無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在輸水管道泄漏監(jiān)測中的應(yīng)用

楊 珉

(貴州新中水工程有限公司，貴陽 550008)

0 引 言

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在泄漏檢測和定位中的重要性、性能和可靠性得到了廣泛的關(guān)注，它具有連續(xù)檢測和實時監(jiān)控的特點[1-2]。

1 智能輸水管網(wǎng)原理及系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的目的是提供一個低功耗的無線傳感器網(wǎng)路解決方案，以精確偵測和定位泄漏。采用節(jié)點內(nèi)單數(shù)據(jù)處理算法進行過濾、壓縮和泄漏檢測。

1.1 智能輸水管網(wǎng)概念

WSN可以采用各種網(wǎng)絡(luò)拓撲和體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的選擇決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要限制：功耗。此外，特定的管道環(huán)境對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)施加了許多約束。智能輸水管網(wǎng)基于圖1所示的集群體系結(jié)構(gòu)。事實上，集群路由是一種有效的降低全網(wǎng)功耗的方法。傳感器節(jié)點每小時采集一次數(shù)據(jù)，采集時間為5min，采樣率為1000S/s，采用LPKF算法進行局部濾波和異常檢測。壓縮后的數(shù)據(jù)和泄漏信息首先從節(jié)點發(fā)送到簇頭，在發(fā)生泄漏時簇頭計算泄漏位置，然后轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器。當信息被發(fā)送到基站時，許多統(tǒng)計數(shù)據(jù)被完成并保存在數(shù)據(jù)庫中，以便在線可視化。開發(fā)了一個交互式web用戶界面，可以通過Internet訪問ftp服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫。實際上，在這個應(yīng)用程序中，用戶可以訪問圖形、數(shù)據(jù)歷史、管道狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。它還提供管道位置、地圖和控制區(qū)域。智能輸水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能輸水管網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 管道泄漏檢測與定位算法

1.2.1 LPKF泄漏檢測算法

事實上，KF是線性動態(tài)系統(tǒng)的遞歸數(shù)據(jù)處理算法，它使用一組數(shù)學方程并產(chǎn)生最優(yōu)系統(tǒng)估計。它具有數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)聚合、數(shù)據(jù)壓縮、事件檢測、對象定位等功能。由于智能輸水管網(wǎng)專用于長距離地上管道，我們假設(shè)壓力模型是線性的。因此，我們使用了線性形式的KF。估計的狀態(tài)x，在我們的情況下是壓力，在時間k時，從k-1時的更新狀態(tài)演化而來，如下所示：

xk=Axk-1+Buk+Wk

(1)

式中：A為轉(zhuǎn)換矩陣；B為輸入轉(zhuǎn)換矩陣；uk為輸入向量；Wk為協(xié)方差為Qk的零均值高斯噪聲；uk為輸入向量。測量值z表示為：

zk=Hxk+vk

(2)

式中：H為測量矩陣；vk為具有協(xié)方差Rk的測量噪聲。KF的第一步是預(yù)測當前狀態(tài)和協(xié)方差矩陣，其表示為：

(3)

(4)

第二步是測量更新或校正。在這一步中，我們將新的測量值合并到預(yù)測估計(先驗估計)中，以使用Kalman增益(Kk)獲得改進的估計。

(5)

(6)

(7)

KF估計泄漏引起的壓力變化。測量值和過濾器提供的估計值之間的差異給出了泄漏發(fā)生的概念：

(8)

(9)

雖然泄漏檢測是WPM應(yīng)用中的一個重要步驟，但是如果沒有泄漏位置，它仍然不足以對缺陷做出簡單快速的響應(yīng)。

2.2.2 泄漏定位算法

在本節(jié)中，我們提出了一種基于泄漏波傳播的物理原理和水槽處到達時差(TDOA)方法的混合泄漏定位新方法。要解釋的是，突然流出的水引起了管道沿線的壓力波。這種波以聲速通過水中的管道傳播。基于這一原理，我們選擇了兩個發(fā)生泄漏的傳感器。事實上，我們考慮了到達接收器的兩個相鄰傳感器的前兩個信號(圖2)。然后，運行TDOA算法。它基于以下方程式：

(10)

式中：x是距離最近的傳感器節(jié)點的泄漏距離；L是所選傳感器之間的距離；C是通過實驗測量給出的波傳播速度；Δt是來自節(jié)點的壓力信號的時差，可以通過交叉關(guān)聯(lián)信號來計算。然后發(fā)送計算位置和標志以更新數(shù)據(jù)庫。當數(shù)據(jù)庫中的標志值從0更改為1時，將通過Web應(yīng)用程序和智能手機向用戶發(fā)送通知。

3 實際應(yīng)用

3.1 智能輸水管網(wǎng)試驗臺設(shè)置

在某灌區(qū)設(shè)計了一套試驗裝置，對智能輸水管網(wǎng)系統(tǒng)進行了試驗研究。如圖2(a)所示，設(shè)置了一個由25 m聚乙烯管組成的幾乎矩形截面。這些管有32 mm作為外部管。它們支持高達12bar的壓力。這類管道的選擇是由于其成本低、耐化學腐蝕和電腐蝕性差。更為普遍的是，塑料管的使用越來越廣泛。該裝置還包括入口和出口點的兩個閥門，以便通過改變壓力來改變用戶的需求。以1000m3的水庫用作水源。為了控制進出水，我們采用了兩個流量計。由于管道是在同一水平面上制造的，當輸出閥關(guān)閉時，水通過一個帶有1個高壓電機的電泵沿著管道移動，提供高達6bar的壓力。支架的設(shè)計高度是可變的，我們將在未來進行探索，以了解這種變化對壓力的影響，并在各種條件下測試我們的算法。由于泄漏的發(fā)生改變了系統(tǒng)的壓力，傳感單元由用于壓力測量的力敏電阻(FSR)傳感器組成。它們是一種聚合物厚膜器件，其特點是易于使用和低成本。這些傳感器的關(guān)鍵參數(shù)選擇是其在管道外部使用的能力。傳感器節(jié)點通過藍牙技術(shù)進行通信。它適用于無線短距離數(shù)據(jù)傳輸。圖2(b)是傳感器節(jié)點原型的真實圖片。

圖2 試驗測試裝置設(shè)置

3.2 泄漏檢測與定位實驗結(jié)果

為了評估建議的泄漏檢測和定位算法，使用兩個具有上述結(jié)構(gòu)的傳感器節(jié)點，并將它們附加到演示器中。為了測試泄漏檢測和定位的有效性，已經(jīng)執(zhí)行了許多場景。傳感器需要一段時間才能穩(wěn)定下來，數(shù)據(jù)以高頻率記錄在2500s內(nèi)，然后，運用LPKF算法對噪聲數(shù)據(jù)進行濾波，檢測泄漏。為了評估我們的泄漏檢測方法，可以考慮許多標準，包括可靠性、靈敏度、檢測速度、可用性和簡單性?？煽啃允侵赶到y(tǒng)能夠在不產(chǎn)生錯誤通知的情況下始終如一地檢測到發(fā)生的泄漏。靈敏度可以定義為檢測流量的最小值。如果將最小檢測速度作為方法的響應(yīng)時間，則該方法的評估結(jié)果見表1。泄漏檢測所需的系統(tǒng)時間長達幾分鐘，可以快速評估。如果時間檢測從幾分鐘到幾小時不等，則為中等。其余情況，系統(tǒng)被認為是緩慢的?？捎眯允窍到y(tǒng)在穩(wěn)定運行過程中或一直工作的特性。

表1 LPKF評價及與其它方法的比較

在表1中，我們根據(jù)上述標準將我們的算法與文獻中的其他算法進行了比較。在幾乎所有的標準中，LPKF都顯示出良好的結(jié)果。如圖3所示，壓力擾動與泄漏時的壓力變化之間存在差異。檢測到泄漏后，數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送到筆記本電腦，在那里，信號相互關(guān)聯(lián)以提取它們之間的延遲。傳感器的坐標是手動設(shè)置的，將來將使用全球定位系統(tǒng)(GPS)給出。表2說明了位置估計的不同誤差，說明測試方法的有效性、所用傳感器的精度以及泄漏檢測和定位技術(shù)是可行的。

表2 泄漏位置誤差

圖3 使用LPKF進行泄漏檢測

4 結(jié) 語

文章介紹了一種可靠的輸水管道監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和初步試驗。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于混合方法的長距離管道連續(xù)泄漏檢測與定位新方法。設(shè)計并測試了一種節(jié)點內(nèi)LPKF算法，用于泄漏檢測、數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)壓縮。其思想是實現(xiàn)一個能夠完成所有預(yù)處理任務(wù)的單一算法，以減少主要的能耗任務(wù)，從而可以廣泛推廣使用。