纤光栅应变计的测量值相比管道内压下正常的应变值偏大，确定该应变测点处可能已经发生导致管道局部强度降低的情况。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于压力数据、管道环向和轴向的应变确定管道的受力和变形情况，包括：
由实际测得的管道应变测点处的实际环向应变和轴向应变，结合管道在各种受力和变形情况下的理论应变，通过对测得的实际应变反演计算，综合流量计测得的管道内压数据得到管道此时的受力和变形情况，进而得到管道实时的全场应变情况。
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