CN102168809A - 一种基于压力温度分析的机场坪航空燃油管网泄漏检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于压力温度分析的机场坪航空燃油管网泄漏检测系统，其特征在于包括：温度传感器，压力传感器，测漏仪，和上位机；其中，温度传感器用于测量管线所在环境的温度，以用于修正环境温度对管道压力的影响，并将该温度值信号通过有线或无线方式传送给测漏仪；压力传感器，用于实时检测管道中的压力变化情况，将压力信号及温度信号转换为电信号，通过有线或无线方式传送给测漏仪，压力传感器，其安装于输送管道上，与声波发生源接触，用于感测声波在空气中传播时形成压缩和稀疏交替变化的声压，获取精度较高的压力信号；测漏仪，其上运行机坪管网泄漏检测系统；上位机，其是系统的监控终端。此外，公开了一种相应的基于压力温度分析的机场坪航空燃油管网泄漏检测方法。

Description

一种基于压力温度分析的机场坪航空燃油管网泄漏检测方法及系统

技术领域

本发明涉及飞机场机坪管网渗漏、泄漏感测技术领域，尤其涉及一种基于压力温度分析的机场坪航空燃油管网泄漏检测方法及系统。

背景技术

机场供油工程是机场运营服务的重要基础设施。机场供油工程包括长输管道、中转油库、机场使用油库和机坪加油管网等关键组成部分，绝大多数机场都采用机坪管网输送航空燃油。

目前，机坪航空燃油加油管网是从机场油库到机坪各机位的供油管网。由于长时间的运行腐蚀和磨损、设备的自然老化、地质灾害以及人为损坏等原因，机坪航空燃油管网泄漏故障时有发生。因此，很有必要对机坪输油网络进行监控，以判断机坪输油管网的某管段是否发生渗漏、泄漏，以杜绝安全隐患。

发明内容

为此，本发明提出了一种基于压力温度分析的机场坪航空燃油管网泄漏检测方法及系统，其基本工作原理是：对于两端封闭的带压管道，如果管道发生泄漏，管道压力将降低。通过检测压力的变化，及环境温度因素的综合考虑，从而确定管道是否发生泄漏。采用本发明提供的技术，通过监控和分析持续20～50分钟的压力和温度数据，系统能检测到孔径为0.1毫米的微小泄漏。

本发明的一方面在于，一种基于压力温度分析的机场坪航空燃油管网泄漏检测系统，其特征在于包括：温度传感器，压力传感器，测漏仪，和上位机；其中，温度传感器用于测量管线所在环境的温度，以用于修正环境温度对管道压力的影响，并将该温度值信号通过有线或无线方式传送给测漏仪；压力传感器，用于实时检测管道中的压力变化情况，将压力信号及温度信号转换为电信号，通过有线或无线方式传送给测漏仪，压力传感器，其安装于输送管道上，与声波发生源接触，用于感测声波在空气中传播时形成压缩和稀疏交替变化的声压，获取精度较高的压力信号；测漏仪，其上运行机坪管网泄漏检测系统；上位机，其是系统的监控终端；

其中，运行于测漏系统的处理流程包括如下处理步骤：(1)通过传感器和前置电路完成将接收到的信号转换成电信号，进行放大处理；(2)通过数据AD转换和数据预处理，完成AD转换，并且进行必要的数据稳健性处理；(3)消除干扰和背景噪声；(4)处理之后的信号，通过压力数据校准及压力曲线特征搜索引擎，进行压力信号特征提取和识别，完成渗漏或者泄漏事件识别；其中，管道压力数据校准，需要考虑环境温度、管径、管道壁厚对管道压力的影响，从而减小外界客观因素对压力数据分析的影响。

另一方面在于，一种基于压力温度分析的机场坪航空燃油管网泄漏检测方法，其特征在于包括以温度传感器，压力传感器，测漏仪，和上位机构成的检测系统；其中，温度传感器用于测量管线所在环境的温度，以用于修正环境温度对管道压力的影响，并将该温度值信号通过有线或无线方式传送给测漏仪；压力传感器，用于实时检测管道中的压力变化情况，将压力信号及温度信号转换为电信号，通过有线或无线方式传送给测漏仪，压力传感器，其安装于输送管道上，与声波发生源接触，用于感测声波在空气中传播时形成压缩和稀疏交替变化的声压，获取精度较高的压力信号；测漏仪，其上运行机坪管网泄漏检测系统；上位机，其是系统的监控终端；

其中，运行于测漏系统的处理流程包括如下处理步骤：(1)通过传感器和前置电路完成将接收到的信号转换成电信号，进行放大处理；(2)通过数据AD转换和数据预处理，完成AD转换，并且进行必要的数据稳健性处理；(3)消除干扰和背景噪声；(4)处理之后的信号，通过压力数据校准及压力曲线特征搜索引擎，进行压力信号特征提取和识别，完成渗漏或者泄漏事件识别；其中，管道压力数据校准，需要考虑环境温度、管径、管道壁厚对管道压力的影响，从而减小外界客观因素对压力数据分析的影响。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1独立监控与数据采集(SCADA)系统机坪管网测漏系统总体框图；

图2机场坪短距离封闭管道测漏系统核心处理流程；

图3压力曲线和压力对数曲线(示意图)；

图4对数压力曲线的联合矢量提取过程；

图5基于神经网络和压力曲线特征的飞机场机坪渗漏、泄漏搜索引擎构建示意图。

具体实施方式

如图1所示，其为基于压力监测法的机坪管网泄漏检测系统的总体结构框图，该独立监控与数据采集系统(SCADAS)机坪管网测漏系统，包括温度传感器，压力传感器，测漏仪，和上位机。其中，温度传感器用于测量管线所在环境的温度，以用于修正环境温度对管道压力的影响，并将该温度值信号通过有线或无线方式传送给测漏仪；压力传感器，用于实时检测管道中的压力变化情况，将压力信号及温度信号转换为电信号，通过有线或无线方式传送给测漏仪，压力传感器(有时也称为压力变送器)其安装于输送管道上，与声波发生源接触，用于感测声波在空气中传播时形成压缩和稀疏交替变化的声压，获取精度较高的压力信号。通常，压力信号中携带了声波信号，但是由于压力信号是一个较大的压力值，而声波引起的压力波动是一个很小的压力值。例如，在空气中一个标准大气压(指在标准大气条件下海平面的气压)其值为101325帕斯卡，约为10⁵帕斯卡，而人耳能听到的最低声音引起的空气压力变化约为2*10^-5帕斯卡)；测漏仪，测漏仪是整个系统的核心功能模块，其上运行机坪管网泄漏检测系统；上位机(也称监控终端)，其是系统的监控终端，操作员和管理员可以实现系统管理和参数设置等操作和管理，当发生管道泄漏(或泄漏)，及时发出报警和启动应急处理。

关于温度传感器，压力传感器，测漏仪，和上位机之间的信息连接、传输方式，对于本领域技术来说，根据附图的直观理解就可以得知，属于本领域的公知常识，这里就不再赘述。

如图2所示，其为运行于运行机坪管网泄漏检测系统中的机场坪短距离封闭管道测漏系统核心处理流程，其包括如下处理步骤：(1)通过传感器和前置电路完成将接收到的信号转换成电信号，放大后传递给功能块2；(2)通过数据AD转换和数据预处理，完成AD转换，并且进行必要的数据稳健性处理的工作，比如自适应滤波、去燥等；(3)噪声消除模块，消除干扰和背景噪声，如正常的开关阀门产生的声音干扰等；(4)处理之后的信号，通过压力数据校准及压力曲线特征搜索引擎，进行压力信号特征提取和识别，从而完成渗漏或者泄漏事件识别，并且确定出事件大致的发生时间、距离等。其中，管道压力数据校准，需要考虑环境温度、管径、管道壁厚对管道压力的影响，从而减小外界客观因素对压力数据分析的影响。

以下，从管道压力数据信号的提取，对采集的管道压力数据进行温度校准，基于校准后的压力数据特征提取及提取后的特征通过压力曲线特征搜索引擎进行识别处理特征，详细说明其信息处理的具体实施方法。

管道压力数据信号的提取

由于短距离封闭管道系统泄漏时，参数的压力变化是非常微小的。这种压力的微小变化，很容易淹没在背景噪声中。因此必须将背景噪声滤除，一般用维纳滤波方法，可以在很大程度上降低背景噪声的影响。

定义管道信号模型如下：

y(n)＝s(n)+b(n)

其中，y(n)是数据采集系统采集到的信号，采集到的信号可以是压力信号或温度信号，通常，采集到的信号包括目标信号及各种噪声和干扰；s(n)是管道内待检测目标信号；b(n)是背景噪声信号；可以通过下面方法得到管道内的待检测目标信号：

$\hat{S}\left(k\right)=Y\left(k\right)-B\left(k\right)$

其中

估计出的目标压力信号的傅里叶变换；Y(k)：采集到的含噪压力信号的傅里叶变换；B(k)：背景噪声信号的傅里叶变换。

最后由经过反傅里叶变换，就可以得到消噪后的目标信号s(n)。

管道压力数据的温度校准

多数情况下，由于热胀冷缩效应，短距离封闭管道在高温时候，压力明显比常温时候要高。这种因温度影响的管道压力变化，很可能已经超过了泄漏时管道的压力变化。对已采集的管道压力数据，必须进行温度校准。更广泛地说，未校准压力P′可以写成下列函数：

P′＝f(温度，管径，壁厚等)

从目前的原型机系统看，P′与受温度影响最大，其他因素的影响比较小。所以本发明系统取：

P′＝a*T²+b*T+c

作为温度修正曲线，T为环境温度。对于特定的管线，实测多组数据后，可以确定上式中的系数a，b，c。从而确定压力温度之间的函数映射关系，有效校正不同环境温度下的压力数据。

压力管道压力数据特征矢量提取方法

由于实际的压力(压力已校准)是依循一种非线性的方式进行衰减的，对于压力管道，在相对较短的ΔT时间内，压力序列{Pn|n＝1，…，n}可用函数P＝α.t^β+ε，α、β、ε均为拟合参数。因上述指数形式在分析问题时颇为不便，所以对所获得的ΔT时间段的压力数据进行对数域变换，即：

log(P)＝a log(t)+b，其中a，b为基于压力对数曲线的系统拟合参数

经过这样处理后，曲线变化相对平缓一些，也较为容易看到压降的突变点，如图3所示，这样的对数域压力变换曲线，其特征更加明显，更有利于后续的特征提取及进行训练、识别。

此外，为了节省计算时间、减少存储量等，根据实际设计需要，也可以不需要把压力数据作对数运算。

压力管道压力对数数据特征矢量形成方法

由于多数的压力管道监控系统要求极高的可靠性，如果只是简单地以压力对数衰减为判据，过于粗放，根本无法满足实际应用需要，极容易造成漏判、误判。鉴于此，数据在经过上述的处理后，必须经过更精细化处理。为表征对数压力曲线的特点，提高系统可靠性，本发明首次提出，将所述对数压力曲线的时间段ΔT，分成更小的时间间隔(Δt，设有M个样点)，以Q_i为该M个样点的代表点，如图4所示。

为降低系统噪声的影响，Q_i和Δt时间间隔内的这M个样点用中值滤波器给出：

Q_i＝M个样点排序后，取中值，

取连续的L个Δt时间间隔，按上述步骤得到L个压力对数值{Q_i|i＝1，…，L}，将此L个数值联合起来，构成一个压力对数联合矢量Π＝(Q₁Q₂...Q_L)^T作为此对数压力曲线的特征矢量。

基于神经网络的压力曲线特征搜索引擎的构建方法

神经网络模型以其强大的并行数据处理能力及学习能力被广泛用于系统辨识领域，能有效地描述复杂的信号模型，在模型识别和匹配领域得到了广泛的应用。本发明以压力对数联合矢量Π＝(Q₁Q₂...Q_L)^T，或仅使用压力联合矢量，为神经网络输入端，如图5所示，其为基于神经网络和压力曲线特征的飞机场机坪渗漏、泄漏搜索引擎构建结构图，从图5可以得到，网络输出为

w_i是权重因子，φ_i(Q₁Q₂...Q_L)是神经元核函数，本系统神经网络模型库由参数集{w_i、φ_i(x)}确定。通过提取的压力曲线特征，对神经网络进行现场或离线的学习训练，可以正确识别管道的渗漏或泄露情况。采用本发明提供的技术，通过监控和分析持续20～50分钟的压力和温度数据，系统能检测到孔径为0.1毫米的微小泄漏。

本发明至少取得以下几方面的优点：

系统有效地区分泄漏、泄漏信号及干扰信号。

系统提高了系统灵敏度，降低了误报率，从而实现渗漏、泄漏的在线监测，极大提高工作效率。

系统安装方便，易于施工操作，可靠性强，灵敏度高，检测速度快，可以每天对机坪管道进行泄漏检测，为机场坪管道测漏提供了强有力的技术保障。

Claims (8)

1.一种基于压力温度分析的机场坪航空燃油管网泄漏检测系统，其特征在于包括：温度传感器，压力传感器，测漏仪，和上位机；其中，温度传感器用于测量管线所在环境的温度，以用于修正环境温度对管道压力的影响，并将该温度值信号通过有线或无线方式传送给测漏仪；压力传感器，用于实时检测管道中的压力变化情况，将压力信号及温度信号转换为电信号，通过有线或无线方式传送给测漏仪，压力传感器，其安装于输送管道上，与声波发生源接触，用于感测声波在空气中传播时形成压缩和稀疏交替变化的声压，获取精度较高的压力信号；测漏仪，其上运行机坪管网泄漏检测系统；上位机，其是系统的监控终端；

其中，运行于测漏系统的处理流程包括如下处理步骤：(1)通过传感器和前置电路完成将接收到的信号转换成电信号，进行放大处理；(2)通过数据AD转换和数据预处理，完成AD转换，并且进行必要的数据稳健性处理；(3)消除干扰和背景噪声；(4)处理之后的信号，通过压力数据校准及压力曲线特征搜索引擎，进行压力信号特征提取和识别，完成渗漏或者泄漏事件识别；其中，管道压力数据校准，需要考虑环境温度、管径、管道壁厚对管道压力的影响，从而减小外界客观因素对压力数据分析的影响。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：对已采集的管道压力数据，进行温度校准，未校准压力P′可以写成下列函数：

P′＝f(温度，管径，壁厚等)

P′与受温度影响最大，其他因素的影响比较小，取：

P′＝a*T²+b*T+c

作为温度修正曲线，T为环境温度。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：对于压力管道，在相对较短的ΔT时间内，压力序列{Pn|n＝1，…，n}可用函数P＝α.t^β+ε表征，α、β、ε均为拟合参数，对所获得的ΔT时间段的压力数据进行对数域变换，即：

log(P)＝alog(t)+b，其中a，b为基于压力对数曲线的系统拟合参数。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：将所述对数压力曲线的时间段ΔT，分成更小的时间间隔Δt，设有M个样点，以Q_i为该M个样点的代表点，Q_i和Δt时间间隔内的这M个样点用中值滤波器给出：

Q_i＝M个样点排序后，取中值，

取连续的L个Δt时间间隔，按上述步骤得到L个压力对数值{Q_i|i＝1，…，L}，将此L个数值联合起来，构成一个压力对数联合矢量Π＝(Q₁Q₂...Q_L)^T作为此对数压力曲线的特征矢量。

5.一种基于压力温度分析的机场坪航空燃油管网泄漏检测方法，其特征在于包括以温度传感器，压力传感器，测漏仪，和上位机构成的检测系统；其中，温度传感器用于测量管线所在环境的温度，以用于修正环境温度对管道压力的影响，并将该温度值信号通过有线或无线方式传送给测漏仪；压力传感器，用于实时检测管道中的压力变化情况，将压力信号及温度信号转换为电信号，通过有线或无线方式传送给测漏仪，压力传感器，其安装于输送管道上，与声波发生源接触，用于感测声波在空气中传播时形成压缩和稀疏交替变化的声压，获取精度较高的压力信号；测漏仪，其上运行机坪管网泄漏检测系统；上位机，其是系统的监控终端；

其中，运行于测漏系统的处理流程包括如下处理步骤：(1)通过传感器和前置电路完成将接收到的信号转换成电信号，进行放大处理；(2)通过数据AD转换和数据预处理，完成AD转换，并且进行必要的数据稳健性处理；(3)消除干扰和背景噪声；(4)处理之后的信号，通过压力数据校准及压力曲线特征搜索引擎，进行压力信号特征提取和识别，完成渗漏或者泄漏事件识别；其中，管道压力数据校准，需要考虑环境温度、管径、管道壁厚对管道压力的影响，从而减小外界客观因素对压力数据分析的影响。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：对已采集的管道压力数据，进行温度校准，未校准压力P′可以写成下列函数：

P′＝f(温度，管径，壁厚等)

P′与受温度影响最大，其他因素的影响比较小，取：

P′＝a*T²+b*T+c

作为温度修正曲线，T为环境温度。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：对于压力管道，在相对较短的ΔT时间内，压力序列{Pn|n＝1，…，n}可用函数P＝α.t^β+ε表征，α、β、ε均为拟合参数，对所获得的ΔT时间段的压力数据进行对数域变换，即：

log(P)＝alog(t)+b，其中a，b为基于压力对数曲线的系统拟合参数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：将所述对数压力曲线的时间段ΔT，分成更小的时间间隔Δt，设有M个样点，以Q_i为该M个样点的代表点，Q_i和Δt时间间隔内的这M个样点用中值滤波器给出：

Q_i＝M个样点排序后，取中值，

取连续的L个Δt时间间隔，按上述步骤得到L个压力对数值{Q_i|i＝1，…，L}，将此L个数值联合起来，构成一个压力对数联合矢量Π＝(Q₁Q₂...Q_L)^T作为此对数压力曲线的特征矢量。

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