一種基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位方法及裝置，其方法包括獲取通過多儀表、多方法獲得的信號傳遞時間差；采用迭代方法對信號傳遞時間差進行指數加權處理，以獲得定位結果。其裝置包括獲取模塊以及計算模塊。本發明使用基于信號物理特征建立的指數加權算法，可以顯著提高多信號源綜合定位精度，并且在對樣本數的要求、定位的不確定性、計算量等方面優于基于概率統計的加權定位方法。
【專利說明】
一種基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位方法及裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及管道泄漏定位技術領域，尤其涉及一種基于壓力波和聲波的管道泄漏 加權定位方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 管線輸送是現代輸運系統的重要組成部分，在國民生產生活中管線輸送是水、油、 氣、化工原料輸運的主要形式。管線泄漏事故的發生，會給單位和國家造成巨大的經濟損 失，給環境造成嚴重污染。因此輸油管道泄漏監測系統的研發一直以來受到高度重視，國內 外不同廠商研發了多款管道泄漏監測報警系統，如中國專利CN202074237U、CN100552668C、 CN1184931中提到的，目前主流的在線泄漏監測系統是基于對管道內流量和壓力信息的綜 合判斷來實現泄漏判斷和泄漏定位的。
[0003]目前在線泄漏監測系統的工作原理主要是利用流量平衡法和負壓力波法。流量平 衡法是通過對比管道進出口兩個監測點的輸入與輸出流量差別來判斷管道是否泄漏，結合 統計算法具有高置信度的的泄漏判斷能力，進一步結合對壓力波來源的分析，可以減小誤 報率和漏報率。對于泄漏定位，目前使用的負壓力波法、聲波法，都可以看作是對管道內壓 力脈動信號的捕捉和識別。當管道發生泄漏時，泄漏點附近局部壓力降低，并向上下游傳播 形成負壓力波，同時，泄漏產生的射流會引起管道振動并在管道內誘發流體渦，生成豐富的 聲波信號。由于管道中壓力信號的傳播速度由管道音速決定，而信號的衰減強度則與壓力 波頻率、管道固定方式、管道材質等因素有關，在管道遠端捕獲的壓力波動信號與泄漏點壓 力信號在分布形式上會有差異，特別在泄漏點距離管道兩端監測點距離差異大、管道鋪設 環境復雜的情況下，這一現象尤為顯著。
[0004] 在中等距離（lKm)以上管道中，聲波的高頻部分沿管道長度衰減顯著，可以作為泄 漏事件發生判斷的聲波信號集中在20Hz以下的低頻部分，而負壓力波本身也可以看做是一 類瞬態極低頻聲波信號。在管道泄漏定位中，負壓力波、次聲波方法有廣泛的應用，管道中 間某位置泄漏發生時，安裝在管道兩端的壓力傳感器或聲波傳感器可以測量到泄漏信號， 再根據泄漏信號傳播到達兩個傳感器的時間差，就可以計算出泄漏點距兩個傳感器的距 離。
[0005] 在中國專利CN203023812U、CN1246672C中公開了利用負壓力波方法進行泄漏定 位，而在中國專利CN101832472B、CN202040552U中則公開了利用聲檢測傳感器對低頻聲波 進行監測，從而實現對管道泄漏檢測。考慮到次聲波信號具有更精細的時間分辨率，出現了 使用負壓波和聲波協同進行泄漏定位的方法，如中國專利CN101968162B中公開了一種基于 負壓波和聲波協同檢測的管道泄漏定位系統及方法，以實現對輸油管道泄漏的精確定位； 在中國專利CN100552668C中則公開了分別利用兩類壓力和次聲波傳感器的信號和多種不 同的泄漏定位算法進行泄漏定位，再使用概率權函數方法對定位結果進行加權，從而得到 最終定位結果。
[0006] 在當前泄漏定位方法中，對融合壓力和聲波信息的泄漏檢測定位結果尚沒有統一 的方法，多數融合方案中，將負壓力波信號、聲波信號等不同信號源的定位信息作為分析樣 本進行綜合分析。如中國專利CN100552668C中，從概率統計的角度出發，對不同的定位信息 樣本發生在某一區間的概率進行估計，進一步使用該概率對初始定位結果進行加權處理獲 得對泄露位置的期望值。使用這一方法進行加權定位時需要較大的樣本數及相應的計算量 以提高結果置信度;此外，當某一傳感器信號定位存在顯著偏差的情況下，該方法容易造成 整體定位結果失效。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于提供一種基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位方法及裝置， 用以解決現有技術中定位誤差率大以及定位失效的問題。
[0008] 本發明的第一個方面是提供一種基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位方法，包 括如下步驟：
[0009] 獲取通過多儀表、多方法獲得的信號傳遞時間差；
[0010] 采用迭代方法對信號傳遞時間差進行指數加權處理，以獲得定位結果。
[0011] 進一步的，多儀表具體包括壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器。
[0012] 進一步的，多方法包括時域相關分析方法、廣義相關分析方法、小波奇異點檢測方 法以及小波系數相關分析方法。
[0013] 進一步的，采用迭代方法對所述信號傳遞時間差進行指數加權處理具體采用如下 公式：
[0014] 其中，A ti為彳目號傳遞時間差，i為序列號，A tTarget為真實 壓力信號傳遞時間差，L為管道長度，c為管道音速。
[0015] 本發明的另一個方面是提供一種基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位裝置，包 括獲取模塊以及計算模塊，其中，
[0016] 獲取模塊用于獲取信號傳遞時間差；
[0017] 計算模塊用于采用迭代計算的方法對信號傳遞時間差進行指數加權處理，以獲得 定位結果。
[0018] 進一步的，獲取模塊包括數據采集單元以及與數據采集單元相連接的壓力傳感 器、溫度傳感器和流量傳感器。
[0019] 進一步的，獲取模塊通過時域相關分析方法、廣義相關分析方法、小波奇異點檢測 方法以及小波系數相關分析方法進行分析處理以獲取信號傳遞時間差。
[0020] 進一步的，計算模塊采用迭代計算的方法對信號傳遞時間差進行指數加權處理具 體采用如下公式：
其中，A ti為彳目號傳遞時間差，i為序列號，A tTarget為真實 9 壓力信號傳遞時間差，L為管道長度，c為管道音速。
[0022] 采用上述本發明技術方案的有益效果是:采用的新的加權迭代算法是基于物理模 型，而非簡單的基于概率統計模型，因此可以在較小的樣本下，獲得高置信度和更高精度的 定位結果，進而降低分析過程的計算量。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位方法流程示意圖；
[0024] 圖2為本發明基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。
[0026]需要說明的是，本發明根據壓力信號在傳輸過程中的衰減變形的物理過程出發， 分析了不同定位方法結果的散布特征，并按照信號強度近似指數分布的特征，進一步說明 使用指數加權獲得高精度的泄漏定位結果。
[0027]在管道壓力波的初始產生階段，包含泄漏發生瞬間產生的負壓力波過程和泄漏射 流建立的壓力波動，都對負壓力波幅值有貢獻。而泄漏過程建立以后，泄漏射流并不直接產 生高幅值的壓力波動，而是會作為活塞聲源產生高頻的聲音信號，由于負壓力波的存在，壓 力波幅值在泄漏初始發生階段顯著高于后續階段。壓力波會在粘性作用、液體內的離散氣 體孔穴作用（discrete gas cavitymodel，簡稱DGCM)、管道粘彈性（Viscoelastic behaviour，簡稱VB)作用下幅值逐漸衰減，波形逐漸發展為近似三角波。
[0028]壓力波的波形從泄漏點附近的階躍型式逐漸色散、衰減為管道遠端的近似三角形 的波形，其主頻率中心值對應4e/l(其中，L為管道長度，c為管道音速），這一波形會疊加，主 要由于剛性管道應力波、接頭和補償器等自由端的振動，以及氣穴周期性振動引發的噪音， 在采集時還會引入儀表的電氣噪音。
[0029]其中，三角波按照傅里葉級數展開的形式可近似為指數形式：
[0031]
;其中，f t r i為三角波的函數形式，W為波的圓頻率，t為時 間，Atn為三角波的振幅，Aexp為指數波的振幅。
[0032]壓力信號的時刻值t受數據采集單元時間同步誤差、壓力傳感器的硬件遲滯差別 影響，在消除時鐘差異和儀表相應差異的前提下，A 1 =七42表示泄漏信號到達上游時鐘與 下游時鐘的時間差。
[0033]對管道兩端負壓力波的探測，主要目的在于獲得壓力波形的匹配。而噪音對于局 部波形的干擾可以視作相位干擾，近似的使用局部干擾項m進行指征，則信號的互相關可以 表示為：
[0034] Ccorr(m) =E(fl*f2)
[0035] 〇c IMMd加「<Tl)).IM(4??-
[0036] 〇c ▲廠⑴岣！de-ar:e-謂-
[0037] 〇c ^~a('1+121 1"A"'fl"Y： 1+ u，!?l~)2M'n, 1
[0038] oc^S^-aL^it-kAL+wAt-wm) ^ ^iw( At-AL/c-m)
[0039] xi+X2 = L ,xi~X2 = A L ； 其中，E為數學期望，X1為泄露點距離上游探測器距離，X2S 泄露點距離下游探測器距離，k為泄露信號的波數，i為虛數，等于根號負l，a為管道壓力波 信號衰減系數，其衰減幅度與傳播距離成指數關系，用e_ ax表示，L為上游探測器到下游探測 器的距離，即管道監測段總長度。
[0040] 當干擾項m不存在時，有A t= A L/C，可以得到精確的信號傳播時間差；當干擾項m 不為0時，有A t = A L/c+m，造成對彳目號傳播時間差的含噪首有偏差估計。
[0041]根據上式，若m越偏離0值，則要求局部干擾的強度越大，只有這樣才能保證對整體 波形造成顯著的相位干擾。若將干擾因素視為白噪音，則可以根據Cccirr(m)的形式推斷Cccirr (m)有偏差估計出現的概率，與偏差程度m呈負指數關系，如下式所示(相關系數Cc^r(m)的 概率正比）：
[0042] P(Ccorr(m))ae-'
[0043]考慮到不同的傳感器和不同的信號處理方法，對干擾項的感受性有差異，因此干 擾項m可以視作在一定范圍內的隨機變量;考慮到負壓力波的典型尺度，m的范圍局限在[-L/c，L/c]之間，根據負壓力波的顯著程度，可以進一步的將m的范圍局限在[-L/c，L/c]/2之 間，甚至[-L/c，L/c]/3的范圍內。
[0044] 若以管道尺度標準化的偏差估計出現的概率，則可以表述為：
[0045] P(Cc〇rr(m))^e-|m/(L/c)0
[0046] 而本發明則對于多儀表、多方法獲得的信號傳遞時間差，可以按照以上指數形式 概率進行時間差加權處理，本發明實施例具體公開了一種基于壓力波和聲波的管道泄漏加 權定位方法，如圖1所示，包括如下步驟：
[0047] 步驟S101，獲取通過多儀表、多方法獲得的信號傳遞時間差。
[0048] 在本實施例中，多儀表可以包括壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器，具體用于 采集管道的壓力參數、溫度參數和流量參數。其壓力傳感器具體可以是HM90防爆型壓力傳 感器，通常壓力范圍在0~IMPa之間，采樣頻率為10kHz，綜合精度為±0.1 %FS;流量傳感器 具體可以是??1(115540呢-021?2-?型號的傳感器，其雷諾數1^2 8000，測量精度為0.5%，壓 損是孔板流量計的1/3~1/5。本實施例中，還可以使用其他專用次聲波傳感器、壓力傳感器 獲得壓力脈動信息并獲取單方法定位結果，用于下一步的加權定位。
[0049]多方法具體包括時域相關分析方法、廣義相關分析方法、小波奇異點檢測方法以 及小波系數相關分析方法，可以通過這些方法對采集的壓力參數、溫度參數和流量參數進 行分析處理，從而獲取信號傳遞時間差。在本實施例中，還可以引入壓力梯度法、瞬態模型 法等方法的定位結果，作為輔助結果，從而用于進一步改進基于壓力脈動的定位結果。 [0050]步驟S102,采用迭代方法對信號傳遞時間差進行指數加權處理，以獲得定位結果。 [0051 ]在本實施例中，具體可以采用如下公式進行指數加權處理，
其中，A ti為彳目號傳遞時間差，i為序列號，A tTarget為真實 壓力信號傳遞時間差，L為管道長度，c為管道音速。上述計算可以采用迭代方法進行，在迭 代計算中，A tTarget的初始值可以采用A "的平均值，或者采用某個結果相對可靠的A t乘 以一個接近1的系數。
[0053]本發明使用基于信號物理特征建立的指數加權算法，可以顯著提高多信號源綜合 定位精度，并且在對樣本數的要求、定位的不確定性、計算量等方面優于基于概率統計的加 權定位方法。
[0054]本發明還公開了一種基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位裝置，如圖2所示，包 括安裝在管道上需要獲取數據的端口的獲取模塊1，以及與獲取模塊1相連接的計算模塊2， 在本實施例中，獲取模塊1可以有多個，分別安裝在管道上需要獲取數據的端口處(如安裝 在端口 A處的獲取模塊1A，安裝在端口 B處的獲取模塊1B)，而獲取模塊1主要包括數據采集 單元10以及與該數據采集單元10相連接的壓力傳感器11、溫度傳感器12和流量傳感器13， 具體用于采集管道的壓力參數、溫度參數和流量參數。其壓力傳感器11具體可以是HM90防 爆型壓力傳感器，通常壓力范圍在0~IMPa之間，采樣頻率為10kHz，綜合精度為±0.1 %FS; 流量傳感器13具體可以是FFK11554CNE-02R2-P型號的傳感器，其雷諾數Re 2 8000，測量精 度為0.5%，壓損是孔板流量計的1/3~1/5。本實施例中，還可以使用其他專用次聲波傳感 器、壓力傳感器獲得壓力脈動信息并獲取單方法定位結果，用于下一步的加權定位。
[0055] 在本實施例中，數據采集單元10通過時域相關分析方法、廣義相關分析方法、小波 奇異點檢測方法以及小波系數相關分析方法對采集的壓力參數、溫度參數和流量參數進行 分析處理，從而獲取信號傳遞時間差。在本實施例中，還可以引入壓力梯度法、瞬態模型法 等方法的定位結果，作為輔助結果，從而用于進一步改進基于壓力脈動的定位結果。
[0056] 計算模塊2具體可以采用如下公式進行指數加權處理，
;其中，A ti為信號傳遞時間差，i為序列號，AtTarg(5t為真實 壓力信號傳遞時間差，L為管道長度，c為管道音速。上述計算可以采用迭代方法進行，在迭 代計算中，A tTarget的初始值可以采用A "的平均值，或者采用某個結果相對可靠的A t乘 以一個接近1的系數。
[0058]以下通過一個具體的實施例進一步說明本發明的方案，在本實施例中，試驗現場 為滄州某單位的兩組油庫之間的DN150航空煤油管道，該管道中部有一部分，約1600m長度 分叉為埋地、地面支撐并行雙管。所有測試傳感器安裝在雙管分叉點遠端，并遠離油栗、出 油口，傳感器之間的油管直線距離約1663m，其中包括2個鈍角拐彎和7個"n"形伸縮節(拐 角90度，拐進深約1.5m)，每兩個伸縮節之間距離不等，約300m，管道累計長度約1687m。壓力 變送器布置在管道兩側距離儲罐、栗體等裝置約200m以外。兩個壓力變送器之間的管道上， 距其中下游變送器一端約31m位置處，人工制造一個約10_直徑的泄漏測試孔，在泄漏測試 時通過l/2inch閥門經軟管流入收集桶中。
[0059]泄漏測試中，對壓力信號進行1000Hz的高頻采集，并使用GPS/北斗進行同步授時， 當信號傳輸到控制端后，根據泄漏判斷結果，截取發生泄漏事件前后數分鐘的壓力信號，進 行降噪和濾波處理，將原始信號分為〇.5Hz以下的"純凈"的負壓力波信號，和0.6Hz~15Hz 的次聲波信號。并對負壓力波信號進行時域相關分析、廣義相關分析，從而獲得負壓力波信 號傳播時間差，并對次聲波信號進行特征提取，分別按照奇異點檢測方法和小波系數相關 方法獲得次聲波信號傳播時間差。最后，采用指數加權定位法，獲得最終定位結果，在加權 定位迭代計算中，選擇負壓力波信號進行時域相關分析結果的0.9倍作為估計初值，其多次 測試的定位結果如下表所示，其中，下表NaN代表的是空值：
[0061]由此可知，采用本發明的加權迭代算法可以獲得更高的定位精度，并且減少計算 中概率估計引入的不確定性，同時減少計算量。
[0062]本領域普通技術人員可以理解:實現上述各方法實施例的全部或部分步驟可以通 過程序指令相關的硬件來完成。前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中。該程 序在執行時，執行包括上述各方法實施例的步驟;而前述的存儲介質包括:R〇M、RAM、磁碟或 者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0063]最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制;盡 管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依 然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進 行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術 方案的范圍。
【主權項】
1. 一種基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位方法，其特征在于，包括如下步驟： 獲取通過多儀表、多方法獲得的信號傳遞時間差； 采用迭代方法對所述信號傳遞時間差進行指數加權處理，W獲得定位結果。2. 根據權利要求1所述的基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位方法，其特征在于，所 述多儀表具體包括壓力傳感器、溫度傳感器和流量傳感器。3. 根據權利要求1所述的基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位方法，其特征在于，所 述多方法包括時域相關分析方法、廣義相關分析方法、小波奇異點檢測方法W及小波系數 相關分析方法。4. 根據權利要求1~3任一項所述的基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位方法，其特 征在于，所述采用迭代方法對所述信號傳遞時間差進行指數加權處理具體采用如下公式：:其中，A ti為信號傳遞時間差，i為序列號，Δ tTarget為真實壓力 信號傳遞時間差，L為管道長度，C為管道音速。5. -種基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位裝置，其特征在于，包括獲取模塊W及 計算模塊，其中， 所述獲取模塊用于獲取信號傳遞時間差； 所述計算模塊用于采用迭代計算的方法對所述信號傳遞時間差進行指數加權處理，W 獲得定位結果。6. 根據權利要求5所述的基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位裝置，其特征在于，所 述獲取模塊包括數據采集單元W及與所述數據采集單元相連接的壓力傳感器、溫度傳感器 和流量傳感器。7. 根據權利要求6所述的基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位裝置，其特征在于，所 述獲取模塊通過時域相關分析方法、廣義相關分析方法、小波奇異點檢測方法W及小波系 數相關分析方法進行分析處理W獲取信號傳遞時間差。8. 根據權利要求5~7任一項所述的基于壓力波和聲波的管道泄漏加權定位裝置，其特 征在于，所述計算模塊采用迭代計算的方法對所述信號傳遞時間差進行指數加權處理具體 采用如下公式：癢中，A ti為信號傳遞時間差，i為序列號，Δ tTarget為真實壓力 信號傳遞時間差，L為管道長度，C為管道音速。
【文檔編號】F17D5/02GK105840987SQ201610262090
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】徐勝金, 龔海清, 胡站偉
【申請人】北京宏信環科科技發展有限公司