城市地下管网损伤监测与修复系统及损伤识别修复方法技术方案

本发明专利技术属于城市地下基础设施安全监测技术领域，公开了城市地下管网损伤监测与修复系统及损伤监测修复方法，在管网节点部署振动传感阵列，将振动信号无线传输至中央控制器，通过特征提取与损伤识别实现异常管段预警；利用移动机器人声呐扫描实现异常管段裂纹精准定位及修复。本发明专利技术通过对城市管网长周期、全方位监测与移动修复，对保障管网安全稳定运转有重要意义。重要意义。重要意义。

【技术实现步骤摘要】
城市地下管网损伤监测与修复系统及损伤识别修复方法


[0001]本专利技术属于城市地下基础设施安全监测
，具体是涉及一种城市地下管网损伤监测与修复系统及损伤识别修复方法。

技术介绍

[0002]城市地下管网是维持运转的重要保障，相比于地上常规工程建筑，地下管网具有强腐蚀、大应力特点，恶劣的工作环境使得管网损伤事故频发。随着城市基础设施建设规模的加大和管道部件老化效应，由于城市地下管网破裂损伤引发的路基沉陷、内涝、涌水等事故为人民财产安全带来巨大威胁，因此，对管网开展全局实时监测与损伤修复工作对保障城市运转具有重要意义和迫切现实需求。
[0003]地下管道工况环境狭窄且充满有害气体，人工巡检效率低且危险性大。此外，人工开挖式检测需要停水停工，耗费人力物力巨大。城市地下管网纵横分布，而开裂损伤往往较为细微，损伤隐蔽难以察觉，此种管网分布广域性和损伤监测局部性为当前的管道损伤监测技术带来挑战。
[0004]现有技术中相关针对城市地下管网漏损监测的研究，如专利申请CN216976544U城市地下管网漏损监测设备及监测系统、CN110553154A一种城市地下管网漏损监测方法与系统等，其均可对地下管网进行实时监测，判断是否有管道发生泄漏，但现有的方法是判断管道是否发生泄漏，即粗略发现泄漏范围，但对于更为精确的泄漏点（尤其是细微损伤点）还需人工去探测，然后才能进行后续的修复处理工作；现有技术目前难以权衡管网监测广域性和局部性矛盾，对管道细微损伤难以精确定位。

技术实现思路

[0005]因湍流碰撞管壁会使管壁发生振动，倘若管壁出现破损，水流在不均匀裂缝处激发的管壁振动形态会发生改变，为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种城市地下管网损伤监测与修复系统及损伤识别修复方法，根据振动信号差异性，通过管网节点传感器布置、数据，利用大范围节点振动信号分析监测管道损伤状态，并结合移动机器人相关技术开展裂纹精准识别与修复工作，解决管网监测全局性局部精准性问题。
[0006]本专利技术所述的城市地下管网损伤监测与修复系统，所述系统包括分布式异常振动监测系统、本地控制系统、中央控制系统和移动机器人探测修复系统，分布式异常振动监测系统，其通过安装在地下管网若干个监测节点的传感探头采集地下管道的振动信号并进行调理，将调理后的信号传输给本地控制系统；本地控制系统，其接收分布式异常振动监测系统的传输信号，将小范围正常与异常信号通过无线通讯至中央控制系统；中央控制系统，其对接收的异常信号进行处理后，控制移动机器人探测修复系统对损伤点进行精确定位；同时发出控制信号给本地控制系统，从而实现本地控制系统的启动或停止；
移动机器人探测修复系统，其根据中央控制系统发送的指令对异常管段的裂纹开展评估，通过基站将损伤状态传输至中央控制系统，并对损伤进行修复。
[0007]进一步的，所述分布式异常振动监测系统包括传感探头和信号调理模块；若干个传感探头分别安装在地下管道的监测节点上，用于采集破损处水流撞击管壁产生的异常振动信号，并将异常振动信号转为电信号；所述信号调理模块包括电压放大电路、滤波电路、微处理器、信号收发模块和电源模块；其中，所述电压放大电路将输入的原始微弱的振动电压信号放大至滤波电路的电压区间；滤波电路对放大后的振动电压信号去除噪声后传送至微处理器；所述微处理器将去噪后的振动电压信号传输至本地控制系统，电源模块分别为电压放大电路、滤波电路、微处理器供电。
[0008]进一步的，所述本地控制系统包括电子开关、信号存储模块和无线通讯模块；所述电子开关用于切换多个探头数据，实现采集序列化；所述信号存储模块将探头采集的信号有序编码存储，在中央控制器指令下实现传输准备；所述无线通讯模块采用SIM卡方式，将振动数据无线传输。
[0009]进一步的，所述移动机器人探测修复系统包括：步进声呐环扫探测模块、声呐系统、损伤修复模块；步进声呐环扫探测模块包括步进电机系统、声呐系统；所述步进电机系统控制声呐系统在环状轨道上对管道内径实现360
°
扫描，步进角度为2
°
；声呐系统向管壁发射超声脉冲，根据回波信号强度测算距离，判定管道破损点；损伤修复模块，对破损点实现精准修补；移动机器人的侧壁上还安装有温湿度传感器、气体传感器、经纬度传感器及GPS传感器。
[0010]进一步的，所述中央控制系统包括振动信号特征提取模块、泄漏损伤识别模块、全局监测时序控制模块；所述振动信号特征提取模块用于提取正常湍流状态下的噪声信号和异常破损状态下的信号包络特征；所述泄漏损伤识别模块采用softmax算法，对信号包络特征进行分析，判定是否出现损伤；所述全局监测时序控制模块对判定结果进行处理，控制本地控制系统的启动与停止；同时全局监测时序控制模块发出指令给移动机器人探测修复系统，控制其对损伤点精准定位并进行修复。
[0011]城市地下管网损伤识别修复方法，利用所述系统，对系统的异常破损识别进行识别，所述方法步骤为：步骤1
‑
1、通过分布式异常振动监测系统采集地下管道的振动信号，将处理后的振动信号通过经本地控制系统发送给中央控制系统；步骤1
‑
2、中央控制系统针对接收的振动信号，利用极值分析和三次样条拟合方法得到函数包络信号；步骤1
‑
3、中央控制系统提取函数包络信号的分形维数参数，分别获得正常状态训
练组特征、标签及损伤状态训练组特征、标签；步骤1
‑
4、中央控制系统利用softmax算法对正常状态分形维数参数和破损状态分形维数参数开展训练，得到损伤识别模型；步骤1
‑
5、对实时监测数据进行包络信号提取和分形维数参数计算，然后输入softmax分类器，得到正常、损伤状态二分类概率，选取概率值大的作为识别结果；步骤1
‑
6、中央控制系统将识别结果发送给移动机器人探测修复系统，通过其对破损点进行精准定位，并对破损点进行修复。
[0012]进一步的，所述分布式异常振动监测系统采用触发
‑
休眠工作模式，具体为：1）中央控制系统发送开始采集指令给本地控制系统；2）本地控制系统通过其内部的电子开关控制分布式异常振动监测系统进行信号采集；3）分布式异常振动监测系统开展信号调理，将调理后的信号传输至本地控制器；4）本地控制系统将接收到的调理信号传输至中央控制器；5）中央控制系统发送确认信号，本地控制系统接收到确认信号后指定分布式异常振动监测系统进入休眠模式，等待下一次开始采集指令。
[0013]进一步的，所述步骤1
‑
2中，通过局部峰值检测方法提取包络，对间隔采样点两两作差判定走势，当走势由上升变为下降时则判定此点为局部极大值点，利用三次样条拟合方法拟合所有极大值点，获取信号包络线。
[0014]进一步的，所述步骤1
‑
3中，对包络信号计算分形关联维数指标，首先对包络信号构建欧式空间内序列集，然后计算序列点间的欧式距离，利用Heaviside函数计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.城市地下管网损伤监测与修复系统，其特征在于，所述监测系统包括分布式异常振动监测系统、本地控制系统、中央控制系统和移动机器人探测修复系统，分布式异常振动监测系统，其通过安装在地下管网若干个监测节点的传感探头采集地下管道的振动信号并进行调理，将调理后的信号传输给本地控制系统；本地控制系统，其接收分布式异常振动监测系统的传输信号，将正常与异常信号通过无线通讯至中央控制系统；中央控制系统，其对接收的异常信号进行处理后，控制移动机器人探测修复系统对损伤点进行精确定位；同时发出控制信号给本地控制系统，从而实现本地控制系统的启动或停止；移动机器人探测修复系统，其根据中央控制系统发送的指令对异常管段的裂纹开展评估，通过基站将损伤状态传输至中央控制系统，并对损伤进行修复。2.根据权利要求1所述的城市地下管网损伤监测与修复系统，其特征在于，所述分布式异常振动监测系统包括传感探头和信号调理模块；若干个传感探头分别安装在地下管道的监测节点上，用于采集水流撞击管壁产生的振动信号，并将振动信号转为电信号；所述信号调理模块包括电压放大电路、滤波电路、微处理器、信号收发模块和电源模块；其中，所述电压放大电路将输入的原始微弱的振动电压信号放大至滤波电路的电压区间；滤波电路对放大后的振动电压信号去除噪声后传送至微处理器；所述微处理器将去噪后的振动电压信号传输至本地控制系统，电源模块分别为电压放大电路、滤波电路、微处理器供电。3.根据权利要求1所述的城市地下管网损伤监测与修复系统，其特征在于，所述本地控制系统包括电子开关、信号存储模块和无线通讯模块；所述电子开关用于切换多个探头数据，实现采集序列化；所述信号存储模块将探头采集的信号有序编码存储，在中央控制器指令下实现传输准备；所述无线通讯模块将振动数据无线传输。4.根据权利要求1所述的城市地下管网损伤监测与修复系统，其特征在于，所述中央控制系统包括振动信号特征提取模块、泄漏损伤识别模块、全局监测时序控制模块；所述振动信号特征提取模块用于提取正常湍流状态下的噪声信号和异常破损状态下的信号包络特征；所述泄漏损伤识别模块采用softmax算法，对信号包络特征进行分析，判定是否出现损伤；所述全局监测时序控制模块对判定结果进行处理，控制本地控制系统的启动与停止；同时全局监测时序控制模块发出指令给移动机器人探测修复系统，控制其精准定位损伤点并对其进行修复。5.根据权利要求1所述的城市地下管网损伤监测与修复系统，其特征在于，所述移动机器人探测修复系统包括：步进声呐环扫探测模块和损伤修复模块；步进声呐环扫探测模块包括步进电机系统、声呐系统；所述步进电机系统控制声呐系统在环状轨道上对管道内径实现360
°
扫描，步进角度为2
°
；声呐系统向管壁发射超声脉冲，
根据回波信号强度测算距离，判定管道破损点；损伤修复模块，对破损点实现精准修补；移动机器人的侧壁上还安装有温湿度传感器、气体传感器、经纬度传感器及GPS传感器。6.城市地下管网损伤识别修复方法，其特征在于，所述方法步骤为：步骤1
‑
1、通过分布式异常振动监测系统采集地下管道的振动信号，将处理后的振动信号通过经本地控制系统发送给中央控制系统；步骤1
‑
2、中央控制系统针对接收的振动信号，利用极值分析和三次样条拟合方法得到函数包络信号；步骤1
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3、中央控制系统提取函数包络信号的分形维数参数，分别获得正常状态训练组特征、标签...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶锴，王强，岳东，窦春霞，吴国庆，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：