CN113669637A

CN113669637A - 基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统

Info

Publication number: CN113669637A
Application number: CN202110800897.6A
Authority: CN
Inventors: 许鲁亮; 施海仁; 张羽
Original assignee: Anhui Fusheng Information Technology Co ltd
Current assignee: Anhui Fusheng Information Technology Co ltd
Priority date: 2021-07-15
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2021-11-19

Abstract

本发明公开了基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统，属于管道渗漏检测技术领域，包括测温主机、感温光纤、加热模块、光纤检测模块和服务器；所述感温光纤有N根，将N根感温光纤分为a根平行光纤和b根缠绕光纤，将a根平行光纤沿管道外侧均匀布置，将b根缠绕光纤以螺旋式缠绕法缠绕管壁布设，当b≥2，且b为偶数时，一半的缠绕光纤逆时针缠绕在管壁上，另一半的缠绕光纤顺时针缠绕在管壁上，当b≥2，且b为奇数时，选出一根缠绕光纤顺时针或逆时针缠绕在管壁上，通过光纤将管道表面交割划分为多个四边形区域，当管道发生渗漏时，渗漏点所处的四边形光纤区域感知到温度变化，从而实现渗漏监测和漏点定位。

Description

基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统

技术领域

本发明属于管道渗漏检测技术领域；具体是基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统。

背景技术

由于管廊管道内部整合了维持城市功能的自来水、煤气、电力和通信管线，在人口较为密集的现代城市的地下空间中分布着大量天然气、暖气等高压输气管道，存在火灾的危险性。如电力电缆短路、过载，油气管道渗漏等；加之管廊内敷设类型不一、数量众多的管道，一种管道发生渗漏，会对众多管道的运输产生影响；因此需要对管道进行渗漏检测。

对于管廊管道，可能发生渗漏点位置是随机的，采用点式传感器收集数据，工作量十分巨大，实现不了全面监测，监测覆盖率低。分布式光纤温度传感器采样间隔可以达到几公分，可以实时监测到光纤沿线任意一点的温度，误报和漏报率低，可实现实时监测。且灵敏度都优于一般传感器，实时监测效率较高；而且光纤本身也是传感介质，由石英材料组成，可以抗电磁干扰，在高电磁环境中可正常工作；另外，光纤具有不腐蚀、耐火、耐水及寿命长的特性，通常可以服役30年；综合考虑传感器的自身成本及以后的维护费用，使用光纤温度传感器可以大大降低整个工程的最终经营成本；因此本发明提出一种基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统。

发明内容

本发明的目的在于提供基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统，解决管道渗漏检测的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统，包括测温主机、感温光纤、加热模块、光纤检测模块和服务器；

所述感温光纤有N根，将N根感温光纤分为a根平行光纤和b根缠绕光纤，将a根平行光纤沿管道外侧均匀布置，将b根缠绕光纤以螺旋式缠绕法缠绕管壁布设，当b≥2，且b为偶数时，一半的缠绕光纤逆时针缠绕在管壁上，另一半的缠绕光纤顺时针缠绕在管壁上，当b≥2，且b为奇数时，选出一根缠绕光纤顺时针或逆时针缠绕在管壁上，剩下的一半缠绕光纤逆时针缠绕在管壁上，剩下的另一半缠绕光纤顺时针缠绕在管壁上；当b＝1时，缠绕光纤以螺旋式缠绕法缠绕到管壁的一头之后，再反向螺旋式缠绕回来；感温光纤与测温主机相连接。

进一步地，a+b＝N，a≥2，b≥1。

进一步地，所述加热模块用于在进行渗漏检测时对感温光纤区域进行加热，具体方法包括：在感温光纤外侧设置加热导线，实时获取管道内介质的温度和管道外侧的温度，建立温度坐标系，将获取到的管道内介质的温度和管道外侧的温度输入到温度坐标系中，并实时输出同一时间管道内介质的温度和管道外侧的温度之间的差值，将同一时间管道内介质的温度和管道外侧的温度之间的差值标记为温度差值，设置感温光纤检测红线，当温度差值不低于感温光纤检测红线时，不进行操作；当温度差值低于感温光纤检测红线时，生成加热信号，加热导线进行加热。

进一步地，所述光纤检测模块用于检测感温光纤的老化情况，具体方法包括：实时获取感温光纤的光功率，获取感温光纤的标准光功率，获取感温光纤的长度和感温光纤的缠绕方式，建立光纤检测模型，将感温光纤的光功率、感温光纤的标准光功率、感温光纤的长度和感温光纤的缠绕方式整合标记为输入数据，将输入数据输入至光纤检测模型获取输出结果并标记为检测标签，所述检测标签即为输入数据对应的状态标签；状态标签包括01、02和03，当状态标签为01时，表示光纤老化，不需要维修；当状态标签为02时，表示光纤老化，需要维修；当状态标签为03时，表示光纤正常；当检测标签为02时，获取感温光纤老化坐标，将获取感温光纤老化坐标发送到服务器，服务器将感温光纤老化坐标发送到维修模块；当检测标签为01和03时，不进行操作。

本发明的有益效果：通过光纤将管道表面交割划分为多个四边形区域，当管道发生渗漏时，渗漏点所处的四边形光纤区域感知到温度变化，从而实现渗漏监测和漏点定位；该方法简单实用，特别适用于施工现场，适用于长距离的光缆传输；通过加热导线进行加热，升高管道外侧的温度，当出现渗漏时，温差将会很明显，增加感温光纤检测的灵敏度和准确度，解决随着季节性气候变化，水或油气与周围土壤介质的温度梯度不断变化可能导致温度梯度很小，使用范围受到很大限制的问题；通过光纤检测模块检测感温光纤的老化情况，及时了解感温光纤的老化情况，避免感温光纤老化影响管道的渗漏检测。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一原理框图；

图2为本发明实施例二原理框图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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。

实施例一：如图1所示，基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统，包括测温主机、感温光纤和服务器；

感温光纤以缠绕的方式设置在排水管道外壁，感温光纤与测温主机相连接，感温光纤用于检测排水管道渗漏情况，具体方法包括：

获取排水管道未渗漏时的感温光纤的检测值，感温光纤检测值就是检测排水管道外壁的温度值，将获取的感温光纤检测值标记为对比值；

通过感温光纤对实时排水管道外壁进行检测，当发生渗漏时，滲透介质参与感温光纤和土壤之间的传热过程，滲透介质就是排水管道内渗漏出的水流(或油、气)，渗透介质与光纤和土壤的热对流过程将产生热量交换，从而导致滲漏部位和非渗漏部位产生温差，渗透介质的流速越大，滲漏部位产生的温度变化越大，获得渗漏点；

感温光纤有N根，将N根感温光纤分为a根平行光纤和b根缠绕光纤，将a根平行光纤沿管道外侧均匀布置，将b根缠绕光纤以螺旋式缠绕法缠绕管壁布设，当b≥2，且b为偶数时，一半的缠绕光纤逆时针缠绕在管壁上，另一半的缠绕光纤顺时针缠绕在管壁上，a+b＝N，a≥2，b≥1；

当b≥2，且b为奇数时，选出一根缠绕光纤顺时针或逆时针缠绕在管壁上，剩下的一半缠绕光纤逆时针缠绕在管壁上，剩下的另一半缠绕光纤顺时针缠绕在管壁上；

当b＝1时，缠绕光纤以螺旋式缠绕法缠绕到管壁的一头之后，再反向螺旋式缠绕回来；

感温光纤以缠绕的方式设置在排水管道外壁的另一种方法包括：

感温光纤有3根，2根感温光纤沿管道两侧水平平行布设，另1根光纤以螺旋式缠绕法缠绕管壁布设，，3根光纤将管道表面交割划分为多个四边形区域。

实施例二：如图2所示，基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统，包括测温主机、感温光纤、加热模块、光纤检测模块、维修模块和服务器；

感温光纤有N根，N为预设值，N≥3，将N根感温光纤分为a根平行光纤和b根缠绕光纤，a和b均为预设值，且a+b＝N，a≥2，b≥1，将a根平行光纤沿管道外侧均匀布置，将b根缠绕光纤以螺旋式缠绕法缠绕管壁布设，当b≥2，且b为偶数时，一半的缠绕光纤逆时针缠绕在管壁上，另一半的缠绕光纤顺时针缠绕在管壁上，当b≥2，且b为奇数时，选出一根缠绕光纤顺时针或逆时针缠绕在管壁上，剩下的一半缠绕光纤逆时针缠绕在管壁上，剩下的另一半缠绕光纤顺时针缠绕在管壁上；当b＝1时，具有两种缠绕方法，一种缠绕方法是将缠绕光纤顺时针或逆时针缠绕在管壁上；另一种缠绕方法是以螺旋式缠绕法缠绕到管壁的一头之后，再反向螺旋式缠绕回来；感温光纤与测温主机相连接。

检测渗漏需要将光纤埋置到较深的深度避免受外界温度影响并且要求渗漏水或油气与土壤介质有较明显的温度梯度，随着季节性气候变化，水或油气与周围土壤介质的温度梯度不断变化可能导致温度梯度很小，因此使用范围受到很大限制。

加热模块用于在进行渗漏检测时对感温光纤区域进行加热，具体方法包括：在感温光纤外侧设置加热导线，实时获取管道内介质的温度和管道外侧的温度，建立温度坐标系，将获取到的管道内介质的温度和管道外侧的温度输入到温度坐标系中，并实时输出同一时间管道内介质的温度和管道外侧的温度之间的差值，将同一时间管道内介质的温度和管道外侧的温度之间的差值标记为温度差值，设置感温光纤检测红线，感温光纤检测红线由感温光纤的规格进行设置的，就是当温度差值低于感温光纤检测红线时，感温光纤的检测将会不灵敏，检测不准确；当温度差值不低于感温光纤检测红线时，不进行操作；当温度差值低于感温光纤检测红线时，生成加热信号，加热导线进行加热，升高管道外侧的温度，当出现渗漏时，温差将会很明显，增加感温光纤检测的灵敏度和准确度，解决随着季节性气候变化，水或油气与周围土壤介质的温度梯度不断变化可能导致温度梯度很小，使用范围受到很大限制的问题。

由于光纤长期埋于地下，因此，不可避免会发生老化问题，发生老化后对光纤不能起到很好的保护作用，使光纤容易遭到破坏；另一方面，由于包覆层的老化使包覆层的性能遭到破坏，影响其与光纤在变化过程中一致性；因此需要对光纤进行老化检测。

光纤检测模块用于检测感温光纤的老化情况，具体方法包括：实时获取感温光纤的光功率，获取感温光纤的标准光功率，感温光纤的标准光功率就是这个感温光纤在没有老化时检测的光功率，获取感温光纤的长度和感温光纤的缠绕方式，建立光纤检测模型，将感温光纤的光功率、感温光纤的标准光功率、感温光纤的长度和感温光纤的缠绕方式整合标记为输入数据，将输入数据输入至光纤检测模型获取输出结果并标记为检测标签，检测标签即为输入数据对应的状态标签；当检测标签为02时，获取感温光纤老化坐标，将获取感温光纤老化坐标发送到服务器，服务器将感温光纤老化坐标发送到维修模块；当检测标签为01和03时，不进行操作。

建立光纤检测模型的方法包括以下步骤：获取光纤历史检测数据；光纤历史检测数据包括感温光纤的光功率、感温光纤的标准光功率、感温光纤的长度和感温光纤的缠绕方式；光纤检测结果有光纤老化，不需要维修；光纤老化，需要维修；光纤正常；为光纤历史检测数据设置状态标签；状态标签包括01、02和03，当状态标签为01时，表示光纤老化，不需要维修；当状态标签为02时，表示光纤老化，需要维修；当状态标签为03时，表示光纤正常；构建人工智能模型；人工智能模型包括误差逆向传播神经网络、RBF神经网络和深度卷积神经网络；将光纤历史检测数据和对应的状态标签按照设定比例划分为训练集、测试集和校验集；设定比例包括3：1：1、4：2：1和3：1：1；通过训练集、测试集和校验集对人工智能模型进行训练、测试和校验；将训练完成的人工智能模型标记为光纤检测模型。

维修模块用当感温光纤出现老化，需要维修时，派遣维修人员进行维修，具体方法包括：

步骤A11：获取维修人员个人信息，个人信息包括年龄、性别、联系方式和维修工龄，将维修人员标记为i，其中i＝1、2、……、n，n为正整数；

步骤A12：将维修人员的维修工龄标记为Pi；

步骤A13：获取维修人员的工作状态，工作状态包括空闲状态和忙碌状态，将维修人员的工作状态标记为Li；

步骤A14：获取维修人员与需要维修的感温光纤老化坐标之间的距离，并将维修人员与需要维修的感温光纤老化坐标之间的距离标记为Ki；将维修人员、维修人员的维修工龄、维修人员的工作状态和维修人员与需要维修的感温光纤老化坐标之间的距离进行去除量纲取其数值计算；

步骤A15：根据公式Qi＝λ*(b1*Pi*b2*Li+1)/(b3*Ki+1)获取得到优先值Qi，其中，b1、b2、b3均为比例系数，取值范围为1<b1≤2，0≤b2≤1，0<b3≤1，λ为修正因子，取值范围为0<λ≤1，且当维修人员的工作状态是忙碌状态时，Li＝0，且当维修人员的工作状态是空闲状态时，Li＝1；

步骤A16：将优先值Qi按照由大到小的顺序进行排列，并派遣优先值Qi排列第一的维修人员进行维修。

应用场景一：

监测系统包括测温主机和3根感温光纤，其中2根光纤沿管道两侧水平平行布设，另一根光纤以螺旋式缠绕法缠绕管壁布设；三根光纤将管道表面交割划分为多个四边形区域，当管道发生渗漏时，渗漏点所处的四边形光纤区域感知到温度变化，从而实现渗漏监测和漏点定位；该方法简单实用，特别适用于施工现场，适用于长距离的光缆传输。

应用场景二：监测系统包括测温主机和光纤，光纤以螺旋式缠绕法缠绕管壁的一头之后，再反向螺旋式缠绕过来，在平面上形成菱形图案，通过菱形的交割划定空间区域，当管道发生渗漏时，渗漏点所处的菱形光纤区域感知到温度变化，从而实现渗漏监测和漏点定位。

应用场景三：监测系统包括测温主机和4根感温光纤，其中2根光纤沿管道两侧水平平行布设，剩余一根光纤以顺时针缠绕法缠绕管壁布设；剩余另一根光纤以逆时针缠绕法缠绕管壁布设；在平面上形成菱形图案，通过菱形的交割划定空间区域，当管道发生渗漏时，渗漏点所处的菱形光纤区域感知到温度变化，从而实现渗漏监测和漏点定位。该方法简单实用，特别适用于施工现场，适用于长距离的光缆传输。

上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况设定。

本发明在使用时，将N根感温光纤分为a根平行光纤和b根缠绕光纤，将a根平行光纤沿管道外侧均匀布置，将b根缠绕光纤以螺旋式缠绕法缠绕管壁布设，当b≥2，且b为偶数时，一半的缠绕光纤逆时针缠绕在管壁上，另一半的缠绕光纤顺时针缠绕在管壁上，当b≥2，且b为奇数时，选出一根缠绕光纤顺时针或逆时针缠绕在管壁上，剩下的一半缠绕光纤逆时针缠绕在管壁上，剩下的另一半缠绕光纤顺时针缠绕在管壁上；当b＝1时，具有两种缠绕方法，一种缠绕方法是将缠绕光纤顺时针或逆时针缠绕在管壁上；另一种缠绕方法是以螺旋式缠绕法缠绕到管壁的一头之后，再反向螺旋式缠绕回来；感温光纤与测温主机相连接。

对感温光纤区域进行加热，在感温光纤外侧设置加热导线，实时获取管道内介质的温度和管道外侧的温度，建立温度坐标系，将获取到的管道内介质的温度和管道外侧的温度输入到温度坐标系中，并实时输出同一时间管道内介质的温度和管道外侧的温度之间的差值，将同一时间管道内介质的温度和管道外侧的温度之间的差值标记为温度差值，设置感温光纤检测红线，当温度差值不低于感温光纤检测红线时，不进行操作；当温度差值低于感温光纤检测红线时，生成加热信号，加热导线进行加热。

检测感温光纤的老化情况，实时获取感温光纤的光功率，获取感温光纤的标准光功率，获取感温光纤的长度和感温光纤的缠绕方式，建立光纤检测模型，将感温光纤的光功率、感温光纤的标准光功率、感温光纤的长度和感温光纤的缠绕方式整合标记为输入数据，将输入数据输入至光纤检测模型获取输出结果并标记为检测标签，检测标签即为输入数据对应的状态标签；当检测标签为02时，获取感温光纤老化坐标，将获取感温光纤老化坐标发送到服务器，服务器将感温光纤老化坐标发送到维修模块；当检测标签为01和03时，不进行操作。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统，其特征在于，包括测温主机、感温光纤和服务器；

所述感温光纤以缠绕的方式设置在排水管道外壁，所述感温光纤与测温主机相连接，所述感温光纤用于检测排水管道渗漏情况，具体方法包括：

获取排水管道未渗漏时的感温光纤的检测值，将获取的感温光纤检测值标记为对比值；

通过感温光纤对实时排水管道外壁进行检测，当发生渗漏时，滲透介质参与感温光纤和土壤之间的传热过程，渗透介质与光纤和土壤的热对流过程将产生热量交换，从而导致滲漏部位和非渗漏部位产生温差，渗透介质的流速越大，滲漏部位产生的温度变化越大，获得渗漏点。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统，感温光纤以缠绕的方式设置在排水管道外壁的方法包括：

所述感温光纤有N根，将N根感温光纤分为a根平行光纤和b根缠绕光纤，将a根平行光纤沿管道外侧均匀布置，将b根缠绕光纤以螺旋式缠绕法缠绕管壁布设，当b≥2，且b为偶数时，一半的缠绕光纤逆时针缠绕在管壁上，另一半的缠绕光纤顺时针缠绕在管壁上；

当b＝1时，缠绕光纤以螺旋式缠绕法缠绕到管壁的一头之后，再反向螺旋式缠绕回来。

3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统，其特征在于，其特征在于，a+b＝N，a≥2，b≥1。

4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的可实现渗漏点定位的排水管道监测系统，其特征在于，感温光纤以缠绕的方式设置在排水管道外壁的另一种方法包括：

所述感温光纤有3根，2根感温光纤沿管道两侧水平平行布设，另1根光纤以螺旋式缠绕法缠绕管壁布设，3根光纤将管道表面交割划分为多个四边形区域。