一种压力输水管道渗漏检测/监测系统、方法及介质

摘要

本发明提供一种压力输水管道渗漏检测/监测系统、方法及介质，包括：传感装置用于感知输水管道的渗漏噪声；数据采集模块用于接收传感装置感知的渗漏噪声并将其转换为渗漏噪声数字信号；中央服务器接收由数据采集模块反馈的渗漏噪声数字信号，并对接收渗漏噪声数字信号进行分析，经计算与分析判断该输水管道是否发生渗漏，以及根据分析结果定位渗漏噪声源的位置，即确定渗漏点的位置，并计算出渗漏点处渗漏量大小；同时中央服务器向数据采集模块发出控制指令，实现对压力输水管道渗漏进行检测或监测。本发明通过检测/监测管道的渗漏噪声，利用溯源追踪法精确定位噪声源的位置，并计算噪声源强度，达到渗漏检测/监测的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及压力输水管道的安全检测/监测领域，具体地，涉及一种压力输水管道渗漏检测/监测的溯源追踪法、系统及介质。

背景技术

我国目前无论是长距离大型压力输水管道还是城市自来水管网，普遍存在渗漏病害。渗漏不仅造成珍贵水资源的浪费，危害性集中渗漏还会引起地面塌陷和爆管 等严重事故，造成财产的巨大损失，甚至造成人员伤亡，影响社会和谐与稳定。

目前国内外对于大型埋地压力输水管道主要通过定期停水检修的方法查找渗 漏等病害以达到防止危害性集中渗漏引起爆管事故发生。由于大型埋地压力输水管 道停水检修间隔时间长(通常一年检修一次)，检修期短，通过停水检修的方法并不 能有效杜绝危害性集中渗漏引发爆管。新建或在建的部分埋地压力输水管道虽然增 设了压力监控和流量监控等措施，但是，压力和流量监控灵敏度低，只能发现管道 严重泄漏等事故，无法发现较小的渗漏，其次，由于输水管道距离长，往往数km 甚至更长距离设置一个检测点，只能发现渗漏发生于某一段管道，无法精确定位， 难以起到及时发现渗漏点的作用。

对于城市自来水管网的渗漏检测，目前主要是靠用听漏仪人工听漏的方式查找渗漏点。听漏仪的工作原理是基于以下现象：当管道发生破损时管道内的水体在压 力作用下喷射到管道外，产生啸叫声。当管道埋设较浅而且渗漏较严重时，在周围 环境比较安静的情况下用麦克风紧贴地面能够听到这种渗漏噪声。由于现在城市交 通量大，环境嘈杂，各种管网交错，埋设深浅不一，因此，听漏只能发现一部分埋 设浅、渗漏大的渗漏点，检测灵敏度、定位精度以及抗干扰能力都不能满足需求， 不能从根本上解决问题。

综上所述，在我国目前无论是长距离大型压力输水管道的危害性集中渗漏还是城市自来水管网的渗漏，都缺乏有效的检测/监测手段。急需一种高精度、高灵敏 度、高可靠性和高效率的检测/监测方法与系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种压力输水管道渗漏检测/监 测的溯源追踪法及其系统、介质。

本发明第一个方面，提供一种压力输水管道渗漏检测/监测系统，包括：

沿输水管道延伸方向布置的传感装置，所述传感装置用于感知所述输水管道的渗漏 噪声；

数据采集模块，所述数据采集模块用于接收所述传感装置感知的渗漏噪声并将其转 换为渗漏噪声数字信号；

中央服务器，所述中央服务器接收由所述数据采集模块反馈的渗漏噪声数字信号， 并对接收渗漏噪声数字信号进行分析，经计算与分析判断该输水管道是否发生渗漏，以 及根据分析结果定位渗漏噪声源的位置，即确定渗漏点的位置，并计算出所述渗漏点处渗漏量大小，实现对压力输水管道渗漏进行检测或监测；同时所述中央服务器向所述数 据采集模块发出控制指令。

优选地，压力输水管道渗漏检测/监测系统包括：

数据传输模块，所述数据传输模块用于将经所述数据采集模块数字化后的渗漏噪声 信号按指令传输至所述中央服务器，并接受所述中央服务器输出的控制指令；

数据发布模块，所述数据发布模块用于将所述中央服务器的分析结果通过显示器和 /或终端设备发布。

优选地，所述传感装置包括：

设置于地面上并沿所述输水管道延伸方向布置的若干移动式底座，每个所述移动式底座上均设有一振动传感器，使每个所述传感器通过所述移动式底座与地面紧密 耦合；

罩设于所述移动式底座外部的隔音罩，且所述振动传感器位于所述隔音罩内， 所述隔音罩阻隔外部环境噪声；

牵引带，通过所述牵引带依次连接若干移动式底座，构成传感器线性阵列；

牵引装置，所述牵引装置与所述牵引带的一端连接，能带动所述牵引带在牵引 下沿地面移动，从而带动若干移动式底座和所述振动传感器一起整体移动。

优选地，所述传感器线性阵列通过电缆与所述数据采集模块连接。

优选地，所述传感装置为分布式声学传感器光纤；

所述分布式声学传感器光纤沿管线轴线方向布设于所述输水管道内部，且所述分布式声学传感器光纤的一端延伸至所述输水管道的外部，所述分布式声学传感器光纤 用于传输光信号，同时感知振动。

本发明第二个方面，提供一种压力输水管道渗漏检测/监测方法，所述方法采用溯源 追踪法，包括：

S1：采用沿输水管道延伸方向布置传感装置以感知输水管道的渗漏噪声，利用中央 服务器对接收的渗漏噪声数字信号进行分析，经计算与分析判断该输水管道是否发生渗 漏，以及根据分析结果定位渗漏噪声源的位置，从而确定渗漏点位置；

S2：利用中央服务器计算渗漏点位置处的噪声源强度，并根据噪声源强度确定渗漏 程度；

S3：将稳态随机过程方法用于渗漏噪声数据的分析，以提高渗漏点位置推断精度和 结果的稳定性。

可选地，所述S1包括：

假设沿输水管道延伸方向布置N个振动传感器分别为p

假设由渗漏噪声源发出的噪声信号为w(t)，其频谱为W(f)，任意两个传感器m和n接收到的信号分别为s

s

和s

其傅里叶频谱分别为：

S

和S

则信号s

上式

上式中|W(f)|

假设一个速度v

然后从交叉谱S

将溯源后的信号叠加，计算信号的标准化叠加能量：

如果溯源所用的速度v

利用下述速度扫描法获取渗漏噪声的传播速度：

确定最小传播速度V

当获得传播速度V

然后从传感器p

如果所假定的渗漏点位置x

利用下述场源扫描法确定渗漏噪声源的位置，即渗漏点的位置：

确定最小渗漏噪声源位置X

可选地，所述S2包括：

设T为接收信号的长度，传感器p

A

由式⑩中N个传感器的信号幅度A

可选地，所述S3按照以下步骤执行：

S31：将N个传感器获取的监测数据分成等长度的M段，得到监测数据的集合[s

S32：以第一个传感器p

S33：利用第2段数据分别求取其余各个传感器(p

S34：依照S33上述过程，依次求取各段数据的交叉普(S

S35：求取交叉普的集合平均值：

S

S36：以交叉谱的集合平均值S

S37：对于每一段数据，根据式⑨计算叠加能量E

S38：求取叠加能量的集合平均值：

E

S39：找出最大叠加能量对应的场源位置即是渗漏点的位置。

本发明第三个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当该计算机程序被处理器执行时，实现上述的压力输水管道渗漏检测/监测方法。

本发明的基本原理：当压力输水管道发生破损时，管道内水体在压力作用下从管道 破口处喷射而出，引起管道振动并产生啸叫，这种振动与啸叫通常称为渗漏噪声，噪声源的位置就是渗漏点位置，噪声源强度反映了渗漏的严重程度。本发明压力输水管道渗 漏检测/监测的溯源追踪法就是基于这一现象，通过检测/监测管道的渗漏噪声，利用溯 源追踪法定位噪声源的位置，并计算噪声源强度，达到渗漏检测/监测的目的。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述系统，利用压力输水管道发生渗漏时产生啸叫和引起管道振动这一现象，在理论分析和试验研究的基础上，提出通过多个传感装置组成传感器阵列， 采用溯源追踪法精确确定渗漏点位置，评价渗漏量大小，并将稳态随机过程理论引 入数据分析，极大地提高了方法的灵敏度和抗干扰能力，为供水安全做出应有的贡 献。上述系统可涉及跨流域调水工程、水利水电工程和市政自来水管网工程，亦适 用于石油化工等行业输送或储存其他液态或气态物质的压力管道或压力容器的安 全监测。

本发明上述系统，既适合于做成灵活轻便的检测系统，按需要随时布设随时检测，又可以做成固定的监测系统对某一管道进行长时间监测。

本发明上述方法，以稳态随机过程理论为基础，通过对长时间检测/监测数据 的叠加处理，极大提高了检测灵敏度和抗干扰能力。

本发明上述方法，通过对多传感装置数据进行溯源叠加，使定位精度远小于传 感装置间距(数据采集点间距)，在传感装置间距20m甚至更大时，定位精度可达 1m。

本发明上述方法，既可用于速度型、加速度型和水声检波器类型等分立式振动 传感器数据，亦可用于分布式光纤传感器的数据。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一优选实施例的压力输水管道渗漏检测/监测系统的组成示意图；

图2是本发明一优选实施例的压力输水管道渗漏检测/监测的溯源追踪法的监 测方法的原理图；

图3是本发明一优选实施例的压力输水管道渗漏检测/监测的溯源追踪法的渗漏噪声的实测波形图；

图4是本发明一优选实施例的压力输水管道渗漏检测/监测的溯源追踪法的渗漏点定位示意图；

图5是本发明的应用例1的道路下压力输水管道渗漏检测系统组成示意图；

图6是本发明的应用例2的长距离埋地压力输水管线渗漏监测系统组分示意图。

图中标记分别表示为：振动传感器1、振动传感器阵列2、数据采集模块3、数据传输模块4、中央服务器5、数据发布模块6、公共通讯网络7、电缆8、移动式底座9、 隔音罩10、牵引带11、牵引装置12、分布式声学传感器光纤13、分布式声学传感器光 纤解调仪14、数据点位置15、解调出的波形数据16、输水管道101、渗漏点201、渗漏 点坐标202、接收到的渗漏噪声203、振动传感器坐标204、渗漏噪声源205、地面301。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一优选实施例的压力输水管道渗漏检测/监测系统，图中包 括传感装置、数据采集模块3、数据传输模块4、中央服务器5和数据发布模块6。

沿输水管道101延伸方向布置的传感装置，传感装置用于感知输水管道101的渗漏噪声；该传感装置可以为若干振动传感器1组成的振动传感器阵列2。

数据采集模块3用于接收传感装置感知的渗漏噪声并将其转换为渗漏噪声数字信号。 数据采集模块3的输入端与振动传感器阵列2可通过电缆8连接。数据采集模块3的输出端与数据传输模块4可以通过电缆8连接。

数据传输模块4用于将经数据采集模块3数字化后的渗漏噪声信号按指令传输至中 央服务器5，并接受中央服务器5输出的控制指令。数据传输模块4与中央服务器5可 以通过公共通讯网络7连接。

中央服务器5对接收的渗漏噪声数字信号进行分析，经计算与分析判断该输水管道 101是否发生了渗漏，当输水管道101发生渗漏时，进一步分析计算出渗漏点位置以及渗漏量大小，实现对压力输水管道101进行渗漏检测或监测；同时中央服务器5向数据 采集模块3发出控制指令。

数据发布模块6用于将中央服务器5的分析结果通过显示器和/或终端设备发布。终 端设备发布可以通过手机APP、电脑、笔记本电脑、平板电脑等方式发布给相关人员。

在其他部分优选实施例中，参照图5所示，传感装置包括若干移动式底座9、若干振动传感器、若干隔音罩10、牵引带11和牵引装置12。

若干移动式底座9设置于地面301上并沿输水管道101延伸方向布置，每个移动 式底座9上均设有一振动传感器，使每个传感器通过移动式底座9与地面301紧密 耦合。

隔音罩10罩设于移动式底座9外部，且振动传感器位于隔音罩10内，即隔音 罩10罩扣在振动传感器传感器和移动式底座9外边；隔音罩10用于阻隔外部环境 噪声并通过空气耦合到振动传感器上。

牵引带11依次将若干移动式底座9连接为一体，构成传感器线性阵列(即振 动传感器阵列)。

牵引装置12与牵引带11的一端连接，能带动牵引带11在牵引下沿地面3移 动，从而带动若干移动式底座9和振动传感器一起整体移动。牵引装置12可以采 用牵引小车。

作为一优选方式，传感器线性阵列通过电缆与数据采集模块连接；数据采集模块与中央处理器通过电缆连接。将数据采集模块和中央处理器安装在牵引小车上。

在其他部分优选实施例中，参照图6所示，传感装置为分布式声学传感器光纤13；数据采集模块为分布式声学传感器光纤解调仪14。图中所示的15为数据点位置，16为 解调出的波形数据。

分布式声学传感器光纤13沿管线轴线方向布设于输水管道101内部，且分布式 声学传感器光纤13的一端延伸至输水管道101的外部，分布式声学传感器光纤13用 于传输光信号，同时感知振动。

分布式声学传感器光纤解调仪14与分布式声学传感器光纤13的一端连接，用于向分布式声学传感器光纤13发送光信号，同时通过测量并分析返回光信号，获取沿 分布式声学传感器光纤13各点的声学信息。

在另一实施例中，提供一种压力输水管道渗漏检测/监测的溯源追踪法，包括：

S1：采用沿输水管道延伸方向布置传感装置以感知输水管道的渗漏噪声，利用中央 服务器对接收的渗漏噪声数字信号进行分析，经计算与分析判断该输水管道是否发生渗 漏，以及根据分析结果定位渗漏噪声源的位置，从而确定渗漏点位置，具体为：

参照图2所示，假设沿管道布置的N个振动传感器1分别为p

假设由渗漏噪声源205发出的噪声信号为w(t)，其频谱为W(f)，任意两个传感器m和n接收到的信号分别为s

s

和

s

其傅里叶频谱分别为：

S

和

S

则信号s

此处

上式中|W(f)|

假设一个速度v

然后从交叉谱S

然后把溯源后的信号叠加，计算信号的标准化叠加能量：

上式表示先对N个溯源后的交叉谱求和，然后再计算其绝对值，并除以参与叠加的交叉谱个数。如果溯源所用的速度v

速度扫描法包括：确定一个可能的最小传播速度V

当获得了传播速度V

然后从传感器p

上式表示先对N个溯源后的频谱求和，然后再计算其绝对值，并除以参与叠加的频谱个数。如果所假定的渗漏点201位置x

场源扫描法包括：确定一个可能的最小渗漏噪声源205位置X

S2：利用中央服务器计算渗漏点位置处的噪声源强度，并根据噪声源强度确定渗漏 程度，具体为，

渗漏噪声的幅值反映了渗漏的严重程度，并随传播距离衰减。设T为接收信号的长度，传感器p

A

由式⑩中N个传感器的信号幅度A

S3：将稳态随机过程方法用于渗漏噪声数据的分析，以提高渗漏点201位置推断精度和结果的稳定性。即提高渗漏点201推断精度和抗干扰措施。

由图3可见，为渗漏噪声的实测波形示意图，可见，渗漏噪声波形的振幅和频谱都具有统计稳定性，符合稳态随机过程，可以把稳态随机过程理论用于渗漏噪声数据的分 析以提高渗漏点位置推断精度和结果的稳定性，具体按照以下步骤执行：

S31：把监测数据分成等长度的M段，得到监测数据的集合[s

S32：以第一个传感器p

S33：利用第2段数据分别求取其余各个传感器(p

S34：依照S33步骤，重复上述过程，依次求取各段数据的交叉普(S

S35：求取交叉普的集合平均值:

S

S36：以交叉谱的集合平均值S

S37：对于每一段数据，根据式⑨计算叠加能量E

S38：求取叠加能量的集合平均值：

E

S39：找出最大叠加能量对应的场源位置就是渗漏点201的位置，如图4所示。

应用例1

参照图5所示，为将上述实施例所述的压力输水管道渗漏检测/监测系统应用于道路下输水管线渗漏检测。

压力输水管道101渗漏检测/监测系统包括传感装置、数据采集模块3和中央服务器5，由于是用于现场检测，系统各部分直接用电缆8连接，检测结果直接显示在 中央服务器5的屏幕上，因此不需要数据传输模块4和数据发布模块6。

传感装置包括渗漏噪声检波器单元、牵引带11和牵引车构成，其中，渗漏噪 声检波器单元由振动传感器1、隔音罩10、移动式底座9构成。

振动传感器1安装在移动式底座9上，在检测时，传感器通过底座与地面紧密 耦合，在移动时，传感器、移动式底座9和隔音罩10在牵引带11的牵引下沿地面 引动。

隔音罩10扣在传感器和移动式底座9外边，阻隔外部环境噪声通过空气耦合 到传感器上。

渗漏噪声检波器单元之间用牵引带11连接构成传感器线性阵列，渗漏噪声检 波器单元间距为5.0m。

传感器线性阵列通过电缆8连接到数据采集单元上。

数据采集模块3通过电缆8直接与中央服务器5相连。

数据采集模块3通过牵引带11直接与牵引车相连。

数据采集模块3和中央服务器5安放在牵引车上。

上述应用例1将压力输水管道渗漏检测/监测系统作为检测仪器，用于道路下输水管道101渗漏检测的应用。城市自来水网的干线管道一般都铺设于道路下方，由 于受到道路振动和载荷等影响容易产生渗漏，而一旦产生渗漏，如不能及时发现， 极易造成道路塌陷等重大事故。又由于城市道路交通繁忙，环境噪声大，传统的听 漏方式使用效果差。本应用例采用牵引式的传感装置不仅能够充分利用道路路面平 整，便于牵引移动，提高检测精度，同时由于车辆行驶等噪声的噪声源是不固定的 和随机的，上述系统是基于稳态随机过程的处理方法可以克服这种噪声的影响。

应用例2

参照图6所示，为上述实施例所述的压力输水管道渗漏检测/监测系统应用于长距离大型压力输水管线监测。

压力输水管道101渗漏检测/监测系统包括：分布式声学传感光纤、数据采集模块3、中央服务器5和数据发布模块6，由于光纤可以直接延长至监测室内，不需要数 据传输模块。

分布式声学传感光纤沿管线轴线方向布设在压力输水管道101内部，其一端位 于管道外部并引申至监测室内，即地面301以上，光纤既是光信号传输通道，同时 又是感知振动的敏感元件；

数据采集模块3采用分布式声学传感光纤解调仪。分布式声学传感光纤解调仪 放置于监测室内并与分布式声学传感光纤相连，其功能是向分布式声学传感光纤发 送光信号，同时通过测量并分析返回光信号，获取沿光纤各点的声学(振动)信息。

中央服务器5接收并分析解调仪发送来的渗漏噪声监测数据，分析是否发生了渗漏， 如果发生了渗漏，分析渗漏点位置以及渗漏量大小，并把分析结果传递给数据发布模块 6。

数据发布模块6的功能是把检测/监测结果通过显示器和/或手机APP等手段发布给 相关人员。

上述应用例是压力输水管道渗漏检测/监测系统作为监测仪器，用于长距离大型输水管道101渗漏检测的应用。鉴于长距离大型埋地输水管道距离长，口径大，地 表条件复杂等特点，选用分布式声学光纤作为渗漏噪声的传感器和数据传输通道， 将分布式声学光纤沿水管轴向布设在水管内部，另一端引出管外并与分布式声学传 感光纤解调仪相连。由于受当前技术水平和成本限制，目前长距离光纤监测的定位 精度一般为20m，远达不到实际需求。但本系统基于溯源追踪法，可以将渗漏点定 位精度提高到1m，可满足工程需求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质。