CN112483908A - 一种基于声波的管道监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声波的管道监测系统及监测方法，监测系统包括声信号获取模块、信号传输模块、信号传输模块、声波监控分析平台以及数据存储模块；声信号获取模块用于实时获取管道系统中监测对象的声波信号；信号传输模块用于将电信号传输至声波监控分析平台；声波监控分析平台对所述电信号进行转换、降噪并存储，同时对降噪后的信号进行分析，获取管道系统中监测对象的运行情况；数据存储模块用于存储声波监控分析平台获取的电信号以及经过声波监控分析平台处理的结果；通过相对便宜的声波传感器，实现实时的连续的管网及流体设备的泄漏在线监测，声波传感器实现管道及设备泄漏的监测的同时对设备的启停、故障等状态的实时监控。

Description

一种基于声波的管道监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及流体管道监控领域，特别涉及一种基于声波的管道监测系统及监测方法。

背景技术

流体管线是城市赖以生存和发展的重要基础设施，但是由于档案缺失和探测不准确等问题，经常在施工中因挖断管线而引起事故，造成严重的经济损失和恶劣的社会影响。因此，实现流体管道的准确探测已成为城市发展中亟待解决的问题。特别是输运流体例如水、油、天然气、供热热水的流体管道的泄漏问题，成为干扰城市基础设施如供水、供气、供热安全的主要因素。如何用可靠、安全、低成本的传感器及其监测技术，成为维持这些城市基础设施流体管道正常运行的关键。

目前，流体管道常用的泄漏检测方法有流量法、压力法、化学法和应力波法等,这些方法应用起来比较复杂,在确定管道泄漏时误差比较大。因此，国内外都出现了一些采用声学数据和原理来检测管道的泄漏的监测设备和方法，管内听音的声学检测方法对管道泄漏的检测具有灵敏度高、误差小和检测频率范围广等优点,更加适合供水管道泄漏的情况。现有技术专利文献CN108386728B，但目前的声波检测方法存在着设备或传感器安装困难，检测噪音干扰大，声波检测相关设备和监测系统价格昂贵等诸多问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于声波的管道监测系统及监测方法，将声波传感器布设在管道系统中，实时收集管道系统中设定部位的声波信号，依据所述声波信号对管道系统及其设备的运行状态进行判断和预测，有效降低管道监测的成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于声波的管道监测系统，包括声信号获取模块、信号传输模块、声波监控分析平台以及数据存储模块；声信号获取模块用于实时获取管道系统中监测对象的声波信号并传送至声波监控分析平台；

声波监控分析平台对所述电信号进行转换、降噪并存储，同时对降噪后的信号进行分析，获取管道系统中监测对象的运行情况；数据存储模块用于存储声波监控分析平台获取的电信号以及经过声波监控分析平台处理的结果；

声信号获取模块采用声波传感器，管道系统中监测对象包括流体管道、阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器以及过滤器；声波传感器用于监测阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器以及过滤器任意一种流体设备的泄漏、振动以及工作状态。

声波传感器监测的声波信号经过声电转换器转换为电信号之后在经过信号放大器进行放大传输至声波监控平台进行分析。

声波传感器包括听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、表面声波传感器、动态压力传感器、声波频率传感器、声波声压传感器、声波声强传感器、声波声功率传感器中的任意一种或组合。

所述表面声波传感器包括瑞利波传感器、光纤传感器、切向水平板模传感器、兰姆(love)波传感器或乐甫(lamb)波传感器中的任意一种或组合。

，流体管道、阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器以及过滤器在制造过程中加装声波传感器或在现有管道系统中加装声波传感器。

声波传感器带有ID编码，所述ID编码与所述声波传感器所在位置的信息编码对应，所述ID编码中还与当前声波传感器监测对象的编码一一对应。

声波监控分析平台中设置声电信号转换模块用于将声信号获取模块直接获取的声波信号转换为电信号。

监测的管道系统包括自来水管线系统、天然气管线系统、直埋保温供热管线系统或输油管线系统。

一种基于声波监测系统的管道系统监测方法，包括以下步骤：

S1：根据流体管道系统的类型，在预设安装声波传感器的位置，在现有阀门、泵、流量计等流体设备上加装声波传感器，或直接将带有声波传感器的阀门或泵设备替换原有的设备；

S2：对所述管道系统的每个装有声波传感器的流体设备进行地理信息编码，即GIS编码，包括每个设备的安装位置及设备编号，即获得其在地理信息系统中的地址坐标值；

S3：安装有线或无线的信号传输线路及网络，通过信号传输线路及网络将所述声波传感器所收集的信号传输至声波监控分析平台；

S4：将带有地理信息编码的每个声波传感器收集的声波信号经过去噪音处理后，在所述声波监控分析平台进行状态分析；

S5：将声波监控分析平台的分析结果输出至带有地理信息数据的管线或管网的计算机仿真模型中，以管网仿真图形式，可视化地显示声波监控结果，进而用来分析、报警和实时监测管网的泄漏、故障和运行状态监控。

对声波监控分析平台及其他传感器收集的数据进行存储，分析所述历史数据与管道及流体设备的故障及工作状态的对应关系，同时将表征的管道运行状态的历史数据关联天气预报、城市地震、城市交通以及城市基础设施建设信息的数据。

所述管网仿真模型包括管网地理信息模块、管网水力计算仿真模块、管网物联网及传感器模块、管网声波监控模块、管网数据分析模块、管网智能分析模块以及管网可视化显示模块。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)通过相对便宜的声波传感器，实现实时的连续的管网及流体设备的泄漏在线监测，不但成本低，而且故障率低而检出率高，定位可以精确到0.5米；

2)根据阀门、泵、流量计等流体设备的自身结构特点，直接在流体设备的结构中加装声波传感器，能实现对这些流体设备的实时、低价的在线监测；

3)声波传感器不但实现管道及设备泄漏的监测，而且通过对比分析不同设备运行状态下的声波及三维图像，可实现对设备的启停、故障、泄漏等状态的实时监控；

4)将声波传感器的实时监测数据传输至声波监控分析平台进行存储能积累大量的管道系统运行数据，能用于对管道系统的运行状态进行分析以及管理优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的具体实施例一的示意图。

图2为本发明所提供的具体实施例二的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参考图1至图2，本发明提供一种基于声波的管道监测系统，包括声信号获取模块、信号传输模块、声波监控分析平台以及数据存储模块；声信号获取模块用于实时获取管道系统中监测对象的声波信号，并传送至声波监控分析平台；

声波监控分析平台对所述电信号进行转换、降噪并存储，同时对降噪后的信号进行分析，获取管道系统中监测对象的运行情况；数据存储模块用于存储声波监控分析平台获取的电信号以及经过声波监控分析平台处理的结果；

声信号获取模块采用声波传感器，管道系统中监测对象包括流体管道、阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器以及过滤器；声波传感器用于监测阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器以及过滤器任意一种流体设备的泄漏、振动以及工作状态。

作为可选的，声信号获取模块和声波监控分析平台之间还可以设置信号传输模块，信号传输模块用于将电信号传输至声波监控分析平台。

实施例2：

本发明提供一种带声波监控的管道液体输运系统，请参考图1至图2，图1为本发明所提供的具体实施例一的示意图；一种带声波监控的流体管道监控系统，包括带声波传感器的流体管道、带声波传感器的阀门、带声波传感器的泵、带声波传感器的弯头、三通或膨胀器及法兰、带声波传感器的流量计、带声波传感器的换热器或过滤器等流体设备；还包括声波信号传输线缆或网络、声波监控分析平台；所述声波传感器将管道、阀门、泵、流量计、换热器等流体管道设备的声波信号经过声波信号传输线缆或网络，传输至声波数据分析平台及声波监测系统平台，利用大数据或人工智能技术，分析所述流体设备的声波信号，监测流体管道的泄漏、流体设备运行状态、故障等状态信息。

作为实施例1和实施例2可选的实施方式：

所述声波传感器包括听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、表面声波传感器、动态压力传感器、声波频率传感器、声波声压传感器、声波声强传感器、声波声功率传感器中的任意一种或组合。

所述表面声波传感器包括瑞利波传感器、光纤传感器、切向水平板模传感器、兰姆(love)波传感器或乐甫(lamb)波传感器中的任意一种或组合。

所述声波传感器加装在现有的流体管道的流体设备上，所述现有的流体管道的流体设备包括流体管道、阀门、泵、流量计、换热器或过滤器等流体设备中的任意一种或组合。

所述声波传感器根据流体设备结构，在新的流体设备设计和制造过程中，直接在所述流体管道、阀门、泵、流量计、换热器或过滤器等流体设备的任意一种或组合中安装声波传感器。

所述声波传感器带有ID编码，所述ID编码与所述声波传感器所在地理位置的地理信息编码对应。

所述管道安装的声波传感器用于监测管道泄漏、振动及其他声波探测出的相关信号信息。

所述流体设备安装的声波传感器用于监测阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器等任意一种流体设备的泄漏、振动、工作状态。

随着声波监控分析平台及其他传感器收集的数据的增加，本发明利用大数据和人工智能技术，分析所述历史数据与管道及流体设备的故障及工作状态的对应关系，利用人工智能的机器学习功能，关联天气预报、城市地震、城市交通、城市基础设施建设等相关数据，有助于增加整体管道系统的安全性。

实施例3：

一种基于声波监测系统的管道系统监测方法，具体如下：

S1：根据流体管道的类型，可以是自来水管线，在自来水管线设定的位置的安装声波传感器，在现有管道、阀门、泵以及流量计上加装声波传感器，或直接将带有声波传感器的阀门或泵设备替换原有的设备；

S2：对流体管道中每个装有声波传感器的流体设备进行地理信息编码(GIS编码，GIS编码包括每个设备的安装位置及设备编号)，即获得每一个流体设备在地理信息系统中的地址坐标值，一般为经纬度坐标值；

S3：通过有线或无线的信号传输线路及网络，将所述声波传感器所收集的信号传输至声波监控分析平台；

S4：将带有地理信息编码的每个声波传感器收集的声波信号经过去噪音处理后，在所述声波监控分析平台进行状态分析；

S5：将声波监控分析平台的分析结果输出至带有地理信息数据的管线或管网的计算机仿真模型中，以管网仿真图形式，可视化地显示声波监控结果，进而用来分析、报警和实时监测管网的泄漏、故障和运行状态监控；

S6：随着声波监控分析平台及其他传感器收集的数据的增加，利用大数据和人工智能技术，声波监控分析平台基于历史声波信号数据管道及流体设备的故障及工作状态的对应关系，结合天气预报、城市地震、城市交通、城市基础设施建设等相关数据，对管道系统的运行状态进行预测。分析所述历史数据与管道及流体设备的故障及工作状态的对应关系，利用人工智能的机器学习功能，关联天气预报、城市地震、城市交通、城市基础设施建设等相关数据，有助于增加整体管道系统的安全性。

所述管网仿真模型包括管网地理信息模块、管网水力计算仿真模块、管网物联网及传感器模块、管网声波监控模块、管网大数据分析模块、管网人工智能分析模块、管网可视化显示模块。

本发明所述管线不仅仅局限于应用在自来水管线中，还可以用于天然气管线、直埋保温供热管线以及输油管线中。

实施例3：

一种基于声波监测系统的管道系统监测方法，包括以下步骤：

S1：根据流体管道系统的类型，所述管道系统为天然气管线、直埋保温供热管线和/或输油管线在预设安装声波传感器的位置，在现有阀门、泵、流量计等流体设备上加装声波传感器，或直接将带有声波传感器的阀门或泵设备替换原有的设备；

S2：对所述管道系统的每个装有声波传感器的流体设备进行地理信息编码，即GIS编码，包括每个设备的安装位置及设备编号，即获得其在地理信息系统中的地址坐标值；

S3：安装有线或无线的信号传输线路及网络，通过信号传输线路及网络将所述声波传感器所收集的信号传输至声波监控分析平台；

S4：将带有地理信息编码的每个声波传感器收集的声波信号经过去噪音处理后，在所述声波监控分析平台进行状态分析；

S5：将声波监控分析平台的分析结果输出至带有地理信息数据的管线或管网的计算机仿真模型中，以管网仿真图形式，可视化地显示声波监控结果，进而用来分析、报警和实时监测管网的泄漏、故障和运行状态监控。

作为本发明另一个实施例：

在本发明所述基于声波监测系统的管道系统监测方法的基础上，声波监控分析平台及其他传感器收集的数据进行存储，分析所述历史数据与管道及流体设备的故障及工作状态的对应关系，同时将表征的管道运行状态的历史数据关联天气预报、城市地震、城市交通以及城市基础设施建设信息的数据。

实施例4：

基于本发明所述基于声波监测系统的管道系统监测方法，所述管网仿真模型包括管网地理信息模块、管网水力计算仿真模块、管网物联网及传感器模块、管网声波监控模块、管网数据分析模块块以及管网可视化显示模块；所述管网地理信息模块构建基于管网整体的地理信息，所述地理信息包括管道系统本身的地理信息和声波传感器的地理信息；管网水力计算仿真模块基于仿真计算管网中压力的实时分布及变化趋势；管网物联网及传感器模块用于实时采集管网中的运行状态信息；管网声波监控模块基于声波传感器监测管网系统中设备以及管路的运行状态；管网数据分析模块获取管网实时监测数据并将所述管网实时监测数据与历史数据进行比对分析管网系统的运行是否正常；管网可视化显示模块将管网系统的运行状态可视化地显示。

实施例5：

基于本发明所述基于声波监测系统的管道系统监测方法，所述管网仿真模型包括管网地理信息模块、管网压力计算仿真模块、管网物联网及传感器模块、管网声波监控模块、管网数据分析模块、管网智能分析模块以及管网可视化显示模块；所述管网地理信息模块构建基于管网整体的地理信息，所述地理信息包括管道系统本身的地理信息和声波传感器的地理信息；管网压力计算仿真模块基于仿真计算管网中压力的实时分布及变化趋势；管网物联网及传感器模块用于实时采集管网中的运行状态信息；管网声波监控模块基于声波传感器监测管网系统中设备以及管路的运行状态；管网数据分析模块获取管网实时监测数据并将所述管网实时监测数据与历史数据进行比对分析管网系统的运行是否正常；管网智能分析模块将历史数据与天气预报、城市地震、城市交通以及城市基础设施建设信息的数据关联，并基于数据关联的信息优化管网运行；管网可视化显示模块将管网系统的运行状态和城市交通和城市基础设施建设信息可视化地显示；将城市所有管网系统的运行状态及其历史数据关联天气预报、城市地震、城市交通以及城市基础设施建设信息的数据，分析出外部环境变化对官网运行的影响具体在基于声波传感器管道监测系统中的具体特征，并在数据分析将所有关于外部环境的噪声去除，以更准确地分析管道的运行状态，能大大降低误判率。

实施例6：

基于本发明所述基于声波的管道监测系统及监测方法，声波传感器实时持续获取管道系统中的管道、阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器以及过滤器运行信息，管道系统运行状态发生微小的变化时，声波传感器监测的声压、声强和/或频率发生相应的变化，将所述声压、声强和频率进行分析并同时与正常运行状态下的声压、声强和频率进行对比分析确定运行状态是否正常；当然在进行分析时根据管道、阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器以及过滤器周围的外部环境先过滤掉外部噪音。

本发明利用大数据或人工智能分析城市管道系统中声波传感器在不同时间间隔内收集的声波信号，利用大数据对比分析不同设备运行状态下的声波及三维图像，并利用人工智能的自学习功能，实现对声波信号的噪音消除和管线及设备的泄漏、安全、运行状态的人工智能监控，同时将城市管网的运行信息与天气预报、城市地震、城市交通以及城市基础设施建设信息关联，为优化城市管网以及基础设施建设提供有效参考，有助于提高城市管理和运行水平。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的带声波监控的管道液体输运系统和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于声波的管道监测系统，其特征在于，包括声信号获取模块、声波监控分析平台以及数据存储模块；声信号获取模块用于实时获取管道系统中监测对象的声波信号并传送至声波监控分析平台；

声波监控分析平台对所述电信号进行转换、降噪并存储，同时对降噪后的信号进行分析，获取管道系统中监测对象的运行情况；数据存储模块用于存储声波监控分析平台获取的电信号以及经过声波监控分析平台处理的结果；

声信号获取模块采用声波传感器，管道系统中监测对象包括流体管道、阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器以及过滤器；声波传感器用于监测阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器以及过滤器任意一种流体设备的泄漏、振动以及工作状态。

2.根据权利要求1所述的基于声波的管道监测系统，其特征在于，声波传感器包括听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、表面声波传感器、动态压力传感器、声波频率传感器、声波声压传感器、声波声强传感器、声波声功率传感器中的任意一种或组合。

3.根据权利要求1所述的基于声波的管道监测系统，其特征在于，所述表面声波传感器包括瑞利波传感器、光纤传感器、切向水平板模传感器、兰姆波传感器或乐甫波传感器中的任意一种或组合。

4.根据权利要求1所述的基于声波的管道监测系统，其特征在于，流体管道、阀门、泵、弯头、三通、膨胀器、法兰、流量计、换热器以及过滤器在制造过程中加装声波传感器或在现有管道系统中加装声波传感器。

5.根据权利要求1所述的基于声波的管道监测系统，其特征在于，声波传感器带有ID编码，所述ID编码与所述声波传感器所在位置的信息编码对应，所述ID编码中还与当前声波传感器监测对象的编码一一对应。

6.根据权利要求1所述的基于声波的管道监测系统，其特征在于，声波监控分析平台中设置声电信号转换模块用于将声信号获取模块直接获取的声波信号转换为电信号。

7.根据权利要求1所述的基于声波的管道监测系统，其特征在于，监测的管道系统包括自来水管线系统、天然气管线系统、直埋保温供热管线系统或输油管线系统。

8.一种基于声波监测系统的管道系统监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据流体管道系统的类型，在预设安装声波传感器的位置，在现有阀门、泵、流量计等流体设备上加装声波传感器，或直接将带有声波传感器的阀门或泵设备替换原有的设备；

S2：对所述管道系统的每个装有声波传感器的流体设备进行地理信息编码，即GIS编码，包括每个设备的安装位置及设备编号，即获得其在地理信息系统中的地址坐标值；

S3：安装有线或无线的信号传输线路及网络，通过信号传输线路及网络将所述声波传感器所收集的信号传输至声波监控分析平台；

S4：将带有地理信息编码的每个声波传感器收集的声波信号经过去噪音处理后，在所述声波监控分析平台进行状态分析；

S5：将声波监控分析平台的分析结果输出至带有地理信息数据的管线或管网的计算机仿真模型中，以管网仿真图形式，可视化地显示声波监控结果，进而用来分析、报警和实时监测管网的泄漏、故障和运行状态监控。

9.根据权利要求8所述的管道系统监测方法，其特征在于，对声波监控分析平台及其他传感器收集的数据进行存储，分析所述历史数据与管道及流体设备的故障及工作状态的对应关系，同时将表征的管道运行状态的历史数据关联天气预报、城市地震、城市交通以及城市基础设施建设信息的数据。

10.根据权利要求8所述的管道系统监测方法，其特征在于，所述管网仿真模型包括管网地理信息模块、管网水力计算仿真模块、管网物联网及传感器模块、管网声波监控模块、管网数据分析模块、管网智能分析模块以及管网可视化显示模块。

Images