基于云服务的污水管网智能维护系统设计＊

陈惠英，干佳跃

（湖州师范学院 工学院，浙江 湖州313000）

0 引言

目前，我国生活污水及工业废水需要通过长距离压力输送传输至污水处理厂.在输送的过程中，微生物产生的气体、叶轮吸入的气体等，如果没有得到及时排放，会导致输送力下降、管道因压力过大而造成损伤.因此污水管网均需加装排气阀用于管道内的气体排放，以确保管道内压力平衡［1～3］.由于污水收集不均匀、管道压力不均衡、开停机频繁，再加上污水内杂质多，排气阀浮球传动机构经常会发生卡住、动作迟缓、橡胶老化、杂质粘在橡胶圈上等现象，造成排气阀产生喷漏现象［1］.故障的产生能导致环境污染的安全事故，社会反响较大.我国当前排污管道上安装的排气阀多为SCAR 复合式排气阀，如图1所示.此类排气阀在日常运行中出现的主要问题是发生渗漏.其主要原因有：①污水收集量不均匀、管线开停泵频繁，造成管道内压力变化较大，出现管道内压力小于排气阀正常工作压力的情况，从而导致排气阀关闭不严；②污水中含有大量杂质垃圾，容易造成阀体内传动装置及密封盖卡死；③排气阀传动装置失效，浮球的连接杆或连杆被水冲断，导致排气阀不工作；④排气阀橡皮圈老化，造成关闭不严［2］.

污水管网中的排气阀承担着平衡管网压力的作用，是管网安全的主要保障，但由于使用环境恶劣，排气阀不可避免的会产生老化及损坏，造成污水泄漏，对周边环境及地下水造成直接污染.国内对于水环境污染的治理与国外相比起步较晚，70年代我国开始采用热工仪表，80年代采用分析仪表和DCS系统对污水处理进行检查.虽然我国现阶段对污水管网水质在线监测以掌握污水管网实时水质情况，或对城市污水管网的监测维护等方面的信息化及自动化监控程度较高［4～10］，但对于污水管网中的排气阀装置的监测手段仍较多地停留在人员定时巡检的传统方式上，未有任何系统化、网络化和自动化检测装置及信息化管理维护系统的使用.虽然近几年许多企业在研发相关的排气阀自动化检测监控装置方面取得了很大的进展，代表性的企业有浙大中控集团公司、杭州小桥流水公司等，但两者的技术都停留在泄漏报警的研究上，还不能实现在窨井下安装设备浸泡在水中和雨天两种环境下进水和出水的判别，因此容易产生误报警，另外这些装置均无法提供二次防护以避免污水泄漏，从而无法突破零泄漏的目标.此外，有关污水管网排气阀信息化管理系统的研究与应用，目前国内还未见报道.

随着我国社会经济的发展，我国对城镇生活污水、工业污水的治理投资大幅增加，城镇污水管网的建设需求越来越大，如何保障污水管网的安全运行，以及高效地管理和维护城镇污水管网系统，已成为城镇管理迫切希望解决的问题.本文根据污水压力管网中的排气阀现有技术及产业发展的趋向，在周密调研污水管道输送排压原理、原有装置性能和日常巡检工作要求的基础上，综合运用云计算和物联网应用技术，并结合电子技术、嵌入式系统及无线数据通信等技术，构建一个污水管网排气阀智能化保护装置——无线传感网—云服务平台—智能终端监控和信息化管理的全方位智能维护系统.该系统实现的主要功能有：①污水泄漏的正确判断以防误报警；②通过污水泄漏自动关闭功能杜绝污水在排水管道输送中发生的泄漏污染事故，实现零泄漏；③通过故障实时报警第一时间通知维护人员进行排气阀故障维修；④实现对污水管网排气阀的集中在线监控及高效的智能化管理和维护.该系统能成功解决当前污水管网排气阀运行和管理过程中普遍存在的共性问题，从而全面提升污水管网排气阀的安全运行水平和管理维护水平.

1 系统设计

本文设计的污水管网智能维护系统结构如图2所示.该系统主要包括两大部分：第一部分是分布在野外的污水管网排气阀泄漏智能化二级保护装置的开发，实现将现有的二级装置从少污染提升为零污染状态，并且能正确识别污水泄漏防止误报警；第二部分是基于云服务的污水管网智能维护系统的开发，实现对管网排气阀的集中在线监测及高效的智能化管理和维护.

1.1 排气阀泄漏智能化二级保护装置的结构和原理

远程监测点的排气阀智能化保护装置机械结构设计和安装图如图3所示，其中智能化保护装置安装在现有的SCAR 复合型污水排气阀的上部.

市场现有的二次保护装置一般采用单个接近开关检测浮球上下浮起来判断，但不管是污水泄漏还是正常雨水的排污，都会触发信号导致误报.当雨水天气时，原有的SCAR 排气阀出现问题导致污水泄漏时，不能起到关闭作用而误报.另外，当SCAR 排气阀与市场上现有的二次保护装置安装于窨井内时，整个装置浸泡在水中，导致外部水压和二次装置内部的水压相等，浮球状态不确定，此种情况下也不能起到及时的报警或误报.

本文开发的智能化二次保护装置能解决上述问题.当原有的SCAR 排气阀泄漏后，污水被收集到所设计的二级保护装置中，随着时间的延续，使浮球通过水的浮力作用将连杆往上推，促使弧形密封圈内部安装的传感器按照时间顺序切割3个线圈，从而产生电信号提供给检测电路进行检测判断，但由于空间有限，当水的泄漏导致二级保护装置完全关闭后，弧形密封圈触动机械开关阀门，使安装于SCAR 排气阀中的压力传感器的读取值与二级保护装置中的压力值相等，此时弧形密封圈已完全盖住橡胶密封圈，解决了二次污染问题.另外，可配合两个压力传感器的压力值判断泄漏的总状态，实现二次防护问题.

由于受安装环境的限制，排气阀泄漏智能化二级保护装置体积要小，同时实现信号检测、流向判别、泄漏二次防护、自供电和网络智能报警等功能.装置内置电路整体结构模块图如图4所示.

1.1.1 高效太阳能储能电路硬件开发

光伏电池板安装在二次保护装置的上面，其输出电压的控制由储能电路完成.当光伏电池板输出电压大于锂离子电池输出的电压时，对锂离子电池进行充电，并提供整个系统的供电.ARM 能检测当前电池储蓄的电能，计算当前的持续使用时间.另外设计电池充电控制器，以避免电池过度充电或过度消耗，从而延长电池的使用寿命.一旦电池充电充满，充电控制器就不允许电流从光伏模块继续流入电池中.一旦电池电量消耗到一定值，将不允许更多的电流继续从电池流出，直至对电池进行重新充电.因此，充电控制器的使用对延长电池寿命起重要作用.系统采用具有高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex－M3内核配合CPLD，实现全数字化控制方案.

1.1.2 高精度微弱信号分量检测电路

为了能正确区分流体的流向判别，采用浮球的浮力动作推动密封盖，利用安装于密封盖内部的电子部件切割缠绕于保护装置橡胶圈上的三组线圈（位置分布不同）.通过不同的浮力动作，推动不同方向的流向开关阀，并通过安装在不同位置的压力传感器测定压力，三者结合判断流体的流向.

在图4中，信号检测电路模块中的三路线圈检测信号经滤波后得到含交流成分的脉动直流电压信号，经过一个高精度运算放大器构成信号采集电路.该电路具有放大直流信号，衰减交流信号的功能.并将该电流信号通过一个高精度的电流/电压转换电路转换成相应的电压信号，其输出信号经低通滤波后再经过一个高精度运算放大器电路，同样是放大直流信号而衰减交流信号.经过两级的信号放大和衰减，直流分量信号得到了两次放大，而交流分量的信号得到了两次衰减，最后输出的电压信号通过24位的高精度A/D 转换，此时输出的信号为线圈输出的直流分量的数千倍，交流分量被衰减到很小.由于直流分量值可能为负值，故采用加法电路将直流分量送到STM 的信号输入端.软件方面采用STM32（F103VCT）＋CPLD（EPM240T100C5N），依靠其强大的数字处理功能，实时检测信号及动作方向的数值，并通过模拟数字间的转换，保证信号传输的平滑而稳定工作.

1.1.3 流向判断检测和自动防泄漏部件构体设计

在图3的智能化保护装置机械结构设计和安装图中，采用10mm 壁厚的304不锈钢材料作为外壳材料，内部经过二级流向及单向流动以隔离进水与出水间的互相干扰，并通过内部浮球的动作推动开关阀，和安装于橡胶圈中的线圈进行切割产生磁力线，并结合两个压力传感器确定流体的流向.电路采用3个线圈进行采样信号及三级信号放大处理，三组线圈通过机械部件的结构设计配合信号采集开关进行次序方向的判别，将电压的模拟信号转换成相应的数字信号输送到中央处理器.

设计时考虑的防泄漏与正常给排水的操作如下：

（1）当泄漏时，密封盖上的传感器先触发第二、三路的信号检测电路，并触动机械开关阀的由下往上的动作方向，结合SCAR 排气阀上的压力传感器与二级保护中的压力传感器是否相等判断水流由内往外流的不正常方向.

（2）在下雨或窨井里储满水的正常给排水情况下，密封盖上的传感器先触发第一、二路的信号检测电路，并触动机械开关阀的由上往下的动作方向判断水流由外往内流的正常给排水.另外在管道内部排水的一级排气阀关闭情况下，二级排气阀打开，当窨井及雨天的雨水浸泡二级保护装置时，在二级保护装置内的水压与外部水压相等的情况下，为了防止二级保护装置的误报，在排气阀一级装置与二级装置中的密闭圈底部安装压力传感器判断一级保护装置是否正常关闭.

（3）二级保护装置中的水压比较分两种情况判断：①正常给排水时密闭圈底部压力传感器压力很小，在一级保护装置关闭，二级保护装置打开的情况下，一级密闭圈底部压力传感器压力很大，二级保护装置底部压力小，认为正常给排水；②在两者压力传感器相等的情况下，认为排气阀泄漏.此时通过密封盖传感器切割橡胶圈内部线圈判断水流，并通过安装于两个部位的压力传感器二次确认当前的排水为泄漏状态，通过两者的互相配合准确无误地采集有用的信号量，并将信号分别给第三级的低通滤波器电路，低通滤波电路和压力传感器的信号输出端分别连接到中央处理器CPU 上，控制防泄漏阀关闭并通过中央处理器控制GPRS将信息传递给云服务中心.

1.1.4 GPRS网络智能报警电路的开发

野外分布式的排气阀泄漏智能化二级保护装置，需具备网络智能报警的功能，当出现故障时除了智能化装置自动进行二次防泄漏关闭外，还需及时通知相关管理部门进行现场维护.本装置应用内置的GPRS通讯模块电路，通过监测控制部件的短信息服务（SMS）或通用分组无线业务（GPRS）、全球移动通信系统（GSM）等技术，当排气阀出现故障时，可向维护人员和云服务平台同时发送排气阀故障报警信息，便于相关人员迅速赶往现场进行维护.

1.2 基于云服务的污水管网智能维护系统设计

在污水管网排气阀管理行业中，目前较多采用的还是传统的人工定期巡查管理方式，缺乏有效地信息化监管平台进行集中地监控和调度管理，也缺乏应付突发事件的快速反应能力.鉴于目前城镇污水管网铺设需求大、排气阀数量众多、范围广等特点，传统监管模式已不能满足现代化管理的发展需求，需进一步加快污水管网系统的信息化建设.目前，云计算和物联网技术已逐渐应用到各个领域［11～12］，为解决污水管网排气阀的信息化管理和维护提供了新的思路和途径.

本系统利用云服务平台，构建了适合区域化的实时监控和智能化管理系统，实现对管网中排气阀的集中在线监测和相关信息管理等，同时允许不同用户（管理人员和维护人员）通过多终端（如电脑、智能手机和PAD 等）以Web方式进行方便快捷地访问和信息交互.同时利用历史数据（包括排气阀的产品信息、地理位置、故障报警信息、检维修的次数和时间等），构建污水管网排气阀智能维护云服务专家系统，实现管网排气阀检维修工作的智能调度.系统采用B/S体系架构，其云服务平台的总体框架如图5所示.

智能化保护装置中的GPRS通讯模块通过通讯接口程序与数据服务中心进行通信，将故障报警信息传输到数据服务中心，并由数据服务中心读取并存储至数据库中，同时产生故障实时报警，通知维护人员及时到现场进行维护.数据库的设计采用Oracle关系型数据库，平台的开发采用JSP技术、JDBC 数据库连接技术等.在特定的数据中心进行数据汇集、存储、处理和共享.数据中心要对系统实现集中监测和管理，负责接受和处理本辖区内各个前端设备发送的监测数据、设备状态等信息，以及用户发送的信息等，并将处理后的信息分类、分项存储，供上级管理中心与管理部门共享；利用大数据集处理技术，构建智能维护云服务专家系统，实现对管网排气阀检维修任务的智能调度.通过该平台主要实现对污水管网排气阀基础信息管理、运行监控管理、检维修情况管理、历史数据管理、检维修任务调度管理、用户权限管理等，从而形成闭环管理系统.

系统界面友好、操作方便，客户端允许采用不同访问终端以浏览器模式进行方便快捷地访问和信息交互.维护人员可通过多种访问终端（如电脑、智能手机和PAD 等）查询管辖范围排气阀的基础信息、运行情况、检维修情况等相关信息，以及管理人员发布的检维修任务等；待检维修工作完毕后，可通过界面记录排气阀的检维修情况.管理人员除了可查阅和管理管网所有排气阀、用户的相关信息外，也可根据历史数据，利用智能维护云服务专家系统对排气阀的检维修任务进行合理调度，给相关维修人员发布检维修任务等.

1.3 使用测试

安装排气阀泄漏智能化二级保护装置后，实现了排气阀运行状态的全天候实时监控.一旦发生排气阀泄漏，便启动污水泄漏自动关闭功能并发生故障报警信号，同时控制中心能实时监控排气阀的运行信息.测试共安装该排气阀智能化二级保护装置10套，测试运行3个月以来共发现排气阀泄漏事件4次.

2 结语

本文根据污水管网中排气阀的现有技术及产业发展趋向，构建了一个污水管网排气阀智能化保护装置——无线传感网—云服务平台—智能终端监控和信息化管理的全方位智能维护系统.通过采取改善排压装置结构、排气阀泄漏在线监测、实时无线传输等技术和基于云服务的智能信息化管理措施，全面提升了污水管网排气阀的安全运行水平和管理维护水平.

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