城市供水管网泄漏检测系统的数据服务平台设计开题报告

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1研究的目的和意义

当今时代水资源日益短缺，如何节省水资源成为各国竞相研究的课题。虽然中国淡水资源有28124.4亿m3，但我国人口众多，人均水资源只有2163m3，是世界上水资源最为贫乏的国家之一。目前我国供水矛盾日益突出，我国640个大中小型城市中，有多达300多个城市存在缺水危机，其中有114个城市严重缺水，每年因为缺水直接造成的损失多大3000多亿元。近年来中国经济发展迅速，城市化、工业化不断加快，中国的水资源短缺已经成为了经济发展的瓶颈，根据国家水利部门的预测，2030年中国水资源总需求将达到10000亿吨，我国水资源短缺前所未有的严峻。

从 改革开放到现在的30多年的时间里，中国供水行业迅速发展，城市供水普及率已经达到95%，供水能力和供水量分别增加了4.0倍和2.5倍，已经基本能够满足人民生活的需求。1881年，中国在今天辽宁省的旅顺市铺设了第一根供水管道，如今在中国960万平方公里的土地上已经铺设了40多万公里的供水管道，但是由于供水管道老旧，技术水平提高缓慢等诸多问题，使我国供水管网水资源漏失现象非常严重，城市供水管网单位长度单位时间的漏失量达到惊人的2.865m3/(km.h)，每年漏失水量近100亿m3，欧洲主要城市供水管网单位长度单位时间的漏失量为0.245m3/(km.h)。管网漏损不仅浪费了宝贵的水资源，还增加了供水设备的维修成本，提高了城市供水成本，给供水企业造成巨大的损失，同时造成供水管网负荷不均，供水安全可靠性差，供水水质偏低，造成水的二次污染和二次灾害。在水资源匮乏，水资源污染严重，建设资金短缺以及城市供水难以满足需求的情况下，探寻适合我国国情的供水管网漏损控制理论和方法，研究更多实用技术和工具，最大程度的提高服务水平，是我国面临的严峻问题之一。

1.2 国内外研究现状

世界各国都把城市供水管网的漏损监测和控制作为一项重要的课题和研究，它已经成为整个供水事业的重要组成部分，国家供水协会每年都会在国际会议上将供水管网漏失监测和控制列为一个重要的专题，发达国家非常重视供水管网的漏失监测问题，很早就开展了漏失监测和控制技术与设备的研究、开发工作，并成立了相关的学术研究机构。

发达国家很早就注意到城市供水管网的泄漏问题，并且一直对供水管网的漏失监测和相关控制技术与设备进行研究，很多发达国家都把城市供水管网的漏损监测和控制作为一项重要的课题和研究，并且成立了相关的学术研究机构^[3]，城市供水管网泄漏数据的采集与处理早已经成为整个供水网络的至关重要的一部分。目前，国际上还没有出现城市供水管网漏失量精准测量的数学方法，漏失率的计算方法也不统一，比较流行和先进的供水管网漏失量的计算方法有夜间最小流量法、“水量平衡”法、供水管网漏失水力模型等^[3]。国内外供水管网的捡漏方法仍然是以硬件为主的漏失检测方法，主要方法有：雷达检测法、氢气检漏法、区域漏失检测法、水平衡测试法、红外热成像法、音听检漏法、被动捡漏法、瞬态流测试法等^[1]。这些以硬件设备为主的供水管网检测泄漏的方法都各有优缺点，这些方法对城市供水管网的供水的流量和水流的压力等信号缺乏足够的重视，缺乏精准性和简便性。现在国内外对城市供水管网漏损监测和控制问题的研究主要是集中在两方面，一方面是集中在供水管网漏损监测技术、方法、仪器设备开发和生产上，另一方面集中在用于管网更新改造或者降低漏损率的漏损控制模型^[1]。近年来，供水管网漏水检测定位模型的研究取得了飞速发展，很多国内外学者开始研究以监测软件为中心的城市供水管网的漏失监测系统。SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。随着供水管网上的SCADA系统的安装也日益完善，许多研究学者正在试图通过SCADA收集城市供水管网水流的压力值和流量值，并根据所收集到的数据变化来判断供水管网是否发生泄漏以及泄漏的位置和泄漏量。目前，国内外的研究进展有：Mouncc SR提出的基于模式识别的漏失检测方法。吴正易和Sage提出的基于水利模型校核的漏失检测技术。M.Romano提出的基于人工神经网络的在线漏失检测方法。Damian Sala提出的基于结构学虚拟变形法的供水管网的漏失检测技术。朱东海等人提出的基于BP神经网络的供水管网漏点动态定位检测技术。Andersen J提出的隐式状态估计理论的漏失检测技术。伍悦滨提出的基于水力瞬变反问题分析的供水管网漏失检测技术。王威等人提出的基于支持SVM(Support Vector Machine)（SVM是一个有监督的学习模型，通常用来进行模式识别、分类、以及回归分析）供水管网漏失检测技术^[1]。国内外的研究方向略有不同，但都在试图用监控硬件和监控软件相结合，从而实现城市供水管网泄漏的精确检测和精确定位。监控软件主要有数据采集模块、监控中心模块、算法模块等，以软件为主的实时监测供水管网漏损情况的检测技术具有极好的灵敏性和实效性，具有广阔的应用前景^[3]。

2．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1城市供水管网泄漏检测系统总体设计的基本内容

城市供水管网泄漏数据的中继传输系统包括数据采集模块、数据传输模块、数据服务平台模块、终端服务器模块、MATLAB算法模块和LMS算法模块组成和Internet等组成。

数据采集模块根据安装在供水管网每个采集点的传感器对采集供水管网的漏水声音加速度等信息，并根据数据传输器传送过来的指令采集供水管网的漏水信息，并将供水管网的漏水信息和传感器的状态发送给数据传输模块^[6]。

数据传输模块将数据采集模块采集的供水管网泄漏信息、传感器对的状态以及数据传输模块的状态通过Internet网传送给数据服务器模块^[6]。数据服务器模块接收数据传输模块传送过来的信息，并从传送过来的信息数据中提取传感器编码，采集日期，并以文件的形式存储传送过来的信息，并将信息传送到MATLAB算法模块和LMS算法模块。MATLAB算法模块和LMS算法模块对供水管网的泄漏信息进行自适应滤波处理，从而从中提取并存储供水管网的漏水噪声加速度和其他相应的处理信息。

终端服务器根据用户在主界面上设置的各种参数，通过Internet网向数据传输模块发送用户设置的数据传输指令和向数据采集模块发送数据采集指令。终端服务模块从数据服务器模块中读取检测结果，泄漏时间，数据采集模块的状态，数据传输模块的状态，漏水点距离首端的距离r，漏水噪声传播的速度以及管道材质，并采用图表形式通过通讯终端呈现给用户。

2.2城市供水管网泄漏检测系统的数据服务平台模块设计目标

毕业设计的主要任务有编写城市供水管网泄漏数据的中继传输系统的数据服务平台主界面和数据采集子界面。结合数据采集模块、MATLAB算法模块、LMS算法模块，做出能够调用所做的所有模块的主界面，采用VS2010程序设计软件的Windows框体应用程序设计功能。完善主界面上的功能和数据采集窗口上的各种功能,具体功能包括：（1）接收数据采集模块发送过来的数据并存储。（2）打开数据采集模块传送过来的数据，并且将打开的A文件（数据采集模块中A探头所采集的数据，数据服务器模块将接收的A探头采集的数据存储在A文件）数据显示在A探头数据窗口上。打开B文件（数据采集模块中B探头所采集的数据，数据服务器模块将接收的B探头采集的数据存储在B文件），将数据显示在B探头数据窗口上。（3）数据采集子界面的串口设置功能，包括选择串口，设置波特率，奇偶校验，数据位，停止位。还有各种功能操作包括检测串口，发送指令，数据采集，以及在数据接收窗口显示接收到的数据等。

2.3 采用的技术方案和措施

方案一：

数据服务平台设计的难点在于用什么软件构建主界面并实施相应的功能，根据公司的推荐，可以采用VS2010软件进行主界面的构建，VS2010软件是一款具有超强功能的异步LED显示屏操作软件，具有行业领先的技术优势，加上合理的设计思路，真正做到了功能强大与操作简单不相互冲突。使用VS2010创建windows窗体应用程序，首先在右侧的已安装模板中，选择Visual C#，右边会显示出各种项目类型。这里第一项就是Windows窗体应用程序。默认状态下，会自动生成一个窗体文件。如图1所示。

图1生成windows框体

这个窗体是主启动窗体，当程序运行的时候会先运行这个窗体，如果需要修改，可以在创建项目时默认生成的Program.cs文件中进行更改。一个桌面应用程序中往往会有多个窗体。可以右键点击项目名称，在“添加”选项中，选择“新建项”来添加窗体。在弹出的对话框中，在左侧的已安装的模板中选择Visual C#，然后在右侧列出的选项中选择Windows窗体，这里点击第三项。然后点击添加按钮即可增加新的窗体。可以在文本框中改变窗体的名称。有了窗体，就可以在窗体上放置各种各样的控件。左边的工具箱中有各式各样的控件，按钮、文本框、复选框等。用鼠标按住工具箱中的某个控件，把它拖放到窗体上，便可以往窗体内添加控件。也可以直接双击工具箱内的某个控件，将控件添加到窗体上。可以用鼠标对窗体上的控件进行拖动操作，来改变控件在窗体上的位置。当鼠标移动到窗体中的控件上时，鼠标的指针会变成十字形状，左键点住，就可以进行拖动。双击某个控件，就会跳到对应的代码编辑页面，进行相对应的操作响应事件代码的编写。

图2按钮点击响应事件代码

比如，双击按钮，就会跳到代码编写页面，进行按钮点击响应事件代码的编写。这里可以编写各种各样的事件。基本的控件和代码完成之后，就需要进行调试运行。点击上方的调试按钮，就可以就行窗体应用程序的生成、运行和调试。如果没有报错，就说明编译成功了，能够运行。

城市供水管网检测系统的流程框图如图3所示。

图3 城市供水管网泄漏检测系统的总体设计

用VS2010的C#程序语言构建windows界面有快速、可视化界面、操作简单、和windows系统兼容性好等优点。VS C#程序语言的特点有，简洁流畅、精心的面向对象设计、与Web结合紧密、严格的安全性与强大的错误处理能力、优秀的版本处理技术等。

方案二：

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师解决问题、提高生产力和不断创新。

Labview8.5是一种使用广泛旗舰软件。Lahview 8．5有两种菜单，一种为系统菜单，另一种为用户自定义菜单，统称为运行时菜单。本文主要讲述自定义菜单设计技术。运行Labview 8．5，执行“编辑＼运行时菜单”命令，弹出菜单编辑器，在编辑器中选择菜单类型为“自定义”，“菜单项“。类型”选择为“用户项”，点击工具条上的“ ”、“-”等图标实现菜单的增加、删除、子项设计等。在“菜单项名称”中输入菜单项名。“菜单项标识符”比较重要，该项内容用于程序中对本菜单项名的引用。“快捷方式”用于用键盘激活该项菜单功能，用“CTRL A”等表示。根据所做的项目实践，采用菜单编辑器设计了菜单界面。要执行某菜单项的功能，通过引用“菜单项标识符”来实现。Labview的程序结构应采用生产者／消费者结构来实现，即采用一个While循环与一个事件结构来实现。“新建”菜单项的子项“撞击模拟试验”对应的功能，设置该项的菜单标识符为“Crash—Test”，按如下实现：进入Labview程序框图界面，插入一个While循环，在循环中插入一个Event事件结构，在事件类型中选择“菜单选择(用户)”。附加一字符串变量Fune，用于记录当前执行的菜单项命令，由事件结构对Func变量动态赋值，在While循环结构中根据检索到Fune值执行对应的菜单功能。功能菜单项有多少项，则执行多少项的条件语句即可。也可以采用队列设计生产者／消费者程序结构，将Func的值在事件结构中压入队列，在循环结构中弹出队列。具体操作非常繁琐，只能简略书写。

用Labview构建windows界面也有简单、快速的特点，但是使用不方便，有些功能无法实现，工具不多，构建不灵活等。

采用方案：

根据方案一与方案二的具体对比，可知用VS2010软件构建windows界面比用Labview更加快速，更加方便，而且能够实现的功能更多，操作更灵活，VS C#程序语言更具有做Windows界面优点，Visual C#程序语言简洁流畅、精心的面向对象设计、与Web结合紧密、严格的安全性与强大的错误处理能力、优秀的版本处理技术等。所以毕业设计准备采用VS2010等相关软件构建毕业设计，采用方案一。

3．进度安排

第 1－2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的相关知识和功能要求。确定方案，完成开题报告；

第3－4周：完成外语论文翻译和测试系统总体方案设计；

第5－10周：完成传动比测试系统设计工作；

第11－12周：完成测试系统的硬件和程序的初步调校工作；

第13－15周：完成并修改毕业论文，准备论文答辩。

4.参考文献

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