CN107120535A - 基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，该方法包括如下步骤：步骤1，基于北斗定位系统获得声发射传感器的北斗坐标，将所有声发射传感器的时间同步；步骤2，将声发射传感器的北斗坐标发送至上位机；步骤3，将管道的声发射信号发送至上位机；步骤4，通过基于支持向量机的筛选方法识别泄漏信号；步骤5，利用时差定位、幅值衰减定位方法确定泄漏点的北斗坐标集合；步骤6，通过加权平均的方法得到泄漏点的北斗坐标。本发明创新地将燃气管道泄漏点声发射定位和北斗定位系统有机结合，通过时差定位、幅值衰减定位结合加权平均的方式计算得到泄漏点位置，实现对小流量城市燃气管道泄漏点进行准确定位。

Description

基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法

技术领域

本发明涉及燃气管道泄漏监测技术领域，更为具体来说，本发明为基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法。

背景技术

燃气是当今世界最重要的能源之一，并且主要依赖于管道传输。随着人民生活水平的提高，城市燃气的需求不断增大。同时，燃气管道泄漏是燃气管道故障的主要形式。管道燃气泄漏会带来极大安全隐患，由于城市埋地燃气管网输送介质具有易爆、易燃等危险特性，一旦发生失效损坏，往往造成巨大经济损失，甚至导致灾难性事故，会严重威胁国家、企业和人民生命财产安全。因此，对燃气管道泄漏点的准确定位有着重要意义。

目前，主要通过人工巡检的方式对管道燃气泄漏点进行检测和定位。但是，由于天然气具有隐蔽性、流动性等特点，该方法对于泄漏点的定位粗糙，往往会造成在实际抢修中为找到燃气泄漏点而错挖、多挖的情况，进而导致了对道路交通和安全产生影响，且造成了资源浪费。

因此，在避免资源浪费、避免对道路交通和安全影响的前提下，如何实现对埋地燃气管道泄漏点的准确定位成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为解决现有通过人工巡检对泄漏点进行定位的方式存在的资源浪费、对道路交通和安全产生影响等问题，本发明提供了基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，不仅能够对一般的埋地燃气管道泄漏点准确定位，而且能够对小流量城市燃气管道泄漏点进行准确定位。

为实现上述目的，本发明公开了基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，该声发射定位方法包括如下步骤，

步骤1，埋地燃气管道上布置的集成有北斗通讯模块的声发射传感器与北斗卫星通信，通过基准站差分定位方式得到声发射传感器的北斗坐标，并利用北斗卫星将所有声发射传感器的时间同步；

步骤2，通过还集成有无线通讯模块的声发射传感器将声发射传感器的北斗坐标发送至上位机；

步骤3，利用所述声发射传感器实时检测管道的声发射信号，将所述管道的声发射信号发送至所述上位机；

步骤4，通过基于支持向量机的筛选方法识别所述上位机接收的管道的声发射信号，判断所述管道的声发射信号中是否包含有泄漏信号；如果是，则执行步骤5；如果否，则返回步骤3；

步骤5，基于已进行时间同步且北斗坐标已知的所有声发射传感器，利用时差定位方法和幅值衰减定位方法确定泄漏点的北斗坐标集合；

步骤6，通过加权平均的方法处理所述北斗坐标集合，得到泄漏点的北斗坐标。

基于北斗差分定位方法，本发明创新地通过支持向量机训练实现对小流量燃气泄漏信号的模式识别，并依据信号能量分配定位结果权重的平均算法，从而实现对埋地燃气管道泄漏点的准确定位。本发明只需要在特定位置布置传感器，对地面破坏小、不影响道路交通，而且避免了资源浪费。

进一步地，该声发射定位方法还包括如下步骤，

步骤7，将所述泄漏点的北斗坐标与燃气管网北斗坐标图进行比对，修正埋地燃气管道泄漏点的位置。

本发明将利用北斗差分定位方法获得的北斗坐标和城市埋地管道的数据信息结合，实现了埋地燃气管道泄漏点的精确定位。

进一步地，步骤5中，所述幅值衰减定位方法包括如下步骤：获取燃气管道的声波衰减曲线，所述声波衰减曲线的横轴为声发射传感器与泄漏点之间的距离、纵轴为声发射传感器检测的泄漏信号的幅值；在所述声波衰减曲线上寻找横轴距离差为ΔL的两点，其中，所述ΔL为在泄漏点两侧的两个声发射传感器之间的距离；然后确定泄漏点距离两个声发射传感器之间的距离、确定泄漏点的北斗坐标集合中的坐标点。

通过上述的幅值衰减定位方法，能够基本确定泄漏点的初步位置，为准确定位泄漏点做了充足的准备。

进一步地，步骤5中，所述时差定位方法包括如下步骤：

假设两个声发射传感器之间的管道距离为L，泄漏点距离两个声发射传感器的距离分别为L₁和L₂，且L₂≥L₁，L₂+L₁＝L，L₂－L₁＝vΔt；则：

L₁＝(L-vΔt)/2；

其中，v表示管道中的声速，Δt表示两个声发射传感器检测的声发射信号互相关后得到的信号延迟时间；

利用所述L₁和L₂确定泄漏点的北斗坐标集合中的坐标点。

通过上述的时差定位方法，能够基本确定泄漏点的初步位置，为准确定位泄漏点做了充足的准备。

进一步地，步骤5中，反复利用时差定位方法和幅值衰减定位方法确定泄漏点的北斗坐标集合中的坐标点P_ij；步骤6中，所述加权平均的方法包括如下步骤：

为每两个声发射传感器检测的信号计算出的坐标点P_ij分配权重系数

其中，E_i、E_j分别表示两个声发射传感器检测的声发射信号的能量值，E_k表示第k个声发射传感器检测的声发射信号的能量值，N表示形成传感器网络的所有有效的声发射传感器的个数，1≤i＜N，1≤j＜N，1≤k＜N；

然后利用下述公式计算泄漏点的北斗坐标P：

本发明通过时差定位、幅值衰减定位并结合加权平均的方式计算得到泄漏点位置，该方法具有定位准确性高、可靠性强等突出优点。本发明可用于城市声发射燃气管道泄漏点的准确定位，而且适用于小流量泄漏孔的情形，定位精度高。

进一步地，步骤1中，所述基准站通过已知的基准点坐标计算出声发射传感器的坐标改正量；声发射传感器获取所述坐标改正量后，利用所述坐标改正量改正声发射传感器的瞬时位置，从而得出声发射传感器的北斗坐标。

进一步地，步骤4中，利用分类器筛选所述上位机接收的管道的声发射信号，该分类器是事先利用噪声信号样本和泄漏信号样本训练支持向量机得到的。

本发明创新地采用基于支持向量机的筛选方法识别声发射信号，实现对微小、缓慢变化的泄漏信号的识别，从而克服了由于实际泄漏信号微弱、检测过程中管道工况和环境噪声干扰大等而导致的泄漏信号识别难度大的问题，进而达到减少误报和自动检测的目的。

进一步地，步骤4中，在识别所述上位机接收的管道的声发射信号之前，还包括对管道的声发射信号预处理的步骤。

进一步地，步骤7中，从燃气管网的地理信息系统中获取燃气管网北斗坐标图。

本发明的有益效果为：本发明创新地将燃气管道泄漏点声发射定位和北斗定位系统有机结合，通过时差定位、幅值衰减定位并结合加权平均的方式计算得到泄漏点位置，实现对泄漏点、特别是小流量燃气管道泄漏点进行准确定位。

附图说明

图1为基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位系统组成示意图。

图2为基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法流程示意图。

图3为演示时差定位方法的示意图。

图4为典型的声波衰减曲线示意图。

图5为传感器网络示意图。

图中，

1、燃气管道；2、泄漏点；3、声发射传感器；4、北斗卫星；5、基准站；6、上位机。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法进行详细的解释和说明。

如图1-5所述，本发明公开了基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，本发明基于北斗定位系统通过时差定位、幅值衰减定位并结合加权平均的方式计算得到泄漏点位置，从而解决现有技术对泄漏点定位难、更无法检测小流量埋地燃气管道泄漏的问题。该声发射定位方法包括如下步骤，如图1、2所示。

步骤1，埋地燃气管道5上布置的集成有北斗通讯模块的声发射传感器3与北斗卫星4通信，通过基准站5差分定位方式得到声发射传感器3的北斗坐标，从而实现声发射传感器3通过北斗定位系统对自身坐标进行差分定位。具体地，差分技术是基于同步同轨性原理，基于北斗系统差分定位，基准站5通过已知的基准点坐标计算出声发射传感器3的坐标改正量；声发射传感器3获取坐标改正量后，利用坐标改正量改正自身的瞬时位置，从而得出声发射传感器3的北斗坐标，采用差分技术能够大大提高声发射传感器的定位精度，从而满足泄漏点定位的要求；并利用北斗卫星4将所有声发射传感器3的时间同步、实现同步时标，目前的北斗系统的授时精度在30纳秒，符合定位要求。另外，本发明的声发射传感器3可布置于疑似泄漏燃气管上，也可在埋设燃气管时布置。

步骤2，通过还集成有无线通讯模块的声发射传感器3将声发射传感器3的北斗坐标发送至上位机6，具体的通信方式为无线传送。

步骤3，利用声发射传感器3实时检测管道的声发射信号，将管道的声发射信号通过无线的方式发送至上位机6；

步骤4，本步骤中，在识别上位机6接收的管道的声发射信号之前，还包括对管道的声发射信号预处理的步骤，达到初步去除噪声的目的，再通过基于支持向量机的筛选方法识别上位机6接收的管道的声发射信号，对于小流量的泄漏情况，检测过程中管道工况、环境噪声产生的干扰不可忽视，因此，需要通过模式识别算法筛选出有效的泄漏信号，实现自动检测、减少误报，具体地，利用分类器筛选上位机6接收的管道的声发射信号，该分类器是事先利用噪声信号样本和泄漏信号样本训练支持向量机得到的；该方法可以识别微小、缓慢的泄漏信号，且不需要大量的训练样本。测量前通过实验得到训练用噪声信号和泄漏信号，支持向量机通过最优超平面进行分类，把最优超平面的构造转化为二次优化问题，理论上能得到全局最优解，训练得到的分类器用来筛选出声发射传感器发送的泄漏信号。通过上述筛选方法判断管道的声发射信号中是否包含有泄漏信号；如果是，则执行步骤5；如果否，则返回步骤3；

步骤5，本步骤对上述得到的泄漏信号进行分解和重构。基于已进行时间同步且北斗坐标已知的所有声发射传感器3，利用时差定位方法和幅值衰减定位方法确定泄漏点2的北斗坐标集合；这种泄漏点的北斗坐标集合为泄漏点的初步位置结果的集合，具体内容如下。

如图4所示，幅值衰减定位方法包括如下步骤：

获取燃气管道5的声波衰减曲线，声波衰减曲线的横轴为声发射传感器3与泄漏点2之间的距离、纵轴为声发射传感器3检测的泄漏信号的幅值；在声波衰减曲线上寻找横轴距离差为ΔL的两点，其中，ΔL为在泄漏点2两侧的两个声发射传感器之间的距离；然后确定泄漏点2距离两个声发射传感器之间的距离、确定泄漏点2的北斗坐标集合中的坐标点。

如图3所示，时差定位方法包括如下步骤：

假设两个声发射传感器之间的管道距离为L，泄漏点2距离两个声发射传感器的距离分别为L₁和L₂，且L₂≥L₁，L₂+L₁＝L，L₂－L₁＝vΔt；则：

L₁＝(L-vΔt)/2；

其中，v表示管道中的声速，Δt表示两个声发射传感器检测的声发射信号互相关后得到的信号延迟时间；

根据L₁和L₂确定泄漏点2的北斗坐标集合中的坐标点。

本发明创新地将声发射传感器接收到的信号具有能量大、信噪比高的特点考虑在内，为北斗坐标集合中的每一个坐标点P_ij分配一个与能量相关的权重函数，综合利用所有声发射传感器所得的信号计算泄漏点位置，从而达到减小误差的目的，具体如下。反复利用时差定位方法和幅值衰减定位方法确定泄漏点2的北斗坐标集合中的坐标点P_ij；步骤6中，加权平均的方法包括如下步骤：

如图5所示，根据信号的能量为每两个声发射传感器检测的信号计算出的坐标点P_ij分配权重系数当然，离泄漏发生点近的声发射传感器接收的信号能量大、测量更准确。

其中，E_i、E_j分别表示两个声发射传感器检测的声发射信号的能量值，E_k表示第k个声发射传感器3检测的声发射信号的能量值，N表示形成传感器网络的所有有效的声发射传感器的个数，1≤i＜N，1≤j＜N，1≤k＜N；E_i、E_j为N个有效声发射传感器形成的传感器网络中的一对传感器，其用于在时差定位或幅值衰减定位过程中确定泄漏点的北斗坐标集合中的一个坐标点，“有效的声发射传感器”应理解为：对于目标泄漏点，能够检测到该泄漏点声发射信号的声发射传感器。

然后利用下述公式计算泄漏点2的北斗坐标P：

步骤6，通过加权平均的方法处理北斗坐标集合，得到泄漏点2的北斗坐标。为进一步提高对泄漏点2定位的准确性，本实施例还包括步骤7。

步骤7，将泄漏点2的北斗坐标与燃气管网北斗坐标图进行比对，修正管道泄漏点2的位置，从而确定更为准确的管道泄漏点2的位置。本实施例中，从燃气管网的地理信息系统(GIS)中获取燃气管网北斗坐标图。

需要说明的是，本发明对声发射传感器坐标的确定可以通过北斗定位系统实现自动化、无线化。北斗卫星导航系统作为我国自主建设的卫星导航系统，目前在中国及周边地区，北斗系统服务性能与全球定位系统相当。并且，我国城市燃气管道网正逐步采用北斗系统进行坐标测绘，建立更为完善的管道数据库网络。采用北斗定位系统，不仅支持国家自主产权，也减少了对于全球定位系统的依赖。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，其特征在于：该声发射定位方法包括如下步骤，

步骤1，埋地燃气管道上布置的集成有北斗通讯模块的声发射传感器与北斗卫星通信，通过基准站差分定位方式得到声发射传感器的北斗坐标，并利用北斗卫星将所有声发射传感器的时间同步；

步骤2，通过还集成有无线通讯模块的声发射传感器将声发射传感器的北斗坐标发送至上位机；

步骤3，利用所述声发射传感器实时检测管道的声发射信号，将所述管道的声发射信号发送至所述上位机；

步骤4，通过基于支持向量机的筛选方法识别所述上位机接收的管道的声发射信号，判断所述管道的声发射信号中是否包含有泄漏信号；如果是，则执行步骤5；如果否，则返回步骤3；

步骤5，基于已进行时间同步且北斗坐标已知的所有声发射传感器，利用时差定位方法和幅值衰减定位方法确定泄漏点的北斗坐标集合；

步骤6，通过加权平均的方法处理所述北斗坐标集合，得到泄漏点的北斗坐标。

2.根据权利要求1所述的基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，其特征在于：该声发射定位方法还包括如下步骤，

步骤7，将所述泄漏点的北斗坐标与燃气管网北斗坐标图进行比对，修正埋地燃气管道泄漏点的位置。

3.根据权利要求2所述的基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，其特征在于：步骤5中，所述幅值衰减定位方法包括如下步骤：获取燃气管道的声波衰减曲线，所述声波衰减曲线的横轴为声发射传感器与泄漏点之间的距离、纵轴为声发射传感器检测的泄漏信号的幅值；在所述声波衰减曲线上寻找横轴距离差为ΔL的两点，其中，所述ΔL为在泄漏点两侧的两个声发射传感器之间的距离；然后确定泄漏点距离两个声发射传感器之间的距离、确定泄漏点的北斗坐标集合中的坐标点。

4.根据权利要求3所述的基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，其特征在于：步骤5中，所述时差定位方法包括如下步骤：

假设两个声发射传感器之间的管道距离为L，泄漏点距离两个声发射传感器的距离分别为L₁和L₂，且L₂≥L₁，L₂+L₁＝L，L₂－L₁＝vΔt；则：

L₁＝(L-vΔt)/2；

其中，v表示管道中的声速，Δt表示两个声发射传感器检测的声发射信号互相关后得到的信号延迟时间；

利用所述L₁和L₂确定泄漏点的北斗坐标集合中的坐标点。

5.根据权利要求4所述的基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，其特征在于：步骤5中，反复利用时差定位方法和幅值衰减定位方法确定泄漏点的北斗坐标集合中的坐标点P_ij；步骤6中，所述加权平均的方法包括如下步骤：

为每两个声发射传感器检测的信号计算出的坐标点P_ij分配权重系数

其中，E_i、E_j分别表示两个声发射传感器检测的声发射信号的能量值，E_k表示第k个声发射传感器检测的声发射信号的能量值，N表示形成传感器网络的所有有效的声发射传感器的个数，1≤i＜N，1≤j＜N，1≤k＜N；

然后利用下述公式计算泄漏点的北斗坐标P：

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，其特征在于：步骤1中，所述基准站通过已知的基准点坐标计算出声发射传感器的坐标改正量；声发射传感器获取所述坐标改正量后，利用所述坐标改正量改正自身的瞬时位置，从而得出声发射传感器的北斗坐标。

7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，其特征在于：步骤4中，利用分类器筛选所述上位机接收的管道的声发射信号，该分类器是事先利用噪声信号样本和泄漏信号样本训练支持向量机得到的。

8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，其特征在于：步骤4中，在识别所述上位机接收的管道的声发射信号之前，还包括对管道的声发射信号预处理的步骤。

9.根据权利要求2所述的基于北斗定位的埋地燃气管道泄漏点的声发射定位方法，其特征在于：步骤7中，从燃气管网的地理信息系统中获取燃气管网北斗坐标图。