城市智慧燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏信號(hào)檢測(cè)及泄漏定位實(shí)驗(yàn)

王曉蘭WANG Xiao-lan

（杭州宸諾投資有限公司，杭州 310057）

0 引言

燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏除了會(huì)給燃?xì)夤編?lái)經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)因?yàn)樘烊粴獗旧砭哂幸兹家妆奶匦裕瑤?lái)嚴(yán)重的安全隱患，威脅社會(huì)公共安全和群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。由于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)覆蓋范圍廣，并且經(jīng)常與其他市政管網(wǎng)相互交錯(cuò)，在發(fā)生泄漏之后如何實(shí)現(xiàn)即時(shí)告警、準(zhǔn)確定位，就成為燃?xì)夤芫W(wǎng)公司必須要考慮的問(wèn)題。本文介紹了一種基于聲發(fā)射傳感器的燃?xì)庑孤z測(cè)裝置，可準(zhǔn)確識(shí)別泄漏信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏故障的即時(shí)告警。同時(shí)還能基于單點(diǎn)定位算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏位置的精確定位，為泄漏問(wèn)題的及時(shí)處理、有效降低燃?xì)饫速M(fèi)損失起到了積極幫助。

1 城市智慧燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)中傳感器的選擇

在燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)中，傳感器主要用于采集管網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)信號(hào)，然后利用通信裝置將該信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的比對(duì)、分析，判斷燃?xì)夤芫W(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。因此，傳感器的選擇將直接決定泄漏信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果是否精確。本設(shè)計(jì)中選擇基于振動(dòng)量檢測(cè)的傳感器，具體又分為2 種類型。其中加速度傳感器適用于振動(dòng)頻率在0.1-5000Hz 且加速度較大的情況；而速度傳感器應(yīng)用于振動(dòng)頻率在1-100Hz，加速度較小的情況。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，燃?xì)夤艿腊l(fā)生局部泄漏時(shí)，由于氣體逸出引起的管壁振動(dòng)頻率既有小于16Hz 的次聲波，也有超過(guò)2000Hz 的超聲波，因此本設(shè)計(jì)中選擇適用范圍更廣的加速度傳感器。

1.2 燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)的核心裝置有聲發(fā)射傳感器、示波器、試驗(yàn)管道、壓力表等，如圖1 所示。

圖1 燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

如圖1 所示，在泄漏孔的左右兩側(cè)各布置了1 臺(tái)聲發(fā)射傳感器，用于檢測(cè)泄漏信號(hào)，檢測(cè)到信號(hào)后有示波器記錄并存儲(chǔ)。在靠近管道出口的位置安裝了1 部壓力表，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)天然氣的氣體壓力。泄漏孔的開(kāi)度可調(diào)。在靠近管道入口的位置使用自動(dòng)氣泵向管道內(nèi)打氣，保證供氣均勻、壓力穩(wěn)定。一段時(shí)間后，觀察示波器上呈現(xiàn)出來(lái)的兩個(gè)波形信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)泄漏孔前方聲發(fā)射傳感器采集到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成的原始波形比較規(guī)律；而根據(jù)泄漏孔后方聲發(fā)射傳感器采集到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成的波形雜亂無(wú)章。據(jù)此可以識(shí)別出該管道上某處發(fā)生了泄漏。進(jìn)一步的，可以判斷泄漏點(diǎn)位于兩臺(tái)聲發(fā)射傳感器之間，按照此方法不斷縮小兩臺(tái)傳感器的間隔距離，最終可以準(zhǔn)確找出泄漏點(diǎn)的具體位置。

1.3 燃?xì)庑孤z測(cè)的基本流程

由于該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，并不確定待測(cè)泄漏信號(hào)的頻率，為了避免出現(xiàn)漏檢的情況，需要將檢測(cè)頻率范圍設(shè)置的較廣，無(wú)形中增加了數(shù)據(jù)處理量，從前端信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)完成統(tǒng)計(jì)處理，需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，難以突出泄漏檢測(cè)的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)。針對(duì)此類問(wèn)題，應(yīng)付了混沌算法處理模塊，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)預(yù)制和混沌振子兩個(gè)功能。所謂信號(hào)預(yù)制，就是將任意泄漏信號(hào)的頻率范圍壓縮至1-10Hz的區(qū)間范圍內(nèi)，之后再將經(jīng)過(guò)壓縮處理后的泄漏信號(hào)，按照設(shè)計(jì)好的預(yù)制公比（Q=1.013）輸入到混沌振子陣列中。觀察相鄰振子之間是否出現(xiàn)了間歇混沌現(xiàn)象。如果有，則計(jì)算出信號(hào)頻率，再將該頻率乘以10-n，計(jì)算出被測(cè)泄漏信號(hào)的實(shí)際頻率。該處理可以借助于特定的應(yīng)用軟件來(lái)完成：即假設(shè)某泄漏信號(hào)的速度為v，則以10nv（n 為整數(shù)）的速度將記錄的信號(hào)重新讀取。此時(shí)必然存在唯一的一個(gè)n，能夠讓重新讀取的信號(hào)頻率處于[1，10]Hz 的區(qū)間范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)混沌算法處理后的泄漏信號(hào)檢測(cè)圖像如圖2所示。

圖2 燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合圖2 可知，由燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的原始信號(hào)為混沌狀態(tài)（圖2 左）。而經(jīng)過(guò)陣子陣列的處理后，檢測(cè)信號(hào)從混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笾芷跔顟B(tài)（圖2 右）。這樣就能通過(guò)陣列掃描更加準(zhǔn)確地檢測(cè)泄漏信號(hào)，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和檢測(cè)效率。

2 城市智慧燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏定位實(shí)驗(yàn)

在檢測(cè)到燃?xì)夤芫W(wǎng)有泄漏故障后，還應(yīng)對(duì)泄漏點(diǎn)的位置進(jìn)行精確定位，以便于技術(shù)人員盡快完成故障處理，防止出現(xiàn)燃爆事故。通過(guò)上文分析可知，當(dāng)燃?xì)夤艿滥程幇l(fā)生泄漏后，從泄漏點(diǎn)出會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，并且從泄漏點(diǎn)沿著管壁向兩端傳播。因此，位于泄漏點(diǎn)兩側(cè)的聲發(fā)射傳感器可以捕捉振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而判斷是否發(fā)生了泄漏，并對(duì)泄漏位置進(jìn)行精確定位?，F(xiàn)階段常用的定位方法有互相關(guān)法（GCC）、互雙譜法（CBM）等。

2.1 單點(diǎn)定位模型

隨著燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏檢測(cè)技術(shù)的日益成熟，可用于泄漏定位的數(shù)學(xué)模型也越來(lái)越多。其中應(yīng)用較為廣泛的是單點(diǎn)泄漏定位模型，該模型的檢測(cè)原理是假定兩套檢測(cè)系統(tǒng)或兩臺(tái)檢測(cè)裝置之間，有且只有一個(gè)泄漏點(diǎn)，其中1#聲發(fā)射傳感器與泄漏點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)1，2#聲發(fā)射傳感器與泄漏點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)2，兩臺(tái)傳感器之間的距離為L(zhǎng)，存在L=L1+L2 的關(guān)系。假設(shè)兩臺(tái)傳感器接收到的泄漏信號(hào)分別為x1（n）、x2（n），則有以下公式：

式（1）中，s（n）表示零均值、平穩(wěn)、非高斯信號(hào)；N1（n）、N2（n）均表示零均值、平穩(wěn)的高斯噪聲，并且兩者之間相互獨(dú)立；D 表示時(shí)間延遲，可通過(guò)時(shí)延估計(jì)方法求得?，F(xiàn)在假設(shè)該泄漏信號(hào)在燃?xì)夤艿乐械膫鞑ニ俣葹関，采樣率為f0，則有以下公式：

根據(jù)式（2），分別得到L1和L2的表達(dá)式：

根據(jù)式（3）計(jì)算出L1和L2的值，即可找到燃?xì)夤艿郎闲孤c(diǎn)的具體位置。

2.2 單點(diǎn)泄漏定位的基本原理

2.2.1 互相關(guān)定位方法

基于互相關(guān)理論的泄漏定位方法，是通過(guò)引入前置濾波優(yōu)化時(shí)延估計(jì)性能，廣義上的互相關(guān)定位原理如圖3所示。

圖3 互相關(guān)法原理圖

圖3 中，H1和H2代表引入的前值濾波器，通過(guò)傅里葉變換可以得到功率譜密度，其表達(dá)式為：

式（4）中，Rx1x2（τ）為功率譜密度，Sx1x2（ω）為輸入信號(hào)x1（t）和x2（t）的互功率譜密度。分別使用H1和H2對(duì)信號(hào)x1（t）和x2（t）進(jìn)行濾波處理，得到濾波后的互功率譜密度，其計(jì)算公式為：

根據(jù)式（5）求得理想狀態(tài)下的互功率譜密度，但是在泄漏定位的實(shí)際操作中還存在外界干擾，因此只能得到互功率譜密度的估計(jì)值，由此可得x1（t）和x2（t）的互相關(guān)結(jié)果：

在式（6）中，由于引入了頻率加權(quán)函數(shù)Ψg（ω），能夠有效抑制噪聲高的、有可能引起時(shí)延估計(jì)誤差的頻帶，從而時(shí)互相關(guān)定位精度得到提升?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法泄漏信號(hào)定位，就是利用x1（t）和x2（t）兩個(gè)輸入信號(hào)，分別獲取其信號(hào)功率譜、噪聲功率譜，在此基礎(chǔ)上推算出泄漏點(diǎn)的位置坐標(biāo)，但是考慮到泄漏源信號(hào)的頻率特征受到諸多因素（如埋設(shè)環(huán)境、管道材質(zhì)、管內(nèi)壓力等）的影響呈現(xiàn)出不確定特性，因此在實(shí)際應(yīng)用中也受到限制。

2.2.2 互雙譜定位方法

互雙譜定位法可以有效彌補(bǔ)互相關(guān)定位法存在的一些不足，是目前適用范圍較廣、定位精度較高的一種泄漏定位方法。根據(jù)頻率計(jì)算方式的不同，又可分為常規(guī)的互雙譜法（CBM）、改進(jìn)的互雙譜法（MCBM），以及參數(shù)互雙譜法（PBM）等幾種。以CBM 為例，首先進(jìn)行互雙譜定義，其表達(dá)式為：

假設(shè)該信號(hào)為實(shí)信號(hào)，則式（7）中互雙譜在（fm，fn）組成的平面中存在2 條對(duì)稱線，即fm+fn=0，fm-fn=0。則符合采樣頻率的兩個(gè)主值區(qū)間T1和T2分別表示為：

在上述區(qū)間范圍內(nèi)，自雙譜B111（fm，fn）與互雙譜B112（fm，fn）可用下式表示：

觀察上述兩式可以發(fā)現(xiàn)B111（fm，fn）與B112（fm，fn）之間存在關(guān)系，經(jīng)過(guò)兩式合并、化簡(jiǎn)后，兩者關(guān)系式可表示為：

上式中D 即為兩步傳感器檢測(cè)到的信號(hào)延遲。根據(jù)D可以求得互雙譜的時(shí)延估計(jì)結(jié)果。該結(jié)果的精度越高，則表明泄漏定位越精確。

2.3 燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏定位實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證單點(diǎn)定位模型在燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ恢械膶?shí)用效果，使用獨(dú)立分布、均值為零的單邊指數(shù)信號(hào)模擬傳感器，收集燃?xì)夤艿乐械男孤┬盘?hào)。所得數(shù)據(jù)共有10 組，每組數(shù)據(jù)為256×4 個(gè)。設(shè)有2 臺(tái)傳感器，1#測(cè)量高斯噪聲，2#測(cè)量隨機(jī)噪聲。分別測(cè)量信噪比為10、20、30 時(shí)的時(shí)域波形。在此基礎(chǔ)上分別使用互相關(guān)定位法、互雙譜定位法，計(jì)算出時(shí)延估計(jì)結(jié)果，如圖4 所示。

圖4 燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖4 可知，基于互相關(guān)定位法得出的時(shí)延估計(jì)結(jié)果為12，基于參數(shù)互雙譜法得到的時(shí)延估計(jì)結(jié)果為11.9978，后者的精度明顯更高。此外，大量的實(shí)驗(yàn)也證明參數(shù)互雙譜法能夠在強(qiáng)噪聲環(huán)境下準(zhǔn)確進(jìn)行信號(hào)時(shí)延估計(jì)，保證定位結(jié)果精度。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏故障的自動(dòng)檢測(cè)和精準(zhǔn)定位，是智慧城市建設(shè)下的一種必然趨勢(shì)。由于天然氣在泄漏時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，并沿著管道進(jìn)行傳播，基于此可以構(gòu)建燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，利用聲發(fā)射傳感器收集振動(dòng)信號(hào)，將其作為輸入量并用混沌振子陣列處理，可以得到具有特征頻率的泄漏信號(hào)，并且保證信號(hào)檢測(cè)結(jié)果具有較高精度。在泄漏定位方面，則使用單點(diǎn)定位模型，實(shí)驗(yàn)表明基于互雙譜定位的模型，定位精度要優(yōu)于互相關(guān)定位模型，為泄漏故障的排查處理提供了必要的依據(jù)。