基于循环卷积神经网络的城市住宅污水管道防堵塞监测系统技术研究及应用

唐锦源，林海幂，田青青，王思威

（1.成都工贸职业技术学院，四川 成都 611731；2.中铁八局集团建筑工程有限公司，四川 成都 610097）

1 研究背景

目前，城市住宅高层建筑数量多，人口集中，用水量增大，导致污水管道经常处于超负荷状态。随着时间的推移，这些污水管道壁附着力增大、杂物淤积，加上房屋沉降等原因，造成住宅污水管道经常出现堵塞、反水等问题。由于城市住宅污水管道大多是隐蔽工程，因而往往出现严重堵塞后才发现问题。面对堵塞，轻则需要采用人工或机械进行疏通，重则须对小区排污系统重新改造，严重影响居民的正常生活秩序[1]。

1.1 研究目的及意义

本研究采用非侵入式高精度电容传感器测量技术，运用有线、Wi-Fi和NB-IoT等多种通信技术，采集和传输数据，将循环卷积神经网络构型运用于城市住宅污水管道监测领域，通过建立住宅污水管道防堵塞预警模型，构建定位准确的住宅污水管道防堵塞数据库，实现无人实时监测区域内各楼栋每个单元的住宅污水管道，并给出定位的堵塞预警信息[2]。该监测系统能够完善智慧城市的住宅污水管道数据信息，技术性强，推广性强，实用价值较高。

1.2 研究现状及发展趋势

1.2.1 城市污水管道堵塞监测技术现状

污水管道的堵塞问题，一直以来是城市建设的一大难题。特别是对于地势较低、排水不畅的老城区来说，污水管道堵塞是经常会发生的事。目前，对城市污水管道堵塞进行监测、提前预警主要有以下几种方案。

（1）第一种方案为人工定期检测城市污水管道。即利用具有超声波传输特性的检测装置收集管道数据。检测装置包括两根伸缩杆、声卡、功率放大器、水下扬声器、筛网、水听器、滤波器、A/D转换组件和计算机及相应数据库软件。计算机通过对装置收集到的无故障管道和堵塞管道的数据进行相似性对比，判断管道的堵塞情况[3]。在实际检测中，两根伸缩杆从两个不同的下水井盖伸入至井底，水下扬声器固定在一根伸缩杆（编号Ⅰ）靠井底的下端，伸缩杆的地面端通过功率放大器、声卡连接计算机；另一根伸缩杆（编号Ⅱ）的下端放置筛网方便声波信号聚集，水听器固定在该伸缩杆的下端且位于筛网上方，伸缩杆的地面端通过滤波器连接计算机；计算机通过数据库输出控制编码，使得声卡产生所需频率和幅度的超声波信号，经功率放大器放大，放大后的超声波信号经由伸缩杆Ⅰ的内置导线传递至水下扬声器进行超声波信号的发射；水听器将接收到污水管道内的声波信号，通过伸缩杆Ⅱ的内置导线传至滤波器进行滤波，将滤波后的所需频率超声波信号通过A/D转换组件采集得到相应数据，并将其输入到计算机相应数据库进行存储及处理，判断管道的堵塞情况；工作人员定期读取该数据库的运行数据，得知相应管道内堵塞情况[4]。

（2）第二种方案为易堵塞路段污水液位监测系统报警装置，提醒作业人员及时前往疏通。这种监测方法包括以下步骤：先在所有工作井内安装液位传感器，并分配唯一的ID号，实时采集井内水位信息；将所有液位传感器通过移动通信网络与服务器连接通信，远程构建存储、分析相应信息的数据库；将服务器与移动终端、PC终端、报警器连接，实时显示，实时报警，并通知相关人员维修。

（3）第三种方案为基于物联网技术，采用传感器技术、RFID等无线射频技术，以及LoRa、NB-IOT、5G等通信技术、嵌入式系统、智慧城市系统等，将液位监测报警系统、超声波检测系统等多种水体智能监测设备与每个污水井盖ID号相结合，形成无人值守监测点，实时在线监测管道堵塞情况、污水排放量等，通过移动网络将监测数据实时上传，实现对污水管道实时监测、实时预警。

1.2.2 住宅污水管道防堵塞监测技术发展趋势

目前，我国城市主干污水管道和住宅污水管道的结构还是有很大的差别，安装液位传感器和智能井盖等方案相对于住宅小区的污水管道存在安装困难、设备成本高、后期维护不易等问题，城市住宅污水管道的防堵塞监测系统的研制还处于待开发阶段[5]。

因此，研究基于物联网技术、大数据技术、BIM技术的城市住宅污水管道防堵塞监测系统符合现代智慧城市的发展要求。

2 研究的主要内容

2.1 构建城市住宅污水管道防堵塞监测系统

本系统采用一种非侵入式高精度电容传感器测量技术，其方便安装、易于维护更换、改造灵活，能够在不改变管道现有结构的情况下进行定位数据采集，形成分布式无人值守监测点；针对小区住宅各单元污水管道的环境特点，灵活选择有线、Wi-Fi、NB-IOT三种传输方式，通过通信网络将监测数据实时上传，实现数据汇总、远距离传输；基于应用深度学习技术构型的循环卷积神经网络，建立管道防堵塞的预警模型，构建城市住宅污水管道防堵塞数据库；通过数据分析，实时在线监测管道内部污水排放量及堵塞状态，实现无人值守监测点污水管道的实时监测，以及实时集中远程预警或报警，并与该建筑BIM信息平台同步对接，完善智慧城市的住宅污水管道数据信息。

2.2 系统组成及功能

基于循环卷积神经网络的城市住宅污水管防堵塞监测系统由非接触式传感器节点、通信网关、边缘计算节点和云计算服务器，以及与BIM系统对接的数据传输接口组成。如图1所示。

图1 城市住宅污水管道防堵塞监测系统框图

图2 传感器SENSOR_Mk1安装示意图

2.2.1 高精度电容传感器

非侵入式电容传感器实时采集每个监测点污水管道中内容物状态数据，并将数据发送给边缘计算节点。该新型非侵入式高精度电容传感器，具有测量精度高、安装便捷、耐腐蚀等特点，可以适配50～1 000 mm管径、不同非金属材料的污水管道。

2.2.2 数据传输

根据传感器安装环境的不同，可灵活选择三种数据传输方式：有线（双绞线/以太网）、Wi-Fi、NBIoT，将采集的数据通过通信网关和内部通信网络发往边缘计算节点。

2.2.3 边缘计算节点

边缘计算节点一是汇总一个小区各个楼栋/单元全部监测点的实时测量数据，采用Wi-Fi、NB-IOT技术，通过通信网络将其上传至云计算服务器，并为小区物业中心管理系统设备提供相应数据API接口；二是接收云计算服务器下发送的小区各楼栋报警、预警指示数据，点亮对应的不同颜色的“报警”或“预警”状态指示灯。该节点采用Linux系统AI双频开发模块，为Mini嵌入板卡式设计，装入小区物业可监视的机箱或机柜，可见“报警”“预警”两种状态指示灯。

2.2.4 云计算服务器

在物业公司的云计算服务器中，已建有相关住宅小区的BIM信息系统，将“XX住宅小区污水管道防堵塞监测系统数据库”部署于该云平台。采用Python语言专门编制构建“XX住宅小区污水管道防堵塞监测系统数据库”，实现住宅小区各污水管道监测点实时防堵塞预警和报警功能。一是数据库可实时分析各监测点采集的数据，并判断该小区各个楼栋/单元全部监测点的实时状态（包括有“正常”“预警”“报警”3种状态），通过数据库软件的“监测点状态页面”显示各个楼栋/单元全部监测点的实时状态；二是当污水管内容物状态异常时，数据库可实时生成“报警”或“预警”信息，通过物业公司云平台连接到通信网络，把具体监测点的“报警”或“预警”信息短信发送到对应值班物业人员的手机或iPAD等移动终端设备上；三是物业公司云平服务器可将各楼栋中有异常状态的“报警”或“预警”数据编码下发送到边缘计算节点，以及小区物业智能楼宇管理机房的PC终端，在计算机对应的“XX住宅小区污水管道防堵塞监测信息管理系统”软件中，其页面可显示异常监测点的定位信息、维护维修信息等，以便物业管理人员对小区内各污水管道堵塞情况进行实时有效的预警。

建立基于循环卷积神经网络的管道防堵塞预警模型。本文中以城市某中型住宅小区污水管道为对象，对各楼栋每个单元2楼主污水管道的监测点数据和堵塞发生情况进行分析，探索监测数据与污水管道发生堵塞之间的内在联系，建立污水管道防堵塞预警模型。将历史采集数据按照时间顺序构建适用于深度学习预测模型的数据集，应用循环卷积神经网络构型算法，采用端到端的学习模式，通过智能分析管道堵塞时间发生规律，对上述关联关系进行模型拟合训练，确立最优模型参数L2以及时间间隔参数，建立住宅污水管道防堵塞预警模型。

2.2.5 BIM系统接口

云计算服务器提供可与该建筑BIM信息系统交互的API接口，提供监测点污水管道的状态数据信息，以便实现通过“XX小区”各个楼栋/单元污水管道全部监测点状态信息在BIM系统上对应位置上标注，实时显示该小区各个楼栋/单元污水管道的状态。

3 研究结论

中铁八局集团建筑工程有限公司与成都工贸职业技术学院联合，对基于循环卷积神经网络的城市住宅污水管道防堵塞监测技术进行研究，以在建住宅楼盘基础设施工程为依托，设计并制造了可实际应用于城市住宅污水管道防堵塞监测系统的工程设备。本文的成果可以应用于新开发住宅楼盘项目的污水管道防堵塞监测，待技术完全成熟后可以作为污水管道防堵塞整体解决方案在其他住宅项目进行推广。