一种基于物联网技术的市政管网健康度在线监测系统
阅读说明：本技术 一种基于物联网技术的市政管网健康度在线监测系统 (Municipal pipe network health degree on-line monitoring system based on internet of things technology ) 是由 韩成铁 魏绪刚 步春江 龚祚 杨广 鞠凤涛 孙云鹏 刘金桥 于 2020-11-11 设计创作，主要内容包括：基于物联网技术的市政管网健康度在线监测系统,其特征在于市政排水管网外壁环形布设有分布式光纤光栅传感器,用于测量市政污水管道外壁的温度数据；市政管网采取分段控制策略,每400-800米划分一个控制区域,每个控制区域由区域交换机将该区域内分布式光纤光栅传感器检测的温度数据通过光纤环网送至监控中心；监控中心通过分布式光纤光栅传感器检测到的温度数据判断市政排水管网的泄露状况。该系统能够克服传统的人工检测方式和传统传感器存在的诸多不足和限制,具有精确性、稳定性、高效性、高可靠、易组网、及时性、和长期性。(The municipal pipe network health online monitoring system based on the Internet of things technology is characterized in that a distributed fiber bragg grating sensor is annularly distributed on the outer wall of a municipal drainage pipe network and used for measuring temperature data of the outer wall of a municipal sewage pipeline; the municipal pipe network adopts a sectional control strategy, a control area is divided every 400-800 meters, and a regional switch in each control area transmits temperature data detected by the distributed fiber bragg grating sensors in the area to a monitoring center through a fiber ring network; the monitoring center judges the leakage condition of the municipal drainage pipe network according to the temperature data detected by the distributed fiber bragg grating sensors. The system can overcome a plurality of defects and limitations of a traditional manual detection mode and a traditional sensor, and has the advantages of accuracy, stability, high efficiency, high reliability, easiness in networking, timeliness and long-term performance.)
技术领域
本发明涉及市政管网管道内液体泄漏、管道形变相关监测领域， 是基于物联网技术的市政管网健康度在线监测系统。
背景技术
随着我国经济的快速发展，特别是目前城镇化的加速推进，市政 现有管网的养护管理范围越来越大，随之而来的针对市政管网监测的 要求越来越高。虽然近些年我国针对老旧管网的养护维修等措施逐步 推进，但仍不可避免的存在一些薄弱环节，特别是短时间内的大雨暴 雨过后，仍会出现部分市政排管管涌乃至爆裂等严重灾害的现象。目 前采用何种方式对市政管网进行监测是亟待解决的问题之一。
传统上对于市政管网的监测多用人工监测方式，方法大部分是定 期或不定期监测，这种方法不仅效率低下，而且很难满足要求。就现 有的监测方法而言，对市政管网的健康度监测不能实时反应，往往发 生了较为严重的损坏才会被发现。传统方法无法实时了解管道泄漏的 状况，由此造成了市政排管管涌乃至爆裂等严重灾害的现象，不适应 现代科学管理的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于物联网技术的市政管网健康度 在线监测系统，其利用物联网技术的优势，通过建立物联网管理控制 开放系统，以达到在物联网应用和真实设备之间建立高效、稳定、安 全的物联网系统。结合对污水管网的认知与受力特点，对管网的多传 感器之间的布设与系统搭建，该健康度在线监测系统能够对管网的泄 漏情况、管道的应力应变进行综合监测，对管网的全生命周期进行健 康度评价，及时预警，养护及更替相关管网，以保障基础民生。
本发明的技术方案如下：一种基于物联网技术的市政管网健康度 在线监测系统，其特征在于市政排水管网外壁环形布设有分布式光纤 光栅传感器，用于测量市政污水管道外壁的温度数据；市政管网采取 分段控制策略，每400-800米划分一个控制区域，每个控制区域由区 域交换机将该区域内分布式光纤光栅传感器检测的温度数据通过光 纤环网送至监控中心；监控中心通过分布式光纤光栅传感器检测到的 温度数据判断市政排水管网的泄露状况。
进一步地，水平方向的分布式光纤利用管道吊装耳孔固定或利用 土壤自重固定并用橡胶圈固定,以检测管网泄露情况；垂直方向的分 布式光纤利用管网接口间隙固定,以检测管网泄露情况和接口处的应 力应变。
进一步地，控制区域内每50-80米布设一个协调器，分布式光纤 光栅传感器通过耦合器、协调器连接区域交换机，每一协调器通过对 应一个或多个耦合器，每个耦合器对应一个或多个分布式光纤光栅传 感器。
分布式光纤光栅传感技术其精确性,稳定性，及时性恰好适用于 市政管网泄漏监测的现实需求。本发明利用光纤传感技术，可在实施 及运营阶段对市政管网的温度进行在线监测，通过对温度变化，应力 应变的解读，既可用于监测管网的泄漏情况，也可提前预防市政管网 管涌、爆裂、应力应变等严重病害，避免造成更严重的损失。该系统 能够克服传统的人工检测方式和传统传感器存在的诸多不足和限制， 具有精确性、稳定性、高效性、高可靠、易组网、及时性、和长期性。
附图说明
图1为本发明的系统架构图。
图2为市政管网健康度在线检测系统-泄漏处监测示意图。
图3为管道分布式光纤光栅传感器敷设示意图。
具体实施方式
以下通过详细说明一个具体实施例，对本发明做进一步阐述。
1、方案设计
采用N套分布式光纤光栅传感器：将分布式光纤光栅传感器1环 形铺设于市政污水管管体外壁2；为保证测量精度及密度，分布式光 纤光栅传感器应沿管体外壁贴壁铺设用于测量市政污水管道外壁的 温度变化。N套分布式光纤光栅传感器1的位移信号输出端、中心波 长的输出端与区域内物联网耦合器4或控制器相连接。通过区域内物 联网耦合器4或控制器对所收集到的信号数据进行边缘计算，以得出 市政污水管道外壁温度、应力应变的变化情况。
2、现场埋设传感器方法
A、根据需要监测的市政管网的养护管理范围，确定分布式光纤 光栅传感器1、区域内物联网耦合器4或控制器的布设数量与位置； 分布式光纤光栅传感器1主要布设在市政污水管网各接口处、重要管 网处，每个接口位置以及可能出现管网沉降处；物联网耦合器4或控 制器按每50-80米布设一个；每400-800米划分一个控制区域，每个 区域设置一个区域交换机6，所述区域交换机6通过协调器5、耦合 器4和N套分布式光纤光栅传感器1相连，由区域交换机6将N套分 布式光纤光栅传感器1检测的数据通过光纤环网7送至监控中心，每 个区域布设网关2台，配置冗余备份。
B、将预先调试好的分布式光纤光栅传感器1在施工阶段沿壁铺 设于市政污水管管体2外壁，如有特殊需要可高密度集中铺设；水平 方向的光纤可利用管道吊装耳孔固定或利用土壤自重固定并用橡胶 圈3作为后备保护；垂直方向的光纤可利用管网接口间隙固定以检测 管网泄露、应力应变情况。
3、数据采集、数据传输、数据分析。
N个分布式光纤光栅传感器采集实时温度、应力应变状况，通过 光纤传输到区域内物联网耦合器或控制器中并通过边缘计算，对采集 到的数据进行初步处理之后再上传至上级监控中心。如若系统检测到 泄漏情况，系统则会将泄漏位置与情况信息上报相关信息管理中心， 通知相关权属单位检修人员提前介入处理具体泄漏情况，以保证市政 管网的安全可靠性运行。
健康度在线检测优化算法：
首先将N个光纤光栅传感器上传至物联网耦合器或控制器。通过 市政污水管网及地理信息系统(GIS)将整个城市的管网数据进行建 模，将通过N个光纤光栅传感器组成N个光纤阵列。基于物联网的系 统架构，整个系统可被赋予及时调整传感器相关阈值及底层数据处理 的能力。
管网正常工作时，考虑到不同季节的地表温度会影响系统的准确 度。因此，基于GIS(地理信息系统)的市政管网在线监测系统及时将 监测的管网管壁温度及应力应变信息上传信息管理中心，及时调节警 报阈值，进一步增加了系统的可靠性以及准确性。当监测点的温度、 应力应变值与附近光纤光栅传感器所得的温度均值的温度差超过设 定阈值时，信息管理系统后台马上接收到报警信息，通过污水管网定 位算法就能判别是哪一块光纤阵列，哪一段管网出现了问题。这种算 法能够及时判断出管网泄露点的位置，并且该系统能与权属单位管理 平台对接，及时派出工作单，以对整个城市管网系统进行及时的维护， 从而确保市政管网的安全可靠运行与全寿命周期在线监测。
本发明通过对传统市政管网监测系统进行网络化改造，对系统架 构进行布局设计。通过采用物联网技术，边缘计算技术赋能，实现现 场控制的本地高可靠控制，符合国家标准和行业科技创新政策发展导 向。通过在市政管网管体外壁布设分布式光纤光栅传感器与区域内物 联网耦合器或控制器相接入，对采集的数据进行边缘计算，实时将切 实有效的信息进一步上传至上级监控管理平台，进而减缓了上级数据 中心服务器的处理能力的要求。该系统架构易组网，可根据实际需求 随时增减监测传感器数量，但对整个系统控制策略零编程，降低运维 门槛，以达到工程实际需求的目的。
通过无线通讯的方式将管网健康度检测的相关传感器、光纤光栅 传感器与区域内物联网耦合器或控制器相接入。
针对重点市政污水管网区域的传感器布设要求：
重点管网区域，光纤光栅传感器重点布设在市政排水管网外壁各 接口位置，每个接口位置以及可能出现管网沉降处布设分布式光纤光 栅传感器用于检测该段全生命周期的管网情况。
水平方向的分布式光纤利用管道吊装耳孔固定或利用土壤自重 固定并用橡胶圈固定；垂直方向的分布式光纤利用管网接口间隙固定 以检测管网泄露情况。
本发明的监测原理：
基于拉曼散射的分布式测温原理：分布式光纤拉曼测温系统是基 于拉曼散射光的温度效应进行温度测量的，当光纤中注入一定能量 和宽度的激光脉冲时，它在光纤中向前传输的同时不断产生后向拉曼 散射光，这些后向拉曼散射光的强度受所在光纤散射点的温度影响而 有所改变，处理散射回来的后向拉曼光便可将温度信息实时计算出 来，同时根据光纤中光的传输速度和后向光回波的时间对温度信息进 行定位。
当一定能量的激光脉冲注入到光纤中时，在距离注入点长度L 处发生拉曼散射，光纤中的温度与拉曼散射光传播特性之间的关系可 表示为：
式中:PS，PAS分别为Stokes拉曼散射光和Anti-Stokes拉曼 散射光功率；aS，aAS为Stokes拉曼散射光和Anti-Stokes拉曼散射 光的损耗系数；L为后向散射点到探测端的光纤长度；L'为放置在恒温 T0下的定标光纤长度；h为普朗克常数；k为玻尔兹曼常量；Δv为信号 在光纤中散射频率的变化量。
基于分布式光纤传感器的管道泄漏监测原理，污水管道和自来水 管道等市政管道在输送过程中，输送液体与外界一般都会存在一定温 度差。当泄漏液体温度与外界温度不同时，随着泄漏液体与周边介质 发生热传递和泄漏液体自身的扩散这样一种耦合情况的产生，周边介 质的温度场将会发生变化。因此可以将管道内液体泄漏问题转化为管 道周边介质温度异常的探测问题。如图2所示，是监控后台的监控数 据，根据光缆的温度曲线突变识别现场状况。
基于分布式光纤光栅传感器的原理，环形布设的光纤光栅传感器 还能检测管网的应力应变，通过环形光纤中心波长的变化与实际管网 铺设情况相比对，来测定相应市政管网的应力应变情况。
本发明所设计的市政管网健康度在线监测系统，具有以下优点：
精确性和稳定性：相对于传统的人工测量和传统传感器，光纤传 感技术灵敏度更高，具有更精确的测量结果；不受电磁影响，不受个 人主观因素影响，测量结果更稳定。
高效性和及时性：分布式光纤埋设于市政管网管体外壁，通过无 线通讯的方式与物联网耦合器或控制器相接入，可实时反映管网任意 时刻的温度变化、应力应变情况。
高可靠和易组网：有别于传统方式，采用物联网技术后，每一处 区域赋予了其边缘计算的能力，实现现场控制的本地高可靠控制；通 过物联网的系统架构能够更轻易的增减传感器的设备数量，将其纳入 健康度检测的子模块。
长期性：相比于短期的人工监测，光纤寿命较长。在施工阶段即 放置于管网外壁，可用于在线监测市政管网外壁温度、应力应变情况， 同时也可在后期运营阶段，对管网的健康状态进行监测与评估。