CN108364283A - 一种机泵密封泄漏监测与定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种机泵密封泄漏监测与定位方法属于设备健康监测应用领域。本发明在机泵密封对立面安装视频监控摄像头，通过视频采集器获得泄漏监测点的视频信号，并将其转换成数字信号送至交换机，进而变送至集成监测服务器进行存储与备份，依托泄漏在线监测软件实现机泵密封泄漏在线监测。一旦发生泄漏事件，立即启动泄漏点的精准定位，并经由显示终端进行报警及定位显示，避免事态的进一步恶化。本发明便于远程直接查看报警的监测点，确认是否误报，采取相应措施；(2)通过指定的视频监控摄像头位置寻优技术，使用最少的视频监控摄像头监测尽可能多的泄漏点，既经济又高效；避免因机泵密封泄漏造成的安全事故、资源损耗、经济损失及环境污染等有益效果。
Description
技术领域
本发明属于设备健康监测应用技术领域，更具体地，涉及一种机泵密封泄漏监测与定位方法。
背景技术
介质输送与管道运输是流程工业的一大特点。常见的工业流体涉及石油、天然气、水煤浆、密封气、仪表风、消防水等，而机泵作为动力源，在其中扮演着不可或缺的重要角色。因密封失效、介质腐蚀、应力开裂等导致的机泵密封失效泄漏时有发生。但因机泵设备多为一用一备，一般难以引起足够的重视。但对于输送危险(高腐蚀性、高毒性、易燃易爆、高温高压等)介质或驱动核心部件的机泵，一旦发生泄漏极易诱发安全事故，发生起火、爆炸和污染事件，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。如果能够及时发现泄漏，并准确确定其位置，就可以有效减轻事故造成的危害，产生巨大的经济与社会效益。
目前，流程工业常用的泄漏监测手段可分为声学特征监测、放射性(同位素)示踪、振动参数监测、流动参数(流量、压力、质量、温度等)统计等四种。声学特征监测法主要是基于分布式光纤传感器、光纤温度传感器、包覆石英光纤传感器等，监听泄漏时噪声信号的阶跃，进而根据传感器特性进行泄漏定位。放射性(同位素)示踪法主要是预先注入的随介质一起流动的放射性指示剂，通过监测指示剂的强度进行泄漏监测与泄漏点的定位。振动参数监测法主要是基于加速度传感器，结合结构动力参数识别技术，通过监测泄漏发生时振动信号的阶跃，反推泄漏发生情况。与振动参数监测法近似，流动参数监测法主要是依托温度传感器、流量传感器、质量传感器、压力传感器等监测泄漏发生时流动参数的突变，实现泄漏监测，并基于流动参数传递特性实现泄漏点的定位。
由于流程工业的特殊性，目前上述方案在机泵密封泄漏监测与精准定位方面，仍然存在以下问题：
(1)声学特征监测法与流动参数监测法在管道泄漏监测中有着广泛的应用，但因工厂噪声带来的诸多干扰和因工艺调整带来的误判，致使将其用于机泵密封泄漏监测与定位存在较大困难。
(2)放射性(同位素)示踪法在原理上可以实现泄漏实时监测与泄漏点的准确定位，但因其会污染输送介质，一般不给予采用。
(3)振动参数检测法能够捕捉泄漏发生时的突变，但常因存在其他振动的耦合、传感器安装位置限定及难以排除工艺参数调整等其他因素的影响等，难以准确断定是否有泄漏发生，更是几乎无法实现泄漏点的精准定位。
(4)目前尚无一种经济有效的针对机泵密封泄漏监测与精准定位的技术手段，既能够实时监测机泵密封的状态，又能在泄漏发生时进行及时预警与精准定位，以便有针对性地采取应急措施，避免事态的进一步恶化。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种机泵密封泄漏监测与定位方法，其目的在于实现机泵密封实时泄漏监测与泄漏点的精准定位，由此解决因机泵密封泄漏造成的安全事故、资源损耗、经济损失及环境污染等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种机泵密封泄漏监测与定位方法，包括如下步骤：
(1)选取泄漏监测点，安装视频监控摄像头，采集监测点的视频信号V；
(2)利用步骤(1)的视频信号V，对视频流的每一帧图像进行灰度化压缩处理，得到灰度模式视频GV如下：
GV＝u·R+v·C+w·B
其中，R、G、B分别为原视频信号V的RGB通道分量，比例系数u,v,w满足u+v+w＝1；
(3)计算当前帧Pc与背景帧Pb灰度的差值，得到对应的灰度差值滤波矩阵Pd，对灰度差值矩阵Pd进行滤波及去噪处理，得到灰度差值滤波矩阵Pdf；
(4)设定图像识别灵敏度的阈值ε，该阈值ε越小，灵敏度越高；
(5)将灰度差值滤波矩阵Pdf与阈值ε进行对比，若灰度差值滤波矩阵Pdf中存在大于检测阈值ε的点，则该点对应位置即为泄漏点；
(6)若灰度差值滤波矩阵Pdf中不存在大于检测阈值ε的点，且背景帧更新时间已到，则将当前帧Pc设置为背景帧Pb，然后将下一帧置为当前帧，重复步骤(3)～(5)；若灰度差值滤波矩阵Pdf中不存在大于检测阈值ε的点，且背景帧更新时间未到，则背景帧保持不变，将下一帧置为当前帧，重复步骤(3)～(5)。
危险等级越高，阈值ε越小；复杂环境为防止误警过多可适度放大阈值ε)
通过对视频信号进行上述处理，实现机泵密封泄漏监测与精准定位。
进一步地，在步骤(1)中，选取机泵设备的法兰密封面或机械密封泄漏点等作为泄漏监测点。
进一步地，步骤(1)中的视频监控摄像头置于所选定泄漏监测点的对面，确保指定摄像头能够清晰捕捉指定泄漏点的视频信号。
进一步地，所安装的视频监控摄像头数量可根据泄漏监测点的位置及数量进行更改，以确保所有的泄漏监测点和/或处于某一个和/或某几个视频监控摄像头的捕捉范围内。
进一步地，在步骤(1)中，视频监控摄像头的安装位置按照如下方法进行寻优，以使用最少的视频监控摄像头监测尽可能多的泄漏点：
(a)将泄漏点所在的空间等效成一个长宽高分别为X、Y、Z的立方体，建立泄漏监测的空间布局模型，将空间内管道及其他可能对摄像头进行遮挡或部分遮挡的共n个障碍物分别记作O1，O2，…，On，，各障碍物对应的位置记作(xOi,yOi,zOi)，对应的等效长宽高为LOi、WOi、HOi，j＝1，2，…n；
(b)假设共有m个泄漏监测点，分别记作V1，V2，…，Vm，对应的位置记作(xVj,yVj,zVj)，j＝1，2，…m；
(c)假设摄像机的长宽高分别为Lc、Wc、Hc，其视场角为θ，按照下式计算摄像机与各障碍物以及边界之间的欧氏距离Ds
若Ds<min(Lc,Wc,Hc)或则认为该位置不可安装摄像机；
(d)按照(c)遍历监测空间布局模型，得到摄像机所有可安装位置的集合K；
(e)假设摄像机处在(xi,yi,zi)位置时到达监测点Vj的安装方向向量为q＝(xτj,yτj,zτj)，得到摄像机与监测点间的直线方程l(x,y,z)，即
进而可以得到直线l(x,y,z)的方向向量p＝(xl,yl,zl)，若或l(x,y,z)通过某个障碍物，该位置舍去；
(f)遍历集合K中各安装位置的安装角度，得到含有各摄像机所在位置及其可观测到监测点数量信息的集合J，并对集合J进行迭代寻优，方法如下：
(g)若J中不存在观察到所有监测点的位置，则去掉J中能够观测到监测点数量最多的摄像机位置，并对剩余的摄像机位置重复(a)～(f)，直至观测到全部监测点，即得到利用最少摄像机数量观测到全部监测点的方案。
本发明还提供了上述方法的用途，上述方法用于石化、冶金、电力、有色等过程工业的所有机泵设备密封实时泄漏监测与泄漏点的精准定位。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)设置摄像头对监测点进行监控，便于远程直接查看报警的监测点，确认是否误报，采取相应措施；
(2)通过指定的视频监控摄像头位置寻优技术，使用最少的视频监控摄像头监测尽可能多的泄漏点，既经济又高效；
(3)由于能够实时、简便快捷地获取机泵密封泄漏情况，并能够实现泄漏点的精准定位，避免因机泵密封泄漏造成的安全事故、资源损耗、经济损失及环境污染等有益效果。
附图说明
图1是本发明机泵密封泄漏监测与定位方法的系统框图；
图2是本发明实施例中机泵密封泄漏监测与定位流程图；
图3是本发明实施例中视频摄像头安装位置寻优流程图；
图4是本发明实施例机泵密封泄漏监测与定位方法摄像头位置寻优三维空间模型；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，在机泵密封对立面安装视频监控摄像头，通过视频采集器获得泄漏监测点的视频信号，并将其转换成数字信号送至交换机，进而变送至集成监测服务器进行存储与备份，依托泄漏在线监测软件实现机泵密封泄漏在线监测。一旦发生泄漏事件，立即启动泄漏点的精准定位，并经由显示终端进行报警及定位显示，避免事态的进一步恶化。
请参照图2，本发明的机泵密封泄漏监测与定位方法的实施例，包括如下步骤：
(1)选取泄漏监测点，安装视频监控摄像头，采集监测点的视频信号V；
(2)利用步骤(1)的视频信号V，对视频流的每一帧图像进行灰度化压缩处理，以减小噪声信号及数据量大小，得到灰度模式视频GV如下：
GV＝u·R+v·G+w，·B
其中，R、G、B分别为原视频信号V的RGB通道分量，比例系数u,v,w满足u+v+w＝1；本实施例给定一组参考值：u＝0.299,v＝0.587,w＝0.114
(3)计算当前帧Pc与背景帧Pb灰度的差值，得到对应的灰度差值滤波矩阵Pd
Pd(x,y)＝Pc(x,y)-Pb(x,y)
其中，(x,y)为像素坐标。为避免摄像机噪点造成的误检测，对灰度差值矩阵Pd进行滤波及去噪处理，得到灰度差值滤波矩阵Pdf；
(4)设定图像识别灵敏度的阈值ε，该阈值ε越小，灵敏度越高；
(5)将灰度差值滤波矩阵Pdf与阈值ε进行对比，若灰度差值滤波矩阵Pdf中存在大于检测阈值ε的点，则该点对应位置即为泄漏点；
(6)若灰度差值滤波矩阵Pdf中不存在大于检测阈值ε的点，且背景帧更新时间已到，则将当前帧Pc设置为背景帧Pb，然后将下一帧置为当前帧，重复步骤(3)～(5)；若灰度差值滤波矩阵Pdf中不存在大于检测阈值ε的点，且背景帧更新时间未到，则背景帧保持不变，将下一帧置为当前帧，重复步骤(3)～(5)。
通过对视频信号进行上述处理，实现机泵密封泄漏监测与精准定位。
为使用最少的视频监控摄像头监测尽可能多的泄漏点，经济快速的实现泄漏点的精准定位，在步骤(1)中，如图3所示，可通过如下方法实现视频监控摄像头安装位置的寻优：
(a)将泄漏点所在的空间等效成一个长宽高分别为X、Y、Z的立方体，建立泄漏监测的空间布局模型，如图4所示，将空间内管道及其他可能对摄像头进行遮挡或部分遮挡的共n个障碍物分别记作O1，O2，…，On，，各障碍物对应的位置记作(xOi,yOi,zOi)，对应的等效长宽高为LOi、WOi、HOi，i＝1，2，…，n；
(b)假设共有m个泄漏监测点，分别记作V1，V2，…，Vm，对应的位置记作(xVj,yVj,zVj)，j＝1，2，…，m；
(c)假设摄像机的长宽高分别为Lc、Wc、Hc，其视场角为θ，按照下式计算摄像机与各障碍物以及边界之间的欧氏距离Ds
若Ds<min(Lc,Wc,Hc)或则认为该位置不可安装摄像机；
(d)按照(c)遍历监测空间布局模型，得到摄像机所有可安装位置的集合K；
(e)假设摄像机处在(xi,yi,zi)位置时到达监测点Vj的安装方向向量为q＝(xτj,yτj,zτj)，得到摄像机与监测点间的直线方程l(x,y,z)，即
进而可以得到直线l(x,y,z)的方向向量p＝(xl,yl,zl)，若或l(x,y,z)通过某个障碍物，该位置舍去；
(f)遍历集合K中各安装位置的安装角度，得到含有各摄像机所在位置及其可观测到监测点数量信息的集合J，并对集合J进行迭代寻优，方法如下：
(g)若J中不存在观察到所有监测点的位置，则去掉J中能够观测到监测点数量最多的摄像机位置，并对剩余的摄像机位置重复(a)～(f)，直至观测到全部监测点，即得到利用最少摄像机数量观测到全部监测点的方案。
本实施例基于视频监控摄像头获取泄漏监测点的视频信号，依托图像识别算法实现机泵密封泄漏监测及泄漏点的精准定位，并进一步确定泄漏发生原因、采取合理的治理措施。避免因机泵密封泄漏造成的安全事故、资源损耗、经济损失及环境污染等有益效果。采用本发明的方法，可以实现厘米级的泄漏自动定位精度，泄漏自动检测定位时间低于5秒。
本领域的技术人员容易理解，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种机泵密封泄漏监测与定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1.1)选取泄漏监测点，安装视频监控摄像头，采集监测点的视频信号V；
(1.2)利用步骤(1.1)的视频信号V，对视频流的每一帧图像进行灰度化压缩处理，得到灰度模式视频GV如下：
GV＝u·R+v·G+w·B
其中，R、G、B分别为原视频信号V的RGB通道分量，比例系数u,v,w满足u+v+w＝1；
(1.3)计算当前帧Pc与背景帧Pb灰度的差值，得到对应的灰度差值滤波矩阵Pd，对灰度差值矩阵Pd进行滤波及去噪处理，得到灰度差值滤波矩阵Pdf；
(1.4)设定图像识别灵敏度的阈值ε，该阈值ε越小，灵敏度越高，从中值点开始，采用二分法进行现场调整；危险等级越高，阈值ε越小；
(1.5)将灰度差值滤波矩阵Pdf与阈值ε进行对比，若灰度差值滤波矩阵Pdf中存在大于检测阈值ε的点，则该点对应位置即为泄漏点；
(1.6)若灰度差值滤波矩阵Pdf中不存在大于检测阈值ε的点，且背景帧更新时间已到，则将当前帧Pc设置为背景帧Pb，然后将下一帧置为当前帧，重复步骤(1.3)～(1.5)；若灰度差值滤波矩阵Pdf中不存在大于检测阈值ε的点，且背景帧更新时间未到，则背景帧保持不变，将下一帧置为当前帧，重复步骤(1.3)～(1.5)。
2.如权利要求1所述的一种机泵密封泄漏监测与定位方法，其特征在于，在步骤(1.1)中，选取机泵的法兰密封面或机械密封泄漏点作为泄漏监测点。
3.如权利要求2所述的一种机泵密封泄漏监测与定位方法，其特征在于，视频监控摄像头置于机泵的法兰密封面或机械密封泄漏点的对面，确保指定摄像头能够清晰捕捉指定泄漏点的视频信号。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种机泵密封泄漏监测与定位方法，其特征在于，所安装的视频监控摄像头数量可根据泄漏监测点的位置及数量进行更改，以确保所有的泄漏监测点和/或处于某一个和/或某几个视频监控摄像头的捕捉范围内。
5.如权利要求1-4任意一项所述的一种机泵密封泄漏监测与定位方法，其特征在于，在步骤(1.1)中，视频监控摄像头的安装位置按照如下方法进行寻优：
(5.1)将泄漏点所在的空间等效成一个长宽高分别为X、Y、Z的立方体，建立泄漏监测的空间布局模型，将空间内管道及其他可能对摄像头进行遮挡或部分遮挡的共n个障碍物分别记作O1，O2，…，Om，各障碍物对应的位置记作(xOi,yOi,zOi)，对应的等效长宽高为LOi、WOi、HOi，i＝1，2，…，n；
(5.2)假设共有m个泄漏监测点，分别记作V1，V2，…，Vm，对应的位置记作(xVj,yVj,zVj)，j＝1，2，…，m；
(5.3)假设摄像机的长宽高分别为Lc、Wc、Hc，其视场角为θ，按照下式计算摄像机与各障碍物以及边界之间的欧氏距离Ds
若Ds<min(Lc,Wc,Hc)或则认为该位置不可安装摄像机；
(5.4)按照(5.3)遍历监测空间布局模型，得到摄像机所有可安装位置的集合K；
(5.5)假设摄像机处在(xi,yi,zi)位置时到达监测点Vj的安装方向向量为q＝(xτj,yτj,zτj)，得到摄像机与监测点间的直线方程l(x,y,z)，即
进而得到直线l(x,y,z)的方向向量p＝(xl,yl,zl)，若或l(x,y,z)通过某个障碍物，该位置舍去；
(5.6)遍历集合K中各安装位置的安装角度，得到含有各摄像机所在位置及其可观测到监测点数量信息的集合J，并对集合J进行迭代寻优，方法如下：
若J中不存在观察到所有监测点的位置，则去掉J中能够观测到监测点数量最多的摄像机位置，并对剩余的摄像机位置重复(5.1)～(5.5)，直至观测到全部监测点，即得到利用最少摄像机数量观测到全部监测点的方案。
6.如权利要求1-5任意一项所述的一种机泵密封泄漏监测与定位方法，其特征在于，该方法适用于石化、冶金、电力或有色工业的所有机泵设备。
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2018
- 2018-01-16 CN CN201810040257.8A patent/CN108364283A/zh not_active Withdrawn
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