一种市政排水管道堵塞的检测预警系统的研究

徐唯玮 张振峰 曾启星 刘文鑫

摘   要：针对市政排水管道堵塞信息获取的不便性与滞后性，及由此导致污水溢出等的危害性，本文提出并设计一套市政排水管道堵塞的检测预警系统。系统能在日常管理中，从水位、管径变化两个角度智能收集、评估市政排水管道堵塞情况。并基于单片机与无线互联技术，及时向管理部门发出预警信号，从而提早、准确地发现有堵塞风险的管道，并定位管道所在的位置。本系统还可接入智慧小区安防系统中，助力于智慧小区排水安全及卫生环境的构建。

关键词：市政排水管道  堵塞检测  预警系统

中图分类号：TU992                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0022-03

当前，国内常应用于市政排水管道堵塞检测方法，如管道潜望镜检测等，都需要人工直接或间接地参与操作，堵塞信息获取往往滞后。同时，由于市政排水管网复杂，堵塞信息获取甚为不便，一旦堵塞发生，轻则造成排水不畅，重则污水溢出影响环境，造成通行不便或其他安全问题。再者，现有的管道堵塞检测系统，主要针对水位进行测定，检测指标较为单一。且现有系统的无线网络组网较困难，也存在无线传输信号不稳定、维护麻烦等问题。

鉴于上述问题，本文提出设计一种新型的市政排水管道堵塞检测预警系统。基于现有的研究，本系统在基本功能、检测指标等方面进行了完善，并展望了系统的应用前景。

1  研究目的

（1）基本功能方面，本系统能在日常管理中智能收集、评估市政排水管道堵塞情况，并向管理部门发出预警信号，从而解决市政排水管道堵塞信息获取的不便性与滞后性，减少由此导致污水溢出的危害性等问题。

（2）检测指标方面，考虑淤泥是造成管道堵塞一个重要原因，本系统结合了水位检测与管道淤泥重量检测，能在符合市政排水管道水力特性下，直接、间接地从水位、管径变化两个角度评估堵塞情况，提高评估的准确性。

（3）无线网络传输方面，基于现有系统无线网络组网困难问题，本系统采用了基于Logi-IoT協议的无线通信技术和产品优化了检测预警系统网络，提高了系统的性能和可靠性。

（4）应用场合和范围方面，本系统在“雨洪管理”概念提出下，可承担监控城市排水管网堵塞情况的任务。同时，除了用于日常的市政管理，本系统还可接入智慧社区的安防系统中，补充、完善现有的安防系统。

2  研究内容

本系统由检查井内测量装置、信息检测与数据传输网络、上位机三个主要部分构成。

2.1 检查井内测量装置

检查井内测量装置由集成管段、水位检测装置、淤泥称重装置、导线和信号控制装置五个部分组成，见图1。这些装置外部采用透明的防水材料封装，内部电路板采用环氧树脂胶进行防水处理，以保证供电可靠性[1]。

（1）集成管段。

集成管段放置在检查井内，接驳在连接检查井的上游排水管道。称重管段制作材料可选用HPDE或UPVC，尺寸与需要连接的上游管道一致，且两者间的连接方式根据具体尺寸、材质可采用承插式、卡箍式等。

（2）水位检测装置。

水位检测装置集成在设置于管段中间位置的内顶壁上，内部装载着非接触式液位传感器，该传感器通过计算超声波发送、接收产生的时间差与声速的关系，从而确定集成管段内的水位高度[2]。

（3）淤泥称重装置。

淤泥称重装置设置于管段中间位置的底部外壁，称重装置底部埋入检查井井底预留的槽内以作固定。装载在淤泥称重装置的电阻应变式称重传感器伸入集成管段内，用于检测称重管道内某一横截面上的淤泥重量。后期通过建立相关的数学模型可将淤泥重量转化为对应淤泥厚度，从而间接反映出排水管道管径的变化量。其中，电阻应变式称重传感器通过称重面在外力作用下产生弹性形变，同时使附着在称重面上的电阻也发生形变影响其阻值变化，其后通过测量电路将这一阻值变化换算一定的电压或电流变化。此外，该称重面为水平面，略突出于称重管道底部。称重面制作材料可以选择Tc4、Tc9钛合金。这种材料适合用作动态测量传感器的弹性元件，同时具有很强的抗腐蚀性[3]。

（4）导线。

用于分别连接水位检测装置、淤泥称重装置与信号控制装置。导线外部可以采用乙丙橡胶等防水套管进行保护。

（5）信号控制装置。

信号控制装置安装在检查井侧壁的指定位置和高度上，装置内部以STC15W4K32S4系列单片机为控制器，并装载着基于Logi-IoT无线通信协议的DTU、电源模块。

系统选用STC15W4K32S4系列单片机具有以下特点：RAM、ROM容量大适用于多数据的储存;供电电压为2.5～5.5V并有3种省电模式，可用电池供电且符合低功耗要求;内部带8路10位ADC和高精度时钟，无需外部集成这些模块等[4]。这些特点与由于本装置安装在地下、需要采用低功耗独立电源等要求相符合。

且单片机采用RS232串口与采用基于Logi-IoT无线通信协议的DTU连接。Logi-IoT通信距离达0.1m～15km，并可通过增加中继（深度可达64级）的方式进行网络覆盖，且网关可通过Logi-IoT无线网络轮询各终端数据，使上位机通过无线网络获取预警信号更高效便捷。同时，Logi-IoT具有强穿透能力（最强可穿透20层楼）、低功耗（发射1W，待机25mW）、自带定位功能（精度为3m）、无运行费用（相较4G通信）的优点[5]，这些特点与本系统处于地下、安装量大等特性相匹配。

2.2 信息检测与数据传输网络

（1）信息检测。

首先，通过信息控制装置内的单片机设定传感器检测周期与报警阈值。其中，检测周期可根据装置安装地的具体堵塞严重情况或当地的重现期设定。水位报警阈值为恒定值;淤泥重量报警阈值是与水位检测值有关的函数，该水位检测值为最近一次检测值。

装置通过导线获取水位检测装置的水位检测信息与淤泥称重装置内的淤泥重量检测信息，当检测值大于各自装置内设置的报警阈值时，单片机将立即启动无线通信模块，将对应的堵塞预警信号传送至临近的DTU 1500中继。当检测值小于各自装置内设定的报警阈值时，可设计程序将这些数据按时间顺序先保存在单片机，当达到一定时间后再一次性将数据打包发送，上位机再对数据进行解析。

（2）数据传输网络结构。

考虑到市政管网具有复杂、连接量大等特性，数据传输网络采用树形无线网络结构。该网络结构采用DTU 1500作为骨干节点，组成多层的树形网络，并支持Modbus RTU透传（见图2）。该网络结构可用：Logi-IoT DTU*m*n + DTU 1500（Modbus从站）*m + GW 160（Modbus主站）+HMI 表示。（其中m、n为正整数，m≤64、n≤500）。

2.3 上位机

上位机人机界面要有预警信号提示、数据记录等功能，支持上位机实现获取并定位有堵塞風险的管段信息，同时能回看不同管段的水位高度、淤泥厚度数据。

3  应用分析

3.1 应用前景

（1）市政管理中的监测环节。

本系统适用于市政排水管理中，或在“雨洪管理”模式下起城市排水管网监控作用。功能上，本系统能在日常工作中智能收集、评估排水管道的堵塞情况，并向管理部门发出预警信号。随着本系统的应用，一方面能解决当下市政排水管道堵塞信息获取的不便性与滞后性问题。其次，能帮助管理部门及时掌握排水管道淤塞度情况，便于管理者合理安排相关的清淤、防范工作，降低因管道堵塞造成的城市水浸等危害。

（2）智慧社区的运用。

本系统除了运用在市政管理上，还可应用于智慧社区的安防系统中，对现有的安防系统进行补充。随着人们生活水平的提高，一些高端社区的住户对居住环境或物业管理有更严格的要求。将本系统引入这些社区，能帮助管理者及时发现有堵塞风险的管网，降低因堵塞发生路面积水等隐患，为社区住户提供更舒适的居住环境。

3.2 存在的问题及其分析

（1）装置的安装与尺寸。

在系统建立前期，应进一步深入调研，根据实际堵塞情况，在相应图纸上对安装点进行标记，并获取其排水管网尺寸等信息。根据获取的信息，确定集成管段、淤泥称重装置与水位检测装置的尺寸。由于城市排水管道直径有确定的一系列的规格，因此可以根据排水管道规格建立相关的资料库，减少实际调研的次数。

其次，信号控制装置安装在检查井内壁上，但为了提高供电可靠性和安全性，应结合现场调研情况，最终确定具体的位置与高度。

（2）报警阈值的确定。

如何合理地确定各检测指标的报警阈值是本系统的重难点之一。由于当下市政排水管道一般的清堵模式为定时清堵、产生水浸等危害后的应急清堵两种，因此有关管理部门应当结合历史堵塞情况、下水管道管径、降雨情况等综合情况，反复实测并确定出合理的报警阈值。

水位报警阈值可以根据实际调研确定具体的高度。而为了确定淤泥重量报警阈值，还需要推算出一种新颖且较为复杂的算法或模型。淤泥称重装置在管道有水流动的情况下，测得的是淤泥重量和水重力之和。但结合不同尺寸的管径和最新的水位高度信息，可相应换算出此刻称得的水重力。排除了水的重力后，还需要分析淤泥内部成分的比重变化对淤泥称重的影响，因为同等重量但成分比重不同的淤泥，对排水管横截面面积改变的程度都不相同。因此，想要确定最精确的淤泥检测报警阈值，需要在日后进行大量的数据收集工作，并开展相关实验进行测试与分析。

4  结语

本文提出了一种市政排水管道堵塞检测预警系统，相较其他研究，本系统在基本功能、检测指标上进行了完善，并提高了系统无线传输网络可靠性、稳定性，同时展望了系统的应用前景——可同时运用在市政管理及智慧社区安防系统中。但本系统想得到广泛的实际运用，还需要对实测数据、检测数据反复对比，详细分析水位、淤泥厚度检测数据与堵塞程度之间的数学关系，并不断修正预警参数以提高检测准确率。通过不断完善，相信本系统能在智慧社区、城市排水管网管理，乃至流域雨洪管理中成为必不可缺的一环。

参考文献

[1] 于华成，杨光军.路面下水道堵塞检测及沼气提醒器的研究与设计[J].内蒙古科技与经济，2018（18）：98-99.

[2] 顾佩月，贺文晨，周雨薇.基于SI1000的下水道堵塞装置[J].物联网技术，2015（3）：19-20.

[3] 刘九卿.称重传感器弹性元件金属材料的分析与选择[J].衡器，2001（10）：10-16.

[4] 宏晶科技.STC15系列单片机器件手册[EB].http：//www.STCMCU.com.

[5] 图伦科技.图伦科技Logi-IoT在工业领域的应用[EB].http：//www.logi-iot.com.

[6] 王伟客，陈田力.试述市政排水管道运行维护及管理对策[J].建材与装饰，2017（7）：165-166.