重力排水管网中定位排放点的测量装置及系统的制作方法

本实用新型属于环境监控技术领域，尤其涉及一种重力排水管网中定位排放点的测量装置及系统。

背景技术：

排水管网系统是输送污水或雨水的系统，包含管道、管涵和构筑物等。住宅、商业和工业设施的污水经由排放管道汇合至收集管道。收集管道通常位于街道下方，并且在重力流状态下为部分充满。来自不同排水管道的污水的污染物组分会大范围波动。一些污水的水质情况可能会有害于后续的污水处理工艺或受纳水体。因此，在大多数国家，排放到排水管网的污水水质都是受相关法律约束的。

污水排放到收集管道后会迅速地被其他来源的污水所稀释。在流动过程中，多条收集管道的污水通常在进入污水处理厂之前或向环境排放之前会在主收集管道中汇合。在汇合点上已经无法区分不同来源的污水了。异常排放的污水进入排水管网后会改变混合污水中的污染物浓度。即使异常排放的水量占总水量比例很小，也会使水中某些污染物，诸如重金属或其他有毒化合物，其浓度显著地上升至不可接受的程度。因此，有必要对异常排放点进行定位，以确定其污水来源。

然而，对复杂的大型排水管网进行全面的污水水质监测，需要对成百上千个排放点进行取样和分析。这在经济上和技术上都不可行。进入收集管道的排放点通常埋在地下。收集管道只能从人孔进入。而两个人孔之间的距离可长达200 m。因此，并不能直接对排放点进行取样分析。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本实用新型公开了一种重力排水管网中定位排放点的测量装置及系统，能快速、简便、经济的在排水管网中定位异常排放点。

对此，本实用新型采用的技术方案为：

一种重力排水管网中定位排放点的测量装置，其包括壳体，所述壳体设有定位传感器、用于测量污水水质参数的水质传感器；所述定位传感器位于壳体的上部，所述水质传感器位于壳体的下部和/或底部；所述壳体内还设有数据记录和发射器、计时器和电池，所述电池与数据记录和发射器、计时器连接；所述定位传感器、水质传感器、计时器分别与数据记录和发射器连接，所述壳体的顶部设有浮子。

从排放点进入收集管道的污水水质不同于收集管道中原混合污水的水质。排放的污水和原混合污水在温度、pH、电导率或氧化还原电位等参数上的差异是可以被观察到的。对于异常排放超过排放标准的，这些差异更明显。因此，收集管道中混合污水的水质在每次与排放管道的污水混合时都会发生变化。如果沿着收集管道内流体连续地测量一组水质的参数，则可以在每个排放口位置都能观察到这些水质参数信号显著的变化。如果该参数变化的位置已知，则可以确定排放点。采用本实用新型的测量装置，将其放入到排水管网的收集管道中，随着污水一起流动；通过数据记录和发射器可以将获得的水质传感器的信号反馈，可以了解不同时间和地点的水质情况，不需要对各个排放点进行取样分析，可以方便的对异常排放点进行定位。

作为本实用新型的进一步改进，所述壳体内设有二级定位传感器。

作为本实用新型的进一步改进，所述二级定位传感器包括陀螺仪和加速计。

作为本实用新型的进一步改进，所述壳体还设有变送器，所述定位传感器、水质传感器分别通过变送器与数据记录和发射器连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述壳体内的下部设有填充物使测量装置在流动期间保持竖直。

作为本实用新型的进一步改进，所述壳体的上部设有用于打捞的金属连接器；所述水质传感器包括温度传感器、pH传感器、电导率传感器和氧化还原电位传感器中的至少一种；优选为两个以上的传感器。

本实用新型公开了一种重力排水管网中定位排放点的系统，其包括如上任意一项所述的重力排水管网中定位排放点的测量装置，所述排水管网的沿途中间人孔设有定位信号装置，所述定位信号装置与流入该人孔中的测量装置的定位传感器进行通信。

作为本实用新型的进一步改进，所述壳体的上部设有金属连接器，所述排水管网的终点人孔设有用于捕获金属连接器的磁力捕获装置。

上述重力排水管网中定位排放点的系统的定位方法为：将所述的重力排水管网中定位排放点的测量装置放入到排水管网的收集管道中，随着污水一起流动；当测量装置通过中间人孔时，其中的定位传感器探测到来自定位信号装置的信号，用于计算测量装置在流动轴方向上的位置；

将测量装置从终点人孔中的污水中捕获，获取测量装置中定位传感器、水质传感器、计时器中的数据，通过水质传感器以及计时器得到水质曲线图得到水质异常点的时刻，通过定位传感器确定水质异常点位于哪两个人孔之间，再结合距离线性回归模型获得这一水质异常点的具体位置。

进一步的，该定位方法包括定位信息的初级计算，水质异常点距起点人孔的距离Lx可以通过公式（1）计算得到：

式（1）

其中，在时刻tx为水质曲线图显示的水质异常点出现的时刻；Ln和Ln+1为根据定位传感器确定的水质异常点位于两个相邻的人孔的位置；时刻tn和tn+1为Ln和Ln+1在距离线性回归模型上对应的时刻。

进一步的，所述壳体内设有二级定位传感器。该定位方法还包括二级计算，其在得到的距离线性回归模型的基础上，通过二级定位传感器得到Ln和Ln+1人孔位置之间的流速变化时间曲线确定水质异常点的具体位置。

采用上述技术方案，通过对一组参数的组合的分析，可以识别异常排放点和正常排放点。参数平均值的偏离量和不同参数的比值，此二者为每个排放点提供了一个各自不同的数据组。异常排放点的数据组是可以通过统计方法识别出来的。作为替代方案，异常排放点的数据组也可以通过基于测量数据库的人工智能(AI)方法来识别。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型的技术方案为重力排水管网中定位排放点提供了一套更加方便可靠的测量装置和测量系统，采用该测量装置和测量系统，不需要对各个排放点进行取样分析，实现了更加快速、简便、经济的在排水管网中定位异常排放点。

附图说明

图1是本实用新型的重力排水管网中定位排放点的测量装置在重力排水管网中的状态示意图。

图2是本实用新型的重力排水管网中定位排放点的测量装置在终点人孔的状态示意图。

图3是本实用新型的重力排水管网中定位排放点的测量装置的结构示意图。

图4是本实用新型的采用重力排水管网中定位排放点的测量装置进行定位排放点时得到的水质曲线图与排水管网的对应示意图。

图5是本实用新型采用重力排水管网中定位排放点的测量装置获得的定位信息的初级计算距离线性回归模型。

附图标记包括：1-收集管道，2-上游排放管，3-异常排放管，4-下游排放管，5-污水，6-上游污水，7-异常污水，8-下游污水，9-测量装置；10-水质曲线图，11-第一水质参数，12-第二水质参数，13-第一位置，14-上游信号变化，15-第二位置，16-异常信号变化，17-第三位置，18-下游信号变化；20-起点人孔，21-中间人孔，22-终点人孔，23-移动定位信号装置，24-磁力捕获装置；30-壳体，31-树脂，32-浮子，33-金属连接器，34-定位灯，35-定位传感器，36-水质传感器，37-二级定位传感器，38-变送器，39-数据记录和发射器，40-电池。

具体实施方式

下面对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。

如图3所示，一种重力排水管网中定位排放点的测量装置，所述测量装置9包括壳体30，所述壳体30设有定位传感器35、用于测量污水水质参数的水质传感器36、用于打捞的金属连接器33和定位灯34；金属连接器33、定位传感器35和定位灯34位于测量装置9的顶部。所述水质传感器36位于壳体30的下部和/或底部；所述壳体30内还设有数据记录和发射器39、变送器38、计时器和电池40，所述电池40与数据记录和发射器39、计时器连接；所述壳体30内的下部设有树脂31填充物，所述壳体30的顶部设有浮子32，使测量装置9在流动期间保持竖直。所述壳体30内设有二级定位传感器37。所述二级定位传感器37包括陀螺仪和加速计。所述壳体30还设有变送器38，所述定位传感器35、水质传感器36分别通过变送器38与数据记录和发射器39连接。所述水质传感器36包括探测温度、pH、电导率和氧化还原电位的传感器，即温度传感器、pH值传感器、电导率传感器、氧化还原电位传感器。

如图1~图4所示，一种重力排水管网中定位排放点的系统，其包括测量装置9，所述排水管网的沿途中间人孔设有移动定位信号装置23，所述移动定位信号装置23与流入该人孔中的测量装置9的定位传感器35进行通信。所述排水管网的终点人孔设有用于捕获金属连接器33的磁力捕获装置。

如图1~4所示，采用上述测量装置9进行异常排放点的定位，包括以下步骤：将所述的重力排水管网中定位排放点的测量装置9放入到排水管网的收集管道1中，随着污水5一起流动；当测量装置9通过中间人孔21时，其中的定位传感器35探测到来自定位信号装置23的信号，用于计算测量装置9在流动轴方向上的位置；

将测量装置9从终点人孔中22的污水5中捕获，获取测量装置9中定位传感器35、水质传感器36、计时器中的数据，通过水质传感器36以及计时器得到水质曲线图，从而得到水质异常点的时刻，通过该时刻定位传感器35的数据确定水质异常点位于哪两个人孔之间，再结合距离线性回归模型大致获得这一水质异常点的具体位置。其中，距离线性回归模型的获得与建立是基于一个前提即两个人孔间的流动条件视为是相同和稳定的，测量装置在收集管道中的流速取决于坡度、液面高度以及其他水力条件。这些条件在任意两个相邻人孔间是固定不变的，因此，测量装置在两个人孔间的位移与时间的关系是线性的，测量装置任意时刻的位置即可通过该模型也就是公式（1）计算出来。

具体而言，如图4所示，污水5在重力自流排水管网的收集管道1中流动。上游排放管2、异常排放管3和下游排放管4均连接到收集管道1。异常污水7通过异常排放管3进入到收集管道1中。其他一般排放的污水，即上游污水6和下游污水8，亦同时进入收集管道1中。

在通过水质传感器的数据得到的简化的水质曲线图（如图4中的标记10所示）中，沿流动轴会显示第一水质参数11和第二水质参数12的值，横坐标可以为时间轴。在上游污水6进入第一位置13及下游污水8进入第三位置17之后，水质曲线图10（如前所述）中会分别显示出上游信号变化14和下游信号变化18。在异常污水7进入的第二位置15，可以注意到第一水质参数11和第二水质参数12明显的异常信号变化16。

使用统计方法或人工智能方法分析一组参数（例如，第一水质参数11和第二水质参数12）的上游信号变化14, 异常信号变化16和下游信号变化18。即可从所有排放点中鉴别出异常污水7的排放点。参数组中的异常信号变化16即极值所对应的第二位置15将会被记录，因此可以定位异常排放管3的位置。

如图1所示，为了能连续测量重力自流的排水管道1的沿途污水水质，采用了能自由漂浮的定位排放点的测量装置9。该测量装置漂浮在污水5的表面，测量装置的多个传感器则浸没在污水中。测量装置9在起点人孔20进入收集管道1。当其与污水5一起流动时，测量装置9会经过任意数量的上游排放管2和下游排放管4，也会经过异常排放管3以及任意数量的中间人孔21。在终点人孔22，测量装置9被重新捕获。

测量期间将在中间人孔21中安装移动定位信号装置23。测量装置9中的定位传感器在通过中间人孔21时，将探测到来自定位信号装置23的信号。这些信号将用于计算测量装置9在流动轴方向上的位置。

如图2所示，终点人孔22是收集管道1任何选定管段中的最后一个人孔。测量装置9将会从终点人孔22中的污水5中重新捕获。磁力捕获装置24位于污水5的上方。测量装置9配备有金属连接器。一旦测量装置9流经磁力捕获装置24下方，两者随即吸在一起。吸力将被设计成确保测量装置9不会意外地被释放。随后将测量装置9与磁力捕获装置24一起从终点人孔22中吊起。

如图5所示，定位信息的初级计算应用一个距离线性回归模型。测量装置在收集管道中的流速取决于坡度，液面高度以及其他水力条件。尽管如此，两个人孔间的流动条件可近似视为是相同和稳定的。该距离线性回归模型可以通过现有技术手段事先获得。

人孔间的距离可以通过相关的管网图纸、管网GIS系统或人工测量获取。对于某一时刻tx，处于两个已知位置Ln和Ln+1之间，其对应的时刻是tn和tn+1，那么该时刻对应的距起点人孔的距离Lx可以通过公式（1）计算出来。

公式（1）

初级计算就是应用这个关系曲线。测量过程中由水质传感器获得水质异常点，计时器记录下异常点对应的时刻，同时定位传感器还会通过信号确定异常点位于哪两个人孔之间，每个人孔的距离和位置是可以通过管网图纸提前确定的，再通过这个关系曲线获得这一时刻即水质异常点的具体位置，即水质异常点据起点人孔的距离。

进一步的，针对由公式（1）得到的定位进行二级计算，是通过结合基于二级定位传感器所收集到的数据来进行的。两个人孔间流速的变化通过加速计和陀螺仪记录下来。通过定位的异常排放点相邻的两个人孔位置以及水质异常点在水质曲线图出现的时刻点，再结合两个人孔间流速的变化，可以进一步更加精确的确定异常排放点的位置，其中计算的校准可通过应用规范的数学方法或人工智能算法来实现。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。