城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏檢測技術(shù)研究

【摘要】文中針對城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏問題進行了深入研究，設(shè)計了一套智能城市供熱管網(wǎng)泄漏綜合檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了先進的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與通信技術(shù)以及智能數(shù)據(jù)分析與定位算法。硬件方面，詳細設(shè)計了傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集、通信模塊以及電源模塊，確保泄漏檢測的實時性和準確性；軟件方面，通過設(shè)計數(shù)據(jù)接收與存儲、泄漏定位與預(yù)警以及可視化監(jiān)控界面三大模塊，有效實現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化功能。通過試驗驗證，該系統(tǒng)能夠快速、準確地檢測泄漏并定位，具有較強的實用性，為城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏檢測技術(shù)提供了新的技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)；泄漏檢測；傳感器；數(shù)據(jù)分析

【中圖分類號】TU995 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）11-0090-03

0 引言

隨著城市化步伐的加速與居民生活品質(zhì)的飛躍，城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)作為支撐城市運行的基石，其安全性與穩(wěn)定性的地位日益凸顯[1]。面對管網(wǎng)老化、施工瑕疵及地質(zhì)變動等多重挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)泄漏檢測手段已難以滿足高效、全面的監(jiān)測需求，不僅加劇了能源的無謂消耗，更潛藏著不容忽視的安全隱患。在此背景下，大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展為供熱管網(wǎng)泄漏檢測帶來了革命性的變革，智能檢測技術(shù)應(yīng)運而生，成為破解難題的新鑰匙[2]。因此，本文聚焦于城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏檢測技術(shù)的最新探索，全面剖析智能檢測系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計，深入研討系統(tǒng)硬件的高精度集成與軟件算法的智能優(yōu)化。通過精心設(shè)計的試驗，本文驗證了該系統(tǒng)在快速定位泄漏點、提高檢測效率方面的顯著優(yōu)勢，進一步確認其在復雜環(huán)境下的穩(wěn)定運行能力與數(shù)據(jù)準確性。以期為城市供熱管理部門提供一套科學、高效的泄漏檢測解決方案，助力城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)更加安全、可靠、綠色的運行，同時推動城市可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)[3]。

1 智能城市供熱管網(wǎng)泄漏綜合檢測系統(tǒng)總架構(gòu)

智能城市供熱管網(wǎng)泄漏綜合檢測系統(tǒng)的總架構(gòu)為多層次、集成化的系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理與分析層、監(jiān)控與預(yù)警層、用戶交互與管理層等五部分，旨在實現(xiàn)管網(wǎng)的高效監(jiān)控與管理。

1）數(shù)據(jù)采集層：利用紅外熱像儀、壓力傳感器和流量計等先進的傳感設(shè)備，實時收集管道的各種運行數(shù)據(jù)。這些傳感器能夠精確捕捉管網(wǎng)內(nèi)部的溫度變化、壓力波動和流量信息，確保數(shù)據(jù)的全面性與準確性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供堅實的基礎(chǔ)。

2）數(shù)據(jù)傳輸層：依托4G/5G等現(xiàn)代通信技術(shù)，確保收集到的數(shù)據(jù)能夠快速、安全地傳輸至處理中心，確保管網(wǎng)監(jiān)測不會因網(wǎng)絡(luò)問題而中斷。數(shù)據(jù)的及時送達可以為后續(xù)的分析與決策提供保障。

3）數(shù)據(jù)處理與分析層：系統(tǒng)運用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，對實時收集的數(shù)據(jù)進行深入分析與處理。通過機器學習算法，系統(tǒng)能夠精準識別管網(wǎng)的異常情況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的泄漏風險，并對未來的管網(wǎng)狀態(tài)進行預(yù)測。

4）監(jiān)控與預(yù)警層：負責對管網(wǎng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。當系統(tǒng)檢測到異常情況時，能夠迅速發(fā)出預(yù)警信號，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理層的分析結(jié)果自動調(diào)整運行策略或直接發(fā)出維修指令，確保管網(wǎng)的穩(wěn)定運行，同時強化系統(tǒng)的響應(yīng)能力，有效降低潛在風險對管網(wǎng)安全的影響。

5）用戶交互與管理層：通過Web界面和移動APP等多種形式，用戶能夠直觀地獲取管網(wǎng)的運行狀態(tài)和檢測信息。用戶可以實時查看數(shù)據(jù)分析結(jié)果、接收系統(tǒng)的預(yù)警信息，并通過友好的界面進行相應(yīng)的管理操作。集成化的架構(gòu)設(shè)計不僅提升管網(wǎng)的監(jiān)測效率，還大幅度增強對突發(fā)事件的響應(yīng)能力，從而推動管網(wǎng)管理向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的泄漏檢測技術(shù)硬件設(shè)計中，傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集與通信模塊以及電源模塊相輔相成。

1）傳感器模塊涵蓋了PT100熱電阻溫度傳感器（精度為±0.1 ℃）、Honeywell MPX壓阻式壓力傳感器（精度為±0.5%FS）、西門子流量計（精度為±1%RD）及PCB Piezotronics加速度振動傳感器，確保對供熱管網(wǎng)溫度、壓力、流量及振動的精準實時監(jiān)測。這些傳感器的選型與布局優(yōu)化，為泄漏檢測提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）數(shù)據(jù)采集與通信模塊是系統(tǒng)的中樞，通過AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換器與Arduino Uno微控制器協(xié)同工作，實現(xiàn)模擬信號的快速數(shù)字化處理。結(jié)合定時與觸發(fā)機制，確保了數(shù)據(jù)的連續(xù)性和高效采集。面對復雜環(huán)境，系統(tǒng)采用NB-IoT無線通信技術(shù)，配合TCP/IP協(xié)議，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程穩(wěn)定傳輸至數(shù)據(jù)管理中心，保障了信息的實時性與安全性。

3）電源模塊作為系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，經(jīng)過精心設(shè)計與嚴格測試，采用直流5 V電源適配器為主、UPS不間斷電源為輔的雙電源方案，有效應(yīng)對突發(fā)停電情況，增強了系統(tǒng)的可靠性與持續(xù)運行能力。整個電源系統(tǒng)經(jīng)過詳盡的電源需求分析，確保在各類工況下都能為各硬件組件提供穩(wěn)定、高效的電力支持[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)接收與存儲模塊

在智能城市供熱管網(wǎng)泄漏綜合檢測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)接收與存儲模塊展現(xiàn)出了卓越的性能與安全性。通過高精度、高穩(wěn)定性的傳感器，在供熱管網(wǎng)的各個關(guān)鍵節(jié)點部署數(shù)據(jù)采集設(shè)備，并利用4G/5G無線通信網(wǎng)絡(luò)將實時數(shù)據(jù)傳輸至高性能的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。這些傳感器能夠以600 次/min的速度向數(shù)據(jù)接收服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器憑借多線程與異步處理技術(shù)，確保數(shù)據(jù)接收延遲不超過1 s，有效吞吐量達到每秒數(shù)百萬條記錄。在數(shù)據(jù)接收后，采用先進的MQTT協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解析，確保每條數(shù)據(jù)都能在毫秒級內(nèi)完成校驗。解析后的數(shù)據(jù)被高效地存儲于可擴展的分布式數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫支持PB級數(shù)據(jù)存儲，并通過精細的分區(qū)與索引策略，實現(xiàn)毫秒級的查詢響應(yīng)時間。為確保數(shù)據(jù)安全，數(shù)據(jù)傳輸與存儲過程全程采用AES-256位加密技術(shù)，加密過程中產(chǎn)生的額外開銷時間Cenc可以通過式（1）進行量化。

式中：Nb為數(shù)據(jù)塊的數(shù)量；te為單個數(shù)據(jù)塊的加密時間；Sb為每個數(shù)據(jù)塊的大??；Bn為網(wǎng)絡(luò)帶寬；δ為系統(tǒng)負載對加密開銷的影響系數(shù)；Tl為當前系統(tǒng)負載；Tm為系統(tǒng)最大負載。

通過這種加密措施，有效抵御了潛在的安全威脅。此外，制定詳盡的數(shù)據(jù)備份與恢復計劃，每天進行全量備份，每周進行增量備份，備份數(shù)據(jù)存儲在異地災(zāi)備中心，確保在極端情況下也能迅速恢復數(shù)據(jù)，從而為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和高效分析提供了堅實的數(shù)據(jù)支持。

3.2 泄漏定位與預(yù)警模塊

在城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏檢測技術(shù)的深入研究中，系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心是泄漏定位與預(yù)警模塊。該模塊融合了高精度傳感器、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和先進智能算法，實現(xiàn)對管網(wǎng)溫度、壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測與分析，每5 min 一次的精準數(shù)據(jù)采集確保數(shù)據(jù)的實時性和準確性，而大數(shù)據(jù)技術(shù)則能在每秒內(nèi)處理數(shù)百萬條數(shù)據(jù)記錄，迅速挖掘出管道泄漏的特征信號。一旦識別到異常，溫度波動超過±1 ℃ 、壓力變化超出±0.1 MPa的閾值，模塊立即啟動定位算法。在定位過程中，聲波定位技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。通過式（2）估算聲波在管道中的傳播速度v。

式中：Y為比熱比；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度；M為摩爾質(zhì)量。

結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）與管網(wǎng)布局數(shù)據(jù)，將泄漏點位置鎖定至米級甚至厘米級精度，確保維修團隊能夠迅速響應(yīng)。同時，預(yù)警機制在幾秒內(nèi)即通過短信、郵件、APP推送等方式，向管理人員和維修人員發(fā)送包含泄漏點位置、程度及預(yù)計影響范圍的詳細信息，大幅縮短故障處理時間。

3.3 可視化監(jiān)控界面模塊

在城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的泄漏檢測技術(shù)應(yīng)用中，可視化監(jiān)控界面模塊是管理人員直觀、便捷的管理工具。該模塊集成實時數(shù)據(jù)展示、狀態(tài)監(jiān)測、泄漏預(yù)警與定位、歷史數(shù)據(jù)查詢及控制指令下發(fā)等功能。通過采用先進的圖表庫和地圖API技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化展示，包括管網(wǎng)布局、監(jiān)測點數(shù)據(jù)、泄漏位置與程度等信息。在此模塊中，注重用戶體驗，提供個性化界面定制、多用戶登錄與權(quán)限管理等功能，確保系統(tǒng)既安全又易用。為了量化用戶體驗并持續(xù)改進系統(tǒng)，引入用戶體驗評分機制，通過定期收集用戶反饋并計算評分，可以監(jiān)測系統(tǒng)的易用性和用戶滿意度，進而對界面設(shè)計和服務(wù)進行優(yōu)化。用戶體驗評分U通過式（3）計算。

式中：為第i個用戶的評分；n為參與評分的用戶總數(shù)。

4 試驗與分析

4.1 試驗準備

為保證智能城市供熱管網(wǎng)泄漏綜合檢測系統(tǒng)能夠在實際應(yīng)用中準確、快速地檢測并定位泄漏，需要準備以下試驗材料與設(shè)備，包括型號為JT-SC01的便攜式智能數(shù)字式泄漏檢測儀、型號為HP ProLiant DL380 Gen10的計算機、Canadian Solar CS6K-300MS太陽能光伏陣列、可調(diào)節(jié)泄漏率的標準泄漏模擬裝置（設(shè)定為0.5、1、2 L/h三個級別）、一套包含供熱管道和相關(guān)閥門的管網(wǎng)模擬裝置、用于記錄試驗數(shù)據(jù)和時間的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備以及監(jiān)測試驗過程中的溫濕度等環(huán)境參數(shù)的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。試驗先進行系統(tǒng)校準，然后搭建模擬供熱管網(wǎng)并調(diào)整試驗環(huán)境至室溫約20 ℃ 、相對濕度50%，接著在指定位置使用標準泄漏模擬裝置產(chǎn)生預(yù)設(shè)泄漏率的人工泄漏，并啟動檢測系統(tǒng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，以確保試驗結(jié)果的準確性。

4.2 試驗結(jié)果

為驗證智能城市供熱管網(wǎng)泄漏綜合檢測系統(tǒng)的效率和準確性，本試驗將從泄漏檢測靈敏度、泄漏定位精度、系統(tǒng)響應(yīng)時間等主要的系統(tǒng)性能指標，并選取5個運行時間點對系統(tǒng)的性能進行測試評估，具體測試結(jié)果如表1所示。

表1體現(xiàn)了智能城市供熱管網(wǎng)泄漏綜合檢測系統(tǒng)在5個運行時間段內(nèi)顯示出有效監(jiān)測和定位泄漏的能力。泄漏檢測靈敏度平均高達98.54%，顯示出對泄漏事件的高度敏感性，且隨著運行時間的延長，靈敏度有提升趨勢，特別是在最后兩個時間段內(nèi)達到頂峰。泄漏定位精度平均值為0.54 m，確保快速而準確地定位泄漏點。系統(tǒng)響應(yīng)時間反映出對緊急情況的迅速反應(yīng)，特別是在96～120 h時間段內(nèi)，響應(yīng)時間異常低至0.10 s，彰顯了系統(tǒng)的高效性。此外，系統(tǒng)的誤報率、漏報率極低，僅在24～48 h時間段內(nèi)出現(xiàn)一次0.02%，確保高準確性的同時減少了不必要的干擾和成本?？傊撓到y(tǒng)以其高靈敏度、精確定位、快速響應(yīng)和低誤漏報率，在城市供熱管網(wǎng)的運行安全和效率提升方面展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值。

5 結(jié)語

總之，城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)泄漏檢測技術(shù)的深入研究與廣泛應(yīng)用，不僅是提升城市供熱基礎(chǔ)設(shè)施安全性的關(guān)鍵舉措，也是推動節(jié)能減排、保護生態(tài)環(huán)境的重要途徑。借助現(xiàn)代硬件與軟件技術(shù)的深度融合，相關(guān)人員構(gòu)建出一套集智能化、自動化于一體的監(jiān)測體系，實現(xiàn)對供熱管網(wǎng)運行狀態(tài)的全方位、高精度監(jiān)控。這不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)并精準定位泄漏點，有效減少熱能的損失與浪費，還能大幅降低因泄漏引發(fā)的安全事故風險，保障城市居民的生活質(zhì)量與安全。展望未來，這一技術(shù)的普及與應(yīng)用，將有力促進城市供熱體系的綠色轉(zhuǎn)型，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標、構(gòu)建安全、高效、綠色的現(xiàn)代化城市環(huán)境貢獻重要的智慧與力量。

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