施凡榮

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200000）

1 引言

管道破裂或失效的主要原因是管道的惡化條件隨著時(shí)間的推移進(jìn)一步加深，管道由于反復(fù)發(fā)生的壓力瞬變以及腐蝕而不斷遭受破壞。壓力瞬變可造成埋管、管配件和管附件產(chǎn)生小得看不見的裂紋，甚至?xí)斐蓢?yán)重的管道破裂。通過(guò)在管道關(guān)鍵位置（正常設(shè)計(jì)是每800～1 000 m 設(shè)置一個(gè)安裝點(diǎn)）安裝高頻壓力傳感器（64～256 Hz 可選）和水聽儀的監(jiān)測(cè)，采集壓力瞬變信號(hào)和實(shí)時(shí)的音頻信號(hào)。通過(guò)安裝在管道上的多個(gè)壓力傳感器進(jìn)行壓力瞬變（水錘）分析，結(jié)合供水管道材質(zhì)、管齡、管徑等參數(shù)，基于現(xiàn)場(chǎng)存在的壓力瞬變強(qiáng)度和數(shù)量，評(píng)估管網(wǎng)的爆管風(fēng)險(xiǎn)，并展示危險(xiǎn)管線的區(qū)域。接收的壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)特殊的算法，通過(guò)事前預(yù)測(cè)，事中定位和事后分析，以采取進(jìn)一步的解決措施，這些措施對(duì)于確保通過(guò)閥門平緩操作、安裝水錘抑制設(shè)備或其他相關(guān)方式緩解這種具有破壞力的瞬變是極其重要的，能避免管路故障，實(shí)現(xiàn)供水管道的預(yù)防性維護(hù)，延長(zhǎng)管道壽命。

2 基本原理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)基于負(fù)壓波法的管道泄漏監(jiān)測(cè)與定位，設(shè)計(jì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)4 L/s 以上的爆管漏損事件。識(shí)別和展示壓力瞬變水錘事件（施工、閥門操作、水泵啟停、排泥沖洗等），及時(shí)報(bào)警管理人員，定位瞬變?cè)吹奈恢没騾^(qū)域；同時(shí)驗(yàn)證過(guò)渡過(guò)程的理論計(jì)算和水錘防護(hù)設(shè)施，并指導(dǎo)運(yùn)行人員科學(xué)安全操作。當(dāng)長(zhǎng)距離輸水管道發(fā)生泄漏爆管事件時(shí)，由于瞬間壓力管道的變化造成壓力的內(nèi)外不平衡，特別是泄漏點(diǎn)壓力突然猛烈下降瞬間形成負(fù)壓波，負(fù)壓波向上延展、往下游方向進(jìn)行快速傳播，并迅速衰減下來(lái)，通過(guò)在管道上安裝的高頻壓力計(jì)非常靈敏地捕捉瞬時(shí)的壓力參數(shù)，計(jì)算出瞬間壓降，通過(guò)軟件編制的算法自動(dòng)判斷是否存在爆管。根據(jù)負(fù)壓波的傳遞速度、傳遞的路徑和到達(dá)兩端高頻壓力計(jì)的時(shí)間差，可以非常精確地計(jì)算出泄漏點(diǎn)的位置，并通過(guò)軟件系統(tǒng)（含有GIS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)），把具體位置呈現(xiàn)給用戶，用戶可以根據(jù)界面的圖示位置迅速找到爆管的位置。

通過(guò)時(shí)間差斷定爆管發(fā)生位置如圖1 所示。

圖1 爆管的定位圖

3 細(xì)微漏損——水聽器（聲吶）技術(shù)

監(jiān)測(cè)傳感器安裝位置周邊（約300～500 m）跑冒滴漏的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)微小漏水監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)通過(guò)頻譜分析功能實(shí)現(xiàn)報(bào)警。當(dāng)輸水管道因各種原因造成微小的腐蝕破壞，或因材料內(nèi)部的應(yīng)力或外力作用在管道上產(chǎn)生材質(zhì)破壞時(shí)，水在壓力管道的內(nèi)外壓力差的作用下不停地向外泄漏，管道開始不停地產(chǎn)生漏損，造成嚴(yán)重的水資源的損失。因?yàn)槁p的存在，產(chǎn)生了不同的音頻，音頻通過(guò)管道的傳輸形成聲波，水聽器通過(guò)捕捉聲波的是否異常，分析具體漏點(diǎn)，這就是細(xì)微漏失，一般發(fā)生過(guò)程比較緩慢，不會(huì)產(chǎn)生劇烈的壓力瞬變現(xiàn)象。針對(duì)此現(xiàn)象，系統(tǒng)采用聲學(xué)技術(shù)分析來(lái)判斷小漏事件，通常能夠?qū)崿F(xiàn)5 L/min 以上的微小漏損監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)軟件基于采集到的原水管內(nèi)聲學(xué)數(shù)據(jù)，判斷是否具有泄漏，確定漏水的區(qū)域。軟件系統(tǒng)提供便捷的分析工具方便用戶分析判斷。軟件系統(tǒng)平臺(tái)還設(shè)有頻譜分析功能，并提供傅里葉變換后的強(qiáng)度-頻率圖；提供在線的相關(guān)性定位功能，提供分析操作界面及系統(tǒng)截圖。這樣才能迅速地查到細(xì)微漏損的實(shí)際位置，產(chǎn)生細(xì)微漏損時(shí)音頻的分析頻譜。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能圖

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備：

高頻壓力傳感器：采樣頻率為64 Hz/128 Hz/256 Hz；實(shí)際量程為0～2 068.5 kPa（0～300 psia）；精度≤0.1%FS（FS 表示滿量程）；響應(yīng)時(shí)間≤1 ms；電壓為5V±0.5V；輸出信號(hào)為0～30mV/100 mV。

水聽器：響應(yīng)頻率范圍為20 Hz～20 kHz；

直流電源2.2～5V；通信數(shù)據(jù)傳輸裝置RTU；

GSM（3G/4G）和同步授時(shí)時(shí)鐘天線；

不銹鋼控制箱及電源附件。

2）通信方式：3G/4G 無(wú)線通信。

3）監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)軟件：客戶端服務(wù)器安裝方式

4）電源：太陽(yáng)能電源供電，帶有鋰電池，容量需滿足現(xiàn)場(chǎng)傳感器和RTU 傳輸裝置沒有日照20 d 情況，繼續(xù)保持正常工作。

5）供電冗余：RTU 本體需內(nèi)置鋰電池和外部電源供電，互為備用。

5 軟件功能具體展示

設(shè)計(jì)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以用戶友好界面應(yīng)用基于地圖的GIS實(shí)際數(shù)據(jù)可視化和交互：采集到高頻壓力計(jì)和水聽器的數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶管道參數(shù)和設(shè)備實(shí)際的地理位置進(jìn)行計(jì)算和分析，并在地圖上進(jìn)行展示?？商峁┯脩粢粋€(gè)可視化的界面，用于查看高頻壓力計(jì)和水聽器的位置信息、長(zhǎng)距離輸水管線的布置和走向圖和其他軟件的分析結(jié)果，并會(huì)為用戶提供可交互式的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報(bào)警列表界面，便于用戶直接查詢到壓力或漏損異常的實(shí)際位置。

能進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢與分析：通過(guò)多種展現(xiàn)方式展示高頻壓力采集來(lái)的數(shù)據(jù)（見圖3），如按照不同的時(shí)間分辨率顯示壓力數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)的導(dǎo)出功能如圖4 所示，可以查詢水聽器頻譜數(shù)據(jù)展示及音頻數(shù)據(jù)展示（見圖5）。

圖3 不同時(shí)間分辨率顯示的壓力數(shù)據(jù)

圖4 高頻壓力數(shù)據(jù)（高頻數(shù)據(jù)64 Hz）

圖5 水聽器頻譜數(shù)據(jù)及音頻數(shù)據(jù)

用鼠標(biāo)選中或者使用套索工具選中后，系統(tǒng)彈出被選中站點(diǎn)的數(shù)據(jù)查詢窗口，通過(guò)數(shù)據(jù)篩選器篩選出要查詢的數(shù)據(jù)類型（如壓力、聲吶、設(shè)備電壓等）、數(shù)據(jù)日期時(shí)間段、數(shù)據(jù)分辨率（壓力最高256 Hz）。

系統(tǒng)提供一個(gè)圖形化的數(shù)據(jù)展示工具，可以將篩選出來(lái)的數(shù)據(jù)以曲線圖、柱狀圖等方式進(jìn)行展示，同一個(gè)數(shù)據(jù)展示窗口可以疊加多個(gè)數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)，從而便于分析人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合分析。數(shù)據(jù)圖形展示工具提供曲線拖動(dòng)，數(shù)據(jù)分辨率選擇、查詢?nèi)掌诜秶x擇、圖形轉(zhuǎn)換等工具。

報(bào)警信息查看，并可疊加受影響站點(diǎn)壓力信號(hào)，通過(guò)定位功能在系統(tǒng)中進(jìn)行爆管位置定位。

6 系統(tǒng)對(duì)接

在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)發(fā)布圖層接口和WebService接口實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的對(duì)接，提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果、相關(guān)報(bào)警信息的數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯分為3 個(gè)層次：數(shù)據(jù)采集層、系統(tǒng)分析及發(fā)布層及系統(tǒng)集成層。

數(shù)據(jù)采集層：數(shù)據(jù)采集層將采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)遠(yuǎn)程終端設(shè)備RTU 通過(guò)在線儀表（高頻壓力儀、水聽儀等）采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)（3G/4G）移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。

系統(tǒng)分析和發(fā)布層：系統(tǒng)分析和發(fā)布層的作用是將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合用戶管網(wǎng)數(shù)據(jù)（或GIS 系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)）進(jìn)行計(jì)算和分析并在地圖上進(jìn)行展示。同時(shí)，將報(bào)警信息或壓力瞬變分析結(jié)果封裝成WebService 接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的交互。

可提供兩種數(shù)據(jù)輸出的方式（具體對(duì)接方式細(xì)節(jié)還需根據(jù)集成需求深入討論）：

1）URL：系統(tǒng)發(fā)布在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)URL 地址，其他系統(tǒng)可直接調(diào)用地址，訪問(wèn)在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，包含統(tǒng)一認(rèn)證功能。

2）WebService 接口：WebService 接口提供了其他系統(tǒng)調(diào)用報(bào)警信息、數(shù)據(jù)分析結(jié)果的訪問(wèn)方式。系統(tǒng)可以通過(guò)該接口實(shí)時(shí)將報(bào)警信息推送至用戶相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，共享監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)。

7 結(jié)論

目前，此系統(tǒng)已經(jīng)在嘉興市域外配水工程中得以應(yīng)用，該工程是將優(yōu)質(zhì)原水（千島湖）配送給嘉興居民飲用的重大民生工程，嘉興節(jié)點(diǎn)到大橋節(jié)點(diǎn)段為主干管，中途配水至嘉興市區(qū)及五縣市各受水點(diǎn)水廠。主干道全長(zhǎng)75 km，雙線設(shè)計(jì)，口徑DN1 800～DN2 200 mm 不等，主體鋼管連接處球墨鑄鐵，運(yùn)行壓力約0.4 MPa，運(yùn)行最高壓力可達(dá)1 MPa，管道起伏較頻繁。業(yè)主最終采用長(zhǎng)距離輸水管線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，126 套高頻壓力傳感器和水聽器設(shè)備，目前運(yùn)行狀態(tài)良好，完全能實(shí)現(xiàn)四大功能：水錘監(jiān)測(cè)、漏水報(bào)警及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、排氣閥異常監(jiān)測(cè)、管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。