用于公共服务分配系统中的声学泄漏检测的系统和方法与流程

本发明涉及用于识别公共服务分配系统(比如配水系统)中的泄漏的系统和方法。该系统包括被配置为测量管道网络的噪声或声学分布的多个声学传感器。

背景技术：

1、在饮用水或区域供暖热水的分配网络中，极其重要的是能够在出现泄漏后快速地检测到泄漏。在配水网络中，这不仅是因为稀缺的饮用水可能会流失，而且还因为由于水直接暴露于周围环境，导致泄漏有可能成为污染的来源。有几种系统可以检测分配网络中的泄漏，包括声学测量系统(听音棒、噪声相关器、地面麦克风、噪声记录器系统等)、示踪气体系统和sar雷达系统。然而，这些系统中只有少数专注于网络的持续监测。

2、安装在截止阀或消防栓上的噪声记录器(加速度计或水听器)是已知的，并且它们可以与相关技术结合以用于随时间分析数据和跟踪网络的发展。然而，这种记录器系统需要安装许多记录器设备来覆盖整个网络并获得网格的最佳覆盖。这种独立系统价格昂贵，安装耗时，并且必须进行维护才能正常工作。

3、更近期的监测系统是基于在家用智能仪表中实施的噪声测量。这种系统得益于智能仪表安装在所有服务连接处，并且基于仪表的噪声记录器系统的安装和维护成为耗量表基础设施的安装和维护的整体部分。此外，智能仪表通常配备有可以由噪声记录器系统共享的无线通信功能。

4、然而，基于耗量表的噪声记录器或声学传感器可能遭受不利条件，因为它们受到高水平环境噪声的影响，尤其是当安装在存在比如消耗流、循环泵和来自区域供暖的流噪声等环境噪声源的住宅内时。因此，需要一种基于来自噪声记录器或声学传感器的测量数据的改进的泄漏检测系统。

5、发明目的

6、目的是提供一种用于检测管道网络(比如用于水和区域供暖热水的公共服务分配网络)中的泄漏的改进的泄漏检测系统和方法。进一步地，目的是提供一种用于降低环境噪声在包括声学噪声检测器或传感器的系统中的影响的改进方法。

技术实现思路

1、该目的通过一种用于识别公共服务分配系统中的泄漏指示的方法来实现，该公共服务分配系统包括用于向多个服务连接提供公共服务的管道网络，其中，多个声学传感器安装在这些服务连接处，并且其中，这些声学传感器测量管道中的噪声。该方法的特征在于以下步骤：

2、-获得关于流体压力的变化时间的信息；

3、-根据在所述变化时间之前测量的噪声建立第一噪声指标；

4、-根据在所述变化时间之后测量的噪声建立第二噪声指标；以及

5、-将一个或多个第一噪声指标和第二噪声指标与流体压力相关联，以识别有泄漏指示的服务连接。

6、本发明利用了管道中的流体压力与管道中的噪声在数学上相关的认知。相关值(即系数)用于表示管道中的噪声来源于泄漏的概率。根据本发明，噪声指标由声学传感器建立，并且一组第一噪声指标属于在管道中的流体压力改变之前测量的一组噪声指标，一组第二噪声指标属于在流体压力已经发生改变之后测量的一组噪声指标。通过获得或取得关于流体压力变化时间的信息，可以在作为第一自变量的流体压力与作为第二因变量的噪声指标之间建立数学相关性。根据本发明，实现了一种方法，其中，在包括在公共服务分配系统中的声学噪声传感器系统中过滤掉环境噪声源，该噪声源与泄漏无关。该方法基于以下见解：来源于泄漏或其他系统异常的噪声与系统中的压力相关，而来自大多数环境噪声源的噪声则不相关。

7、该方法的优点是在识别可能存在泄漏的服务连接时具有高可靠性。减少了误报的数量并避免了不必要的土方工程。措词“流体压力变化”应理解为从一个流体压力幅度到另一个流体压力幅度的变化。一个压力幅度或水平可以是正常的流体压力，比如分配系统的标准操作压力，而不同的流体压力可以是由于对分配系统的操作压力进行计划和受控的减小或增大而达到的压力幅度。然而，流体压力变化也可能是由分配系统中自然发生的压力变化引起的。

8、一旦确定正常声学噪声水平，便测量管道系统的修正(或异常)状态(即管道中流体的压力偏离正常压力的状态)下的压力。根据在这两种压力状态中的每种压力状态下进行的声学噪声测量，建立第一噪声指标和第二噪声指标，并且这两个指标与流体压力的相关性使得能够说明管道系统中是否存在泄漏。因此，本发明利用管道的流体压力变化来检测是否存在泄漏。本发明的方法优选地在管道中的零流量或低流量下实施。

9、用于确定正常和变化后的流体压力的存在以及建立第一噪声指标和第二噪声指标的步骤可以作为单独或整体的步骤来进行。例如，第一噪声指标可以在流体压力正常时建立。类似地，第二噪声指标可以在流体压力发生变化时建立。在记录噪声指标之前之后，可能无法确定第一噪声指标是否实际上是在流体压力正常时建立的。这是通过随后对噪声测量值和与安装在服务连接处的特定声学传感器相关的压力数据进行关联或比较来完成的。这同样适用于第二噪声指标。

10、关于流体压力的变化时间的信息作为来自以下信号提供器中的一个或多个的信号提供：管道网络中的压力感测设备、集成在声学传感器中的压力传感器或压力控制设备中的压力传感器，比如泵中的压力传感器。因此，词语“信号提供器”可以理解为产生直接表示所测量的压力的模拟或数字信号的传感器，或者来自另一来源(比如scada系统)的信号或信息。压力测量值包括作为在一个或多个分配系统入口处输送的输入压力测量的系统压力测量值，比如由整个分配网络的一个或多个供应泵提供的压力。压力传感器可以测量公共服务分配系统中的许多点处的压力，但是在自来水厂中产生压力的点处或者在比如区域计量区等管道子网络开始的点处测量管道中液体的压力是有利的。这样做的优点是获得了正常流体压力和变化后流体压力的集中度量，从而简化了后面的关联和计算。

11、可替代地或者除了上述之外，压力测量值可以包括针对单个装置测量的局部压力测量值，比如服务连接处的压力。服务连接应理解为直径较小的管道，并且当与源自集中式公共服务提供商的主管道相比时，其流体压力可能较低。服务连接处的压力可以由独立的压力传感器或集成在声学传感器或包括声学传感器的智能仪表中的压力传感器来测量。优选地，声学传感器包括在比如超声波流量计等智能公共服务仪表中，该仪表安装在服务连接处，通常在住宅中，并且使用超声波换能器作为声学传感器来建立第一噪声指标和第二噪声指标。

12、在替代性实施例中，关于流体压力的变化时间的信息由公共服务提供商提供，并且该信息涉及流体压力的历史、实际或计划的变化时间。或者该信息可以简单地是流体压力已经发生变化的信息。在本发明的该实施例中，不需要知道流体压力的实际或真实幅度，这意味着本发明可以在没有压力传感器的情况下实现。关于流体压力变化已经发生、正在变化或将要变化的信息使得能够进行泄漏数据分析，该泄漏数据分析可以识别有泄漏指示的管道。在得知自来水厂将在接下来的两个小时内降低压力的情况下，通知声学传感器或后端系统中的软件在此期间测量的噪声指标是在流体压力降低期间测量的。然后可以用这种信息标记噪声数据。

13、这种标记可以是加上时间戳。第一噪声指标和/或第二噪声指标中的每一个在测量时被加上时间戳，并且选择时间戳接近流体压力的变化时间的那些第一噪声指标或第二噪声指标进行关联。对应地，不选择时间戳早于或晚于所选指标的时间戳的第一噪声指标或第二噪声指标进行关联。为噪声指标加上时间戳的优点在于，数据分析可以离线进行并且晚于泄漏事件。对时间范围为数小时、数天或数月的带时间戳的噪声数据执行例如后端系统中的数据分析，并且该数据分析可以执行噪声指标与流体压力的关联，因为存在关于流体压力何时改变的信息。

14、实际测试表明，测得的噪声的信号幅度随时间变化。这种漂移是由不同因素造成的，比如管道中的孔变大或形状改变，或孔周围的土壤被侵蚀从而改变声音条件。漂移会持续数周或数月，并导致噪声指标与流体压力之间的关联变得不确定。发明人惊奇地发现，关联不应在长时间内进行，而是应当在短时间内进行。这样就消除了噪声指标漂移的问题。在实践中，这是通过在一系列噪声指标中引入数据时间窗口并且然后独立地对每个窗口进行数据处理(即关联)来完成的。因此，仅使用时间戳落入时间窗口的时间限制内的第一噪声指标或第二噪声指标进行关联，并且变化时间在时间限制之间。

15、该时间窗口在24小时至12小时的范围内，更优选地在11小时至5小时的范围内，并且最优选地在4小时至0.5小时的范围内。典型地，时间窗口围绕流体压力的变化时间对称，例如前后各两小时。

16、相关系数在测试中被证明其数值有不期望的尖峰。每天在多个时间窗口中计算相关系数，并如此重复数天，有时由于噪声指标幅度的自然变化会给出由随机相关引起的高值。为了抑制这些变化，根据在多个时间窗口中计算的相关系数来计算平均相关系数。然后使用平均相关系数来识别有泄漏指示的服务连接。

17、第一和第二噪声指标与流体压力的关联可以通过随时间测量的真实流体压力数据来完成，比如使用由压力传感器测量的绝对压力数据。然而，更优选的是使用间接表示流体压力的数学阶跃函数u(t)。当与第一和第二噪声指标互相关时，数学阶跃函数u(t)被用作真实生活流体压力数据的替代，并且用于模拟存在两个流体压力幅度(即一个在流体压力的变化时间之前，一个在流体压力的变化间之后)的知识。使用阶跃函数的优点是简化了相关系数的计算，并使相关性与实际生活压力数据无关。

18、与泄漏产生的噪声相比，从具有已知噪声频率的环境源中过滤掉非泄漏相关噪声需要了解不同噪声源的性质。此外，噪声源会随着时间的推移而变化，这要求系统不断更新。就这一点而言，应当注意，比如智能耗量表或声学传感器等边缘设备中的大量数据分析可能是不利的，因为它会增加电流消耗并因此缩短电池寿命。因此，在一个优选实施例中，接收和存储一个或多个第一噪声指标和第二噪声指标、获得关于流体压力的变化时间的信息并且然后执行关联的步骤是在后端系统中完成的。后端系统例如可以是基于云的数据和计算服务器。

19、另一方面，测得的数据的边缘计算通常优于上述数据的后端计算，因为边缘计算减少了数据传输，从而降低了功耗。因此，在替代性实施例中，建立第一噪声指标、建立第二噪声指标、获得关于流体压力的变化时间的信息并且然后执行关联是由声学传感器完成的，尤其是由包括声学传感器的超声波流量计完成的。

20、测试表明，管道系统的相关系数的大小取决于许多参数，比如管道材料、土壤类型、管道长度和所使用的自动化类型(泵和阀门)。在一些管道系统中，正常的无泄漏值可以在0.2到0.3的范围内。在其他系统中，它可以更高，比如0.3至0.4。相关系数接近1是可能泄漏的强烈暗示。有利地，可以为管道子网络单独设置阈值，使得如果流体压力与一个或多个第一噪声指标和第二噪声指标之间的相关系数高于预定阈值，优选地高于0.4，则服务连接被识别为有泄漏指示。

21、根据本发明的方法原则上可以基于由消耗变化(比如流体的突然大量排出)引起的流体压力差。然而，流体压力变化前后的流体压力差却很少大到足以给出明确的相关系数。因此，建议比如通过操作布置在整个管道网络中的一个或多个压力控制设备来主动引起公共服务分配系统或公共服务分配系统的一部分中的流体压力变化的步骤。因此，可以通过操作布置在整个管道网络中的一个或多个压力控制设备来主动(即人为地)引起公共服务分配系统或公共服务分配系统的一部分中的变化后的流体压力。调节公共服务分配系统的管道网络中的流体压力或水压将改变由泄漏产生的噪声模式或噪声幅度。另一方面，来自环境噪声源的非泄漏相关噪声将仍然与调节水压前一样。因此，控制水压可以用于过滤掉比如泵或压缩机等的环境噪声源。特别地，在住宅内部的服务连接处进行噪声检测的系统将受益于这种方法，因为这种系统经常受到更多环境噪声源的影响。

22、声学传感器以规律的时间间隔测量管道网络中的第一噪声指标和第二噪声指标。采样通常以恒定的时间间隔进行，但是有利的是，在公共服务分配系统或公共服务分配系统的一部分中存在变化后的流体压力的时间段期间采样率(频率)增加。因此，在管道中的主动引起的压力增大或减小期间，由声学传感器获取表示可能的泄漏噪声的更多数据以用于数据分析。这样就可以给出关于泄漏指示的更精确的说明。

23、优选地，声学传感器包括在具有用于无线传输第一噪声指标和第二噪声指标的无线电通信能力的公共服务耗量表中，比如包括在安装在服务连接处的超声波流量计中。因此，该耗量表包括通信装置，这些通信装置被配置为接收命令以调整噪声采样率和/或将噪声指标传输到远程位置。

24、优选地，比如在50至10,000个流量计的范围内的大量超声波流量计在与压力控制设备降低或增加管道网络中的流体压力同步的时间建立噪声指标。如此大量的超声波流量计在人口稠密的城市地区很常见，并且大量的泄漏噪声数据实现了在泄漏指示的估计中具有高度正确性的有充分根据的统计相关性。

25、本发明进一步涉及一种用于识别公共服务分配系统中的泄漏指示的泄漏检测系统，该公共服务分配系统包括用于向多个服务连接提供公共服务的管道网络。该泄漏检测系统的特征在于包括：

26、-多个声学传感器，该多个声学传感器安装在服务连接处并且被配置为建立一个或多个第一噪声指标和第二噪声指标；

27、-后端系统，该后端系统用于从多个声学传感器接收一个或多个第一噪声指标和第二噪声指标；

28、-信号提供器，该信号提供器向后端系统提供关于流体压力变化的信号；

29、-其中，所述后端系统被配置用于将流体压力与在该流体压力变化之前建立的一个或多个第一噪声指标和在该流体压力变化之后建立的一个或多个第二噪声指标相关联，以便识别有泄漏指示的服务连接。

30、在其最简单的形式中，来自信号提供器的信号是向后端系统通知流体压力变化的开或关信号。因此，原则上不需要关于流体压力的变化时间的信息。此外，实施泄漏检测系统不需要关于变化前后的流体压力水平的知识。然而，在替代性实施例中，通知流体压力变化的信号具有时间戳。

31、优选地，由信号提供器向后端系统提供的关于流体压力变化的信号是以下中的一个或多个：绝对流体压力、相对流体压力、比如阶跃函数等二进制信号、或比如由scada系统实施的流体压力的计划变化等流体压力变化的过去、实际或未来时刻。

32、泄漏检测系统包括管道网络中的一个或多个压力控制设备，并且优选地改变流体压力，以便使得能够通过声学传感器测量第一噪声指标和第二噪声指标。通过使泵引起可检测的压力变化，改进了对泄漏指示的识别。

33、压力控制设备优选地为调速泵，其与一个或多个声学传感器和前端系统直接或间接通信，并且其中，如果已经建立了泄漏指示，则(多个)泵降低管道网络中的压力或停止泵送。在该解决方案的一个变型中，本发明可以有利地通过让声学传感器将噪声指标本身(即指示噪声水平的信号)传送到根据本发明处理数据的后端系统来实施。然后，从后端系统向速度受控泵或控制泵的控制系统发出指令，以在已经建立泄漏指示时降低压力或停止泵送。这是泵与声学传感器之间的间接通信。

34、在该解决方案的另一个变型中，泵与声学传感器直接接触，并收集传入的噪声指标(无论是原始的还是未经处理的噪声指标)然后通过使用其数据处理设备来对其进行处理。指示管道中的流体压力的信号可以来自外部压力传感器，但是压力传感器通常集成在泵中。在处理数据之后，如果接收到、计算出或识别到对泄漏的指示，则泵在本地(即自身)决定降低管道中的流体压力或停止泵送。电子调速泵具有能够在本地处理根据本发明的方法的集成存储器和控制电子器件，或者能够做到这一点的连接到泵并对泵进行速度控制的plc或独立频率转换器中的存储器和控制电子器件。

35、优选地，声学传感器被集成为超声波流量计的一部分，该超声波流量计将时间戳添加到一个或多个第一噪声指标和第二噪声指标，并通过数据收集系统利用无线电通信将带时间戳的指标传输到后端系统。

36、在前面的文本中，已经描述了用于声学泄漏检测的本发明的方法和系统。下面的文本描述了适用于本发明方法和系统的本发明的进一步有利实施例。在本发明的整个说明书中使用了管道网络的概念。管道网络可以意指公共服务分配系统的整个管道网络，或仅公共服务分配系统的管道网络的一段或一部分，有时也称为管道子网络。

37、在一个实施例中，可以将压力调节分布或压力的连续变化应用于整个管道网络或仅其一部分。然后可以将压力调节分布(即关于变化的流体压力的知识)与噪声指标相关联，以寻找相关性并识别泄漏指示或关于其他异常存在的指示。

38、这种压力分布或压力变化可以在夜间实施，以最小化消费者所经历的不便。然而，压力变化不需要超出正常系统操作的范围。此外，与建立的噪声指标相关的压力变化或压力分布可以是管道网络中自然发生的压力变化。

39、在一个实施例中，系统流体压力的变化可以在正常操作流体压力的75％至125％的范围内。然而，在该方法和系统的一些实施方式中，可以应用比如50％-150％或25％-175％或0％-200％的较大变化来进一步改进过滤掉环境噪声源，即与泄漏无关的来源。

40、此外，可以以规律的时间间隔(比如每晚、在一段时间内，比如在一周、一个月或一年期间)实施相同或不同的压力变化分布，以过滤掉环境噪声源和泄漏变化中的波动。也可以连续实施压力变化分布，以便实施对管道网络的持续监测。总之，这将提高确定检测到的噪声是由无关的环境噪声源引起的还是实际上来源于泄漏或其他异常的概率。

41、在本发明的进一步实施例中，压力变化分布可以具有不同的形状。在变化后流体压力的时间段期间，即流体压力高于或低于正常流体压力并且声学噪声指标的值(比如幅度)与其在正常流体压力期间的值相比已经发生变化的时间段期间，压力可以保持在恒定幅度或具有可变幅度。例如，为了避免水锤，可以使用s曲线或压力幅度的线性上升或下降。压力变化分布也可以是在变化后流体压力的时间段期间具有多次脉动的脉冲分布。

42、在本发明的实施例中，包括多个声学传感器的管道系统或管道子系统使用这样一种方法，其中，噪声阈值被应用于所有声学传感器，使得具有异常噪声水平/第二噪声指标的那些声学传感器/装置能够被识别并经受进一步分析。在噪声指标的数据分析中应用泄漏噪声阈值，并且如果噪声指标低于泄漏噪声阈值，则从所分析的数据组中移除该数据或者在分析中忽略该数据。在特定实施例中，噪声阈值被实施为泄漏监测软件中的可编程阈值，该泄漏监测软件由中央公共服务分配厂的服务技术人员在图形计算机化监测系统中使用。服务技术人员可以在软件中调整噪声阈值，从而过滤掉技术人员发现的不相关的噪声指标。噪声阈值可以是基于来自管道系统中所有声学传感器的噪声指标确定的全局值。噪声阈值还可以基于来自总体传感器的百分比(比如90％)的噪声指标，而不考虑表示10％的最高和/或最低噪声指标的传感器。还可以基于总体中的实际噪声指标的统计参数(比如最小值、最大值、平均值、标准偏差或高阶矩)以更高级的方式确定噪声阈值。噪声阈值也可以基于随着时间的推移从不同管道系统收集的经验和测量值来设置。

43、在本发明的用于确定有泄漏指示的服务连接的另一个实施例中，将第一噪声指标、第二噪声指标和流体压力测量值相关联的步骤包括仅关联来自超过噪声阈值的声学传感器的数据。在压力变化期间，只有这些声学传感器可以包括在分析中，并且在一些实施例中，数据收集可能仅限于这些声学传感器。

44、在另一个实施例中，关联过程的一部分可以包括确定压力变化期间噪声指标的变化。在压力变化期间噪声指标的变化超过预定水平(比如从20％至50％或更多)可以很好地指示噪声功率是由管道系统中的泄漏引起的。因此，如果第一噪声指标与第二噪声指标之间的差异水平超过20％，即如果在管道系统或子系统中的压力变化期间噪声指标的变化超过20％，则可以认为噪声指标已经改变。确定噪声指标变化所需的噪声指标的变化百分比也可以设置为与压力变化相关的百分比。

45、此外，为了改进分析，可以考虑特定服务连接处的噪声指标的统计行为。特别是标准偏差可能是相关的。这样就可以评估噪声指标变化的显著性。

46、在另一个计算量更大的实施例中，在不应用噪声阈值的情况下执行将第一噪声指标、第二噪声指标和流体压力测量值相关联的步骤。在该实施例中，可以评估来自所有或基本上所有服务连接处的声学传感器的数据在压力变化期间的变化。这里，可以再次应用与关于其他实施例所提及的百分比相同的百分比来确定噪声指标变化。

47、此外，关联步骤可以包括在频域中进行分析。可以应用频率阈值作为噪声阈值的替代或补充。例如，可以监测低于100hz的频谱中的频率峰值，如果这些峰值变化了5％、10％或更多，则表明噪声是由泄漏引起的。