一种实时监测城市排水管道的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及市政行业的管道检测监测领域，尤其是设及一种实时监测城市排水管 道的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着城市化进程的推进和极端气候现象的频发，城市排水系统发展相对滞后，一 场大雨过后，城市里常常是一片泽国，一些局部区域总是被淹，该些已经严重威胁到人民的 生命财产安全。若能对城市主要排水系统之一的市政雨水管道系统进行实时监控，就能及 时掌握整个雨水管网系统的运行状况，出现问题及时预警，并采取相应应对措施，W保障城 市排水安全。
[0003] 目前针对城市排水管道系统的监控技术尚不是十分成熟，实时监控系统更是鲜见 于各种城市雨水管网系统之中。目前相近的技术主要有；针对管道内部结构健康状况的管 道机器人视频摄录检测、声响检测、管道潜望镜检测等。该些检测都是通过将一些检测设备 放入管道内部，通过人工判读检测图像（信号），来判断管道的健康状况。无法满足对管道 内部积水情况进行实时的智能化监测。部分学者提出了城市内溃实时监测系统，且探讨了 通过在道路下方安装水深监测设备实现对淹没路段的实时监测。实际上由于道路上方的行 人、车辆、积雪等荷载的影响可能会导致系统出现误判，导致系统可靠度降低。
[0004] 由于我国市政排水管网大多建设于改革开放初期，许多管道的输送能力有限，面 临扩容或修缕，而该些也需要管网在日常排水和行洪排溃时的实时监控数据。除此之外，实 时监控系统的对于城市洪溃灾害的预警W及管道的日常维护工作均具有十分重要的意义。 因此发明一种市政排水管道实时监测系统成为一个亟待解决的问题。
[0005] 根据我国市政排水管道系统的现状，对其进行实时监控，尤其是对其内部流量的 实时监控需要解决W下一些技术难题：
[0006] 1.流量（液面）测试，如何对管道内部的水流进行实时监测是首先要解决的问题， 由于排水管道内部常常伴有杂物，常规的测试设备（传感器）常常会由于该些杂物的存在 而不能正常工作，如何开发出一种几乎不受管道内部水流中杂物干扰的传感测试设备是首 先要解决的问题；另外需要注意的是该些测试设备不能够在管道内部形成明显阻碍水流的 因素，那样会降低管道的排泄能力。
[0007] 2.数据通讯系统，从管道系统内部实测的数据需要实时传输到监控中屯、，该样就 需要解决数据从管道内部实时可靠地传输到地面并最终传输到控制中屯、的问题。
[000引3.由于目前市政排水管线多分布于道路、广场下方，且管道系统内部及周围可能 无法提供电源，该样就需要开发为管道内测试及信号传输系统供电的供电装置。
[0009] 在解决W上技术问题的同时，要考虑我国市政管道系统目前的现状及城市发展现 状，尽量在不影响目前城市运行的情况下能够建立起本监控系统且同时考虑成本造价问 题。
【发明内容】
[0010] 有鉴于此，本发明旨在提出一种实时监测城市排水管道的系统，W实现管道系统 检查井内液面高度的测试并排除了管道内杂物的干扰。
[0011] 为达到上述目的，本发明的技术方案是该样实现的：
[0012] 一种实时监测城市排水管道的系统，包括水面高程测试装置，所述水面高程测试 装置包括测试装置外罩和其内串联的储能电池和水压力传感器，所述水压力传感器上下两 面分别为上压力测试面和下压力测试面；所述水面高程测试装置通过信号传输系统将水压 力传感器的输出信号传输到监控中屯、。
[0013] 进一步的，所述信号传输系统包括无线信号发射装置和无线信号接收装置，所述 无线信号发射装置与水面高程测试装置线缆连接；所述无线信号发射装置通过无线信号接 收装置与监控中屯、进行无线通信。
[0014] 进一步的，所述储能电池与一发电装置连接。
[0015] 进一步的，所述发电装置包括发电机、发电装置叶片、叶片罩和金属支架，多个所 述发电装置叶片均匀分布在发电机上，发电装置叶片外设置叶片罩，发电机通过金属支架 与测试装置外罩固定连接，所述发电机与储能电池电连接。
[0016] 相对于现有技术，本发明所述的实时监测城市排水管道的系统具有W下优势：
[0017] (1)本发明通过在管网节点处的管道系统检查井安装具有两个测试面的水压传感 器，巧妙地实现了对管道系统检查井液面高度的测试并排除了管道内杂物的干扰，并通过 物联网相关技术实现了数据的实时传输；还通过自供电系统实现了管道系统检查井内设备 的电源自给自足，无需额外提供供电系统，大大降低系统成本造价。
[0018] (2)本发明可W为城市洪溃灾害预警，为管网的日常维护提供支持，同时也可积累 大量管网运行数据，为城市管网改造和设计提供可信赖的科学依据。
[0019] 本发明的另一目的在于提出一种实时监测城市排水管道的方法，能够为城市雨水 管网的日常维护、城市防洪减灾及管网的后期改造升级提供科学依据，具有重大实际意义。
[0020] 为达到上述目的，本发明的技术方案是该样实现的：
[0021] 一种实时监测城市排水管道的方法，包括如下步骤：
[0022] 1)通过带有两个测试面的水压力传感器测试管道系统检查井底部的水压力，水压 力传感器将压力信息转换成电信号，
[0023] 2)电信号通过线缆传输到管道系统检查井上部靠近其检查井井盖附近的无线信 号发射装置；所述无线信号发射装置将接收到的信号通过无线通信，将信息传递给固定在 地面上位于管道系统检查井附近的无线信号接收装置，无线信号接收装置通过有线数据传 输系统将信号发送到监控中屯、；
[0024] 3)所述监控中屯、通过对接收到的水压力信号进行分析计算得到管道系统检查井 及整个排水管道系统内水位的情况。
[0025] 进一步的，步骤3)中的得到水位情况的具体算法如下：通过水压力传感器的上下 两个测试面分别测得所在位置处的水压力Pi和P2,根据物理学知识可知Pi和P2分别为：
[0026] Pi=P曲！ （1)
[0027] 口2=P曲 2 似
[002引式（1)、式（2)中的P-管道内液体的密度，g-重力加速度，hi-水压传感器上测 试面（附图中的'G')到液面顶部的高程差，h2-水压传感器下测试面（附图中的'H')到 液面顶部的高程差；
[0029] Pi和P2的差值：
[0030] AP=P2_Pi=Pgh2-Pghi=Pg化 2_hi) =PgXAh(3)
[0031] 上式中P-管道内液体的密度，g-重力加速度，Ah-水压传感器上下两个测试 面（附图中的'G'和'H')的高程之差；
[003引根据（3)式可得；
【主权项】
1. 一种实时监测城市排水管道的系统，其特征在于：包括水面高程测试装置，所述水 面高程测试装置包括测试装置外罩和其内串联的储能电池和水压力传感器，所述水压力传 感器上下两面分别为上压力测试面和下压力测试面； 所述水面高程测试装置通过信号传输系统将水压力传感器的输出信号传输到监控中 心。
2. 根据权利要求1所述的实时监测城市排水管道的系统，其特征在于：所述信号传输 系统包括无线信号发射装置和无线信号接收装置，所述无线信号发射装置与水面高程测试 装置线缆连接；所述无线信号发射装置通过无线信号接收装置与监控中心进行无线通信。
3. 根据权利要求1所述的实时监测城市排水管道的系统，其特征在于：所述储能电池 与一发电装置连接。
4. 根据权利要求3所述的实时监测城市排水管道的系统，其特征在于：所述发电装置 包括发电机、发电装置叶片、叶片罩和金属支架，多个所述发电装置叶片均匀分布在发电机 上，发电装置叶片外设置叶片罩，发电机通过金属支架与测试装置外罩固定连接，所述发电 机与储能电池电连接。
5. -种实时监测城市排水管道的方法，其特征在于包括如下步骤： 1) 通过带有两个测试面的水压力传感器测试管道系统检查井底部的水压力，水压力传 感器将压力信息转换成电信号， 2) 电信号通过线缆传输到管道系统检查井上部靠近其检查井井盖附近的无线信号发 射装置；所述无线信号发射装置将接收到的信号通过无线通信，将信息传递给固定在地面 上位于管道系统检查井附近的无线信号接收装置，无线信号接收装置通过有线数据传输系 统将信号发送到监控中心； 3) 所述监控中心通过对接收到的水压力信号进行分析计算得到管道系统检查井及整 个排水管道系统内水位的情况。
6. 根据权利要求5所述的实时监测城市排水管道的方法，其特征在于：步骤3)中对接 收到的水压力信号进行分析计算得到管道系统检查井及整个排水管道系统内水位的情况 的具体算法如下：通过水压力传感器的上下两个测试面分别测得所在位置处的水压力PjP P 2，根据物理学知识可知PJP P 2分别为： Pi = P gh ! (1) P2= f gh 2 (2) 式（1)、式⑵中的P-管道内液体的密度，g-重力加速度，hf水压传感器上测试面 (附图中的'G'）到液面顶部的高程差，匕一水压传感器下测试面（附图中的'H'）到液面 顶部的高程差； PjP P 2的差值： AP = P2-P1= Pgh2-Pgh1= pg(h2-h!) = PgXAh (3) 上式中P-管道内液体的密度，g-重力加速度，Ah-水压传感器上下两个测试面 (附图中的'G'和'H'）的高程之差； 根据（3)式可得：
由于水压传感器上下两个测试面的绝对高程h1(l和h2(l在安装调试设备时可以精确测得 (即两个测试面距离管道系统检查井底部的高度），因此液面顶部的绝对标高H(即液面顶 部到系统检查井底部的高度）为：
7.根据权利要求5所述的实时监测城市排水管道的方法，其特征在于：所述水压传感 器和无线信号发射装置所需要的电源由管道系统检查井内部安装的与水压传感器相连靠 水流驱动的小型发电机所发电能提供。
【专利摘要】本发明提供了一种实时监测城市排水管道的系统，包括水面高程测试装置，所述水面高程测试装置包括测试装置外罩和其内串联的储能电池和水压力传感器，所述水压力传感器上下两面分别为上压力测试面和下压力测试面；所述水面高程测试装置通过信号传输系统将水压力传感器的输出信号传输到监控中心。本发明系统通过在管网节点处的管道系统检查井安装具有两个测试面的水压传感器，实现了对管道系统检查井液面高度的测试并排除了管道内杂物的干扰，并通过物联网相关技术实现了数据的实时传输。
【IPC分类】G01F23-18, G08C17-02
【公开号】CN104864935
【申请号】CN201510228925
【发明人】吕耀志, 谭儒蛟, 徐鹏逍, 张鸿斌
【申请人】天津市市政工程设计研究院
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月7日