CN113272503B - 冻结预测、检测和缓解 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于预测、检测和/或缓解管道冻结的系统和方法。一种用于分析管路系统中的水的系统，其包括：传感器，其配置为测量随时间变化的所述管路系统中的管道内的压力；以及处理器，其配置为通过分析随时间变化的所述管道内的所述压力来确定所述管道内的水的状态。所述水的状态包括预测所述管道内的水将冻结和/或确定所述管道内的水已冻结中的至少一者。所述传感器布置在所述管路系统内的第一位置，所述第一位置远离所述管路系统内的对应于所述水的状态的第二位置。

Description

冻结预测、检测和缓解
技术领域
本申请主张2019年9月6日提交的标题为“冻结预测、检测和缓解”的美国非临时申请No.16/562862的优先权，上述非临时申请主张2018年9月10日提交的标题为“冻结检测/缓解”的美国临时专利申请No.62/729265的优先权，出于所有目的，通过引用将其全部公开内容整体合并于此。
背景技术
本公开总体上涉及一种系统和方法，用于预测、检测和缓解由管路系统中的冻结的管道引起的损坏。
住宅和商业建筑通过管路系统分配水，该管路系统包括具有遍布建筑物的分支的管道。一些管道可以布置在建筑物的外壁附近，从而管道在冬季暴露于低温下。同样，某些管道可能具有脆弱的部分，更容易冻结。如果管道冻结并随后破裂，则大量的水可能流入建筑物，造成财产损失。
发明内容
本发明的示例性实施方式提供了一种系统和方法，其用于预测、检测和/或缓解由管路系统中的冻结的管道引起的损坏，所述管路系统包括建筑物内的管道的分支的系统。根据本发明的一个方面，一种用于分析管路系统中的水的系统包括：第一传感器，其配置为测量随时间变化的所述管路系统中的管道内的压力；以及处理器，其配置为通过分析随时间变化的所述管道内的所述压力来确定所述管道内的水的状态。所述水的状态包括预测所述管道内的水将冻结和/或确定所述管道内的水已冻结中的至少一者。所述第一传感器布置在所述管路系统内的第一位置，所述第一位置远离所述管路系统内的对应于所述水的状态的第二位置。
所述水的状态可通过分析随时间变化的所述管道内的所述压力的斜率来确定。替代地或附加地，所述水的状态可通过对随时间变化的所述管道内的所述压力进行频谱分析来确定。
所述水的状态可通过分析来自容纳所述管道的建筑物内或容纳所述管道的所述建筑物外的至少一者的温度测量值来确认。替代地或附加地，所述系统也可包括：发送器，其配置为向对应于所述水的状态的所述第二位置发送声纳声调；和第一接收器，其配置为在所述声纳声调已被发送通过所述第二位置之后接收所述声纳声调；和/或第二接收器，其配置为在所述声纳声调已于所述第二位置被反射之后接收所述声纳声调。所述处理器可进一步配置为通过分析对应于来自所述第一接收器和/或所述第二接收器中的至少一者的所述声纳声调的信号来确认所述水的状态。
所述处理器可进一步配置为通过分析随时间变化的所述管道内的所述压力来确定对应于所述水的状态的所述第二位置。替代地或附加地，所述系统可包括阀，其连接至所述管道；和收发器，其配置为随所述水的状态变化发送信号以打开所述阀。替代地或附加地，所述系统还可以包括加热器，其配置为随所述水的状态变化向所述第二位置施加热量。
所述系统还可包括：流量传感器，其配置为测量所述管道内的水的流量。所述处理器可进一步配置为通过分析所述管道内的水的流量来确定所述管道是否破裂。替代地或附加地，所述处理器可进一步配置为通过分析随时间变化的所述管道内的所述压力来确定所述管道是否破裂。
所述系统还可包括：第二传感器，其配置为测量随时间变化的所述管路系统中的所述管道内的压力。所述第二传感器可布置在所述管路系统内的第三位置，所述第三位置远离所述管路系统内的对应于所述水的状态的所述第二位置。所述处理器可进一步配置为通过对来自所述第一传感器和所述第二传感器的测量值进行三角测量来确定对应于所述水的状态的所述第二位置。
根据本发明的另一方面，提供一种用于分析管路系统中的水的方法。所述方法可包括通过第一传感器测量随时间变化的所述管路系统中的管道内的压力；和通过处理器分析随时间变化的所述管道内的所述压力，由此确定所述管道内所述水的状态。所述水的状态包括预测所述管道内的水将冻结或确定所述管道内的水已冻结中的至少一者。所述第一传感器布置在所述管路系统内的第一位置，所述第一位置远离所述管路系统内的对应于所述水的状态的第二位置。
所述水的状态可通过分析随时间变化的所述管道内的所述压力的斜率来确定。替代地或附加地，所述水的状态可通过对随时间变化的所述管道内的所述压力进行频谱分析来确定。
所述水的状态可通过分析来自容纳所述管道的建筑物内或容纳所述管道的所述建筑物外的至少一者的温度测量值来确认。替代地或附加地，所述方法还可包括：通过发送器向对应于所述水的状态的所述第二位置发送声纳声调；和在所述声纳声调已被发送通过所述第二位置或所述声纳声调已于所述第二位置被反射之后，通过处理器分析对应于所述声纳声调的信号，由此确认所述水的状态。替代地或附加地，所述方法还可包括通过所述处理器分析随时间变化的所述管道内的所述压力，由此确定对应于所述水的状态的所述第二位置。
所述方法，还可包括通过收发器随所述水的状态变化发送信号以打开连接至所述管道的阀。替代地或附加地，所述方法可包括通过加热器随所述水的状态变化向所述第二位置施加热量。
所述方法还可包括：通过流量传感器测量所述管道内的水的流量；以及通过所述处理器分析所述管道内的水的流量，由此确定所述管道是否破裂。替代地或附加地，所述方法还可包括通过所述处理器分析随时间变化的所述管道内的所述压力，由此确定所述管道是否破裂。
所述的方法还可包括：通过第二传感器测量随时间变化的所述管路系统中的所述管道内的所述压力；和通过所述处理器对来自所述第一传感器和所述第二传感器的测量值进行三角测量，由此确定对应于所述水的状态的所述第二位置。所述第二传感器可布置在所述管路系统内的第三位置，所述第三位置远离所述管路系统内的对应于所述水的状态的所述第二位置。
根据下文提供的详细描述，本公开的其他应用领域将变得显而易见。应当理解的是，详细的说明和特定示例虽然指示了各种实施方式，但仅旨在用于说明目的，而非意图必然地限制本公开的范围。
附图说明
结合附图描述本公开：
图1是描绘水分析系统的实施方式的方框图。
图2是描绘水设备的实施方式的方框图。
图3是描绘云分析器的实施方式的方框图。
图4是描绘管路系统的实施方式的方框图。
图5是描绘已安装的水设备的实施方式的方框图。
图6是描绘装配有集成传感器的水装置的实施方式的方框图。
图7是描绘由管路系统内的冻结的管道引起的破裂事件的随时间变化的温度和压力数据的曲线图。
图8A～8C是描绘用于预测、检测和/或缓解管道冻结造成的损害的方法的实施方式的流程图。
图9A～9E是用于预测和/或检测管道冻结的方法的实施方式的流程图。
附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后加上破折号和第二标记来区分相同类型的各种组件，而第二标记则在相似组件之间进行区分。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同的第一附图标记的任何类似部件，而与第二附图标记无关。
具体实施方式
随后的描述仅提供优选的示例性实施方式，而非意在限制本公开的范围、适用性或配置。相反地，对于优选的示例性实施方式的随后的描述将为本领域技术人员提供用于实现优选的示例性实施方式的可行的描述。应当理解，在不脱离所附权利要求书所阐述的精神和范围的情况下，可以对组件的功能和布置进行各种改变。
在一个实施方式中，公开了一种用于检测管道在管路系统中冻结或将要冻结的方法。管路系统中与水联接的传感器可用于预测和/或检测管道冻结，并确定可能在何处发生管道冻结。此外，压力增加、压力或声谱的变化、寒冷的天气、温度变化、泄漏流出和/或其他测量可用于确定泄漏状况的存在。可以执行缓解或补救措施，例如启动装置、关闭总水管、为建筑物供暖等。
首先参照图1，示出水分析系统100的实施方式的方框图。都市供水系统128通过总水管150连接至建筑物112，但是其他实施方式可以从井、水箱、水槽或任何其他来源来获取水。不同的水源可能使用不同的流量和泄漏检测算法。
来自都市供水系统128的水的温度变化相对较慢，因为它们通常是通过埋在地下的管道输送。与大气温度相比，在地面作为散热槽的情况下，温度变化较小。都市供水系统128的温度在40至55°F(4至13℃)之间略有变化。这种温度变化取决于井深和地上的存储设施。表面水温随季节变化从大约40至80°F(4至27℃)之间变化，甚至更高的温度例如在美国南部和西南部。可以说，给定位置的给定季节中，都市供水系统128的温度保持相对稳定(温度从阿拉斯加的安克雷奇的38°F到亚利桑那的菲尼克斯的82°F不等)。管路系统116中观察到的温度变化是由于流经管道的水所引起，可帮助连续地检测少量的意外用水或泄漏，而无需使用截止阀(shut-off-valve)或主动接合管路系统的其他技术，如2016年11月4日提交的标题为“加压源切断后的泄漏表征的系统和方法”的申请序号第15/344458号所述，上述申请出于所有目的以引用方式并入本文。
当水在管道中停滞或不流动时(即没有刻意的水流出或泄漏)，水的温度会根据水设备120的安装处的温度和进入建筑物的都市供水系统128的温度而变化。例如，在将水设备120安装在建筑物内的情况下，温度将稳定在通常由HVAC恒温器调节的环境温度下。另一方面，如果将水设备120放置在室外，则它将随着一天中的天气变化而变化。对于常规的流量传感器未检测到的小流量，水设备120记录的温度会发生变化。根据水流速率，水设备120所测量的温度稳定介于都市供水系统128的温度和管路系统暴露于建筑物112中的温度。
通过互联网104远离建筑物112的是与各种建筑物和用户设备130通信的云分析器108。用户账户信息、传感器数据、本地分析、建筑物112的都市用水信息被传递到云分析器108。用户设备130可以通过局域网134和/或蜂窝网络与水设备120和云分析器连接。水设备120可具有以太网、电力线上的宽带、WiFi、蓝牙和/或联接到云分析器108的蜂窝连接。一些实施方式包括水设备可以连接到的网关或对等节点，该网关或对等节点使用WiFi、蓝牙、Zigbee或其他短距离无线信号联接到局域网134和/或互联网104。通常，在局域网134和互联网104之间存在网关或防火墙。存在多个水设备120的情况下，它们可以彼此直接通信或通过局域网134或其他LAN/WAN通信。
在建筑物112内，管路系统116是管道的集合，上述管道连接至设备和装置，上述设备和装置均联接至总水管150。建筑物112可具有一个或多个与管路系统116流体连通的水设备120。水设备120可以在特定位置联接至冷水和/或热水管，或者联接到任何可到达的水龙头或其他水源，并且与局域网134无线或有线通信。不同的水设备120可具有带有或多个或少数传感器和处理能力的不同配置。一些水设备120仅具有与其他水设备120的点对点通信，而其他水设备120具有LAN和/或WAN能力。
可以利用水设备120连同温度、流量、声音等一起分析管路系统中的压力。对都市供水系统128加压，从而当打开时管路装置会分配水。进入建筑物的总水管150通常为80～120psi。大多数建筑物都通过减压阀(pressure reducing valve，PRV)缓冲总水管的压力，以将压力降至40～70psi，这也可于直接连接至总水管150时隔离传感器所感测到的噪声。在建筑物112内，温度和压力稳定处于由管路系统116的泄漏或有意流出所造成的给定的流速。即使在常规流量传感器无法感知到任何使用的情况下，于水设备120使用各种传感器进行的测量也可以检测到流出。
水设备120使用不同的技术来发现常规流量传感器无法检测到的管路系统116中的很小的泄漏。例如，涡轮流量计不会感知到低于0.7gpm，而超声波流量传感器的分辨率低至0.1～0.2gpm。统计方法和信号处理技术依赖温度信号的变化，由此处理温度、压力和/或其他传感器读数以进行泄漏检测，从而提供对压力和/或流量感测的泄漏的可能性的初步了解，可选地有助于验证管路系统116中泄漏的可能性。在各个实施方式中，实施方式允许检测低于0.7gpm且低至0.06gpm的泄漏。
一个或多个点接口124可以或可不与管路系统流体连通，但是在一些实施方式中可以收集数据如环境温度、管道外部的温度、管道内部的水压和/或管道内或管道外的声波。点接口124联接至局域网134，以允许通过接口向用户输入及输出，和/或可以使用与其他点接口124和/或水设备120的对等连接。点接口124可以完全与管路系统116分开，同时在水分析系统100上提供从水设备120中继的状态，例如瞬时用水量、一段时间内的用水量、水温、水压、错误情况等。可以在点接口124显示错误状况，例如泄漏、冻结的管道、运行中的马桶或水龙头、PRV缺失或有缺陷、水费估算、低压、热水器故障、井泵问题和/或管路系统116的其他问题。
用户设备130可以是任何平板电脑、蜂窝电话、网络浏览器或水分析系统100的其他接口。水设备120被用户设备130注册到用户账户中。在点接口124可得的一些或全部信息可利用应用程序、app和/或浏览器接口使其为用户设备可获得。用户设备130可使用LAN局域网134或WAN网络有线地或无线地连接水设备120、云分析器108和/或点接口124。
参照图2，示出了水设备120的实施方式的方框图。不同版本的水设备120可以具有更少的组件，例如，在流出点或装置处的水设备120可仅具有带有网络接口208的压力及温度传感器240、248，从而将该信息中继到另一水设备120以进行处理。动力源220可以在水设备120的内部或外部以向各种电路提供DC或AC功率。在一些实施方式中，可更换的电池提供电力，而其他实施方式使用水压来驱动涡轮对电池进行充电，以提供电力而无需使用电网电力(grid power)。
一些水设备120包括阀致动器236，该阀致动器236操作阀将来自总水管150的水流悬浮。如果检测到泄漏或进行了测试，则可以启动阀致动器236以防止进一步消耗来自都市供水系统128的水。在一些实施方式中，阀致动器236可以部分地限制水流以改变建筑物112中的水压。使用阀致动器236调节水压允许将压力波引入到管路系统116中。
分析器204从压力传感器240、流量传感器244、温度传感器248和声频传感器250、声纳换能器(sonar transducer)264和/或水位传感器260收集各种数据。接口216通过有线或无线方式的网络接口208允许用户设备130与水设备120进行互动。分析器204还支持单元接口212，该单元接口212物理上是水设备120的一部分，使用OLED、LED、LCD显示器和/或状态灯或LED来显示各种状态、信息和图形。
水设备120存储各种信息，这些信息可使用与LAN局域网134联接的网络接口208或使用蜂窝调制解调器的互联网104而与云分析器108整体或部分地调解。各种传感器240、244、248、250、260和声纳换能器264的传感器数据会随时间存储在传感器数据存储库228中，以便进行纵向分析。例如，可以存储数小时到数天的传感器数据。读数的粒度和所存储的时间长度可以是预定义的，受到可用存储空间的限制或基于管路系统116的状态而变化。例如，可以存储两天期间每秒的数据样本，但是当怀疑有泄漏时，可将采样率提高到在四个小时的时间内每秒六十次。
当装置或设备与管路系统116中的水相互作用时，在水设备120处出现可识别的模式。模式轮廓224被存储以快速将当前传感器读数与已知事件进行匹配。例如，特定的水龙头在使用时可能导致流量、压力和/或温度传感器244、240、248的读数以可预测的方式波动，从而使模式轮廓可以与当前的读数相匹配，以得出于特定流出点正在进行使用的结论。于2015年11月10日提交的标题为“使用压力感测的水泄漏检测”的申请序号14/937831描述了该分析，并且出于所有目的通过引用并入本文。模式轮廓224可以在时域和/或频率域之中，以支持由分析器204进行的各种状态匹配。故意的流出和泄漏都具有已存储的模式轮廓224。
从音频传感器250和声纳换能器264分别获取的声频模式和声纳模式也被存储为模式轮廓224。声纳换能器264也能够以与其他模式轮廓224一起存储的不同频率、振幅和持续时间向水中发射突发或脉冲。声纳换能器264还可以取代声频传感器250，或是除了音频传感器250之外充当麦克风，以收听发送至其他水设备120或从其他水设备120发送的信号的反射。一些压力传感器对于120Hz或更低的频谱敏感，而也可以充当声纳麦克风。各个实施方式中，声频传感器250可以联接于建筑物112中的水、管道、设备、装置和/或环境空气。
配置数据库232存储为了水设备120所收集的信息。表描绘了存储在配置数据库232中的供水参数。管路系统116的类型包括那些不具有PRV、使用井水、具有工作PRV以及具有无功能的PRV者。供给总水管150的水可来自都市供水系统128、井、水槽和/或其他来源。配置数据库232可以使用分析器204的算法来自动补充，或者可通过用户设备130手动输入。连接到管路系统116的不同装置和设备在配置数据库232中被记录为自动确定或手动输入。
接下来参照图3，示出云分析器108的实施方式的方框图。云分析器108接收来自整个水分析系统100中的许多建筑物112的数据和配置信息。每个建筑物112具有系统轮廓224，所存储的系统轮廓224包括装置、设备、水设备120、点接口124、供水类型、水源类型等被存储。还存储包括登录证书、建筑物位置和/或用户人口统计信息的帐户信息232a。以原始和经处理的形式收集的传感器数据被存储为分析器数据228，并且可以包括使用历史记录、特定的流出事件、检测到的泄漏、装置轮廓、设备轮廓等。
系统分析器204可以处理来自每个建筑物112的数据，以找到与泄漏、故障和水设备120无法本地识别的其他事件相对应的模式。通过从许多建筑物112收集传感器信息，系统分析器204可使用机器学习和大数据以在所收集的传感器信息中找到非常弱的信号。系统分析器204可以访问任何水设备120或点接口124以测试功能、更新软件和/或收集数据。在用户设备130联接至云分析器108的情况下，系统分析器204接收命令以执行来自用户所请求的任务。例如，用户设备130可在每个装置或设备的基础上查询使用情况。还可以确定相关联的建筑物112中的管路系统116的总体使用。系统分析器204可以访问自来水公司的使用和计费以提供对成本和总消耗量的见解。对于那些实时提供使用情况信息的公用事业，可以为管路系统116的每次使用确定使用情况和成本。
账户接口216允许各种水设备120和用户设备130通过互联网接口208与云分析器108互动。云分析器108提供对用户被授权访问的建筑物118的历史和实时分析。帐户接口216的各种互动页面允许输入管路系统信息、配置参数、建筑物位置和/或用户人口统计信息。各种报告和状态参数通过帐户接口216呈现给用户设备130。
参照图4，示出管路系统116的实施方式的方框图。在总水管150经过都市当局提供的用于计费的水表404之前，都市供水系统128连接到主截止阀412-1。水表404可以被电子地或手动地读取以确定账单，但是一些实施方式允许通过WAN或LAN以电子方式实时地读取水表404。
建筑法规通常要求使用PRV 408，但并非通用。较旧的房屋也可能缺少PRV、具有一个不再正常工作的PRV或具有都市供水系统128所供给的压力低于80psi的PRV。建筑物截止阀412-2通常位于建筑物112的内部，并为建筑物提供了另一个关闭总水管的位置。本实施方式中，水设备120位于建筑物截止阀412-2之后，但是在热水器416之前。可将水设备120放置在水槽下方，靠近设备的地方或附近便于与动力源进行流体联接的任何其他位置。
本示例中，可以去除水线的一部分，从而水设备120可以与水线成一直线安装。替代地，如下面进一步详细所讨论，水设备120可以联接至水可以流过的装置440，例如水栓(water spigot)或水龙头。热水管道424向建筑物118提供经加热的水，而冷水管道420提供在建筑物112中的环境温度与都市供水系统128的温度之间变化的未加热的水。热水管道424可以包括循环泵。当热水和冷水管道424、420穿过建筑物112的墙壁和地板时，它们能够以任何配置分支和分开。
本实施例方式有单个浴室428、厨房43、洗衣机436和水栓，但是其他实施方式可以具有更多或更少的装置和设备。浴室428具有使用水的淋浴器444、槽448、浴缸452和马桶456。槽448、浴缸452和淋浴器444都钩设在热水管道424和冷水管道420上。马桶456仅需要冷水，因此未钩设在热水管道424上。其他建筑物112可具有任何数量的来自管路系统116的流出点。
厨房432包括两盆式水槽460、带有液体/冰块分配器的冰箱464和洗碗机468。冰箱464仅接收冷水，但两盆式水槽460和洗碗机468同时接收冷水和热水管道420、424。厨房432通常包括单盆式水池和其他可能与水联接的装置。典型的建筑物112具有在每个方向分支的数百或数千个管道。
接下来参照图5，示出水设备500的实施方式的图。水设备120可以使水通过与水设备120一体的管道510。管道510可以在两端附接到热水或冷水管道424、420。替代地，管道510的顶部可连接至水龙头的适配器。
在各种实施方式中，管道510的整体部分可由铜、PVC、塑料或其他建筑管道材料制成，并且可以通过焊接、胶合和/或可拆卸和挠性的软管与管路系统116配对。
有几个模块组成水设备120。动力源220为供水设备120提供动力，且可位于外壳内部或外部。网络模块520包括网络接口208，以允许局域网134和互联网104与水分析系统100的其他组件进行有线或无线通信。显示组件522包括单元接口212。
另一个模块是电路卡536，其执行对各种传感器的处理。可以使用分析器204在电路卡536上处理传感器信息，和/或使用系统分析器204云端处理传感器信息。在数小时和数天的时间中收集和分析传感器信息，以在数据中找到指示使用、泄漏和故障的弱信号和其他事项。电路卡536可以识别感兴趣的传感器样本并将其上传到云分析器108以用于传感器数据的深度学习。电路卡536和云分析器108可使用人工智能、遗传算法、模糊逻辑和/或机器学习来识别管路系统116的状况和状态。
本实施方式包括三个温度传感器512，利用在外壳的外部附近并远离内部电子器件的温度传感器512-3来测量环境温度，并测量两个位置的管道510中水的水温。当水进入远离各种回路可能产生的任何热量的水设备120的管路510时，第一温度传感器512-1测量与水接触的水温。第二温度传感器512-2测量管路510内的第二位置并且远离第一温度传感器512-1处的水温。基于两个水温传感器512-1、512-2的读数，通过算法校正由水设备120所产生的热量。第三温度传感器512-3测量管道510外部的环境温度。其他实施方式可以仅使用单个水温传感器和/或放弃环境温度感测。环境温度可由建筑物中的其他设备测量，并且可以通过局域网134使用，例如恒温器、烟雾探测器、其他水设备120和/或点接口124可测量环境温度并将其提供给建筑物112中的其他设备。一些实施方式可以在建筑物112外部具有温度传感器，或者通过互联网104从本地气象站收集信息。
本实施方式包括电子致动的截止阀532。截止阀532可用于防止水设备120下游泄漏的溢流。另外，截止阀532可帮助检测泄漏。例如，截止阀532和检测到下降的压力指示下游的泄漏。一些实施方式可以部分地关闭截止阀532以调节下游的压力。还可以提供单向阀533以调节流入管道510的水并迫使其沿一个方向流动。
流量传感器528用于测量管道510中水的运动。本实施方式中，使用超声波流量传感器，但其他实施方式可以使用转子流量计、可变面积流量计、弹簧和活塞流量计、质量气体流量计、涡轮流量计、桨轮传感器、正排量流量计和涡流量计。通常，这些仪表和传感器无法以实用的方式测量管道中很小的流量以进行建筑物部署。可在管道510内设置包括参考电极和测量电极的多个电极529，以指示管道510内的水位。
本实施方式包括声纳发射器540，该声纳发射器540以不同的频率产生声调、脉冲和/或突发(burst)。声纳麦克风544从管道510中的水接收声纳信号。来自管路系统116的各分支的反射将根据行进的长度和其他因素产生不同幅度和延迟的反射。当管路系统116中出现来自阀、阻塞物(clog)和/或冷冻的管道的堵塞时，声纳麦克风544接收到来自声纳发射的回波。声纳信号的发送和接收之间的时间延迟的变化指示管路系统116中的阻塞或其他变化。其他实施方式可以将声纳发射器和麦克风与单个声纳换能器(sonar transducer)组合。
电路卡536与压力传感器524连接，该压力传感器524联接至管道510中的水。来自压力传感器524的读数用于测试PRV 408、井泵、供水、冻结状况以及管道是否泄漏，并确认来自水装置和设备的正常流出。压力和温度随流量而变化，从而在某些情况下，压力传感器524和温度传感器512-1、512-2可用于检测流量微小的泄漏。电路卡536观察传感器数据中的趋势，对传感器数据执行频谱分析、模式匹配和其他信号处理。2017年11月20日提交的标题为“用于建筑供水的被动泄漏检测”的申请序号15/818562描述了如何使用水设备500来检测和描绘微小泄漏的特征，并且出于所有目的通过引用并入。
接下来参照图6，水装置440的实施方式装配有集成传感器以提供图5的水设备的一些功能。电子模块608包括与电路以外的用于LAN和/或WAN通信的网络接口，以操作传感器并处理或部分地处理所得的读数。本实施方式包括温度传感器512、压力传感器524和声纳麦克风544，但是其他实施方式可包括更多或更少的传感器。例如，一些实施方式包括声纳发射器或压力和温度传感器的组合。水装置440可具有其他电子特征，例如调节流出流量以取代手动旋钮612或冷热水的混合物从而调节离开水装置440的水的温度。
参照图7，对于由管路系统116内的冻结的管道引起的破裂事件，示出随着时间变化的由水设备120从管道510内读取的温度和压力数据的示例。当水在管路系统116中冻结并膨胀时，通常会在破裂事件之前出现大的压力P1峰值，但是在破裂之后，当水的流出降低先前的集获压力(captive pressure)时，压力P1将大大下降。不同类型的管路系统和供水在冻结的管道周围将具有不同的传感器读数。
冻结的管道可以是管路系统116的一小部分，例如，在非常寒冷的天气中，靠近建筑物112的外壁。管路系统16的其余部分可以与建筑物112外部的天气更好地隔离，从而上述部分中的冻结不构成威胁。替代地或附加地，与管的其余部分相比，冻结部分可为弱的接头或腐蚀的壁，其对于冻结的敏感性更高。管路系统116的水和金属管将冻结的管道的温度传回水设备120，从而温度T1、T2和T3总体呈下降趋势，这是由三个可于相同的水设备120中或分布在整个管路系统116中的独立的温度传感器512所测得。
当管道中的水开始冻结时，水温下降到32°F以下，降至26-28°F，然后形成树枝状结构，其中液体分子转变为自由漂浮的晶体。吸收足够的冷能后，树枝状结构会结合以于管道中形成固体堵塞物，而温度升高至32°F。压力会出现一个短暂的峰值，然后一旦管道破裂，峰值便消失。
管路系统116中总是存在一些噪声。但是，一旦冰形成，则20Hz和25Hz之间的环境噪声会被静音或衰减。类似地，0Hz到60Hz之间的白噪声会被静音或衰减。由冰引起的安静可用于指示管道已冻结而非热膨胀。一旦管道破裂，安静期就会变成非常响亮且骚动的时期并伴随水从管道中涌出。可以使用声频传感器检测到此噪声。
有几种方法可以分辨冰阻塞与由正常的热水通过管路系统116所造成的热膨胀。冰阻塞造成压力的快速升高和降低，而热膨胀造成压力的缓慢升高和降低。同样，与热膨胀相比，对于冰阻塞而言水的温度更低。如上所述，冰阻塞的噪声特征不同于热膨胀的噪声特征。此外，来自其他传感器如建筑物112外部的公共天气信息和/或第三方传感器的温度读数可指示外部的温度小于32°F，而更能够对应于冰阻塞。
诸如频谱感测和压力感测的各种测量可用于预测树枝状结构和/或固体冰阻塞可在管道中形成的时间。如果预测到管道冻结，则可以通过各种方法防止管道破裂。如果无法防止管道破裂，则仍可以通过减轻破裂处下游的压力，如通过打开冻结处下游的水龙头来减少损害。管道冻结的早期迹象可能是流经装置如厨房水槽的水温下降到阈值以下，从而水变得比基于周围温度的温度要冷得多。
如果传感器在冻结处的下游，则可能更易于观察压力变化。但是，如果传感器位于冻结处的上游，则压力会有更细微的上升，因为冻结处上游的管道吸收了冰块生长的某些影响。如果有迹象表示冰块可能正形成于传感器的下游，则可以关闭截止阀，从而在上游创建压力容器，以确定是否可以在上游重建下游状态。当没有水流过管路系统116时，可以监测压力。如果下游存在冻结，则压力将增加。此外，如果温度下降到32°F以下，则为预防起见可能会关闭截止阀。
接下来参照图8A、8B和8C，示出用于预测、检测和/或缓解冷冻管道损坏的过程800的实施方式。图8A中用于实施方式的过程800-1所描绘的部分起始于确定一般冻结检测情况的方框802。这可以通过测量建筑物的室内温度的温度传感器512-3或与管道510中的水联接的温度传感器512-1、512-2来执行。建筑物112中的其他IoT设备可收集内部温度并可通过API或云接口使其为水分析系统100可获取。例如，来自各个制造商的恒温器、烟雾探测器和摄像机可收集温度信息。一些实施方式可以与局域网134上或跨越互联网104的气象站进行通信以收集外部温度。无论温度信息是如何收集，在方框802中确定管道冻结的状态，当可能发生冻结时，可以继续执行过程800-1。
在方框804中收集或检索压力信息。通常，水设备120随时间纵向地收集压力信息。在检测到可能的冻结状况之后，可以增加读数的频率，但是在任何情况下，都会存储管道510的过去的压力信息。诸如以下参照图9A～9E所讨论的不同的实施方式中，可在方框808中以各种不同的方式来预测和/或确定冻结的管道。
在方框812中，确定或评估冻结的位置。有多种方法可以确定位置。水设备120可以启动其截止阀532并测量管道510中的压力如何反应。如果压力下降，则下游有破裂的管道。如果管道被冻结但没有破裂，则随着冰继续形成，截止阀532与水设备120之间的压力将增加。如果在管路系统116中有多个收集传感器信息的地方，则可比较这些读数以确定破裂或冻结的管道位于何处。例如，具有两个水设备的部署可以比较接收压力变化的时间延迟，并对泄漏和/或冻结的位置进行三角测量。与在相同的管道510中具有流体介质相比，冷冻的管道在很大程度上阻挡或抑制了来自传输的压力波。一些实施方式可以自动打开装置和设备上的水阀，以查看压力信号如何传播通过管路系统116以确定管道冻结的位置。
一些实施方式通过测量流出处的温度来建立最易受影响的管道的模型，以得知哪些管道运行最容易受外部温度的影响最大并且容易冻结。例如，寒冷的日子会使寒冷流向易受影响的管道。水设备120可以打开多个阀门并在每个阀门上测量温度以查看哪一个温度下降得最多，从而得知何处可能发生冻结。
冻结的管道通常会导致破裂事件，尤其是在非塑料的陶瓷或金属管道中。破裂事件通常发生在管道的最脆弱点，而不一定发生在冻结位置。有时，冻结的管道还会堵塞泄漏处，但是一旦冰融化，泄漏处就会意外流出。一些装置和设备能够以不造成财产损失的方式打开水阀以释放水压。在方框816中，那些阀可被打开。通过绘制冻结/破裂状态的位置图，只有那些防止其他管道或财产损害的阀可被打开。例如，可以通过打开冻结处下游的水阀来改善来自冻结管道的压力峰值。持续的压力读数使得何时压力在限制范围内能够被得知，并且不太可能导致破裂状态。可以将阀打开到适当的数量以防止冻结但不过度地浪费水。水与天气之间的温差模型以及每条管道对寒冷的敏感性都可用于预测要输送多少水。热水或冷水都可以输送，取决于哪个分支更可能发生冻结。当冻结状况如方框820中所确定仍处于保持时，处理循环回到方框804以继续进行预测、检测和缓解。
在某个时点，如方框820中所确定的，冻结状况已经过去，从而冻结管道的威胁不再存在。在建筑物112内的管道已破裂的地方，溢流可造成严重的财产损失。在方框824中，截止阀532被启动以防止额外的溢流。另一方面，如果冻结状况仍然保持，则切断水流会增加水设备120上游的冻结管道的风险，因此在本实施方式中将继续进行缓解。都市供水系统可以吸收来自管路系统中的冻结的压力增加，从而仅在管道膨胀中冻结的风险伴随确定了加热趋势而消失的情况下，截止阀532才有可能被启动。
参照图8B，除了方框816由方框818取代以提供另一缓解方法之外，过程800-2的所描绘的部分与图8BA的实施方式非常相似。当在方框806处预测到冻结和/或在方框808处检测到冻结时，水设备120和/或云分析器108与HVAC系统通信以使建筑物112的全部或一部分区域开始变暖以缓解冻结状况。区域被加热处可对应于在方框812中所确定的冻结的位置。来自方框808的反馈可以用于确定何时停止加热，从而花费最少的能量来保持管路系统116并避开破裂的管道。其他实施方式可通过打开阀并加热建筑物112或建筑物112的区域来使用多种缓解形式。
接下来参参照图8C，除了移除方框812和824之外，过程800-3的所描绘的部分类似于图8B的实施方式。当方框818中的缓解措施是加热整个建筑物112时，知道冻结的位置并非特别重要。可以在没有截止阀或冻结可能在截止阀上游的情况下执行方框824的移除。一些实施方式可在当水暴露在外部天气停留足够久而冻结之前，打开阀使水从都市供水系统128流至管路系统116。
接下来参照图9A～9E，公开了方框808所示的用于预测和/或检测管道冻结的过程的实施方式。图9A中的实施方式的过程808-1的所描绘的部分从确定建筑物内部和外部的温度的方框904开始。其可包括确定温度低于冰点多少。在各种实施方式中，对于在LAN上访问的温度传感器的第三方APIs、对于遍及互联网上的气象站的云接口、和/或来自水设备120的水或室温的读数可被访问，以确定建筑物112的内部和外部温度。在方框908中，管道510内部的压力趋势增加是确定即将发生的冻结的触发者。例如，可以分析图7所示的随时间变化的压力P1的曲线图的斜率。如方框908中所确定，对于先前未冻结的管道，压力并未增加，则不存在问题且结束处理。另一方面，如果压力增加，则方框910中可以分析斜率以预测和/或检测管道冻结。
在方框912中，所存在的增加的压力趋势被进一步分析。当冻结物沿管道向上移动时，压力迅速增加，伴随由下游压力传感器524所读取的读数300-600psi非常迅速地发生在管道510的封闭部分上。如在方框916中所确定，在压力急剧下降的情况下，在方框920中确定是由于管道破裂所引起。再者，可以分析如图7所示的随时间变化的压力P1的曲线图的斜率。另一方面，在压力读数中没有倾斜的情况下，冻结可能即将发生或可能管路系统116处于正常运行状态。对于超出正常水压的大的峰值，可以立即进行补救以避免管道破裂。
参照图9B，示出了用于预测和/或检测管道冻结的过程808-2的另一实施方式。在方框924中，执行随时间变化的压力读数的频谱分析。管道中的冰减弱了来自都市供水系统128的压力信号。如上所述，随着冷水粘度的增加和树枝状结构开始形成，在横跨所关注的频率范围内，频谱能量普遍受到抑制。压力幅度也将减小，并且压力波的传播将存在时间延迟。冷水使压力波的波长根据波长而不同地变宽，并且每个装置的特征标记都将被延伸。如方框925中所分析，由水作为通信介质造成的这些失真允许远离水设备120的冻结状况检测。此外，在管路系统116中的不同位置存在两个压力传感器的情形下，横跨水行进于两个压力传感器之间的距离的波之间存在已知的延迟。当该延迟增加时，方框943中可确定冻结将发生。压力波中的反射将类似地失真和延迟。在方框944中，基于以上讨论的谱相特征，针对冻结是否已经发生或即将发生做出最终结论。
接下来参照图9C，示出用于预测和/或检测管道冻结的过程808-3的又一实施方式。该过程的所描绘的部分起始于方框948，在方框948中确定建筑物112是否被占用。如果建筑物112被占用，则处理在该方框中停顿。这是因为当建筑物112被占用时，发生管道冻结的可能性较低，因为占用者可能会使用各种水装置，从而水会流过管路系统116。可以通过测量一段时间内管路系统是否有流出或与第三方传感器例如HVAC中的运动检测器或警报系统和监视视频设备进行通信来确定居住率。其他实施方式可以通过已安装了用于水设备的app的电话的地理定位来确定居住率。
当无人居住时，处理继续至方框904，在方框904处确定建筑物内部和/或室外的温度低于冰点多少。最具破坏性的溢流情形通常发生在管道破裂时无人在家关掉输往建筑物112的水。在室外状态远低于冰点处，可以增加读取传感器的频率以更快地检测破裂的管道。方框910中，通过本文公开的任何方法来预测和/或检测管道冻结。例如，可以分析图7中所示的压力读数以预测和/或检测管道冻结，并且该确定可以通过温度测量来确认。方框958中，确定通过管道的水流是否浪涌(surge)。可由流量传感器528作出该确定。如果水流没有浪涌，则处理循环回到方框948。如果水流有浪涌并且建筑物无人居住，则水流浪涌被归因于方框962中的破裂的管道。
参照图9D，示出了用于预测和/或检测管道冻结的过程808-4的又一实施方式。本实施方式中，在方框924执行随时间变化的压力读数的频谱分析。接收包括来自例如邻近者的都市供水系统128的噪声等以及建筑物112内的使用情形的压力波。当水将要冻结或已经冻结时，谱相会失真，并且这些改变会在方框928中被检测到。深度学习算法可用于识别广泛的各种不同建筑物、国家的不同地区等的特征失真。可以在建筑物112中或在云分析器108中执行针对此失真的模式识别，以在方框944中预测或检测管道冻结。
参照图9E，示出用于预测和/或检测管道冻结的过程808-5的另一实施方式。该过程的所描绘的部分起始于方框964，在方框964中确定管路系统116内是否有建筑物112的活动，并且在有指示建筑物112有人居住的活动时进行等待。如果无人居住，则处理继续至方框966，方框966中声纳发射器540用于在管路系统116中生成一个(或多个)声调。声调通过管道中的水联接至声纳麦克风544，并在方框970中进行分析。声纳麦克风544可以与声纳发射器540位于同一水设备120中，以接收来自阻塞物的反射，或者声纳麦克风544可以在另一个水设备120中，以接收通过管道可能发生阻塞的区域的传输。任何冻结阻塞都会在很大程度上阻塞声纳波的传播并引起反射。方框974中，对发射的水设备120的早期反射或在下游的水设备120处没有检测到的情形皆指示阻塞。使用该确定，可在方框944中预测和/或检测到冻结。这可以是对通过另一种方法进行的冻结确定的确认，诸如分析图7中所示的压力读数。一些实施方式可使用不同的波长声纳声调，因为失真会随波长和温度而变化。有可能提早检测到冻结。
也可以使用所公开的实施方式的许多变化和修改。例如，管道分析器可用于监测分布于管道中的任何液体。这可能包括工厂、洒水系统、气体分配系统、精炼厂、碳氢化合物生产设备、都市用水分配系统等。管路系统是一个封闭的系统，其带有加压流体(例如气体)，使用阀以选择性和受控的方式释放该流体。
在以上描述中给出了具体细节以提供对实施方式的透彻理解。然而，应当理解，可在没有这些具体细节的情况下实现实施方式。例如，可以在方框图表中示出电路，以免在不必要的细节上使实施方式晦涩难懂。在其他情况下，可示出没有不必要的细节的公知的电路、过程、算法、结构和技术，以免使实施方式晦涩难懂。
能够以各种方式来完成上述技术、方框、步骤和装置的实现。例如，这些技术、方框、步骤和装置能够以硬件、软件或其组合来实现。对于硬件实现，可在一个或多个专用集成电路(application specific integrated circuits，ASICs)、数字信号处理器(digitalsignal processors，DSPs)、数字信号处理设备(digital signal processing devices，DSPDs)、可编程逻辑设备(programmable logic devices，PLDs)、现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate arrays，FPGAs)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于执行上述功能的其他电子单元和/或其组合中实现处理单元。
另外，应当注意，实施方式可以被描述为过程，该过程可被描绘为流程图、流程图表、泳道图表(swim diagram)、数据流程图表、结构图表或方框图表的过程。尽管描绘可将操作描述为连续的过程，但是许多操作可以并行或同时地执行。另外，可以重新安排操作的顺序。过程在其操作完成后会终止，但可具有附图中未包含的其他步骤。过程可以对应于方法、函数、步骤(procedure)、子例程(subroutine)、子程序(subprogram)等。当过程对应于函数时，其终止对应于该函数返回至调用函数(calling function)或主函数。
此外，可以通过硬件、软件、脚本语言、固件、中间件、微代码、硬件描述语言和/或其任何组合来实现实施方式。当以软件、固件、中间件、脚本语言和/或微代码实现时，可以将执行必要任务的程序代码或代码段存储在如存储介质的机器可读介质中。代码段或机器可执行的指令可表示步骤、功能、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、脚本、类别或指令、数据结构和/或程序语句的任何组合。通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数和/或存储器内容，代码段可以联接于另一代码段或硬件电路。信息、自变量、参数、数据等可以通过任何合适的方式，包括内存共享、讯息传递、令牌(token)传递、网络传输等来进行传递、转发或传输。
对于实现固件和/或软件，可用执行本文所述的功能的模块(例如，步骤、功能等)来实现方法。可触及地实现指令的任何机器可读介质都可用于实现本文所述的方法。例如，软件代码可以存储在存储器中。存储器可实现于处理器内部或在处理器外部。如本文所使用的，术语“存储器”是指任何类型的长期、短期、易失性、非易失性或其他存储介质，并且不限定于任何特定类型或数量的存储器、或基于其内存已被存储的介质的类型。
此外，如本文所公开的，术语“存储介质”可以表示用于存储数据的一个或多个存储器、包括只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random accessmemory，RAM)、磁性RAM、核心存储器、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存设备和/或其他用于存储信息的机器可读介质。术语“机器可读介质”包括但不限于便携式或固定式存储设备、光学存储设备和/或能够存储包含或携带指令和/或数据的各种其他存储介质。
尽管以上已经结合特定的设备和方法描述了本公开的原理，但是应当清楚地理解，该描述仅是通过示例的方式进行，并非作为对本公开范围的限制。

Claims (16)

1.一种用于分析管路系统中的水的系统，所述系统包括：
第一传感器，其配置为测量随时间变化的所述管路系统中的管道内的压力；
第二传感器，其配置为测量随时间变化的所述管路系统中的所述管道内的所述压力；和
处理器，其配置为通过分析随时间变化的所述管道内的所述压力来确定所述管道内的水的状态，其中
所述水的状态包括预测所述管道内的水将冻结或确定所述管道内的水已冻结中的至少一者，且
所述第一传感器布置在所述管路系统内的第一位置，所述第一位置远离所述管路系统内的对应于所述水的状态的第二位置，
所述第二传感器布置在所述管路系统内的第三位置，所述第三位置远离所述管路系统内的对应于所述水的状态的所述第二位置，且
所述处理器进一步配置为通过对来自所述第一传感器和所述第二传感器的测量值比较其接收压力变化的时间延迟来进行三角测量来确定对应于所述水的状态的所述第二位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述水的状态是通过分析随时间变化的所述管道内的所述压力的斜率或通过对随时间变化的所述管道内的所述压力进行频谱分析来确定。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述水的状态是通过分析来自容纳所述管道的建筑物内或容纳所述管道的所述建筑物外的至少一者的温度测量值来确认。
4.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：
发送器，其配置为向对应于所述水的状态的所述第二位置发送声纳声调；和以下的至少一者：
第一接收器，其配置为在所述声纳声调已被发送通过所述第二位置之后接收所述声纳声调；或者
第二接收器，其配置为在所述声纳声调已于所述第二位置被反射之后接收所述声纳声调，
其中，所述处理器进一步配置为通过分析对应于来自所述第一接收器或所述第二接收器中的至少一者的所述声纳声调的信号来确认所述水的状态。
5.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：
阀，其连接至所述管道；和
收发器，其配置为随所述水的状态变化发送信号以打开所述阀。
6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：
加热器，其配置为随所述水的状态变化向所述第二位置施加热量。
7.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：
流量传感器，其配置为测量所述管道内的水的流量，
其中，所述处理器进一步配置为通过分析所述管道内的水的流量来确定所述管道是否破裂。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器进一步配置为通过分析随时间变化的所述管道内的所述压力来确定所述管道是否破裂。
9.一种用于分析管路系统中的水的方法，所述方法包括：
通过第一传感器测量随时间变化的所述管路系统中的管道内的压力，其中所述第一传感器布置在所述管路系统内的第一位置，所述第一位置远离所述管路系统内的对应于所述水的状态的第二位置；和
通过第二传感器测量随时间变化的所述管路系统中的所述管道内的所述压力，其中所述第二传感器布置在所述管路系统内的第三位置，所述第三位置远离所述管路系统内的对应于所述水的状态的所述第二位置；
通过处理器分析随时间变化的所述管道内的所述压力，由此确定所述管道内所述水的状态；并且
通过所述处理器对来自所述第一传感器和所述第二传感器的测量值比较其接收压力变化的时间延迟来进行三角测量，由此确定对应于所述水的状态的所述第二位置，其中：
所述水的状态包括预测所述管道内的水将冻结或确定所述管道内的水已冻结中的至少一者。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述水的状态是通过分析随时间变化的所述管道内的所述压力的斜率或通过对随时间变化的所述管道内的所述压力进行频谱分析来确定。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述水的状态是通过分析来自容纳所述管道的建筑物内或容纳所述管道的所述建筑物外的至少一者的温度测量值来确认。
12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
通过发送器向对应于所述水的状态的所述第二位置发送声纳声调；和
通过处理器，在以下至少一者之后，即
所述声纳声调已被发送通过所述第二位置之后，或
所述声纳声调已于所述第二位置被反射之后，
分析对应于所述声纳声调的信号，由此确认所述水的状态。
13.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括通过收发器随所述水的状态变化发送信号以打开连接至所述管道的阀。
14.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括通过加热器随所述水的状态变化向所述第二位置施加热量。
15.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
通过流量传感器测量所述管道内的水的流量；以及
通过所述处理器分析所述管道内的水的流量，由此确定所述管道是否破裂。
16.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括通过所述处理器分析随时间变化的所述管道内的所述压力，由此确定所述管道是否破裂。
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