供水管网管道健康检测系统与漏点检测定位方法与流程

本发明涉及一种供水管网管道检测领域，尤其涉及一种供水管网管道健康检测系统与漏点检测定位方法。

背景技术：

现有的管道漏损检测方法从检测信号类型上分，主要有非声相关检测技术和声相关检测技术。非声相关检测技术有压力梯度法、负压波法、流量平衡法等，但这类技术在复杂管网漏损检测中建模较为困难；声相关检测技术的原理是利用声波传感器检测来自以管道为介质传播的声波信号，进行泄漏信号的检测和泄漏点的定位，此种技术因为检测简便、局限性低、对不同管网布局的适应性好等优点被广泛应用于管道漏损检测和定位中。

然而，现有的声相关检测技术大都将声波传感器安装于管道外部，适用于检测直径300毫米以下的金属材质管道的漏水点。对于大口径管道(特别是直径600毫米以上)和非金属材质的管道(例如pccp预应力管道、pe管道)，由于声波快速衰减，现有的供水管道声相关检测技术检测不到漏水声，无法实现管道漏水检测。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种供水管网管道健康检测系统，通过采用管道内音频检测与定位漏点的技术、管道内视频检测缺陷定位技术和管道内惯性导航定位的技术，在不中断供水的情况下，在管道内进行管道内的腐蚀、结垢、漏水和结构缺陷的检测与定位，从而实现大口径供水管道和非金属供水管道的健康检测。

本发明采用的技术方案为，一种供水管网管道健康检测系统，包括：

传感器载具平台，其外壳为管体结构，管体前端安装有摄像头，管体内部包括声学传感器和惯导装置，所述管体外部套接一伞状助推装置；

辅助定位装置，用于为所述惯导装置提供辅助坐标位置信息；

信号处理平台，与所述传感器载具平台通讯连接，包括数据存储分析单元及分别与其电连接的音频处理单元、视频处理单元和定位处理单元；

所述定位处理单元将惯导装置的导航定位数据依据辅助定位装置提供的辅助坐标位置信息进行误差补偿计算生成准确的导航定位数据信息。

由上，通过将载有声学传感器、摄像头和惯导装置的载具平台放入管道中，使其依靠水流前进，对管道内的音频、视频数据进行采集，利用音频检测与定位漏点的技术，可实现大口径供水管道和非金属供水管道的健康检测，而且由于该载具平台借助伞状助推装置的推力在管道内漂浮行进，且根据管道中水流中心的推力最大，使伞状结构产生一朝向中心的推力，保证载具平台在管道水流中心漂浮行进，不易受到外界因素和管道内壁碰撞干扰，检测精度较高，检测结果更加精确。

其中，所述传感器载具平台的管体长度大于供水管网管道的直径；

所述伞状助推装置采用可逆形变材质，其中心为空心嵌套结构，套接于所述传感器载具平台的管体外部。

由上，所述传感器载具平台的管体内部为空心结构，可通过自身浮力悬浮于管道内部的水中，所述伞状助推装置采用硅胶、橡胶或其他可逆形变材质，其中心为空心嵌套结构，通过螺丝或强力胶固定于传感器载具平台前端，使传感器载具平台借助水流推力向前行进，当碰撞到管道内壁的凸起或者连接处时，由于伞状助推装置的特殊材质，会产生形变，避免卡住，在传感器载具平台正常通过后恢复原状，大大提高了传感器载具平台在管道中行进的稳定，避免因碰撞产生的误差，保证了定位的精准。

其中，所述辅助定位装置包括依次电连接的：

定位模块、信标发生器和通信模块；

所述定位模块采集的经纬度坐标位置的信息经信标发生器进行放大后，由所述通信模块传输至所述传感器载具平台。

由上，辅助定位装置可为与传感器载具平台无线连接，与惯导装置配对使用，为传感器载具平台提供精确的经纬度坐标位置的信息。

进一步改进，还包括投放装置，包括：

密封舱，安装于管道检测阀门上，所述传感器载具平台及通讯连接用的线缆通过该密封舱进入管道；

线缆收放模块，安装于密封舱上方，用于控制线缆的收放。

由上，投放装置在检测时安装在管道检测阀门上，传感器载具平台及线缆通过投放装置的密封舱进入管道内部，线缆收放模块可控制线缆的收放速度，设定迅速收放线缆，配合密封舱可保证线缆送入和收回过程中的密封。

进一步改进，还包括：

操作控制装置，与所述线缆收放模块通讯连接，用于发送指令控制线缆收放模块收放线缆的速度；

监控终端，与所述信号处理平台通讯连接，用于显示管道内视频、音频检测界面和载具平台行进轨迹与管道电子地图。

由上，操作控制装置设置于操作间，可向投放装置发送指令，控制线缆收放模块对线缆进行收放控制，实现传感器载具平台在管道内行进方向和速度的操作控制，监控终端用于显示管道内视频、音频检测界面和载具平台轨迹与管道电子地图。

为实现供水管道内腐蚀、结垢、漏点或气囊等缺陷的检测，本发明还提供了一种供水管网管道缺陷、漏点检测定位方法，采用上述的供水管网管道健康检测系统，包括以下步骤：

s01：在管道检修阀起点、终点和中间的阀门上安装辅助定位装置；

s02：将传感器载具平台放入供水管道中，记录初始位置与姿态；

s03：所述传感器载具平台对管道内的视频、音频数据进行采集和编码，通过线缆传输至信号处理平台；

s04：所述传感器载具平台经过所述辅助定位装置时，接收其提供的辅助坐标位置信息，并结合自身导航定位数据传输至信号处理平台，所述信号处理平台将传感器载具平台的导航数据依据辅助坐标位置信息进行误差补偿计算；

s05：所述信号处理平台对采集的视频、音频数据进行管道缺陷判定，结合定位信息，确认管道缺陷的位置。

由上，传感器载具平台在进入管道内，行进过程中，其惯导装置与辅助定位装置配合使用，可实现传感器载具平台的精确定位，声学传感器和摄像头对管道内的音频和视频进行采集，并传输至信号处理平台进行分析并处理，视频处理单元接收管道内的视频数据并记录腐蚀或结垢的视频，音频处理单元对音频数据进行处理，与漏点或气囊的频谱特性进行对比，对符合漏点或气囊特性的音频信息进行定位标记，实现供水管道健康检测及定位的功能。

进一步改进，所述步骤s02还包括：

在传感器载具平台放入供水管道之前，将所述传感器载具平台的惯导装置进行初始校准，与投放装置的线缆收放模块形成惯性组合导航；

传感器载具平台在管道中行进时，对传感器载具平台进行姿态解算和速度解算，生成初级导航数据。

由上，传感器载具平台的惯导装置中安装有三轴陀螺仪和三轴加速度计，将传感器载具平台放在定位定向姿态校准装置上，静止15秒，利用卡尔曼滤波进行状态估计，建立七维随机系统模型，通过对等效陀螺噪声、角度随机游走系数和速度随机游走系数的最优估计，实现载具平台的空间姿态和水平速度的校准，与线缆收放模块形成惯性组合导航，实现对速度的控制和记录，传感器载具平台在行进中，通过对陀螺仪和加速度计进行采样，并利用采样数据进行姿态解算和速度解算，生成初级导航数据。

其中，步骤s04所述将传感器载具平台的导航数据依据辅助坐标位置信息行误差补偿计算包括：

所述信号处理平台的定位处理单元对传感器载具平台的导航数据进行解算；

所述传感器载具平台在管道内行进，经过所述辅助定位装置位置时，接收其经纬度坐标位置，生成辅助位置信息；

所述定位处理单元将导航数据和辅助位置信息对比并进行误差修正，得到传感器载具平台的行进轨迹数据和管道走向位置。

由上，定位处理单元对传感器载具平台位置进行实时解算，传感器载具平台经过辅助定位装置位置时接收其信标信号，定位处理单元利用管道定位修正算法对其位置进行误差修正，得到传感器载具平台轨迹数据和管道走向位置。

其中，步骤s05所述信号处理平台对视频数据进行管道缺陷判定，确认管道缺陷的位置包括：

所述传感器载具平台行进过程中，通过摄像头采集管道内的视频，所述信号处理平台的视频处理单元接收管道内的视频数据，在监控终端的视频检测窗口显示；

根据管道内部的视频情况，确定管道内的结垢、锈蚀或结构性缺陷，产生一条缺陷记录，记录缺陷的起止位置；

所述信号处理平台的数据存储分析单元根据该起止位置，在监控终端的电子地图界面标记并显示缺陷位置。

由上，可实现管道内部的结垢、腐蚀或其他视频可见的结构性缺陷的检测，并对产生缺陷的位置进行定位标记。

其中，步骤s05所述信号处理平台对音频数据进行管道缺陷判定，确认管道缺陷的位置包括：

所述传感器载具平台行进过程中，通过声学传感器采集管道内的音频，所述信号处理平台的音频处理单元接收管道内的音频数据，在监控终端的音频检测窗口显示；

根据管道内漏点和气囊的音频特性，产生一条记录，记录漏点中心位置和气囊起始位置；

所述信号处理平台的数据存储分析单元根据该起止位置，在监控终端的电子地图界面标记并显示缺陷位置。

由上，利用声相关检测技术，利用声学传感器对管道内的音频进行采集并传输至信号处理平台，音频处理单元对音频数据进行解码，与漏点或气囊的频谱特征进行对比，对符合其频谱特征的检测点进行记录和存储，并在监控终端的电子地图界面标记显示漏点或气囊位置。

为实现传感器载具平台在管道内行进时的精确定位，避免其因为水流或自身因素产生定位误差，本发明还提供了一种传感器载具平台定位导航方法，采用上述的供水管网管道健康检测系统，包括以下步骤：

s01：将传感器载具平台放置于定位定向姿态校准装置上，调整校准装置使传感器载具平台水平并指向正东，根据传感器载具平台的惯导装置中的三轴陀螺和三轴加速度计的测量值计算得到对准矩阵，采用卡尔曼滤波获得粗对准失准角的最优估计，实现惯导装置的精对准；

s02：将所述惯导装置的三轴陀螺仪和三轴加速度计与投放装置的线缆收放模块形成组合导航；

s03：将所述传感器载具平台放入管道中，使其依靠水流推力行进，对传感器载具平台进行姿态解算和速度解算，生成初级导航数据；

s04：根据所述线缆收放模块的收放线速度进行航位推算，获得传感器载具平台的经纬度、高度数据；

s05：所述传感器载具平台行进至辅助定位位置时，根据定位模块提供的经纬度坐标位置，与航位推算的经纬度数据对比得到误差；

s06：根据误差对传感器载具平台的轨迹进行回溯补偿，产生最终的定位导航数据。

由上，将传感器载具平台放在定位定向姿态校准装置上，静止15秒，利用卡尔曼滤波进行状态估计，建立七维随机系统模型，通过对等效陀螺噪声、角度随机游走系数和速度随机游走系数的最优估计，实现惯导装置的精对准。传感器载具平台在行进中，通过对陀螺仪和加速度计进行采样，并利用采样数据进行姿态解算和速度解算，生成初级导航数据。当传感器载具平台在行进至辅助定位装置时，静止15秒，通过对辅助定位点的经纬度进行测量，与航位推算的经纬度数据进行对比，得到传感器载具平台的误差信息，并对误差进行回溯补偿以产生最终精确的定位导航数据。

为实现管道内漏点与气囊的检测和定位，本发明还提供了一种管道漏点与气囊检测定位方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的供水管网管道健康检测系统，包括以下步骤：

s01：将传感器载具平台放入供水管道中，采集管道内的音频数据，通过线缆传输至信号处理平台；

s02：所述信号处理平台对音频数据进行频域变换，通过管道漏点音频特征模型与气囊音频特征模型对频域变换后的音频数据进行检测，对符合漏点音频特征与气囊音频特征的起始时间和结束时间分别进行标记；

s03：根据符合漏点特征标记的起始时间和结束时间，关联该时间的经纬度位置，标记漏点的经纬度位置；

根据符合气囊特征标记的起始时间和结束，确定气囊的时间位置与长度，标记为气囊起止时间，关联该时间的经纬度位置，标记气囊的起止经纬度位置。

由上，可通过对管道内音频数据的采集，经过处理和频谱特性对比之后，确定管道漏点或气囊特征，并记录产生漏点或气囊的位置，实现管道漏点与气囊的检测和定位。

附图说明

图1为本发明供水管网管道健康检测系统的原理示意图；

图2为本发明传感器载具平台的结构示意图；

图3为本发明供水管网管道缺陷、漏点检测定位方法流程图；

图4为本发明传感器载具平台定位导航方法流程图；

图5为本发明管道漏点与气囊检测与定位方法流程图；

图6为音频快速傅里叶变换蝶形算法示意图；

图7为管道缺陷音频特征图谱；

图8为管道缺陷检测模型工作流程图。

符号说明

传感器载具平台100

伞状助推装置110

摄像头120

声学传感器130

惯导装置140

投放装置200

线缆300

操作控制装置400

信号处理平台500

辅助定位装置600

监控终端700

具体实施方式

下面参照如图1～图8及相关实施例对本发明的工作原理进行详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种供水管网管道健康检测系统，包括：

传感器载具平台100，如图2所示，其外壳为管体结构，采用防水密封设置，管体前端为弧面透明结构，内部安装有摄像头120，用于采集管道内部的视频和图像，摄像头120周围设有led发光二极管，用于提供光源，管体底部为一平板基体，传感器载具平台100的电路结构设置于基体下部，由于基体的重力作用可保证管体在水中行进时保持水平状态，管体内部包括安装于平板基体之上的声学传感器130和惯导装置140，用于对管道内的音频和导航定位数据进行采集，由于管体内部为中空结构，可通过浮力悬浮于管道的水中，管体外部套接一伞状助推装置110，该伞状助推装置110采用硅胶、橡胶或其他可逆形变材质，其中心为空心嵌套结构，通过螺丝或强力胶固定于传感器载具平台100前端，使传感器载具平台100借助水流推力向前行进，当碰撞到管道内壁的凸起或者连接处时，由于伞状助推装置110的特殊材质，会产生形变，避免卡住，在传感器载具平台100正常通过后立即恢复原状，大大提高了传感器载具平台100在管道中行进的稳定，避免因碰撞产生的误差，保证了定位的精准；

投放装置200，由密封舱和线缆收放模块组成，所述密封舱安装于管道检测阀门上，所述传感器载具平台及线缆通过该密封舱进入管道；所述线缆收放模块安装于密封舱上方，与线缆300连接，可选用市面常用的电控滚轮，能够控制线缆300的收线、放线速度，保证传感器载具平台100在管道中按照设定的速度行进；

所述线缆300的密度与水的密度一致，在传感器载具平台100行进过程中漂浮在水中，为传感器载具平台100提供电源和通讯信号；

操作控制装置400，设置于操作间或操作平台，与所述投放装置200的线缆收放模块通讯连接，可发送控制指令至线缆收放模块，对线缆收放速度进行控制；

信号处理平台500，通过线缆300与所述传感器载具平台100通讯连接，实现供电与信号传输，包括数据存储分析单元及分别与其连接的音频处理单元、视频处理单元和定位处理单元；所述音频处理单元接收声学传感器采集的音频数据，并进行频域转换后由数据存储分析单元进行频谱对比分析，所述视频处理单元接收摄像头采集的视频数据，对摄像机采集的管道内视频数据进行处理和显示，对可见的结构性缺陷进行判定，所述定位处理单元用于接收惯导装置的定位数据，对传感器载具平台在管道内的位置进行实时定位；

辅助定位装置600，与所述传感器载具平台无线通讯连接，用于辅助定位及回溯误差补偿，包括依次电连接的北斗/gps定位定向模块、信标发生器和通信模块；所述北斗/gps定位定向模块采集的经纬度坐标位置的信息经信标发生器放大之后，通过通信模块传输至所述传感器载具平台，用于为传感器载具平台定位提供经纬度坐标位置信息；

监控终端700，与所述信号处理平台500连接，包括视频窗口、音频特性窗口及电子地图界面，用于显示管道内视频、音频检测界面和载具平台轨迹与管道电子地图。

本发明提供的供水管网管道健康检测系统，通过采用管道内音频检测与定位漏点的技术、管道内视频检测缺陷定位技术和管道内惯性导航定位的技术，可实现在不中断供水的情况下，在管道内进行管道内的腐蚀、结垢、漏水和结构缺陷的检测与定位，从而实现大口径供水管道和非金属供水管道的健康检测，解决了大口径供水管道和非金属供水管道检测难题，保证了城市供水安全。

如图3所示，基于上述供水管网管道健康检测系统，为实现供水管道内腐蚀、结垢、漏点或气囊等缺陷的检测，本发明提供了一种供水管网管道缺陷、漏点检测定位方法，具体的检测步骤如下：

s101：将投放装置200安装在管道的检修阀上作为检测起点，在检测起点的阀门、终点的阀门和中间的阀门上分别安装辅助定位装置600，信号处理平台500的定位处理单元记录各辅助定位装置600的位置，并在监控终端700的电子地图界面上显示；

s102：传感器载具平台100通过投放装置200进入供水管道中，定位处理单元记录其初始位置与姿态；

s103：控制操作控制装置400，使传感器载具平台100在管道中行进，传感器载具平台100将管道内音频、视频和导航定位数据的进行编码，通过线缆300传输至信号处理平台500；

s104：定位处理单元对传感器载具平台100位置进行实时解算，传感器载具平台100经过辅助定位装置600位置时接收其信标信号，定位处理单元利用管道定位修正算法对其位置进行误差修正，得到传感器载具平台100轨迹数据和管道走向位置，并在监控终端700的电子地图界面显示；

s105：传感器载具平台100行进过程中，信号处理平台500的视频处理单元接收解码管道内视频数据，在监控终端700的视频窗口显示，工作人员观看管道内部视频情况，发现结垢、锈蚀和结构性缺陷等，产生一条缺陷记录，记录缺陷起止部位，信号处理平台500的数据存储分析单元根据记录的缺陷起止部位，在监控终端700的电子地图界面标记显示缺陷位置，截取缺陷部位视频和截屏图片并与轨迹关联，存入该缺陷记录；

s106：传感器载具平台100行进过程中，信号处理平台500的音频处理单元接收解码管道内音频数据，通过漏点\气囊检测算法检测漏点和气囊，定位漏点中心位置和气囊起始位置，在监控终端700的音频检测窗口显示管道内漏点和气囊的音频特征，产生一条缺陷记录，记录漏点中心位置或气囊起始位置，数据存储分析单元在监控终端700的电子地图界面标记显示缺陷位置，存储音频特征数据和缺陷音频数据记录；

s107：数据存储分析单元在监控终端700的电子地图界面显示腐蚀、结垢、结构性缺陷、漏水点和气囊等缺陷记录，通过点击腐蚀、结垢、结构性缺陷记录图标，打开缺陷截屏图片，播放截取的缺陷部位视频，点击漏水点和气囊等缺陷记录，播放记录的缺陷部位音频，播放截取的缺陷部位视频，进行最终确认，完成检测与定位工作。

如图4所示，基于上述供水管网管道健康检测系统，为实现传感器载具平台在管道内行进时的精确定位，避免其因为水流或自身因素产生定位误差，本发明还提供了一种传感器载具平台定位导航方法，通过将传感器载具平台上的惯导装置中的三轴陀螺仪和三轴加速度计与投放装置的线缆收放模块组合导航，采用卡尔曼滤波进行误差实时补偿，生成初级导航数据，基于各辅助定位装置的精确位置和速度数据进行二次曲线拟合算法的回溯误差补偿，产生最终导航数据，具体的步骤如下：

s201：初始对准，启动传感器载具平台100放置于定位定向姿态校准装置上，调整校准装置使传感器载具平台100水平并指向正东，根据实际陀螺仪和加速度计测量值代入下式中计算得到对准矩阵

其中，为加速度计测量的比力，为陀螺输出的b系相对于惯性系的角速度；

传感器载具平台100静止15秒，使用卡尔曼滤波进行状态估计，建立7维随机系统模型如下：

其中，为误差状态向量微分方程，f为状态一步转移矩阵，x为误差状态向量，g为系统噪声分配矩阵，w^b为系统噪声向量，z为量测向量，h为量测矩阵，v为量测噪声；

w＝[wgewgnwguwaewan00]^t，

wgi(i＝e,n,u)为等效陀螺噪声，为角度随机游走系数；wai(i＝e,n)为等效加速度计噪声，设为速度随机游走系数，ve和vn分别为等效东向和北向速度量测噪声，经过卡尔曼滤波获得粗对准失准角的最优估计，实现惯导装置的精对准；

s202：进行导航解算，解算过程如下：

姿态解算：应用四元数法进行姿态矩阵更新解算，姿态更新的四元数递推计算公式：

其中，分别表示tm-1和tm时刻的姿态变换四元数，是从tm-1时刻到tm时刻的姿态四元数变化，和δθm＝|δθm|；

速度解算：采用导航系比力速度增量的算法，陀螺仪和加速度计在[tm-1,tm]内均进行两次等间隔采样，采样时刻分别为tm-1/2和tm，可得

速度更新计算公式：

其中，为时间段t＝tm-tm-1内导航系比力速度增量，为载体系(b系)相对于n系(系统的导航参考坐标系)的姿态阵，为导航系相对于惯性系的旋转，为速度的旋转误差补偿量，为划桨误差补偿量；

s203：惯性/航速组合导航，传感器载具平台100在管道中间行进，vd为测得的收放线速度，即传感器载具平台100前向速度大小，在传感器载具平台100坐标系上可以表示为由收放线速度可得航位推算定位解算的微分方程，如下：

pd＝[ldλdhd]^t，ld、λd和hd分别为航位推算的地理纬度、经度和高度；rmhd＝rmd+hd，rnhd＝rnd+hd，rmd和rnd分别为使用航位推算地理位置计算的子午圈和卯酉圈主曲率半径；航位推算姿态解算方程：

为三轴陀螺的角速度信息，

惯导/航位推算增量组合模型为

v(tj)为量测噪声；

s204：辅助定位二次曲线拟合的回溯误差补偿，传感器载具平台100行进至辅助定位装置600的位置时，静止15秒，通过3个辅助定位点tk,tk+1,tk+2时刻的经纬度测量，获得误差方程，

tk至tk+2时间区间误差拟合曲线系数ki0,ki1,ki2,kj0,kj1,kj2通过求解误差方程得到，tk至tk+2时间区间的经纬度误差曲线方程：

对tk至tk+2时间区间的位置误差进行补偿，λ(n)，是第n个采样点对应的经度和纬度，补偿后的经度纬度：

以此，对传感器载具平台的轨迹进行回溯补偿，产生最终的定位导航数据。

如图5所示，基于上述供水管网管道健康检测系统，为实现管道内漏点与气囊的检测和定位，本发明还提供了一种管道漏点与气囊检测定位方法，通过在管道中行进的传感器载具平台采集管道内音频数据，进行音频信号处理，检测管道漏点与气囊，并关联传感器载具平台的位置数据，实现管道漏点与气囊定位，具体的检测步骤如下：

s301：将传感器载具平台100放入供水管道中，采集管道内的音频数据并进行模数转换，通过线缆300传输至信号处理平台400；

s302：所述信号处理平台400的音频处理单元对音频数据进行频域转换，如图6所示，采用快速傅里叶变换算法进行频域变换：

此公式可得到

其中，x(k)为离散频率谱密度，为

s303：如图8所示，经变换后的频域信号，归一化处理后，通过图7所示的管道漏点音频特征模型和气囊音频特征模型进行音频检测，判定是否符合模型频谱特征；

采样并统计100组音频频谱数据，与图7所示的特征模型进行对比分析，对符合率大于60％漏点/气囊特征的音频进行标记并记录最后一次采样的时间标签，判定为管道产生漏点/气囊，对符合率低于60％漏点/气囊特征的音频进行清除并记录最后一次采样的时间标签，判定为漏点/气囊消失；

s304：根据漏点的特征标记的时间标签起始时间位置和清除时间位置，确定中心位置，标记为漏点时间位置，关联该时间的经纬度位置，标记漏点的经纬度位置；

s305：根据气囊的特征标记的时间标签起始时间位置和清除时间位置，确定气囊的时间位置与长度，标记为气囊起止时间位置，关联该时间的经纬度位置，标记气囊的起止经纬度位置；

s306：检测完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。