一種市政排水管道堵塞的檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究

徐唯瑋 張振峰 曾啟星 劉文鑫

摘? ?要：針對(duì)市政排水管道堵塞信息獲取的不便性與滯后性，及由此導(dǎo)致污水溢出等的危害性，本文提出并設(shè)計(jì)一套市政排水管道堵塞的檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)能在日常管理中，從水位、管徑變化兩個(gè)角度智能收集、評(píng)估市政排水管道堵塞情況。并基于單片機(jī)與無線互聯(lián)技術(shù)，及時(shí)向管理部門發(fā)出預(yù)警信號(hào)，從而提早、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)有堵塞風(fēng)險(xiǎn)的管道，并定位管道所在的位置。本系統(tǒng)還可接入智慧小區(qū)安防系統(tǒng)中，助力于智慧小區(qū)排水安全及衛(wèi)生環(huán)境的構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：市政排水管道? 堵塞檢測(cè)? 預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU992? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（a）-0022-03

當(dāng)前，國內(nèi)常應(yīng)用于市政排水管道堵塞檢測(cè)方法，如管道潛望鏡檢測(cè)等，都需要人工直接或間接地參與操作，堵塞信息獲取往往滯后。同時(shí)，由于市政排水管網(wǎng)復(fù)雜，堵塞信息獲取甚為不便，一旦堵塞發(fā)生，輕則造成排水不暢，重則污水溢出影響環(huán)境，造成通行不便或其他安全問題。再者，現(xiàn)有的管道堵塞檢測(cè)系統(tǒng)，主要針對(duì)水位進(jìn)行測(cè)定，檢測(cè)指標(biāo)較為單一。且現(xiàn)有系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)較困難，也存在無線傳輸信號(hào)不穩(wěn)定、維護(hù)麻煩等問題。

鑒于上述問題，本文提出設(shè)計(jì)一種新型的市政排水管道堵塞檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)?；诂F(xiàn)有的研究，本系統(tǒng)在基本功能、檢測(cè)指標(biāo)等方面進(jìn)行了完善，并展望了系統(tǒng)的應(yīng)用前景。

1? 研究目的

（1）基本功能方面，本系統(tǒng)能在日常管理中智能收集、評(píng)估市政排水管道堵塞情況，并向管理部門發(fā)出預(yù)警信號(hào)，從而解決市政排水管道堵塞信息獲取的不便性與滯后性，減少由此導(dǎo)致污水溢出的危害性等問題。

（2）檢測(cè)指標(biāo)方面，考慮淤泥是造成管道堵塞一個(gè)重要原因，本系統(tǒng)結(jié)合了水位檢測(cè)與管道淤泥重量檢測(cè)，能在符合市政排水管道水力特性下，直接、間接地從水位、管徑變化兩個(gè)角度評(píng)估堵塞情況，提高評(píng)估的準(zhǔn)確性。

（3）無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，基于現(xiàn)有系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)困難問題，本系統(tǒng)采用了基于Logi-IoT協(xié)議的無線通信技術(shù)和產(chǎn)品優(yōu)化了檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。

（4）應(yīng)用場(chǎng)合和范圍方面，本系統(tǒng)在“雨洪管理”概念提出下，可承擔(dān)監(jiān)控城市排水管網(wǎng)堵塞情況的任務(wù)。同時(shí)，除了用于日常的市政管理，本系統(tǒng)還可接入智慧社區(qū)的安防系統(tǒng)中，補(bǔ)充、完善現(xiàn)有的安防系統(tǒng)。

2? 研究?jī)?nèi)容

本系統(tǒng)由檢查井內(nèi)測(cè)量裝置、信息檢測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)三個(gè)主要部分構(gòu)成。

2.1 檢查井內(nèi)測(cè)量裝置

檢查井內(nèi)測(cè)量裝置由集成管段、水位檢測(cè)裝置、淤泥稱重裝置、導(dǎo)線和信號(hào)控制裝置五個(gè)部分組成，見圖1。這些裝置外部采用透明的防水材料封裝，內(nèi)部電路板采用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行防水處理，以保證供電可靠性[1]。

（1）集成管段。

集成管段放置在檢查井內(nèi)，接駁在連接檢查井的上游排水管道。稱重管段制作材料可選用HPDE或UPVC，尺寸與需要連接的上游管道一致，且兩者間的連接方式根據(jù)具體尺寸、材質(zhì)可采用承插式、卡箍式等。

（2）水位檢測(cè)裝置。

水位檢測(cè)裝置集成在設(shè)置于管段中間位置的內(nèi)頂壁上，內(nèi)部裝載著非接觸式液位傳感器，該傳感器通過計(jì)算超聲波發(fā)送、接收產(chǎn)生的時(shí)間差與聲速的關(guān)系，從而確定集成管段內(nèi)的水位高度[2]。

（3）淤泥稱重裝置。

淤泥稱重裝置設(shè)置于管段中間位置的底部外壁，稱重裝置底部埋入檢查井井底預(yù)留的槽內(nèi)以作固定。裝載在淤泥稱重裝置的電阻應(yīng)變式稱重傳感器伸入集成管段內(nèi)，用于檢測(cè)稱重管道內(nèi)某一橫截面上的淤泥重量。后期通過建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型可將淤泥重量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)淤泥厚度，從而間接反映出排水管道管徑的變化量。其中，電阻應(yīng)變式稱重傳感器通過稱重面在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，同時(shí)使附著在稱重面上的電阻也發(fā)生形變影響其阻值變化，其后通過測(cè)量電路將這一阻值變化換算一定的電壓或電流變化。此外，該稱重面為水平面，略突出于稱重管道底部。稱重面制作材料可以選擇Tc4、Tc9鈦合金。這種材料適合用作動(dòng)態(tài)測(cè)量傳感器的彈性元件，同時(shí)具有很強(qiáng)的抗腐蝕性[3]。

（4）導(dǎo)線。

用于分別連接水位檢測(cè)裝置、淤泥稱重裝置與信號(hào)控制裝置。導(dǎo)線外部可以采用乙丙橡膠等防水套管進(jìn)行保護(hù)。

（5）信號(hào)控制裝置。

信號(hào)控制裝置安裝在檢查井側(cè)壁的指定位置和高度上，裝置內(nèi)部以STC15W4K32S4系列單片機(jī)為控制器，并裝載著基于Logi-IoT無線通信協(xié)議的DTU、電源模塊。

系統(tǒng)選用STC15W4K32S4系列單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：RAM、ROM容量大適用于多數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存;供電電壓為2.5～5.5V并有3種省電模式，可用電池供電且符合低功耗要求;內(nèi)部帶8路10位ADC和高精度時(shí)鐘，無需外部集成這些模塊等[4]。這些特點(diǎn)與由于本裝置安裝在地下、需要采用低功耗獨(dú)立電源等要求相符合。

且單片機(jī)采用RS232串口與采用基于Logi-IoT無線通信協(xié)議的DTU連接。Logi-IoT通信距離達(dá)0.1m～15km，并可通過增加中繼（深度可達(dá)64級(jí)）的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，且網(wǎng)關(guān)可通過Logi-IoT無線網(wǎng)絡(luò)輪詢各終端數(shù)據(jù)，使上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取預(yù)警信號(hào)更高效便捷。同時(shí)，Logi-IoT具有強(qiáng)穿透能力（最強(qiáng)可穿透20層樓）、低功耗（發(fā)射1W，待機(jī)25mW）、自帶定位功能（精度為3m）、無運(yùn)行費(fèi)用（相較4G通信）的優(yōu)點(diǎn)[5]，這些特點(diǎn)與本系統(tǒng)處于地下、安裝量大等特性相匹配。

2.2 信息檢測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

（1）信息檢測(cè)。

首先，通過信息控制裝置內(nèi)的單片機(jī)設(shè)定傳感器檢測(cè)周期與報(bào)警閾值。其中，檢測(cè)周期可根據(jù)裝置安裝地的具體堵塞嚴(yán)重情況或當(dāng)?shù)氐闹噩F(xiàn)期設(shè)定。水位報(bào)警閾值為恒定值;淤泥重量報(bào)警閾值是與水位檢測(cè)值有關(guān)的函數(shù)，該水位檢測(cè)值為最近一次檢測(cè)值。

裝置通過導(dǎo)線獲取水位檢測(cè)裝置的水位檢測(cè)信息與淤泥稱重裝置內(nèi)的淤泥重量檢測(cè)信息，當(dāng)檢測(cè)值大于各自裝置內(nèi)設(shè)置的報(bào)警閾值時(shí)，單片機(jī)將立即啟動(dòng)無線通信模塊，將對(duì)應(yīng)的堵塞預(yù)警信號(hào)傳送至臨近的DTU 1500中繼。當(dāng)檢測(cè)值小于各自裝置內(nèi)設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，可設(shè)計(jì)程序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)按時(shí)間順序先保存在單片機(jī)，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后再一次性將數(shù)據(jù)打包發(fā)送，上位機(jī)再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

（2）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

考慮到市政管網(wǎng)具有復(fù)雜、連接量大等特性，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用樹形無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用DTU 1500作為骨干節(jié)點(diǎn)，組成多層的樹形網(wǎng)絡(luò)，并支持Modbus RTU透?jìng)鳎ㄒ妶D2）。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可用：Logi-IoT DTU*m*n + DTU 1500（Modbus從站）*m + GW 160（Modbus主站）+HMI 表示。（其中m、n為正整數(shù)，m≤64、n≤500）。

2.3 上位機(jī)

上位機(jī)人機(jī)界面要有預(yù)警信號(hào)提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，支持上位機(jī)實(shí)現(xiàn)獲取并定位有堵塞風(fēng)險(xiǎn)的管段信息，同時(shí)能回看不同管段的水位高度、淤泥厚度數(shù)據(jù)。

3? 應(yīng)用分析

3.1 應(yīng)用前景

（1）市政管理中的監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)。

本系統(tǒng)適用于市政排水管理中，或在“雨洪管理”模式下起城市排水管網(wǎng)監(jiān)控作用。功能上，本系統(tǒng)能在日常工作中智能收集、評(píng)估排水管道的堵塞情況，并向管理部門發(fā)出預(yù)警信號(hào)。隨著本系統(tǒng)的應(yīng)用，一方面能解決當(dāng)下市政排水管道堵塞信息獲取的不便性與滯后性問題。其次，能幫助管理部門及時(shí)掌握排水管道淤塞度情況，便于管理者合理安排相關(guān)的清淤、防范工作，降低因管道堵塞造成的城市水浸等危害。

（2）智慧社區(qū)的運(yùn)用。

本系統(tǒng)除了運(yùn)用在市政管理上，還可應(yīng)用于智慧社區(qū)的安防系統(tǒng)中，對(duì)現(xiàn)有的安防系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。隨著人們生活水平的提高，一些高端社區(qū)的住戶對(duì)居住環(huán)境或物業(yè)管理有更嚴(yán)格的要求。將本系統(tǒng)引入這些社區(qū)，能幫助管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)有堵塞風(fēng)險(xiǎn)的管網(wǎng)，降低因堵塞發(fā)生路面積水等隱患，為社區(qū)住戶提供更舒適的居住環(huán)境。

3.2 存在的問題及其分析

（1）裝置的安裝與尺寸。

在系統(tǒng)建立前期，應(yīng)進(jìn)一步深入調(diào)研，根據(jù)實(shí)際堵塞情況，在相應(yīng)圖紙上對(duì)安裝點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，并獲取其排水管網(wǎng)尺寸等信息。根據(jù)獲取的信息，確定集成管段、淤泥稱重裝置與水位檢測(cè)裝置的尺寸。由于城市排水管道直徑有確定的一系列的規(guī)格，因此可以根據(jù)排水管道規(guī)格建立相關(guān)的資料庫，減少實(shí)際調(diào)研的次數(shù)。

其次，信號(hào)控制裝置安裝在檢查井內(nèi)壁上，但為了提高供電可靠性和安全性，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，最終確定具體的位置與高度。

（2）報(bào)警閾值的確定。

如何合理地確定各檢測(cè)指標(biāo)的報(bào)警閾值是本系統(tǒng)的重難點(diǎn)之一。由于當(dāng)下市政排水管道一般的清堵模式為定時(shí)清堵、產(chǎn)生水浸等危害后的應(yīng)急清堵兩種，因此有關(guān)管理部門應(yīng)當(dāng)結(jié)合歷史堵塞情況、下水管道管徑、降雨情況等綜合情況，反復(fù)實(shí)測(cè)并確定出合理的報(bào)警閾值。

水位報(bào)警閾值可以根據(jù)實(shí)際調(diào)研確定具體的高度。而為了確定淤泥重量報(bào)警閾值，還需要推算出一種新穎且較為復(fù)雜的算法或模型。淤泥稱重裝置在管道有水流動(dòng)的情況下，測(cè)得的是淤泥重量和水重力之和。但結(jié)合不同尺寸的管徑和最新的水位高度信息，可相應(yīng)換算出此刻稱得的水重力。排除了水的重力后，還需要分析淤泥內(nèi)部成分的比重變化對(duì)淤泥稱重的影響，因?yàn)橥戎亓康煞直戎夭煌挠倌啵瑢?duì)排水管橫截面面積改變的程度都不相同。因此，想要確定最精確的淤泥檢測(cè)報(bào)警閾值，需要在日后進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)收集工作，并開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試與分析。

4? 結(jié)語

本文提出了一種市政排水管道堵塞檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，相較其他研究，本系統(tǒng)在基本功能、檢測(cè)指標(biāo)上進(jìn)行了完善，并提高了系統(tǒng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性、穩(wěn)定性，同時(shí)展望了系統(tǒng)的應(yīng)用前景——可同時(shí)運(yùn)用在市政管理及智慧社區(qū)安防系統(tǒng)中。但本系統(tǒng)想得到廣泛的實(shí)際運(yùn)用，還需要對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)反復(fù)對(duì)比，詳細(xì)分析水位、淤泥厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)與堵塞程度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并不斷修正預(yù)警參數(shù)以提高檢測(cè)準(zhǔn)確率。通過不斷完善，相信本系統(tǒng)能在智慧社區(qū)、城市排水管網(wǎng)管理，乃至流域雨洪管理中成為必不可缺的一環(huán)。

參考文獻(xiàn)

[1] 于華成，楊光軍.路面下水道堵塞檢測(cè)及沼氣提醒器的研究與設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2018（18）：98-99.

[2] 顧佩月，賀文晨，周雨薇.基于SI1000的下水道堵塞裝置[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（3）：19-20.

[3] 劉九卿.稱重傳感器彈性元件金屬材料的分析與選擇[J].衡器，2001（10）：10-16.

[4] 宏晶科技.STC15系列單片機(jī)器件手冊(cè)[EB].http：//www.STCMCU.com.

[5] 圖倫科技.圖倫科技Logi-IoT在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[EB].http：//www.logi-iot.com.

[6] 王偉客，陳田力.試述市政排水管道運(yùn)行維護(hù)及管理對(duì)策[J].建材與裝飾，2017（7）：165-166.