[发明专利]地下供水管网漏水声音信号采集和压缩法

说明书

本发明公开了一种地下供水管网漏水声音信号的采集和压缩方法，用于漏点传感器向后台服务器提供漏水检测所需要的声波数据。本发明内容由如下要素构成：漏点传感器布设间距优化；传感器工作时段选择；声波信号采样频率配置及抽样；声波信号无损压缩。本发明方法有效降低了漏点传感器的处理功耗和无线通信流量。

技术领域

本发明属于漏水检测技术领域，涉及一种地下供水管网漏水声音信号采集和压缩方法。

背景技术

我国水资源短缺，时空分布不均。目前，全国600 多个城市中，400 多个缺水，其中100 多个严重缺水，在32个百万人口以上的特大城市中，有30个长期受缺水困扰。地下供水管漏水带来的水资源浪费更是加剧了这一问题。根据对408个城市的统计，我国城市供水管网漏损率平均达21.5%，全国城市供水漏损量近100×109M³/年，折合用电量超40亿KWh，并有逐年上升趋势。

地下供水管网漏水除带来水资源的浪费外，还会引起其它诸多问题。地下水管长期漏水可能造成地下空洞、引起路面坍塌，构成了严重的安全隐患；由于水管漏损点可能受到外源的污染，城市供水管网中的水质也会受到污染，给饮用水卫生安全留下了隐患；地下供水管漏损还会给居民用水带来不便，如水压不稳定，水表转速过快，水费与实际用水量不符等等。

因此，供水管网的漏水检测是现代城市管理中的一项重要工作。传统的人工巡检方式通过听音杆和钻孔机等相关设备人工排查，实时性不强，不能及时定位漏点。供水管道发生漏水时，漏水喷出与空气、泥沙等撞击和摩擦，同时受附壁现象、卡尔曼涡流、边缘效应等影响，会产生不同频率的振动，形成漏水声波。基于声信号分析的检测定位方法充分利用了这一现象，漏点传感器在管道的两端采集泄漏噪声（声音或振动），采集信号通过无线方式传送给监控工作站，工作站基于LMS 方法计算两端泄漏信号的最大相关时延偏移，进而结合泄漏噪声的传播速度和两测量点间的管道距离来确定漏点位置。由此发展起来的地下供水管网无线监控系统，通过融合物联网技术、GIS 技术和无线通信技术，克服了人工巡检方式中对专业人员的高度依赖和漏点查找不准的问题，提高了管网维护的信息化程度。

由于漏点传感器往往安装在地下管道中，其供电和通信方式受到工作环境的极大制约，供电只能靠自备电源提供，便捷的通信方式首选无线网络。因此，漏点传感器的设计方案必须顾及功耗和通信流量。然而，现有的漏点传感器普遍存在两大问题：传感器工作频率设计不恰当，超过了漏水振动声波正常取样的上限，造成了额外数据量处理功耗的不必要增加；数据没有经过压缩直接传输，增加了无线通信带宽资源的消耗。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种地下供水管网漏水声音信号采集和压缩方法。其特征在于，所述的采集和压缩方法，包括以下内容：

1、漏点传感器布设

传感器的安放间距与管材有关，钢管一般在2 公里以内，对于声波传播衰减较大的PE管，缩小安放间隔，以 800 米以内适宜。

2、传感器工作时段

为减少环境噪声的干扰，一般选择在凌晨 2-4 点进行采样，传感器每天采样1~2 次，每次采样 1 分钟。

3、声波信号采样频率 管道发生漏水时，喷出管道的水与漏口发生磨擦以及与周围介质产生撞击，会产生不同频率（50～2500Hz）的震动，发出漏水声。漏水声沿管道传播，通常包括漏口摩擦声、水头撞击声和介质摩擦声。鉴于漏水声最大振动频率只有 2.5KHz，因此，根据奈奎斯特采样定律，传感器按 5KHz 采样就能满足精度要求。高于这个频率的采样带来数据量的徒劳增加，并不能真正提高数据处理精度。为此，本发明将传感器采样的工作频率设置为5KHz。同时，对于工作频率高于 5KHz 的传感器，采取软件下采样技术将信号抽样到目标频率，以减少数据保存的存储空间需求。