CN113007615A - 一种铁路给水管网快速检漏系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及给水管网技术领域，为一种铁路给水管网快速检漏系统，包括检漏机器人、电池模块、作业监控管理平台及通信模块，检漏机器人设有传感器模块；传感器模块用于检测给水管网的漏损情况、实时定位检漏机器人的位置和视觉传输现场情况。检漏机器人沿着铁轨移动，并带动噪声记录仪记录沿着给水管网移动以监测是否漏损。针对铁路给水管网特点，代替传统人工检漏，采用硬件与软件结合技术，通过噪声、视觉等传感器获取数据，发送给软件平台云存储、识别处理信号生成作业报表，根据业主单位改造目标、资金给出相应建议，实现全流程的服务，投入成本低，泄漏点识别精度高，定位准确，耗时较快。

Description

一种铁路给水管网快速检漏系统

技术领域

本发明涉及给水管网技术领域，具体涉及一种铁路给水管网快速检漏系统。

背景技术

给水管网是给水系统中的重要环节，净水厂处理达标后的自来水经给水管网，供给城乡居民、大型用水单位铁路及工业区等使用，是保证生产生活正常运转的重要组成。

一般情况下，给水管网由于埋设在地下，服务年限久远，管网发生腐蚀，或受管网内部较大水压，管道埋深较浅承重过大，基础不均匀沉降等原因，造成管网长期漏泄，不易被管养维护人员发现。管网漏水量与供水总量之比为管网漏损率，据调查表明，有城市供水管网漏损率在15％以上，铁路给水管网漏损率达20％以上，如陇海线、焦枝线、宁西线的给水管网平均漏损率达43％，《铁路给水排水设计规范》对管网漏损率的取值为10％～12％，实际生产中的管网漏损率大大超过了设计范围。此外，铁路给水管网通常沿股道间敷设，长期的跑冒滴漏会影响铁轨基础承载力，成为安全隐患。所以有必要对漏损率进行严格的把控，实现铁路给水管网相对稳定运行，保证铁路生产的正常秩序，保护铁路财产免受侵害，避免大量水资源浪费，降低生产运行成本。

目前管网泄露检测主要采用人工方式，依靠经验丰富的工人巡检听漏，时效慢且投入成本高。

当前暂无专门适用于铁路系统给水管网检漏的专利，主要通过在管网节点设置大量传感器，监测管道中压力、流量、噪声等信号，建立水力模型或者神经网络深度学习模型，识别管网漏损点。申请号201911313009.7提出了一种给水管网漏损监测与定位的方法，通过在管网中安装大量传感器，利用水量平衡模型识别漏水分区，再比对噪声频谱信号定位漏损点，该方法采用的水量平衡模型参数依赖经验值，可靠性不高，同时在给水管网中安装大量传感器，频繁关阀做闭水试验，影响日常生产生活用水需求，投资成本较高，降低用户满意度，实施难度较大。申请号201810702647.7提出了一种供水管网实时漏损分析方法，通过给水管网的水量、压力、管道参数建立仿真模型，匹配预测值与实际值的差异，识别漏损情况，但在管网在线监测数据质量参差不齐，频率较高的前提下，无法精准迅速的处理大量数据，误报率较高。申请号201810527186.4提出的基于聚类和深度信念网络的漏损初定位方法，通过建立并训练漏损区域识别模型辨识漏损区域，但该方法无法准确识别漏点位置。申请号201811283725.0提出基于长短时记忆神经网络模型的漏损识别方法，将传感器获得的数据处理后，训练长短时记忆的神经网络模型，对异常流量点进行识别。申请号201710998436.8提出基于门控循环单元的神经网络模型，通过模型计算的时间序列列向量与参考数据相对值的余弦距离，识别是否发生了漏损。这类神经网络模型识别过程过于繁琐，存在误报率高、实际操作中可信度低等问题，浪费水务部门的人力物力财力。故亟需一种适用于铁路给水管网特点的漏损检测方法。

发明内容

本发明提供了一种铁路给水管网快速检漏系统，解决了以上所述的现有给水管网检漏要求人员经验丰富、老旧管网安装传感器实施困难且投入成本大、泄漏点识别误报率高、定位精度低、耗时较久等的技术问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种铁路给水管网快速检漏系统，包括检漏机器人、电池模块、作业监控管理平台及通信模块，所述检漏机器人设有传感器模块；

所述传感器模块用于检测给水管网的漏损情况、实时定位检漏机器人的位置和视觉传输现场情况；

所述电池模块用于给所述检漏机器人供电；

所述传感器模块通过所述通信模块与作业监控管理平台联系，所述作业监控管理平台用于根据所述传感器模块的数据信息生成泄露点作业报表；

所述检漏机器人包括本体及可伸缩折叠机械臂，所述本体带动所述可伸缩折叠机械臂沿着铁轨移动，所述可伸缩折叠机械臂从所述本体的两侧边伸出并向下悬挂于所述铁轨的两侧，所述可伸缩折叠机械臂的末端设有用于检测铁轨沿线各监测点的噪声信号的噪声记录仪记录。

可选的，所述本体的底端设有与所述铁轨的顶端滚动连接的滚轮，所述本体的两侧均设有运动滑轨，所述运动滑轨成门字型并包覆所述铁轨，电机模块驱动所述滚轮沿着所述铁轨移动。

可选的，所述运动滑轨的一端与所述本体通过连接弹簧弹性连接。

可选的，所述传感器模块包括GIS定位模块及视觉传输模块，视觉传输模块包括图像传输单元及红外线感应器，所述图像传输单元用于实时监视检漏机器人所处环境，并辅助生成作业报表，红外线感应器包括用于自动避障的红外发射器及CCD检测器。

可选的，所述电池模块包括但不限于三元锂电池、磷酸铁锂电池，电池模块具备快充功能，以及更换电池功能。

可选的，所述作业监控管理平台包括信号处理模块，所述信号处理模块用于将采集的管网的噪声信号，通过时域与频域变换，包括但不限于傅里叶变换等方法，进行时域及频域比对，以正常管网运行的噪声数据库作为预设范围值，若超出预设的范围值，则判定该监测点位管道发生泄漏，针对超过预设范围值不同程度给出相应建议。

可选的，所述信号处理模块包括带通滤波器，铁路系统中鸣笛声、火车进出站铁轨震动声音作为特定干扰频段噪声，处理前利用带通滤波器过滤后再进行处理。

可选的，所述信号处理模块实时获取给水管网的流量作为辅助参数判断是否漏损。

有益效果：本发明提供了一种铁路给水管网快速检漏系统，包括检漏机器人、电池模块、作业监控管理平台及通信模块，检漏机器人设有传感器模块；传感器模块用于检测给水管网的漏损情况、实时定位检漏机器人的位置和视觉传输现场情况。检漏机器人沿着铁轨移动，并带动噪声记录仪记录沿着给水管网移动以监测是否漏损。针对铁路给水管网特点，创新性的采用检漏机器人自动巡检，代替传统人工检漏，采用硬件与软件结合技术，通过噪声、视觉等传感器获取数据，发送给软件平台云存储、识别处理信号生成作业报表，根据业主单位改造目标、资金给出相应建议，实现全流程的服务，本发明是铁路给水管网检漏领域内的创新，投入成本低，泄漏点识别精度高，定位准确，耗时较快。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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为本发明铁路给水管网快速检漏系统的作业原理框图；

图2为本发明铁路给水管网快速检漏系统的工作原理图；

图3为本发明铁路给水管网快速检漏系统的检漏机器人结构图；

图4为本发明铁路给水管网快速检漏系统的本体内部集成结构图。

附图标记说明：铁轨1，运动滑轨2，本体3，机械臂4，机械臂第一关节5，连接弹簧6，机械臂第二关节7，机械臂伸缩杆8，传感器模块9，通信模块10，滚轮11，底座12，电源模块13，集成模块外壳14，模块固定柱15，信号输入输出接口16。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图4所示，本发明提供了一种铁路给水管网快速检漏系统，包括检漏机器人、电池模块、作业监控管理平台及通信模块，所述检漏机器人设有传感器模块；

所述传感器模块用于检测给水管网的漏损情况、实时定位检漏机器人的位置和视觉传输现场情况；

所述电池模块用于给所述检漏机器人供电；

所述传感器模块通过所述通信模块与作业监控管理平台联系，所述作业监控管理平台用于根据所述传感器模块的数据信息生成泄露点作业报表；

所述检漏机器人包括本体3及可伸缩折叠机械臂4，所述本体3带动所述可伸缩折叠机械臂4沿着铁轨1移动，所述可伸缩折叠机械臂4从所述本体3的两侧边伸出并向下悬挂于所述铁轨1的两侧，所述可伸缩折叠机械臂4的末端设有用于检测铁轨1沿线各监测点的噪声信号的噪声记录仪记录。

检漏机器人包括本体3和可伸缩折叠机械臂4，可伸缩折叠机械臂4为两侧对称结构，其中一侧包括机械臂第一关节5和机械臂第二关节7，机械臂4的一端通过两个关节与本体3铰接实现自由转动，另一端自由下垂悬挂在铁轨1旁侧，机械臂4的自由端设有噪声记录仪记录，随着检漏机器人的移动，噪声记录仪记录便能检测铁路给水管网的漏损情况。

此外，机械臂4包括机械臂伸缩杆8，通过机械臂伸缩杆8来调节噪声记录仪的高度，达到更好的检测效果。

可选的方案，所述本体3的底端设有与所述铁轨1的顶端滚动连接的滚轮11，所述本体3的两侧均设有运动滑轨2，所述运动滑轨2成门字型并包覆所述铁轨1，电机模块驱动所述滚轮11沿着所述铁轨1移动。运动滑轨2起到稳定检漏机器人的作用，通过两个运动滑轨2将铁轨1进行完全包覆，防止检漏机器人滑落。运动滑轨2位于机械臂4的下方，二者不干涉。

可选的方案，所述运动滑轨2的一端与所述本体3通过连接弹簧6弹性连接。通过弹性连接，起到缓冲和软连接的作用，一方面能将检漏机器人稳定在铁轨1上，另一方面，防止运动滑轨2与铁轨1之间产生大力摩擦。

可选的方案，所述铁路给水管网快速检漏系统还包括传感器模块9、电池模块及通信模块10，所述传感器模块9用于实时定位检漏机器人的位置和视觉传输现场情况，所述电池模块用于供电，所述传感器模块9通过所述通信模块10与外界联系。

可选的方案，检漏机器人设有传感器模块9、电池模块、通信模块10，作业监控管理平台包括机器人控制模块，信号处理模块、作业报表模块、云存储模块。

结合图1～图2：作业前在云存储模块录入作业区域及里程信息。根据轨道间距机器人滚轮11距离，默认值为1435毫米。机器自检，检测伸缩臂、各项传感器功能，保持软件更新至最新版本，机器人控制模块设置作业起点、终点、自动返航点、运行速度、信号采样频率等信息。机器人安放在轨道，启动视觉模块传感器，开启避障功能。展开折叠机械臂4，启动噪声记录仪、GIS定位模块，记录沿线各监测点的噪声信号，GIS定位模块赋予各监测点位置信息。通信模块10将传感器采集数据实时存储至内存系统中，并通过无线通信终端、GPRS、Internet网络，将数据同步传输到作业监控管理平台。电量低时报警，记录当前位置信息，自动返航更换电池，返回至之前停止点继续作业，待全部作业完成自动返航至出发点，完成信号收集步骤。作业监控管理平台根据使用场景，过滤特定干扰频段噪声，进行信号处理，结合可选的辅助的输入各节点流量等信息，输出报表模块包括作业名称、作业里程、作业区域、泄漏点GPS位置信息、实景视频图像，给出初步完善管网建议。开放辅助决策窗口，允许录入管网改造前信息、改造经费估算、改造目标，为业主单位比选管网改造方案，提供全流程服务。

具体的，所述检漏机器人包括控制器、滚轮11、电机模块、可伸缩折叠机械臂4；控制器执行机器人控制模块的命令，控制电机模块、可伸缩折叠机械臂4、传感器模块9等作业。滚轮11间距与铁路轨距匹配，我国铁路主要采用1435毫米的标准轨距，国外铁路轨距包括610毫米、762毫米、891毫米、1000毫米、1067毫米、1372毫米等。电机模块提供机器人运行动力，通过控制不同的输出功率控制行走速度，行走速度设置范围0～20km/h。可伸缩折叠机械臂4非工作状态时折叠，方便携带运输，工作时展开，视实际需要可以机器人为轴对称展开，也可以只展开单侧机械臂4，根据现场实际情况伸缩机械臂4长度，机械臂4长度设置范围0～20m。

其中，本体3外有集成模块外壳14，底部为滚轮11，滚轮11上为底座12，底座12与集成模块外壳14固定连接，且底座12上插接有模块固定柱15，模块固定柱15上套设有通信模块10、电源模块13，各模块通过集成模块外壳14进行封装，防止风沙或雨水进入，各模块最后通过信号输入输出接口16穿出集成模块外壳14实现与外界通信联系。

具体的，机械臂4除可伸缩外，也可附连接杆耦接。

具体的，所述检漏机器人材质包括但不限于高分子聚合物，如PP、PA、PC\ABS等；包括但不限于金属材料，如不锈钢、铜、钛合金、镁合金等；包括但不限于新型复合材料，如碳纤维复合材料等。

具体的，所述传感器模块9包括噪声记录仪、GIS定位模块、视觉传输模块；其中噪声记录仪记录沿线各监测点的噪声信号，GIS定位模块赋予各监测点位置信息，视觉传输模块包括图像传输及红外线感应器。

具体的，传感器除本身位于本体3内，也可与主体、机械臂4耦接。

具体的，“耦接方式”不限于导轨、螺丝固定等物理方式耦接，也可通过线缆连接、光电耦合或电磁耦合等方式。

具体的，噪声记录仪采样频率由机器人控制模块根据现场需要设定。

具体的，GIS位置信息用于生成作业报表反馈泄漏位置。

具体的，视觉传输模块中的图像传输单元用于实时监视机器人所处环境，并辅助生成作业报表，红外线感应器包括红外发射器及CCD检测器，防止机器人碰撞障碍物，如果遇到障碍物进行报警，如果是机器臂遇到障碍物，收缩或抬起机械臂4避障。

具体的，所述电池模块包括但不限于三元锂电池、磷酸铁锂电池，电池模块具备快充功能，以及更换电池功能。

具体的，所述通信模块10将传感器采集数据实时存储至内存系统中，并通过无线通信终端、GPRS、Internet网络，将数据同步传输到作业监控管理平台及云存储模块，方便用户实时或日后调用。

作业监控管理平台是集成机器人控制、信号处理、报表输出以及软件系统的平台，根据操作系统不同，以电脑软件或手机、平板app方式运行。

具体的，所述机器人控制模块实现机器人全流程的运行管理，包括控制电机输出功率驱动在铁轨1上行走，控制机器人启、停、前进、后退，以及行走速度，行走速度设置范围0～20km/h；设定机器人行走起点、终点位置信息或运行距离，建立自动返航点；设定机器人噪声采样频率间隔；设置机器人自检模块，作业前进行程序自检，自检合格后进行作业，如有故障例如电量不足、软件需要更新、传感器失灵、通信模块10失效等，反馈至操作人员。

具体的，所述信号处理模块将采集的管网噪声数据，通过时域与频域变换，包括但不限于傅里叶变换等方法，进行时域及频域比对，以正常管网运行的噪声数据库作为预设范围值，如果超出预设的范围值，判定该监测点位管道发生泄漏,针对超过预设范围值不同程度给出相应建议。

具体的，铁路系统中鸣笛声、火车进出站铁轨1震动声音等作为特定干扰频段噪声，处理前利用带通滤波器过滤。

具体的，管网流量作为可选参数，对于已安装水表，能够获取实时流量的给水管网，将流量信息放入信号处理模块，通过给水管网节点的水量平衡关系，通常某点的进水量＝出水量+用户使用水量，作为辅助判断漏损点的依据，也作为报表给出建议的依据。

具体的，所述作业报表模块是呈现给客户，作为给水管网监漏的成果，包括作业名称、作业里程、作业区域、给水管网泄漏点GPS位置信息、泄漏点位置实景视频图像、给出完善管网建议。

具体的，所述云存储模块用于存储作业全流程信息，包括与业主单位签订合同信息、作业区域及里程、传感器收集数据、作业报表成果，通过经济技术比选给出完善建议，同时向业主单位开放辅助决策窗口，允许录入管网改造前信息、经费估算、改造目标，为业主单位比选管网改造方案，提供全流程服务。

具体的，作业监控管理平台中机器人控制模块、信号处理模块、作业报表模块、云存储模块，可通过软件系统更新，不断优化完善功能。

相比现有的给水管网检漏方法，本发明主要优势如下：

针对铁路给水管网特点，创新性的采用检漏机器人自动巡检，代替传统人工检漏，采用硬件与软件结合技术，通过噪声、视觉等传感器获取数据，发送给软件平台云存储、识别处理信号生成作业报表，根据业主单位改造目标、资金给出相应建议，实现全流程的服务，本发明是铁路给水管网检漏领域内的创新，投入成本低，泄漏点识别精度高，定位准确，耗时较快。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铁路给水管网快速检漏系统，其特征在于，包括检漏机器人、电池模块、作业监控管理平台及通信模块，所述检漏机器人设有传感器模块；

所述传感器模块用于检测给水管网的漏损情况、实时定位检漏机器人的位置和视觉传输现场情况；

所述电池模块用于给所述检漏机器人供电；

所述传感器模块通过所述通信模块与作业监控管理平台联系，所述作业监控管理平台用于根据所述传感器模块的数据信息生成泄露点作业报表；

所述检漏机器人包括本体及可伸缩折叠机械臂，所述本体带动所述可伸缩折叠机械臂沿着铁轨移动，所述可伸缩折叠机械臂从所述本体的两侧边伸出并向下悬挂于所述铁轨的两侧，所述可伸缩折叠机械臂的末端设有用于检测铁轨沿线各监测点的噪声信号的噪声记录仪记录。

2.根据权利要求1所述的铁路给水管网快速检漏系统，其特征在于，所述本体的底端设有与所述铁轨的顶端滚动连接的滚轮，所述本体的两侧均设有运动滑轨，所述运动滑轨成门字型并包覆所述铁轨，电机模块驱动所述滚轮沿着所述铁轨移动。

3.根据权利要求2所述的铁路给水管网快速检漏系统，其特征在于，所述运动滑轨的一端与所述本体通过连接弹簧弹性连接。

4.根据权利要求1所述的铁路给水管网快速检漏系统，其特征在于，所述传感器模块包括GIS定位模块及视觉传输模块，视觉传输模块包括图像传输单元及红外线感应器，所述图像传输单元用于实时监视检漏机器人所处环境，并辅助生成作业报表，红外线感应器包括用于自动避障的红外发射器及CCD检测器。

5.根据权利要求1所述的铁路给水管网快速检漏系统，其特征在于，所述电池模块包括但不限于三元锂电池、磷酸铁锂电池，电池模块具备快充功能，以及更换电池功能。

6.根据权利要求1所述的铁路给水管网快速检漏系统，其特征在于，所述作业监控管理平台包括信号处理模块，所述信号处理模块用于将采集的管网的噪声信号，通过时域与频域变换，包括但不限于傅里叶变换等方法，进行时域及频域比对，以正常管网运行的噪声数据库作为预设范围值，若超出预设的范围值，则判定该监测点位管道发生泄漏，针对超过预设范围值不同程度给出相应建议。

7.根据权利要求6所述的铁路给水管网快速检漏系统，其特征在于，所述信号处理模块包括带通滤波器，铁路系统中鸣笛声、火车进出站铁轨震动声音作为特定干扰频段噪声，处理前利用带通滤波器过滤后再进行处理。

8.根据权利要求7所述的铁路给水管网快速检漏系统，其特征在于，所述信号处理模块实时获取给水管网的流量作为辅助参数判断是否漏损。

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