CN112066270A - 一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法及设备，包括采集光纤振动信号；利用所述光纤振动信号建立时间‑空间二维分布信号数据组；对所述信号数据组进行预处理，得到频域信号；若所述频域信号不超出阈值，则输水管道泄漏。可以将光纤振动数据在空间长度上进行初始化标定，找到熔接点位置，并基于信号时域与频域综合分析方法确定管道是否存在泄漏，确定泄漏位置；并且在输水管道没有光缆时，也可人工铺设，适应性强。

Description

一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法及设备

技术领域

本发明涉及的技术领域，尤其涉及一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法及设备。

背景技术

随目前由于现代城市的飞速发展，居民居住面积的覆盖范围不断扩大，各大城市都形成了错综复杂的地下管廊，其中不乏民用输水管道。这些输水管道线路分布的范围越广，对于运维检修人员的巡线压力就越大。另一方面，市政建设和道路维修等导致了路面施工场地的增多，随之而来的是大量的挖掘机，破碎机，风镐等机械作业对地面造成破坏，一旦破坏地下管廊造成输水管道破裂，会严重影响水利传输等日产供给。

目前市政单位针对该情况会安排巡线人员参照地下管廊地图进行日常巡线，确保线路安全，检查输水管道沿线的隐患，但是这样的人力监测存在诸多局限性：涉事单位往往事前无报备，事后又没有及时上报，且有意隐瞒。管道运维单位又缺乏有效的输水管泄露监控手段，导致城市停水事故频发。传统的监测手段主要依靠视频监控技术，仅能实现固定点的监测，无法对随机性强、偶发性高的输水管泄露进行实时监测。

目前是针对这些问题，考虑到在各类施工影响当中，机械施工作业对地下输水管带来的影响最直接也最严重，一旦割裂光管道成泄露就会造成严重的经济损失并影响居民取水用水，因此，需要一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在监测手段无法实现实时监测的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：现有监测手段仅能实现固定点的监测，无法对随机性强、偶发性高的输水管泄露进行实时监测。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：采集光纤振动信号；利用所述光纤振动信号建立时间-空间二维分布信号数据组；对所述信号数据组进行预处理，得到频域信号；若所述频域信号不超出阈值，则输水管道泄漏。

作为本发明所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法的一种优选方案，其中：所述建立时间-空间二维分布信号数据组包括，将所述振动信号按照空间、时间顺序整理为二维数组X，其元素为X(i,j)，其中i为空间点，j为时刻，X(i,j)表示为空间点i在时刻j的振动信号强度。

作为本发明所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法的一种优选方案，其中：所述对信号数据组进行预处理包括，对所述信号数据组进行均值、去噪处理以及归一化处理。

作为本发明所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法的一种优选方案，其中：所述对信号数据组进行均值包括，对所述二维分布信号数据组进行均值处理的公式如下所示：

Y(i,j)＝(X(i,j)-X(i,j-1))/Xmean(i)

Xmean(i)＝(||X(i,j)||/(i×j))

其中：Xmean(i)为X数组中第i行所有元素取均值后的结果，||||为求矩阵的L1范数。

作为本发明所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法的一种优选方案，其中：所述去噪以及归一化处理包括，对所述信号数据组进行去噪处理的公式如下所示：

G(i,j)＝NOR(Y(i,j)*Gauss(i,j))

其中：NOR(x)为对所述数据进行归一化处理结果，Gauss(i,j))二维高斯滤波函数，*表示卷积操作；NOR(x)以及Gauss(i,j))的计算如下所示：

进而完成对信号数据组的去噪以及归一化。

作为本发明所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法的一种优选方案，其中：所述频域信号包括，对所述去噪信号进行短时傅里叶变换，得到频域信号，其计算公式如下所示：

F(i,j)＝STFT(G(i,j))

其中：G(x)为源信号，g(x-t)为窗函数。

作为本发明所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法的一种优选方案，其中：所述频域信号阈值包括，所述频域信号阈值为50-70Hz。

作为本发明所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测设备的一种优选方案，其中：输水管道为一个中空的管道，用于液体的流动传输；多芯光缆位于所述输水管道的内部，用发送输水管内的光纤振动信号；分布式光纤振动监测装置连接于所述多芯光缆，用于采集所述光纤振动信号并进行泄露监测。

作为本发明所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测设备的一种优选方案，其中：所述多芯光缆包括，在所述输水管道内，所述多芯光缆根据所述输水管道的长度在端部进行串联熔接，使得所述多芯光缆的光纤首尾相连形成一根光纤，形成被监测管道内每一个物理点对应多个光纤测点；所述多芯光缆采用沿输水管道内壁铺设的单模多芯铠装光缆。

作为本发明所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测设备的一种优选方案，其中：所述串联熔接包括，所述串联熔接的焊接原则为：根据所述分布式光纤振动监测装置的大监测距离来确定最终在两端熔接几根光纤，熔接串联的光纤一般为2～4根，串联后的总光纤长度应在所述分布式光纤振动监测装置的最大监测距离以内。

本发明的有益效果：可以将光纤振动数据在空间长度上进行初始化标定，找到熔接点位置，并基于信号时域与频域综合分析方法确定管道是否存在泄漏，确定泄漏位置；并且在输水管道没有光缆时，也可人工铺设，适应性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法的流程示意图；

图2为本发明第一个实施例所述的一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法的管道泄露频域特征图；

图3为本发明第二个实施例所述一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测设备的内置光纤输水管道敷设图；

图4为本发明第二个实施例所述一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～2，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法，包括：

S1：采集光纤振动信号。其中需要说明的是，

利用多芯光缆在端部熔接，如使2芯光纤首尾连接形成一路光纤，使得被监测管道内每一个物理点对应4个测点，利用相位光时域反射技术(Φ-OTDR)分布式光纤振动监测装置，采集光纤振动数据，使用相位光时域反射技术(Φ-OTDR)采用窄线宽单频激光作为探针光脉冲，利用强度探测以及相干探测两种接收方法可以延长工作距离，缩短信号获取时间。

S2：利用光纤振动信号建立时间-空间二维分布信号数据组。其中需要说明的是，

建立时间-空间二维分布信号数据组包括，将振动信号按照空间、时间顺序整理为二维数组X，其元素为X(i,j)，其中i为空间点，j为时刻，X(i,j)表示为空间点i在时刻j的振动信号强度。

S3：对信号数据组进行预处理，得到频域信号。其中需要说明的是，

对信号数据组进行预处理包括，对信号数据组进行均值、去噪处理以及归一化处理；其中对信号数据组进行均值包括，对二维分布信号数据组进行均值处理的公式如下所示：

Y(i,j)＝(X(i,j)-X(i,j-1))/Xmean(i)

Xmean(i)＝(||X(i,j)||/(i×j))

其中：Xmean(i)为X数组中第i行所有元素取均值后的结果，||||为求矩阵的L1范数；去噪以及归一化处理包括，对信号数据组进行去噪处理的公式如下所示：

G(i,j)＝NOR(Y(i,j)*Gauss(i,j))

其中：NOR(x)为对数据进行归一化处理结果，Gauss(i,j))二维高斯滤波函数，*表示卷积操作；NOR(x)以及Gauss(i,j))的计算如下所示：

进而完成对信号数据组的去噪以及归一化；

进一步的是，频域信号包括，对去噪信号进行短时傅里叶变换，得到频域信号，其计算公式如下所示：

F(i,j)＝STFT(G(i,j))

其中：G(x)为源信号，g(x-t)为窗函数。

S4：若频域信号不超出阈值，则输水管道泄漏。其中需要说明的是，频域信号阈值为50-70Hz。

为了更好地对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例中选择传统人工方法进行测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果；传统人工方法通过检修人员对输水线路进行人工监测，监测到泄露位置后进行抢修工作，而本发明方法通过对输水管中光线信号的检测，发现泄露位置并进行及时的抢修工作。

为了对两种监测方法进行验证，选择一条10km的输水管道进行实验，并将管道的1/4处左右的阀门开启进行验证；其中使用本发明方法在经过5秒的数据传输后得到了如图2所示的信号图，图中表明在线路的2.65km处出现了初始倍频为50Hz的管道泄露信号，发生了泄露；使用传统人工监测方法不仅无法将巡检工作覆盖至整条线路，并且在确定输水管道泄露是也无法及时进行泄露位置的抢修工作，而使用本发明方法可以在数秒内确定精度在10米之内的泄漏点位置可以迅速派遣检修人员对泄漏点进行及时抢修的工作。

实施例2

参照图3和4，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测设备，包括：输水管道100、多芯光缆200和分布式光纤振动监测装置300，其中需要说明的是，

输水管道100为一个中空的管道，内部管道为圆形，用于液体的流动传输；多芯光缆200位于输水管道100的内部，用发送输水管内的光纤振动信号；分布式光纤振动监测装置300连接于多芯光缆200，用于采集光纤振动信号并进行泄露监测。

进一步的是，多芯光缆200包括，在输水管道100内，多芯光缆200根据输水管道100的长度在端部进行串联熔接，其熔接方法可用法兰串接，也可直接使用光纤熔接机熔接裸光纤，使得多芯光缆200的光纤首尾相连形成一根光纤，形成被监测管道内每一个物理点对应多个光纤测点；多芯光缆200采用沿输水管道内壁铺设的单模多芯铠装光缆；其中串联熔接的焊接原则为：根据分布式光纤振动监测装置300的大监测距离来确定最终在两端熔接几根光纤，熔接串联的光纤一般为2～4根，串联后的总光纤长度应在分布式光纤振动监测装置300的最大监测距离以内。

还需要说明的是，本发明的监测设备利用输水管道100内的多芯光缆200，根据输水管道100的长度在端部进行串联熔接，将多芯光缆200首尾连接成一根光纤，形成被监测管道每一个物理点对应多个光纤测点，熔接好的多芯光缆200首端通过光纤跳线接入分布式光纤振动监测装置300，采集光纤震动数据，对数据在空间长度上进行初始化标定，当待测光纤敷设完毕后，对输水管道按一定的步长进行敲击，分布式光纤振动监测装置300通过内置算法处理可以根据频域信号的差异计算出振动地点，将初始端到该点记为监测段1，以此类推再标记监测段2直到输水管道100尾端位置，这样当输水管道某一点泄露经监测出时，可以根据振动点的皮长快速判断泄露点位于哪个区段，并派遣相关检修人员迅速到场进行检修，进行对输水管道100泄露的实时监测。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法，其特征在于：包括，

采集光纤振动信号；

利用所述光纤振动信号建立时间-空间二维分布信号数据组；

对所述信号数据组进行预处理，得到频域信号；

若所述频域信号不超出阈值，则输水管道泄漏。

2.如权利要求1所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法，其特征在于：所述建立时间-空间二维分布信号数据组包括，

将所述振动信号按照空间、时间顺序整理为二维数组X，其元素为X(i,j)，其中i为空间点，j为时刻，X(i,j)表示为空间点i在时刻j的振动信号强度。

3.如权利要求2所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法，其特征在于：所述对信号数据组进行预处理包括，

对所述信号数据组进行均值、去噪处理以及归一化处理。

4.如权利要求3所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法，其特征在于：所述对信号数据组进行均值包括，

对所述二维分布信号数据组进行均值处理的公式如下所示：

Y(i,j)＝(X(i,j)-X(i,j-1))/Xmean(i)

Xmean(i)＝(||X(i,j)||/(i×j))

其中：Xmean(i)为X数组中第i行所有元素取均值后的结果，||||为求矩阵的L1范数。

5.如权利要求3或4所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法，其特征在于：所述去噪以及归一化处理包括，

对所述信号数据组进行去噪处理的公式如下所示：

G(i,j)＝NOR(Y(i,j)*Gauss(i,j))

其中：NOR(x)为对所述数据进行归一化处理结果，Gauss(i,j))二维高斯滤波函数，*表示卷积操作；NOR(x)以及Gauss(i,j))的计算如下所示：

进而完成对信号数据组的去噪以及归一化。

6.如权利要求5所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法，其特征在于：所述频域信号包括，

对所述去噪信号进行短时傅里叶变换，得到频域信号，其计算公式如下所示：

F(i,j)＝STFT(G(i,j))

其中：G(x)为源信号，g(x-t)为窗函数。

7.如权利要求6所述的分布式光纤内置的输水管道泄漏监测方法，其特征在于：所述频域信号阈值包括，

所述频域信号阈值为50-70Hz。

8.一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测设备，其特征在于：包括，

输水管道(100)为一个中空的管道，用于液体的流动传输；

多芯光缆(200)位于所述输水管道(100)的内部，用发送输水管内的光纤振动信号；

分布式光纤振动监测装置(300)连接于所述多芯光缆(200)，用于采集所述光纤振动信号并进行泄露监测。

9.如权利要求8所述的一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测设备，其特征在于：所述多芯光缆(200)包括，

在所述输水管道(100)内，所述多芯光缆(200)根据所述输水管道(100)的长度在端部进行串联熔接，使得所述多芯光缆(200)的光纤首尾相连形成一根光纤，形成被监测管道内每一个物理点对应多个光纤测点；所述多芯光缆(200)采用沿输水管道内壁铺设的单模多芯铠装光缆。

10.如权利要求9所述的一种分布式光纤内置的输水管道泄漏监测设备，其特征在于：所述串联熔接包括，

所述串联熔接的焊接原则为：根据所述分布式光纤振动监测装置(300)的大监测距离来确定最终在两端熔接几根光纤，熔接串联的光纤一般为2～4根，串联后的总光纤长度应在所述分布式光纤振动监测装置(300)的最大监测距离以内。

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