张银嘉

（厦门水务集团有限公司）

漏水探头监控系统的应用研究

张银嘉

（厦门水务集团有限公司）

通过安装在管道的监控探头感知漏水声，利用数据信号处理方法理论完成对漏水声信号的分析处理，之后将监控数据采用无线传输的方式发送至后台系统，进而将漏水信号在软件系统中分析、展示及应用，指导漏损控制管理工作。

漏水声频率探头监控系统；FFT

1 引言

供水管网漏水检测的方法有人工巡检听音法、流量监测、压力监控等方法。流量监测和压力监控均需要投入大量的硬件设备，结合管网数据进行分析，进而发现漏水的区域。而人工巡检听音法，对周边环境、人员素质等要求高，对漏水点的发现有一定的滞后性。

因此，基于漏水声检测原理，结合信号采集、处理、实时传输、数据分析等技术的漏水探头监控系统是目前实用的漏水检测先进技术。

2 供水管道漏水声的传播机理

根据振动发生区域的不同，通常供水管道漏水有3种声源。

1）管道漏水口处的摩擦声

由于管壁具有弹性，发生漏水时，打乱了管道内水流的正常状态，出现紊流，且流水与管道相互摩擦，诱发振动，并沿着管道传播，传播距离与水压、管材、管径、接口数量相关，在一定范围内，可在阀门、消防栓等管道附属设施的暴露点听到该类声音。

图1　不同管材的漏水音频率范围

2）撞击声

撞击声指漏水管道喷出的高压水与周围埋设的介质撞击产生的声音，并以漏斗形式通过土壤向地面扩散，可在地面通过听音棒等设备听到该类声音，其频率通常为20～300Hz。

3）介质碰撞摩擦声

它是指管道内喷出的高压水带动周边的粒子（小石粒、砂粒等）相互碰撞摩擦以及和管道外壁相互碰撞摩擦产生的声音，其频率较低，当听音棒插入地下漏水点附近时，才可听到该类声音，其频率通常为20～300Hz。

3 漏水声音的特征

3.1不同管材的漏水音频率特征

漏水声是多频率的声音，主要频率为20～20000Hz。漏水声受管材的影响较大，金属管漏水声相对刺耳，频率主要为1000～2500Hz；球墨管、水泥管的声音频率主要为600～1800Hz；塑料管的声音较低，频率主要为500～1000Hz（见图1）。

3.2漏水声的影响因素

漏水声音的传播及探知，受管道的埋设深度、覆土层的密度、管径、漏水量、水压等影响。城市环境中的下水道的流水音、地下电缆的电磁声、汽车行驶的声音与风声等噪音与漏水音有相似之处，影响探测的判断。

4 漏水探头监控系统的系统组成

4.1监控探头构件组成及工作模式

监控探头构件由振动信号传感器、信号放大及带通滤波电路模块、嵌入式处理器模块、存储模块、无线通信模块，通信电路电源控制模块、信号调理电路电源控制模块、电源模块等组成。

电路模块放置在防水的密闭金属或塑料外壳中，用防水填料封装成整体结构。振动信号传感器采用压电陶瓷振动传感器。探头用强磁底座吸附或用防盗绳固定在管道上。振动传感器感知漏水声，并输出信号，通过信号放大及滤波后，被嵌入式处理器模块通过模数转换接口进行采集及处理。嵌入式处理器模块选用低功耗DSP芯片，采用了16位长的定点运算。运算过程是通过对采样信号进行时—频变换，得到信号的频谱特征；通过漏水声频段，判断管道是否漏水，并根据频段的位置和幅度，判断漏水量的大小。电源模块对各电路模块进行供电，电源采用内置电池供电。

4.2监控探头数据处理流程

嵌入式处理器模块不工作时处于低功耗模式，每天在固定的时间被唤醒，每间隔30s采样一次管道的音频信号。采样的信号通过预设参数的数据滤波后，进行FFT变换成频谱信号，然后将计算得到的频域信息保存在存储模块上。采用的串行flash存储器，保存数据后进入低功耗的休眠状态。

4.3后台系统

后台监控系统包括主机服务器和无线通信模块，主机服务器上安装有软件系统，软件系统是由无线信号接收模块、漏水信息存储与判别模块、报警与移动终端模块、GIS与用户界面模块构成。无线信号接收模块实时接收来自探头发来的信息，并将该信息传输到存储与判别模块。漏水信息存储与判别模块对接收到的信息进行存储、并且根据当前信息和历史信息，判别管网的综合运行状况，输出判别结果。GIS与用户界面模块将判别结果实时显示在主机服务器的显示设备上，包括地图信息以及文字信息，并且进行信息的统计、汇报以及打印输出。

4.3信号解译

漏水探头监控系统是利用数据信号处理理论完成对漏水声信号的滤波与检测、参数提取和估计、频谱分析等工作，使4漏水信号更易于识别、分析和使用。

时间和频率是描述漏水信号的最重要物理量，两者具有非常紧密的联系。时频分析（JTFA）即时频联合域分析（Join Time-Frequency Analysisi），是分析时变非平稳信号的工具，其基本思想：设计时间和频率的联合函数，描述信号在不同时间和频率的能量密度和强度，这种联合函数简称为时频分布。利用时频分布来分析信号，能给出各个时刻的瞬时频率以及幅值，并且能够进行时频滤波和时变信号研究。

频域分析利用FFT（快速傅氏变换，fash fourier transformation）变换，即离散傅里叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域，进而知道信号序列中含有哪些频率成分，各频率成分的振幅多大，得出信号在整个频率范围内的特征。

5 漏水探头监控系统的应用探析

5.1安装概况

2015年12月，在地铁建设站点沿线完成安装漏水探测头50个，安装位置全部为供水阀门井内，利用探头磁力吸附在阀门上，并设置有防盗锁链连接探头和阀门。通信传输通过中国移动物联网卡。探头安装图见图2。

图2　系统图谱（305号探头）

数据采集时间设置：每个探头每天采集4个时段，8组数据。分别为1时、7时、13时、19时，每个时段采集2组数据。

5.2数据采集与分析

至2016年1月5日，发现疑似漏水点6处，编号为305、319、333、342、348、327。

疑似漏水点案例：探头编号305图谱。左图为采集声音的频谱图，表示采集到声音的振幅变化；右图为采集声音的频率分析图，表示采集到声音频率统计。供水管道的漏水声音频率一般为500～2500Hz，右图符合管道漏水声音的频率范围。经过证实（见图2），该地点附近确实有管道漏水，漏水量约10m3/h。

6 结语

漏水探头监控系统对于检测供水管网系统的漏水有良好感知和及时预警的工作性能，可大大缩短发生管网漏水到发现管道漏水的时间，可节约大量的水资源，有效节能降耗，提高企业经济效益。

［1］ 卢其伦.城市供水管网中漏水音探测法的研究.给水排水，2012（38）：412-414.

［2］ 张明阳，苟先太，肖和飞.信号的时频分析在System View中的设计与实现［J］.信息技术， 2010（11）：149-151.

Study on the Application of Monitoring System of Water Leakage

ZHANG Yin-jia

（Xiamen Water Group Co.， Ltd.）

Through the installation in pipeline monitoring probe for sensing leakage sound， with a data signal processing theory and method on water leakage acoustic signal analysis and processing is completed， after which the monitoring data by wireless transmission sent to the backend system and leakage signal in software system analysis， display and application， guide leakage control and management work.

leaky acoustic frequency probe monitoring system； FFT