CN108679459A - 基于声线补偿的海底石油管道泄漏点定位方法 - Google Patents

基于声线补偿的海底石油管道泄漏点定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声线补偿的海底石油管道泄漏点定位方法，其内容是：在给定海底管道监测区域，部署多个具有pH值感知功能的水下传感器节点和多个具有移动功能的水下机器人，在水面部署四个静态浮标；设定水下传感器检测到石油泄漏时的pH阈值为PL，并对石油管道的pH值进行检测，当pH低于阈值PL时，则表明石油泄漏发生，反之进行周期性检测；发生泄漏之后，水下传感器节点向水下机器人发送请求定位脉冲，它们之间进行时间戳信息交互过程，建立水下传感器节点与水下机器人之间的水声传播时间差方程，同时考虑水下环境中声线弯曲效应，进而构建声线弯曲效应下的泄漏点优化问题及求解，完成对泄漏点的精确定位。

Description

基于声线补偿的海底石油管道泄漏点定位方法
技术领域
本发明属于海底石油管道安全监测技术领域，尤其涉及一种基于声线补偿 的海底石油管道泄漏点定位方法。
背景技术
海底石油管道是油气生产系统的生命线，担负着国家油气集中输送的重要 任务，对于保障我国能源安全具有重要现实意义。如何利用水下航行器对泄漏 点进行快速精确定位，对降低损失、减小污染具有重要的经济价值与社会意义。
从现有技术中检索发现，中国专利申请号为201510249428.4，名称为：圆 形环绕水下鱼形机器人水下管道检测装置及检测方法，该方法利用鱼形水下机 器人进行巡逻监测，通过图像处理的方法确定泄漏点位置。但上述方法在设计 定位策略时候，采用光学传感器进行距离测量。由于深水海底的透明度低、水 中微小的无机物和有机物颗粒含量较高，且光波在海水中衰减很严重。如果直 接利用光波进行海底管道泄漏点定位的话，那么定位过程将受散射、背景辐射 的严重干扰，因此上述方法并不适合于海底石油管道。
再有，中国专利申请号为201510020795.7，名称为：一种基于声波幅值衰 减模型的尤其管道泄漏定位方法，该方法采用声波测距的形式对泄漏点进行定 位处理，有效地提高了定位的精度与应用范围。然而，上述声波测距过程中， 假设声波是直线传输且需要时钟同步。受高噪声以及多径干扰不稳定因素影响， 水下时钟同步难以精确实现，且水中不均匀分布的声速剖面造成声线弯曲。因 此，有必要结合声线补偿设计定位方法，以提高泄漏点定位的精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种定位精度高的基于声 线补偿的海底石油管道泄漏点定位方法。
为了解决上述存在的技术问题实现上述目的，本发明是通过以下技术方案 实现的：
一种基于声线补偿的海底石油管道泄漏点定位方法，所述方法包括以下步 骤：
步骤1：在给定海底管道监测区域，部署多个具有pH值感知功能的水下传 感器节点，另外再部署多个具有移动功能的水下机器人，同时在水面部署四个 静态浮标；水下传感器节点与水下机器人通过水声通信方式进行组网，形成水 声传感器/机器人网络，水下机器人通过水面浮标获取自身位置信息；设定水下 传感器检测到石油泄漏时的pH阈值为PL；
步骤2：水下传感器节点周期性地对石油管道的pH值进行检测，当pH低于 阈值PL时，则表明石油泄漏发生；反之，水下传感器节点继续对石油管道的pH 值进行周期性检测；
步骤3：当石油管道发生泄漏之后，水下传感器节点向水下机器人发送请求 定位脉冲；当脉冲信号发出之后，水下传感器节点进入监听等待模式，直到水 下机器人返回回复信息，并对已回复水下机器人做以标记；
步骤4：水下机器人接收到请求定位脉冲后，水下机器人与水下传感器节点 之间进行时间戳信息交互过程，时间戳包含各个水下机器人的位置信息和时间 戳到达水下机器人与水下传感器节点的时间信息；当时间戳信息交互过程完成 后，水下传感器节点向水下机器人发送信息交互结束脉冲；
步骤5：水下机器人根据步骤4中获得的位置信息与时间信息建立水下传感 器节点与水下机器人之间的水声传播时间差方程，同时考虑水下环境中声线弯 曲效应，进而构建声线弯曲效应下的泄漏点优化问题；
步骤6：对上述步骤5的声线弯曲效应下的泄漏点优化问题进行求解，通过 使用三维空间下的定位求解方程，完成对泄漏点的精确定位。
进一步的，在步骤1中，所述水下传感器检测到石油泄漏时的pH阈值就是 激活阈值，将该阈值为PL定义为：
PL＝pHF-pHL (1)
其中，pHF为石油管道所处水域的pH值，通过电极的电位法测量所处水域 中氢离子浓度H-，然后根据pHF＝-log(H-)计算得出；pHL为当发生石油泄漏后， 泄漏处pH下降绝对值，即氢离子浓度的增加量。
进一步的，在步骤3中，所述对已回复水下机器人做以标记，是指在发生石 油泄漏后，按照水下机器人收到水下传感器节点定位请求脉冲的先后顺序，将 各水下机器人中标号为第一水下机器人作为发起节点，第二水下机器人作为锚 节点2以及第三水下机器人作为锚节点3。
进一步的，在步骤4中，所述水下机器人与水下传感器节点之间进行时间戳 信息交互过程，其交互过程如下：
在发起节点时钟下，发起节点在时刻t1,1向锚节点2、锚节点3、水下传感器 节点发送时间戳1；
在锚节点2时钟下，锚节点2接收到时间戳1信息后，记录到达的时刻t1,2；锚 节点2在t2,2时刻向发起节点、锚节点3以及水下传感器节点发送时间戳2，时间戳 2包含锚节点2位置、时刻t1,2、时刻t2,2信息；
在锚节点3时钟下，锚节点3接收到时间戳1信息后，记录到达的时刻t1,3；锚 节点3接收到时间戳2信息后，记录到达的时刻t2,3；锚节点3在t3,3时刻向发起节点、 水下传感器节点发送时间戳3，时间戳3包含锚节点3位置、时刻t1,3、时刻t2,3、时 刻t3,3信息；
在水下传感器节点时钟下，水下传感器节点接收到时间戳1信息后，记录到 达的时刻t1,T；水下传感器节点接收到时间戳2信息后，记录信息到达的时刻t2,T； 水下传感器节点接收到时间戳3信息后，记录信息到达的时刻t3,T；水下传感器节 点在tT,T时刻向发起节点发送时间戳4，时间戳4包括时刻t1,T、时刻t2,T、时刻t3,T信 息；
在发起节点时钟下，发起节点接收到时间戳2信息后，记录到达的时刻t2,1； 发起节点接收到时间戳3信息后，记录信息到达的时刻t3,1；发起节点接收到时间 戳4信息后，记录信息到达的时刻tT,1。
进一步的，在步骤5中，所述时间差方程如下：
其中，τi,T为第i个水下机器人与水下传感器节点之间的传播时间。
进一步的，在步骤5中，所述考虑水下环境中声线弯曲效应，进而构建声线 弯曲下的泄漏点优化问题，就是考虑水下环境中声线弯曲效应，构建声线弯曲 效应下第i水下机器人与水下传感器节点之间的平均水声速度公式如下：
其中，zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度，在 布置海底管道时已确定，vi(z)＝az+b为第i水下机器人与水下传感器节点的水声 速度与深度的关系表达式，a为水声速度随深度的变化率，b为海面水声速度；
构建第i水下机器人与水下传感器节点之间距离到海底平面的映射距离为：
其中，H为声线弯曲补偿系数，通过声线弯曲补偿系数求解公式(5)求得； zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度，在布置海底管 道时已确定；vi(z)为第i水下机器人与水下传感器节点的水声速度与深度的关系 表达式；
声线弯曲补偿系数H求解公式如下：
其中，τi,T表示第i个水下机器人与水下传感器节点之间水声传播时间，通过 公式(2)所得；zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度， 在布置海底管道时已确定；为声线弯曲效应下第i水下机器人与水下传感器节 点之间的平均水声速度；
利用公式(4)所得映射距离和第i水下机器人与水下传感器之间的深度距 离，通过如下勾股定理公式即可获得第i水下机器人与水下传感器之间经过声线 弯曲补偿的距离；
其中，yi,T表示为第i水下机器人与水下传感器节点之间距离到海底平面的 映射距离，zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度，在 布置海底管道时已确定。
进一步的，在步骤6中，所述通过使用三维空间下的定位求解方程，就是 通过使用三维空间下的坐标求解方程，其步骤如下：
其中，di,T为第i水下机器人与水下传感器之间经过声线弯曲补偿的距离， (xi,yi,zi)为第i个水下机器人的坐标，(x,y,zT)为水下传感器节点坐标即为石油管 道泄漏点坐标。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于声线补偿的海底石油管道 泄漏点定位方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：
1、通过搭载水声设备，实现了在海洋弱通信环境下水下信息的无线传输， 扩大了对水下油气管道检测的范围；
2、通过声线补偿的方法对水声速度进行实时修正，提高了在对海底石油管 道泄漏点定位的准确度；
3、通过应用异步时钟下对时间信息发送与接收，解决了泄漏传感器节点与 水下机器人之间时钟异步问题，实现了对泄漏点快速精确异步定位，克服了水 下环境中高延迟的影响，实际应用中具有重要意义。
附图说明
图1是本发明方法对于海底石油管道泄漏点定位过程的流程图；
图2是本发明方法中水声传感器/机器人网络示意图；
在图2中：1、2、3、4表示四个水面浮标；5、6、7表示水下机器人；8表示 水下传感器节点检测到泄漏点；
图3是本发明海底石油管道泄漏点定位水下机器人与水下传感器节点进行 的时间戳信息交互过程示意图；
图4是本发明海底石油管道泄漏点定位中水声速度随水深的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明方法包括以下步骤：
步骤1：在给定海底管道监测区域，部署多个具有pH值感知功能的水下传 感器节点，另外再部署多个具有移动功能的水下机器人，同时在水面部署四个 静态浮标；水下传感器节点与水下机器人通过水声通信方式进行组网，形成水 声传感器/机器人网络，水下机器人通过水面浮标获取自身位置信息；设定水下 传感器检测到石油泄漏时的pH阈值为PL，也即激活阈值为PL定义为：
PL＝pHF-pHL (8)
其中，pHF为石油管道所处水域的pH值，通过电极的电位法测量所处水域 中氢离子浓度H-，然后根据pHF＝-log()H-计算得出；pHL为当发生石油泄漏后， 泄漏处pH下降绝对值，即氢离子浓度的增加量。
步骤2：水下传感器节点周期性地对石油管道的pH值进行检测，当pH低于 阈值PL时，则表明石油泄漏发生；反之，水下传感器节点继续对石油管道的pH 值进行周期性检测；
步骤3：当石油管道发生泄漏之后，水下传感器节点向水下机器人发送请求 定位脉冲，按照水下机器人收到水下传感器节点定位请求脉冲的先后顺序，将 各水下机器人标号为第一水下机器人作为发起节点1，第二水下机器人作为锚节 点2以及第三水下机器人作为锚节点3；当脉冲信号发出之后，水下传感器节点 进入监听等待模式，直到接收到发起节点，锚节点2和锚节点3的回复信息，并 对接收到的信息进行记录；
步骤4：水下机器人接收到请求定位脉冲后，水下机器人与水下传感器节点 之间进行基于时间戳的信息交互过程，时间戳包含各个水下机器人的位置信息 和时间戳到达水下机器人与水下传感器节点的时间信息；当基于时间戳的信息 交互过程完成后，水下传感器节点向水下机器人发送信息交互结束脉冲；如图3 所示，水下机器人与水下传感器节点之间进行基于时间戳的信息交互过程如下：
在发起节点1时钟下，发起节点1在时刻t1,1向锚节点2、锚节点3以及水下传 感器节点发送时间戳1；
在锚节点2时钟下，锚节点2接收到时间戳1信息后，记录到达的时刻t1,2；锚 节点2在t2,2时刻向发起节点1、锚节点3以及水下传感器节点发送时间戳2，时间 戳2包含锚节点2的位置、时刻t1,2、时刻t2,2信息；
在锚节点3时钟下，锚节点3接收到时间戳1信息后，记录到达的时刻t1,3；锚 节点3接收到时间戳2信息后，记录到达的时刻t2,3；锚节点3在t3,3时刻向发起节点 1、水下传感器节点发送时间戳3，时间戳3包含锚节点3的位置、时刻t1,3、时刻t2,3、 时刻t3,3信息；
在水下传感器节点时钟下，水下传感器节点接收到时间戳1信息后，记录到 达的时刻t1,T；水下传感器节点接收到时间戳2信息后，记录信息到达的时刻t2,T； 水下传感器节点接收到时间戳3信息后，记录信息到达的时刻t3,T；水下传感器节 点在tT,T时刻向发起节点发送时间戳4，时间戳4包括时刻t1,T、时刻t2,T、时刻t3,T信 息；
在发起节点1时钟下，发起节点接收到时间戳2信息后，记录到达的时刻t2,1； 发起节点1接收到时间戳3信息后，记录信息到达的时刻t3,1；发起节点1接收到时 间戳4信息后，记录信息到达的时刻tT,1。
步骤5：水下机器人根据步骤4中获得的位置信息与时间信息建立水下传感 器节点与水下机器人之间的水声传播时间差方程，同时考虑水下环境中声线弯 曲效应，进而构建声线弯曲效应下的泄漏点优化问题，时间差方程如下：
其中，τi,T为第i个水下机器人与水下传感器节点之间的传播时间；
考虑水下环境中声线弯曲效应，构建声线弯曲效应下第i水下机器人与水下 传感器节点之间的平均水声速度公式如下：
其中，zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度，在 布置海底管道时已确定，vi(z)＝az+b为第i水下机器人与水下传感器节点的水声 速度与深度的关系表达式，a为水声速度随深度的变化率，b为海面水声速度。
构建第i水下机器人与水下传感器节点之间距离到海底平面的映射距离为：
其中，H为声线弯曲补偿系数，通过声线弯曲补偿系数求解公式(5)求得； zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度，在布置海底管 道时已确定。vi(z)为第i水下机器人与水下传感器节点的水声速度与深度的关系 表达式；
声线弯曲补偿系数H求解公式如下：
其中，τi,T表示第i个水下机器人与水下传感器节点之间水声传播时间，通过 公式(2)所得；zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度， 在布置海底管道时已确定；为声线弯曲效应下第i水下机器人与水下传感器节 点之间的平均水声速度；
利用公式(4)所得映射距离和第i水下机器人与水下传感器之间的深度距 离，通过如下勾股定理公式即可获得第i水下机器人与水下传感器之间经过声线 弯曲补偿的距离：
其中，yi,T表示为第i水下机器人与水下传感器节点之间距离到海底平面的 映射距离，zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度，在 布置海底管道时已确定。
步骤6：对上述步骤5的优化问题进行求解，通过使用三维空间下的定位求 解方程，完成对泄漏点的精确定位，三维空间下的坐标求解方程如下：
其中，di,T为第i水下机器人与水下传感器之间经过声线弯曲补偿的距离， (xi,yi,zi)为第i个水下机器人的坐标，(x,y,zT)为水下传感器节点坐标即为石油管 道泄漏点坐标。
以上所述的实施仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明 的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对 本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的 保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于声线补偿与时钟同步的海底石油管道泄漏点定位方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1：在给定海底管道监测区域，部署多个具有pH值感知功能的水下传感器节点，另外再部署多个具有移动功能的水下机器人，同时在水面部署四个静态浮标；水下传感器节点与水下机器人通过水声通信方式进行组网，形成水声传感器/机器人网络，水下机器人通过水面浮标获取自身位置信息；设定水下传感器检测到石油泄漏时的pH阈值为PL；
步骤2：水下传感器节点周期性地对石油管道的pH值进行检测，当pH低于阈值PL时，则表明石油泄漏发生；反之，水下传感器节点继续对石油管道的pH值进行周期性检测；
步骤3：当石油管道发生泄漏之后，水下传感器节点向水下机器人发送请求定位脉冲；当脉冲信号发出之后，水下传感器节点进入监听等待模式，直到水下机器人返回回复信息，并对已回复水下机器人做以标记；
步骤4：水下机器人接收到请求定位脉冲后，水下机器人与水下传感器节点之间进行时间戳信息交互过程，时间戳包含各个水下机器人的位置信息和时间戳到达水下机器人与水下传感器节点的时间信息；当时间戳信息交互过程完成后，水下传感器节点向水下机器人发送信息交互结束脉冲；
步骤5：水下机器人根据步骤4中获得的位置信息与时间信息建立水下传感器节点与水下机器人之间的水声传播时间差方程，同时考虑水下环境中声线弯曲效应，进而构建声线弯曲效应下的泄漏点优化问题；
步骤6：对上述步骤5的声线弯曲效应下的泄漏点优化问题进行求解，通过使用三维空间下的定位求解方程，完成对泄漏点的精确定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于声线补偿与时钟同步的海底石油管道泄漏点定位方法，其特征在于：在步骤1中，所述水下传感器检测到石油泄漏时的pH阈值就是激活阈值，将该阈值为PL定义为：
PL＝pHF-pHL (1)
其中，pHF为石油管道所处水域的pH值，通过电极的电位法测量所处水域中氢离子浓度H-，然后根据pHF＝-log(H-)计算得出；pHL为当发生石油泄漏后，泄漏处pH下降绝对值，即氢离子浓度的增加量。
3.根据权利要求1所述的一种基于声线补偿与时钟同步的海底石油管道泄漏点定位方法，在步骤4中，所述水下机器人与水下传感器节点之间进行时间戳信息交互过程，其交互过程如下：
在发起节点时钟下，发起节点在时刻t1,1向锚节点2、锚节点3、水下传感器节点发送时间戳1；
在锚节点2时钟下，锚节点2接收到时间戳1信息后，记录到达的时刻t1,2；锚节点2在t2,2时刻向发起节点、锚节点3以及水下传感器节点发送时间戳2，时间戳2包含锚节点2位置、时刻t1,2、时刻t2,2信息；
在锚节点3时钟下，锚节点3接收到时间戳1信息后，记录到达的时刻t1,3；锚节点3接收到时间戳2信息后，记录到达的时刻t2,3；锚节点3在t3,3时刻向发起节点、水下传感器节点发送时间戳3，时间戳3包含锚节点3位置、时刻t1,3、时刻t2,3、时刻t3,3信息；
在水下传感器节点时钟下，水下传感器节点接收到时间戳1信息后，记录到达的时刻t1,T；水下传感器节点接收到时间戳2信息后，记录信息到达的时刻t2,T；水下传感器节点接收到时间戳3信息后，记录信息到达的时刻t3,T；水下传感器节点在tT,T时刻向发起节点发送时间戳4，时间戳4包括时刻t1,T、时刻t2,T、时刻t3,T信息；
在发起节点时钟下，发起节点接收到时间戳2信息后，记录到达的时刻t2,1；发起节点接收到时间戳3信息后，记录信息到达的时刻t3,1；发起节点接收到时间戳4信息后，记录信息到达的时刻tT,1。
4.根据权利要求1所述的一种基于声线补偿与时钟同步的海底石油管道泄漏点定位方法，其特征在于：在步骤5中，所述时间差方程如下：
其中，τi,T为第i个水下机器人与水下传感器节点之间的传播时间。
5.根据权利要求1所述的一种基于声线补偿与时钟同步的海底石油管道泄漏点定位方法，其特征在于：在步骤5中，所述考虑水下环境中声线弯曲效应，进而构建声线弯曲下的泄漏点优化问题，就是考虑水下环境中声线弯曲效应，构建声线弯曲效应下第i水下机器人与水下传感器节点之间的平均水声速度公式如下：
其中，zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度，在布置海底管道时已确定，vi(z)＝az+b为第i水下机器人与水下传感器节点的水声速度与深度的关系表达式，a为水声速度随深度的变化率，b为海面水声速度；
构建第i水下机器人与水下传感器节点之间距离到海底平面的映射距离为：
其中，H为声线弯曲补偿系数，通过声线弯曲补偿系数求解公式(5)求得；zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度，在布置海底管道时已确定；vi(z)为第i水下机器人与水下传感器节点的水声速度与深度的关系表达式；
声线弯曲补偿系数H求解公式如下：
其中，τi,T表示第i个水下机器人与水下传感器节点之间水声传播时间，通过公式(2)所得；zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度，在布置海底管道时已确定；为声线弯曲效应下第i水下机器人与水下传感器节点之间的平均水声速度；
利用公式(4)所得映射距离和第i水下机器人与水下传感器之间的深度距离，通过如下勾股定理公式即可获得第i水下机器人与水下传感器之间经过声线弯曲补偿的距离；
其中，yi,T表示为第i水下机器人与水下传感器节点之间距离到海底平面的映射距离，zi为第i水下机器人所处深度，zT表示为海底石油管道布置深度，在布置海底管道时已确定。
6.根据权利要求1所述的一种基于声线补偿与时钟同步的海底石油管道泄漏点定位方法，其特征在于：在步骤6中，所述通过使用三维空间下的定位求解方程，就是通过使用三维空间下的坐标求解方程，其步骤如下：
其中，di,T为第i水下机器人与水下传感器之间经过声线弯曲补偿的距离，(xi,yi,zi)为第i个水下机器人的坐标，(x,y,zT)为水下传感器节点坐标即为石油管道泄漏点坐标。
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