CN115854271A

CN115854271A - 城市地下管网损伤监测与修复系统及损伤识别修复方法

Info

Publication number: CN115854271A
Application number: CN202310147403.8A
Authority: CN
Inventors: 陶锴; 王强; 岳东; 窦春霞; 吴国庆
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2023-02-22
Filing date: 2023-02-22
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2043-02-22
Also published as: CN115854271B

Abstract

本发明属于城市地下基础设施安全监测技术领域，公开了城市地下管网损伤监测与修复系统及损伤监测修复方法，在管网节点部署振动传感阵列，将振动信号无线传输至中央控制器，通过特征提取与损伤识别实现异常管段预警；利用移动机器人声呐扫描实现异常管段裂纹精准定位及修复。本发明通过对城市管网长周期、全方位监测与移动修复，对保障管网安全稳定运转有重要意义。

Description

城市地下管网损伤监测与修复系统及损伤识别修复方法

技术领域

本发明属于城市地下基础设施安全监测技术领域，具体是涉及一种城市地下管网损伤监测与修复系统及损伤识别修复方法。

背景技术

城市地下管网是维持运转的重要保障，相比于地上常规工程建筑，地下管网具有强腐蚀、大应力特点，恶劣的工作环境使得管网损伤事故频发。随着城市基础设施建设规模的加大和管道部件老化效应，由于城市地下管网破裂损伤引发的路基沉陷、内涝、涌水等事故为人民财产安全带来巨大威胁，因此，对管网开展全局实时监测与损伤修复工作对保障城市运转具有重要意义和迫切现实需求。

地下管道工况环境狭窄且充满有害气体，人工巡检效率低且危险性大。此外，人工开挖式检测需要停水停工，耗费人力物力巨大。城市地下管网纵横分布，而开裂损伤往往较为细微，损伤隐蔽难以察觉，此种管网分布广域性和损伤监测局部性为当前的管道损伤监测技术带来挑战。

现有技术中相关针对城市地下管网漏损监测的研究，如专利申请CN216976544U城市地下管网漏损监测设备及监测系统、CN110553154A一种城市地下管网漏损监测方法与系统等，其均可对地下管网进行实时监测，判断是否有管道发生泄漏，但现有的方法是判断管道是否发生泄漏，即粗略发现泄漏范围，但对于更为精确的泄漏点（尤其是细微损伤点）还需人工去探测，然后才能进行后续的修复处理工作；现有技术目前难以权衡管网监测广域性和局部性矛盾，对管道细微损伤难以精确定位。

发明内容

因湍流碰撞管壁会使管壁发生振动，倘若管壁出现破损，水流在不均匀裂缝处激发的管壁振动形态会发生改变，为解决上述技术问题，本发明提供了一种城市地下管网损伤监测与修复系统及损伤识别修复方法，根据振动信号差异性，通过管网节点传感器布置、数据，利用大范围节点振动信号分析监测管道损伤状态，并结合移动机器人相关技术开展裂纹精准识别与修复工作，解决管网监测全局性局部精准性问题。

本发明所述的城市地下管网损伤监测与修复系统，所述系统包括分布式异常振动监测系统、本地控制系统、中央控制系统和移动机器人探测修复系统，

分布式异常振动监测系统，其通过安装在地下管网若干个监测节点的传感探头采集地下管道的振动信号并进行调理，将调理后的信号传输给本地控制系统；

本地控制系统，其接收分布式异常振动监测系统的传输信号，将小范围正常与异常信号通过无线通讯至中央控制系统；

中央控制系统，其对接收的异常信号进行处理后，控制移动机器人探测修复系统对损伤点进行精确定位；同时发出控制信号给本地控制系统，从而实现本地控制系统的启动或停止；

移动机器人探测修复系统，其根据中央控制系统发送的指令对异常管段的裂纹开展评估，通过基站将损伤状态传输至中央控制系统，并对损伤进行修复。

进一步的，所述分布式异常振动监测系统包括传感探头和信号调理模块；

若干个传感探头分别安装在地下管道的监测节点上，用于采集破损处水流撞击管壁产生的异常振动信号，并将异常振动信号转为电信号；

所述信号调理模块包括电压放大电路、滤波电路、微处理器、信号收发模块和电源模块；其中，所述电压放大电路将输入的原始微弱的振动电压信号放大至滤波电路的电压区间；滤波电路对放大后的振动电压信号去除噪声后传送至微处理器；所述微处理器将去噪后的振动电压信号传输至本地控制系统，电源模块分别为电压放大电路、滤波电路、微处理器供电。

进一步的，所述本地控制系统包括电子开关、信号存储模块和无线通讯模块；

所述电子开关用于切换多个探头数据，实现采集序列化；

所述信号存储模块将探头采集的信号有序编码存储，在中央控制器指令下实现传输准备；

所述无线通讯模块采用SIM卡方式，将振动数据无线传输。

进一步的，所述移动机器人探测修复系统包括：步进声呐环扫探测模块、声呐系统、损伤修复模块；

步进声呐环扫探测模块包括步进电机系统、声呐系统；所述步进电机系统控制声呐系统在环状轨道上对管道内径实现360°扫描，步进角度为2°；声呐系统向管壁发射超声脉冲，根据回波信号强度测算距离，判定管道破损点；

损伤修复模块，对破损点实现精准修补；

移动机器人的侧壁上还安装有温湿度传感器、气体传感器、经纬度传感器及GPS传感器。

进一步的，所述中央控制系统包括振动信号特征提取模块、泄漏损伤识别模块、全局监测时序控制模块；

所述振动信号特征提取模块用于提取正常湍流状态下的噪声信号和异常破损状态下的信号包络特征；

所述泄漏损伤识别模块采用softmax算法，对信号包络特征进行分析，判定是否出现损伤；

所述全局监测时序控制模块对判定结果进行处理，控制本地控制系统的启动与停止；同时全局监测时序控制模块发出指令给移动机器人探测修复系统，控制其对损伤点精准定位并进行修复。

城市地下管网损伤识别修复方法，利用所述系统，对系统的异常破损识别进行识别，所述方法步骤为：

步骤1-1、通过分布式异常振动监测系统采集地下管道的振动信号，将处理后的振动信号通过经本地控制系统发送给中央控制系统；

步骤1-2、中央控制系统针对接收的振动信号，利用极值分析和三次样条拟合方法得到函数包络信号；

步骤1-3、中央控制系统提取函数包络信号的分形维数参数，分别获得正常状态训练组特征、标签及损伤状态训练组特征、标签；

步骤1-4、中央控制系统利用softmax算法对正常状态分形维数参数和破损状态分形维数参数开展训练，得到损伤识别模型；

步骤1-5、对实时监测数据进行包络信号提取和分形维数参数计算，然后输入softmax分类器，得到正常、损伤状态二分类概率，选取概率值大的作为识别结果；

步骤1-6、中央控制系统将识别结果发送给移动机器人探测修复系统，通过其对破损点进行精准定位，并对破损点进行修复。

进一步的，所述分布式异常振动监测系统采用触发-休眠工作模式，具体为：

1）中央控制系统发送开始采集指令给本地控制系统；

2）本地控制系统通过其内部的电子开关控制分布式异常振动监测系统进行信号采集；

3）分布式异常振动监测系统开展信号调理，将调理后的信号传输至本地控制器；

4）本地控制系统将接收到的调理信号传输至中央控制器；

5）中央控制系统发送确认信号，本地控制系统接收到确认信号后指定分布式异常振动监测系统进入休眠模式，等待下一次开始采集指令。

进一步的，所述步骤1-2中，通过局部峰值检测方法提取包络，对间隔采样点两两作差判定走势，当走势由上升变为下降时则判定此点为局部极大值点，利用三次样条拟合方法拟合所有极大值点，获取信号包络线。

进一步的，所述步骤1-3中，对包络信号计算分形关联维数指标，首先对包络信号构建欧式空间内序列集，然后计算序列点间的欧式距离，利用Heaviside函数计算关联维数指标。

进一步的，所述移动机器人探测修复系统对破损点进行精准定位的步骤为：

步骤1-6-1、在移动机器人顶端垂直管壁方向安装步进声呐环扫探测模块，步进声呐环扫探测模块的声呐系统通过软性透声壳发射超声脉冲，经过管壁反射后被声呐系统的接收模块接收回波；

步骤1-6-2、声呐系统分析回波信号的时差和声强，评估破损状态，判定管道破损点；

步骤1-6-3、利用信号基站将声呐损伤状态传输至中央控制器；

步骤1-6-4、损伤修复模块对破损点进行修复。

进一步的，步骤1-6-1中，声呐系统发出6Mhz超声作为激励，并沿管壁法线方向传播；

在正常状态，脉冲遇管壁发生反射，接收端接收到损伤较小的回波；

在破损状态，脉冲一部分沿破损口传播至外部，另一部分发生反射并被接收端接收。

进一步的，步骤1-6-2中，采用8位寄存器存储声强数据，即将理想状态的回波信号强度值定义为256，未接收到信号定义为0，通过声强数值判定破损状态；通过正常状态下的回波时间和声速参数确定管径参数。

进一步的，步骤1-6-3中，步进电机系统控制声呐系统被分配一个IP地址，中央控制器通过访问特定IP实现数据解析和可视化。

本发明所述的有益效果为：

1）本发明通过分布式异常振动监测系统的前端调理电路实现对原始信号的放大滤波处理，滤除了异常频段噪声，保障了管网多节点振动特性的可视化表达；触发-休眠工作模式能最大限度减小能耗，为长周期、连续监测提供保障；

2）本发明利用本地控制系统中的电子开关实现不同探头数据切换，具有更好的环境可适应性；利用GPRS方式将各探头数据序列传输，能保证监测节点状态分析的实时性；

3）本发明采用粗-精协同损伤定位方式，利用振动探头识别异常管段，实现损伤粗定位，再采用移动机器人声呐探测方法实现破损位置精准定位；通过对声呐回波声强分级标定方法对异常管段破损开展精细化扫描，实现非开挖、正常工况下的定准定位，能有效节省传统开挖式定位带来的经济、社会损失；通过移动机器人进准修补，避免了恶劣地下环境人工作业，保证了人员安全；移动机器人搭载温湿度、有害气体、经纬度、GPS等传感器，能检测出异常管段的温湿度、气体环境、经纬度、地理位置等信息，可为管道损伤成因分析和灾害预警策略制定提供参考；

4）本发明在中央控制系统中通过振动信号特征提取和智能算法开展损失模式识别，充分利用了历史数据，随着监测的不断进行，数据库愈发丰富，模型也愈发科学。

附图说明

图1是本发明多节点传感与移动监测系统结构示意图；

图2是振动传感探头结构示意图；

图3是信号调理电路功能组成图；

图4是信号放大电路图；

图5是信号滤波电路图；

图6是通讯模块电路连接图；

图7是振动数据采集系统控制逻辑图；

图8(a)是正常状态信号包络曲线示意图；

图8(b)是破损状态信号包络曲线示意图；

图9(a)是正常状态信号分形特征示意图；

图9(b)是破损状态信号分形特征示意图；

图10(a)是未破损声呐成像结果示意图；

图10(b)破损声呐成像结果示意图；

图11是温湿度传感器CHT8305典型应用电路；

图12是本地控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

本发明所述的系统由四部分组成，分别为：分布式异常信号监测系统、本地控制系统、移动机器人探测修复系统和中央控制系统，系统结构如图1所示。

所述分布式异常振动监测系统包括传感探头和信号调理模块；若干个传感探头分别安装在地下管道的监测节点上，用于采集破损处水流撞击管壁产生的异常振动信号，并将异常振动信号转为电信号；所述信号调理模块包括电压放大电路、滤波电路、微处理器、信号收发模块和电源模块；其中，所述电压放大电路将输入的原始微弱的振动电压信号放大至滤波电路的电压区间；滤波电路对放大后的振动电压信号去除噪声后传送至微处理器；所述微处理器型号为MSP430，其将去噪后的振动电压信号传输至本地控制系统；电源模块为蓄电池，其分别为电压放大电路、滤波电路、微处理器供电。

为实现城市地下管网损伤全局监测，需要实时采集管道节点振动状态，当管壁出现破损，管内高压液体流经孔洞时会沿孔洞快速迸发，此过程中流体高速运动携带能量在与管壁质点的摩擦作用下会引发振动，此种异常振动产生的声能经管壁传播后被探头捕获，通过分析正常状态噪声振动和异常状态振动信号特征可实现管网损伤识别。

传感探头采用柔性磁铁材料作为基座，并在基座底端涂抹热熔胶，此外，在顶端增加不锈钢材料配重，以保证探头与不同材质管道的稳定接触，探头结构如图2所示。感应芯片要求能覆盖振动信号频域范围，且具有较好的灵敏度。通过前期实验，环境噪声大多处于高频段（大于5Khz），损伤特征信号频率一般小于2Khz，故可以选择在低频段具有高灵敏度的芯片，以达到抑制环境噪声目的。此外，感应芯片在防水性、动态范围、供电特点上均有一定要求，在本例中可使用ADXL345B作为加速度芯片，其频率响应范围为0.1Khz-2.5Khz，灵敏度为6.33V/g。

探头部署在管道各节点，例行监测阶段各节点按一定的监测频率例行采集，密集监测阶段则针对某些特定探头开展持续采集，探头的启动和停止信号由中央控制系统发送。

管道振动信号十分微弱，且管道内由于水湍流作用会使捕获到的信号携带各种噪声，故需要信号调理模块对原始进行放大和滤波，功能如图3所示。在选取放大芯片时要考虑芯片自身电噪声对整体电路的影响，还需考虑阻抗匹配、动态范围、放大倍数等因素，本实施例中选用Maxim公司的Max4478作为核心放大芯片，可满足噪声、频带、线性度等指标要求，信号放大电路图如图4所示。采用Max7409滤波芯片实现带通滤波，通过PWM波调节方法控制截止频率，信号滤波电路如图5所示。经过放大和滤波处理的振动信号被传送至微处理器，微处理器在选择时需考虑AD转换性能、功耗、调试接口等，本实施例选用MSP430作为异常信号监测系统的处理器。

分布式异常振动监测系统采用触发-休眠工作模式，所述触发-休眠工作模式具体步骤为：

1）中央控制器发送开始采集指令给本地控制器；

2）本地控制器由电子开关控指定信号监测系统开机，探头开始采集数据；

3）异常信号监测系统开展信号调理，将数据传输至本地控制器；

4）本地控制器将信号无线传输至中央控制器；

5）中央控制器发送确认信号，本地控制器接收到此信号后指定异常信号监测系统进入休眠模式，等待下一次开始采集指令。

所述本地控制系统结构如图12所示，其用于处理区域异常信号监测系统输出的数据，并无线传输至中央控制系统，并双向传输控制指令。本地控制系统采用STM32作为处理器，来自各探头采集的振动信号连接至处理器不同I/O口，通过虚拟电子开关方式控制是否接通此I/O口，实现序列化采集。

对某管段的单次采集往往会持续数秒故需要扩展本地控制系统存储容量。信号存储模块首先为每个通道探头赋予一个存储编号，再将此编号与扩展的外部存储单元关联，实现序列存储。存储扩展方法一般有SD卡、EEPROM、Flash等，在本实施例中采用SD卡方式，通过SDIO协议进行STM32处理器与SD卡通讯，实现监测数据的序列存储。

为实现本地控制系统与中央控制系统无线通讯，首先采用束线管将本地控制系统的无线通讯模块转移至地面开阔处。采用GPRS协议，将暂存在本地控制系统的监测数据无线发送。在本实施例中采用SIM800C作为通讯芯片，此芯片具有850Mhz-1900Mhz宽频段，采用串口实现与微处理器STM32通讯，无线通讯模块电路连接如图6所示。

中央控制系统：收集由本地控制系统传输的节点振动信号和节点编号，通过接收确认信号、发出启动信号、发出停止信号等控制本地控制系统的启动与停止，控制逻辑流程如图7所示。

开展振动信号包络提取，针对时域信号f(x)，设在其持续时间范围内有极大值点集合（f(x₁),f(x₂),…,f(x_n)），则此点集合的三次样条拟合曲线即为包络曲线，图8(a)和图8(b)分别展示了正常状态和异常破损状态振动信号包络曲线。

对包络曲线提取分形特征，设包络曲线各采样点集合(a₁,a₂,…,a_n)，计算：

，

其中，

关联积分函数，r、m和Na为给定系数，H为二值函数，当自变量小于0时函数值为0，否则为1；点对(InC_m(r), Inr)的拟合线性部分的斜率即为分形关联维数指标，即：

。

图9(a)和图9(b)分别展示了三组正常信号和破损信号分形特征。

以分形指标作为判据，训练Softmax函数，在识别应用中倘若Softmax函数输出超过0.5，则判定此监测管段出现了异常破损。

移动机器人探测修复系统包括步进声呐环扫探测模块和损伤修复模块；步进声呐环扫探测模块包括步进电机系统、声呐系统，所述声呐系统在本实施例中采用的型号为SCANFISH-2；所述步进电机系统控制声呐系统在环状轨道上对管道内径实现360°扫描，步进角度为2°；声呐系统向管壁发射超声脉冲，根据回波信号强度测算距离，判定管道破损点；损伤修复模块，对破损点实现精准修补；移动机器人的侧壁上还安装有温湿度传感器、气体传感器、经纬度传感器及GPS传感器。

在得知异常管段后，利用移动机器人实现破损位置精准探测与修复。在移动机器人顶端垂直管壁方向安装步进声呐环扫探测模块，其声呐系统通过软性透声壳发射超声脉冲，经过管壁反射后由接收模块接收回波；声呐系统发出6Mhz超声作为激励，并沿管壁法线方向传播；在正常状态，脉冲遇管壁发生反射，接收端接收到损伤较小的回波；在破损状态，脉冲一部分沿破损口传播至外部，另一部分发生反射并被接收端接收，导致回波信号强度降低；通过步进电机系统控制声呐探头实现环扫描，利用环状轨道进行管道声呐扫描，步进角度为2°；声呐系统为收发一体式，内置声强-距离转换算法，分析接收回波信号的时差和声强，采用8位寄存器存储声强数据，即将理想状态（全反射）回波信号强度值定义为256，未接收到信号定义为0，通过声强数值判定破损状态；通过正常状态下的回波时间和声速参数确定管径参数。图10(a)和图10(b)分别展示了未破损和破损声呐成像结果；利用以太网将声呐损伤状态传输至中央控制器，声呐探头被分配一个IP地址，中央控制器通过访问特定IP实现数据解析和可视化。

损伤修复模块包括修补喷头和修补溶剂，本实施例中修补喷头为枪式结构，修补溶剂为砂浆-水泥混合；移动机器人携带由砂浆-水泥混合制成的修补剂，由枪式喷头指向破损处，实现精准修复。

移动机器人包含温湿度传感器，所述温湿度传感器信号安装在移动机器人侧壁，用于实时监测管道内环境的温度和湿度。例如，温湿度传感器可采用CHT8305，通过芯片手册查阅其典型应用电路如图11所示。

移动机器人包含气体传感器，所述气体传感器安装移动机器人侧壁，用于检测管道内有害气体成分，可为管道泄漏状态、易燃易爆气体浓度等评估提供参考。

移动机器人包含经纬度传感器，所述经纬度传感器用于实时获取移动设备的经纬度信息，在纵向延展型管道作业中可为操作人员提供经纬度信息。

移动机器人包含GPS传感器，所述GPS传感器用于获取位置信息，为机器人路径规划提供参考。

以上所述仅为本发明的优选方案，并非作为对本发明的进一步限定，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的各种等效变化均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.城市地下管网损伤监测与修复系统，其特征在于，所述监测系统包括分布式异常振动监测系统、本地控制系统、中央控制系统和移动机器人探测修复系统，

本地控制系统，其接收分布式异常振动监测系统的传输信号，将正常与异常信号通过无线通讯至中央控制系统；

2.根据权利要求1所述的城市地下管网损伤监测与修复系统，其特征在于，所述分布式异常振动监测系统包括传感探头和信号调理模块；

若干个传感探头分别安装在地下管道的监测节点上，用于采集水流撞击管壁产生的振动信号，并将振动信号转为电信号；

3.根据权利要求1所述的城市地下管网损伤监测与修复系统，其特征在于，所述本地控制系统包括电子开关、信号存储模块和无线通讯模块；

所述电子开关用于切换多个探头数据，实现采集序列化；

所述无线通讯模块将振动数据无线传输。

4.根据权利要求1所述的城市地下管网损伤监测与修复系统，其特征在于，所述中央控制系统包括振动信号特征提取模块、泄漏损伤识别模块、全局监测时序控制模块；

所述全局监测时序控制模块对判定结果进行处理，控制本地控制系统的启动与停止；同时全局监测时序控制模块发出指令给移动机器人探测修复系统，控制其精准定位损伤点并对其进行修复。

5.根据权利要求1所述的城市地下管网损伤监测与修复系统，其特征在于，所述移动机器人探测修复系统包括：步进声呐环扫探测模块和损伤修复模块；

损伤修复模块，对破损点实现精准修补；

6.城市地下管网损伤识别修复方法，其特征在于，所述方法步骤为：

步骤1-5、对实时监测数据进行包络信号提取和分形维数参数计算，然后输入softmax分类器，得到正常状态和损伤状态二分类概率，选取概率值大的作为识别结果；

7.根据权利要求6所述的城市地下管网损伤识别修复方法，其特征在于，所述分布式异常振动监测系统采用触发-休眠工作模式，具体为：

1）中央控制系统发送开始采集指令给本地控制系统；

4）本地控制系统将接收到的调理信号传输至中央控制器；

8.根据权利要求6所述的城市地下管网损伤识别修复方法，其特征在于，所述步骤1-2中，通过局部峰值检测方法提取包络，对间隔采样点两两作差判定走势，当走势由上升变为下降时则判定此点为局部极大值点，利用三次样条拟合方法拟合所有极大值点，获取信号包络线。

9.根据权利要求6所述的城市地下管网损伤识别修复方法，其特征在于，所述步骤1-3中，对包络信号计算分形关联维数指标，首先对包络信号构建欧式空间内序列集，然后计算序列点间的欧式距离，利用Heaviside函数计算关联维数指标。

10.根据权利要求6所述的城市地下管网损伤识别修复方法，其特征在于，所述移动机器人探测修复系统对破损点进行精准定位的步骤为：

步骤1-6-4、损伤修复模块对破损点进行修复。

11.根据权利要求10所述的城市地下管网损伤识别修复方法，其特征在于，步骤1-6-1中，声呐系统发出6Mhz超声作为激励，并沿管壁法线方向传播；

12.根据权利要求10所述的城市地下管网损伤识别修复方法，其特征在于，步骤1-6-2中，采用8位寄存器存储声强数据，即将理想状态的回波信号强度值定义为256，未接收到信号定义为0，通过声强数值判定破损状态；通过正常状态下的回波时间和声速参数确定管径参数。

13.根据权利要求10所述的城市地下管网损伤识别修复方法，其特征在于，步骤1-6-3中，步进电机系统控制声呐系统被分配一个IP地址，中央控制器通过访问特定IP实现数据解析和可视化。