張銀嘉

（廈門水務(wù)集團(tuán)有限公司）

漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張銀嘉

（廈門水務(wù)集團(tuán)有限公司）

通過安裝在管道的監(jiān)控探頭感知漏水聲，利用數(shù)據(jù)信號處理方法理論完成對漏水聲信號的分析處理，之后將監(jiān)控數(shù)據(jù)采用無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至后臺系統(tǒng)，進(jìn)而將漏水信號在軟件系統(tǒng)中分析、展示及應(yīng)用，指導(dǎo)漏損控制管理工作。

漏水聲頻率探頭監(jiān)控系統(tǒng)；FFT

1 引言

供水管網(wǎng)漏水檢測的方法有人工巡檢聽音法、流量監(jiān)測、壓力監(jiān)控等方法。流量監(jiān)測和壓力監(jiān)控均需要投入大量的硬件設(shè)備，結(jié)合管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)漏水的區(qū)域。而人工巡檢聽音法，對周邊環(huán)境、人員素質(zhì)等要求高，對漏水點的發(fā)現(xiàn)有一定的滯后性。

因此，基于漏水聲檢測原理，結(jié)合信號采集、處理、實時傳輸、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)是目前實用的漏水檢測先進(jìn)技術(shù)。

2 供水管道漏水聲的傳播機理

根據(jù)振動發(fā)生區(qū)域的不同，通常供水管道漏水有3種聲源。

1）管道漏水口處的摩擦聲

由于管壁具有彈性，發(fā)生漏水時，打亂了管道內(nèi)水流的正常狀態(tài)，出現(xiàn)紊流，且流水與管道相互摩擦，誘發(fā)振動，并沿著管道傳播，傳播距離與水壓、管材、管徑、接口數(shù)量相關(guān)，在一定范圍內(nèi)，可在閥門、消防栓等管道附屬設(shè)施的暴露點聽到該類聲音。

圖1　不同管材的漏水音頻率范圍

2）撞擊聲

撞擊聲指漏水管道噴出的高壓水與周圍埋設(shè)的介質(zhì)撞擊產(chǎn)生的聲音，并以漏斗形式通過土壤向地面擴(kuò)散，可在地面通過聽音棒等設(shè)備聽到該類聲音，其頻率通常為20～300Hz。

3）介質(zhì)碰撞摩擦聲

它是指管道內(nèi)噴出的高壓水帶動周邊的粒子（小石粒、砂粒等）相互碰撞摩擦以及和管道外壁相互碰撞摩擦產(chǎn)生的聲音，其頻率較低，當(dāng)聽音棒插入地下漏水點附近時，才可聽到該類聲音，其頻率通常為20～300Hz。

3 漏水聲音的特征

3.1不同管材的漏水音頻率特征

漏水聲是多頻率的聲音，主要頻率為20～20000Hz。漏水聲受管材的影響較大，金屬管漏水聲相對刺耳，頻率主要為1000～2500Hz；球墨管、水泥管的聲音頻率主要為600～1800Hz；塑料管的聲音較低，頻率主要為500～1000Hz（見圖1）。

3.2漏水聲的影響因素

漏水聲音的傳播及探知，受管道的埋設(shè)深度、覆土層的密度、管徑、漏水量、水壓等影響。城市環(huán)境中的下水道的流水音、地下電纜的電磁聲、汽車行駛的聲音與風(fēng)聲等噪音與漏水音有相似之處，影響探測的判斷。

4 漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成

4.1監(jiān)控探頭構(gòu)件組成及工作模式

監(jiān)控探頭構(gòu)件由振動信號傳感器、信號放大及帶通濾波電路模塊、嵌入式處理器模塊、存儲模塊、無線通信模塊，通信電路電源控制模塊、信號調(diào)理電路電源控制模塊、電源模塊等組成。

電路模塊放置在防水的密閉金屬或塑料外殼中，用防水填料封裝成整體結(jié)構(gòu)。振動信號傳感器采用壓電陶瓷振動傳感器。探頭用強磁底座吸附或用防盜繩固定在管道上。振動傳感器感知漏水聲，并輸出信號，通過信號放大及濾波后，被嵌入式處理器模塊通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行采集及處理。嵌入式處理器模塊選用低功耗DSP芯片，采用了16位長的定點運算。運算過程是通過對采樣信號進(jìn)行時—頻變換，得到信號的頻譜特征；通過漏水聲頻段，判斷管道是否漏水，并根據(jù)頻段的位置和幅度，判斷漏水量的大小。電源模塊對各電路模塊進(jìn)行供電，電源采用內(nèi)置電池供電。

4.2監(jiān)控探頭數(shù)據(jù)處理流程

嵌入式處理器模塊不工作時處于低功耗模式，每天在固定的時間被喚醒，每間隔30s采樣一次管道的音頻信號。采樣的信號通過預(yù)設(shè)參數(shù)的數(shù)據(jù)濾波后，進(jìn)行FFT變換成頻譜信號，然后將計算得到的頻域信息保存在存儲模塊上。采用的串行flash存儲器，保存數(shù)據(jù)后進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài)。

4.3后臺系統(tǒng)

后臺監(jiān)控系統(tǒng)包括主機服務(wù)器和無線通信模塊，主機服務(wù)器上安裝有軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)是由無線信號接收模塊、漏水信息存儲與判別模塊、報警與移動終端模塊、GIS與用戶界面模塊構(gòu)成。無線信號接收模塊實時接收來自探頭發(fā)來的信息，并將該信息傳輸?shù)酱鎯εc判別模塊。漏水信息存儲與判別模塊對接收到的信息進(jìn)行存儲、并且根據(jù)當(dāng)前信息和歷史信息，判別管網(wǎng)的綜合運行狀況，輸出判別結(jié)果。GIS與用戶界面模塊將判別結(jié)果實時顯示在主機服務(wù)器的顯示設(shè)備上，包括地圖信息以及文字信息，并且進(jìn)行信息的統(tǒng)計、匯報以及打印輸出。

4.3信號解譯

漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)是利用數(shù)據(jù)信號處理理論完成對漏水聲信號的濾波與檢測、參數(shù)提取和估計、頻譜分析等工作，使4漏水信號更易于識別、分析和使用。

時間和頻率是描述漏水信號的最重要物理量，兩者具有非常緊密的聯(lián)系。時頻分析（JTFA）即時頻聯(lián)合域分析（Join Time-Frequency Analysisi），是分析時變非平穩(wěn)信號的工具，其基本思想：設(shè)計時間和頻率的聯(lián)合函數(shù)，描述信號在不同時間和頻率的能量密度和強度，這種聯(lián)合函數(shù)簡稱為時頻分布。利用時頻分布來分析信號，能給出各個時刻的瞬時頻率以及幅值，并且能夠進(jìn)行時頻濾波和時變信號研究。

頻域分析利用FFT（快速傅氏變換，fash fourier transformation）變換，即離散傅里葉變換的快速算法，可以將一個信號變換到頻域，進(jìn)而知道信號序列中含有哪些頻率成分，各頻率成分的振幅多大，得出信號在整個頻率范圍內(nèi)的特征。

5 漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用探析

5.1安裝概況

2015年12月，在地鐵建設(shè)站點沿線完成安裝漏水探測頭50個，安裝位置全部為供水閥門井內(nèi)，利用探頭磁力吸附在閥門上，并設(shè)置有防盜鎖鏈連接探頭和閥門。通信傳輸通過中國移動物聯(lián)網(wǎng)卡。探頭安裝圖見圖2。

圖2　系統(tǒng)圖譜（305號探頭）

數(shù)據(jù)采集時間設(shè)置：每個探頭每天采集4個時段，8組數(shù)據(jù)。分別為1時、7時、13時、19時，每個時段采集2組數(shù)據(jù)。

5.2數(shù)據(jù)采集與分析

至2016年1月5日，發(fā)現(xiàn)疑似漏水點6處，編號為305、319、333、342、348、327。

疑似漏水點案例：探頭編號305圖譜。左圖為采集聲音的頻譜圖，表示采集到聲音的振幅變化；右圖為采集聲音的頻率分析圖，表示采集到聲音頻率統(tǒng)計。供水管道的漏水聲音頻率一般為500～2500Hz，右圖符合管道漏水聲音的頻率范圍。經(jīng)過證實（見圖2），該地點附近確實有管道漏水，漏水量約10m3/h。

6 結(jié)語

漏水探頭監(jiān)控系統(tǒng)對于檢測供水管網(wǎng)系統(tǒng)的漏水有良好感知和及時預(yù)警的工作性能，可大大縮短發(fā)生管網(wǎng)漏水到發(fā)現(xiàn)管道漏水的時間，可節(jié)約大量的水資源，有效節(jié)能降耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 盧其倫.城市供水管網(wǎng)中漏水音探測法的研究.給水排水，2012（38）：412-414.

［2］ 張明陽，茍先太，肖和飛.信號的時頻分析在System View中的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.信息技術(shù)， 2010（11）：149-151.

Study on the Application of Monitoring System of Water Leakage

ZHANG Yin-jia

（Xiamen Water Group Co.， Ltd.）

Through the installation in pipeline monitoring probe for sensing leakage sound， with a data signal processing theory and method on water leakage acoustic signal analysis and processing is completed， after which the monitoring data by wireless transmission sent to the backend system and leakage signal in software system analysis， display and application， guide leakage control and management work.

leaky acoustic frequency probe monitoring system； FFT