成都中电锦江信息产业有限公司

雷  明  陆克强  屈凤林

刘国宏  牛  原  李  俊  吴 杨

我国是一个水资源匮乏的国家，而城市自来水管网泄漏又十分严重，开展对自来水管网泄漏的在线实时监测，及时消除管网泄漏，保护珍贵的水资源，是一件利国利民的大事。2013年3月，公司在市电子学会申请自来水供水管网泄漏在线实时监测系统（以下简称监测系统）的可行性调研项目获得批准，立即成立

项目组开展相关研究工作。

一、任务及要求

按照立项书的计划安排，从2013年4月开始，项目组开展了广泛的外部调研活动，根据调研获取的信息，监测系统不仅要满足可靠性高、有效通讯距离长、使用成本低、工作效率高的要求，而且还要具备以下功能：

1、直观、全面显示城市供水管网的工作状态和管网的各项基本情况；

2、放大显示某一区域供水管网的工作状态；

3、实时发现供水管网泄漏，及时报警；

4、显示泄漏点位置、发生泄漏时间，泄漏管线直径、材质等。

二、研制过程

2013年5月中旬，公司组织监测系统项目工程实施方案评审会，项目组根据会议提出的意见进一步完善方案，于6月开始监测系统的研制工作，9月完成样机研制和试验，10月完成技术鉴定。

（一）实施方案

1、监测系统设备组成

城市供水管网泄漏在线监测系统，包括探头、集中器、ＧＰＲＳ／ＣＤＭＡ无线通信网络及英特网、数据中心和手机。监测系统框图如图1所示。

图1 系统结构图

2、系统工作原理

探头的传感器接收信号后转化成电信号，经信号调理电路处理后得A/D变换的电信号，再输入单片机进行模数转换，并进行相关算法处理，提取特征参数后，通过无线通信电路发送至集中器，集中器对特征参数进行协调管理后，通过ＧＰＲＳ／ＣＤＭＡ无线通信网络及英特网传输至数据中心处理，预报管道泄漏点等级，在定位到管道地图中，作出屏幕显示 。另一方面，如发现管道有泄漏征兆，数据中心可对征兆点进行单次或多次监测，发送监测命令，通过ＧＰＲＳ／ＣＤＭＡ无线通信网络及英特网传送至集中器，集中器将命令传输至相应探头，再进行数据采集和分析，确定是否为真实的泄漏点。

3、系统达到的主要技术性能

初期试验系统基本功能：①能对管网泄漏进行实时判断，判断级别分三级，0表示不漏水、1表示一般漏水、2表示严重漏水。②能对泄漏点进行定位，定位误差小于4米。③能用ZigBee进行通信，通信距离小于120米。

（二）研究试验过程

1、2013年6月建成了一条约100米的埋地试验水管，2013年8 份在该管道上完成模拟城市管网系统改造。

2、试制了三个试验用探头（MCU采用低功耗32位单片机）。

3、完成了相应的试验测试软件（P2P、Mesh Net）、数据回放软件（原始数据、FFT、若干特征）、声音回放。

4、在试验管道上，用两个采样率（10240、5120）对不同的泄漏管径、距离等作了大量的测试。

5、在模拟城市管网系统上作了7390组试验数据（图2），采样率为5120SPS，这些数据用作判别管道健康指数（泄漏水平）的原始依据。

6、根据所测数据进行初步分析并利用神经网络学习、预测。

7、初步完成Mesh网组网试验（包括通讯距离与组网）。

8、初步构架完成了在SQL Server平台上的数据库。

图2 试验环境

三、有关问题的分析说明

通过大量的模拟试验，检测原理是可行的，但在试验中也发现三个需要解决的突出问题。

1、传感器灵敏度低的问题

目前试验采用的加速度传感器型号ADXL103，灵敏度只有1V/g，而国外同类产品的灵敏度为58V/g，探头输出受到限制，能检测泄漏的范围较小。

2、通信屏蔽问题

本来探头在地面直视有效通信范围在200m以上，而目前在试验中发现井盖对信号有很大的屏蔽作用，且不同材质的井盖屏蔽差异明显，金属井盖使通信有效范围缩小到大约20m以内, 塑料井盖使通信有效范围缩小到大约120m以内，给组网带来了困难。

3、探头外壳对信号的影响问题

由于探头处于恶劣的环境下工作，要求外壳达到IP68防水等级，同时由不能影响监测性能，标准要求很高。为保证密封性，原理样机采用了较厚重金属外壳，在一定程度上减弱了信号的强度。

四、结论

按照课题制定的研究目标完成全部试验，初期试验系统达到立项申请中主要技术指标要求:

1、公司开发的3只探头样品和相关分析软件基本满足供水管网初期系统方案指标值；

2、数据采集前端无故障时间能保证在3个月以上；

3、在试验管道上检测供水管网泄漏情况，准确率达到100%；

4、前端数据采集程序及通信程序验收一次通过率在90%以上；

因此，我们判定在现有技术条件下开展城市自来水供水管网泄漏检测是可行的，但还需解决前期试验中出现的问题，完善相关技术，通过城乡片区的试验，进一步验证技术方案的的成熟度后，才可能实现在城市管网检测中的应用。

五、进一步研究方向

1、提高数据质量

整个系统是基于对供水管网数据的采集、分析进行监测，数据是整个系统性能的保证，探头质量直接影响数据质量。下一步继续改进现有探头（动态范围、定时唤醒、自动测试、数据存储、收发唤醒）的技术性能，同时继续寻和开发出满足要求的高性能的传感器，提高监测数据质量，完善数据分析、数据融合等数学模型。

2、制定数据标准

数据标准是指判别供水管道健康状况的指标准则。现在我们使用的方法是对试验管道不同的健康状态进行n(n100)次监测得到数据样本取均值。此标准虽然在该试验管道上判断准确率基本能达到99.8%，但如果改变环境在实地小区进行监测，误差将会增大，判别准确性将会降低。因此需要对不同环境条件、不同管道进行大规模的数据采集和分析，从而建立适用范围更广，受外界影响误判机率更小，更完善的数据标准。

3、提高无线通信传输距离

由于井盖的屏蔽作用，无线信号传输距离大大减少，在实际的城市管网监测系统应用时，将会影响系统的组网。要扩大通信范围，一条途径是增大探头的发射功率，研究大功率发射探头。另一条途径是绕开屏蔽，在井盖上做文章，与井盖生产厂家合作，开发一种能安装片状天线的特殊井盖。

（本文有删节）

2013年11月