CN108930915B - 一种基于定性映射的管道泄漏识别方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定性映射的管道泄漏识别方法、装置及系统，其中，该方法包括：接收待测管道两端的次声波传感信号和次声波传感信号的产生时间；根据次声波传感信号和次声波传感信号的产生时间计算生成沿待测管道分布的声像图谱；判断声像图谱属性值是否在基于历史数据构建的预设泄漏区间外；当预设数量的属性值在预设泄漏区间外，则判定待测管道发生泄漏。通过实施本发明，能够将本体噪声和外界因素对次声波检测技术的影响考虑在内进行识别，从而提高管道泄漏检测的准确度，减少误报和漏报的情况。

Description

一种基于定性映射的管道泄漏识别方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及管道泄漏监测领域，具体涉及一种基于定性映射的管道泄漏识别方法、装置及系统。

背景技术

近年来，因为管道泄漏导致的灾难性事故频发，管道的安全运行和维护受到了威胁和挑战。因此，需要建立管道安全报警体系，通过有效的技术手段对管道泄漏事故进行实时监测，准确发出泄漏报警并快速定位，以便于生产单位启动相应的应急预案。

目前现有的管道泄漏监测技术主要有人工检测法、负压波法和光纤监测法等技术，经过实践验证上述技术具有无法去除背景噪声、长距离信号衰减等引起的泄漏报警可靠性差、无法识别声源等缺陷。此外，基于次声波的监测技术已初步应用于管道泄漏监测中，当管道发生泄漏时，会在管道内部产生次声波传感信号，通过监测该次声波传感信号的变化判断管道发生泄漏的情况。但在实际应用中，由于本体噪声和外界因素的影响，基于次声波的监测技术难以避免会出现误报警等现象。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于定性映射的管道泄漏识别方法、装置及系统，以解决现有技术中存在的泄漏报警可靠性差，误报率高的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提出了一种基于定性映射的管道泄漏识别方法，包括：接收待测管道两端的次声波传感信号和所述次声波传感信号的产生时间；根据所述次声波传感信号和所述产生时间计算生成沿所述待测管道分布的声像图谱；判断所述声像图谱属性值是否在基于历史数据构建的预设泄漏区间外；当预设数量的属性值在所述预设泄漏区间外，则判定所述待测管道发生泄漏。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，基于历史数据构建所述预设泄漏区间的过程包括：获取多组管道样本图谱集，所述管道样本图谱集中包含未泄漏管道图谱及泄漏管道图谱；将所述多组管道样本图谱集及对应泄漏情况输入预设判断模型进行训练，生成管道泄漏判断模型；根据所述管道泄漏判断模型及所述泄漏管道图谱生成所述预设泄漏区间。

结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，所述属性值包括：所述声像图谱的幅度、宽度、频率及斜率。

结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，根据所述声像图谱中表示泄漏的起始点的时间差计算泄漏点与所述待测管道两端的距离。

结合第一方面、第一方面第二实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述预设数量的属性值包括两个以内的属性值。

本发明第二方面提出了一种基于定性映射的管道泄漏识别装置，包括：传感信号接收模块，用于接收待测管道两端的次声波传感信号；时间接收模块，用于接收所述次声波传感信号的产生时间；声像图谱生成模块，用于根据所述次声波传感信号和所述产生时间计算生成沿所述待测管道分布的声像图谱；管道泄漏判断模块，用于判断所述声像图谱属性值是否在基于历史数据构建的预设泄漏区间外；当预设数量的属性值在所述预设泄漏区间外时，所述管道泄漏判断模块判定所述待测管道发生泄漏。

结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述基于定性映射的管道泄漏识别装置还包括：预设泄漏区间构建模块，所述预设泄漏区间构建模块包括：管道样本图谱集获取子模块，用于获取多组管道样本图谱集，所述管道样本图谱集中包含未泄漏管道图谱及泄漏管道图谱；管道泄漏判断模型生成子模块，用于将所述多组管道样本图谱集及对应泄漏情况输入预设判断模型进行训练，生成管道泄漏判断模型；预设泄漏区间生成子模块，用于根据所述管道泄漏判断模型及所述泄漏管道图谱生成所述预设泄漏区间。

结合第二方面，在第二方面第二实施方式中，所述属性值包括：所述声像图谱的幅度、宽度、频率及斜率。

结合第二方面，在第二方面第三实施方式中，所述基于定性映射的管道泄漏识别装置还包括：距离计算模块，其中，所述时间接收模块接收所述声像图谱中表示泄漏的起始点的时间，所述距离计算模块根据两个时间的差值计算泄漏点与所述待测管道两端的距离。

结合第二方面、第二方面第二实施方式，在第二方面第四实施方式中，所述预设数量的属性值包括两个以内的属性值。

本发明第三方面提出了一种基于定性映射的管道泄漏识别系统，包括：电源、处理器、两个次声波传感器、两个数字化仪及两个GPS天线，所述两个次声波传感器分别监测所述待测管道两端产生的次声波传感信号，并将所述次声波传感信号分别传递给所述两个数字化仪；所述两个GPS天线为所述两个数字化仪提供时间与位置信息；所述两个数字化仪分别根据所述两个GPS天线提供的时间与位置信息确定所述次声波传感信号的产生时间，并将接收的次声波传感信号和所述产生时间的信息传递给所述处理器；所述处理器使用基于定性映射的管道泄漏识别方法进行待测管道泄漏识别。

结合第三方面，在第三方面第一实施方式中，所述次声波传感器的敏感头与所述待测管道内的介质完全接触并沉浸在介质中。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提出了一种基于定性映射的管道泄漏识别方法、装置及系统，其中，管道泄漏识别方法通过接收待测管道两端的次声波传感信号和次声波传感信号的产生时间，计算生成沿待测管道分布的声像图谱；通过判断声像图谱属性值是否在基于历史数据构建的预设泄漏区间外，从而判定待测管道是否发生泄漏。本发明实施例提出的管道泄漏识别方法、装置及系统，参考历史数据，并基于历史数据构建判别标准，将本体噪声和外界因素对次声波检测的影响考虑在内进行识别，从而能够提高管道泄漏检测的准确度，减少误报和漏报的情况。同时，还可实现根据泄漏发生时的两个信号的时间差计算发生泄漏点的位置，从而可以使检修人员判定发生管道泄漏的具体位置，及时对管道泄漏进行维修。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于定性映射的管道泄漏识别方法的一个具体示例的流程图；

图2为本发明实施例中基于定性映射的管道泄漏识别方法步骤S3的一个具体示例的流程图；

图3为本发明实施例中基于定性映射的管道泄漏识别方法步骤S301 中的未泄漏管道图谱；

图4为本发明实施例中基于定性映射的管道泄漏识别方法步骤S301 中的的泄漏管道图谱；

图5为本发明实施例中基于定性映射的管道泄漏识别方法的另一个具体示例的流程图；

图6为本发明实施例中基于定性映射的管道泄漏识别装置的一个具体示例的原理框图；

图7为本发明实施例中管道泄漏判断模块的一个具体示例的原理框图；

图8为本发明实施例中基于定性映射的管道泄漏识别装置的另一个具体示例的原理框图；

图9为本发明实施例中基于定性映射的管道泄漏识别系统的一个结构示意图。

附图标记：

1-传感信号接收模块；2-时间接收模块；3-声像图谱生成模块；4- 管道泄漏判断模块；5-距离计算模块；6-第一次声波传感器；7-第二次声波传感器；8-第一电源；9-第二电源；10-第一GPS天线；11-第二GPS天线；12-第一数字化仪；13-第二数字化仪；14-待测管道；15-处理器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种基于定性映射的管道泄漏识别方法，，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S1：接收待测管道两端的次声波传感信号和次声波传感信号的产生时间；其中，待测管道两端的次声波传感信号可以通过位于管道两端的次声波传感器进行检测，产生时间可以通过位于待测管道两端的GPS天线获取；

步骤S2：根据次声波传感信号和产生时间计算生成沿待测管道分布的声像图谱；该声像图谱用以表示沿管道分布的次声波传感信号随时间的变化情况；

步骤S3：判断声像图谱属性值是否在基于历史数据构建的预设泄漏区间外；基于历史数据生成预设的泄漏区间，从而判断该声像图谱的属性值是否在该泄漏区间外；

步骤S4：当预设数量的属性值在预设泄漏区间外，则判定待测管道发生泄漏。

根据上述步骤S1至步骤S4，本发明实施例提出的基于定性映射的管道泄漏识别方法参考历史数据，并基于历史数据得到泄漏区间，将本体噪声和外界因素对次声波检测的影响考虑在内进行识别，从而判定待测管道是否发生泄漏，减少了误报警，提高了判定的准确性。

优选地，如图2所示，步骤S3中基于历史数据构建预设泄漏区间的过程包括：

步骤S301：获取多组管道样本图谱集，多组管道样本图谱集中包含未泄漏管道图谱及泄漏管道图谱；其中，未泄漏管道图谱如图3所示，泄漏管道图谱如图4所示；

步骤S302：将多组管道样本图谱集及对应泄漏情况输入预设判定模型进训练，生成管道泄漏判断模型；

步骤S303：根据管道泄漏判断模型及泄漏管道图谱生成预设泄漏区间。

优选地，步骤S3中的属性值包括：声像图谱的幅度、宽度、频率及斜率中的一种或多种。

本发明实施例中，步骤S4中所判定的预设数量的属性值的具体数量和属性值的数量相对应。

当步骤S3中属性值包括声像图谱的幅度、宽度、频率及斜率四种属性值时，步骤S4预设数量的属性值为两个以内的属性值，即，当两个以内的属性值位于预设泄漏区间外时，则判定待测管道发生泄漏。具体地，假设τ_i(i＝1,2,3,4)分别表示波形幅度、宽度、频率、斜率四个属性，x_i为四个属性的量值，[αi，βi]是其定性基准，如果x_i量值落在区间[αi，βi]中，则判定该属性与泄露模式的属性一致。因此当有三项或四项属性符合泄漏模式，可判定当前检测为泄漏，当有两项或一项属性符合泄漏模式，则判定当前检测为正常模式。在实际应用中，进行泄漏判别的属性值也不仅限于上述的四种属性值，可根据具体应用场景调整属性值的种类和数量，相应地，步骤S4进行判别的预设数量可根据属性值的调整而进行相应的调整，例如是一半以下的属性值位于预设泄漏区间外时，判定待测管道发生泄漏，本发明不以此为限。

本发明实施例中，基于历史数据中的管道样本图谱集构建了泄漏区间，将本体噪声和外界因素对次声波检测的影响考虑在内，通过判断声像图谱中的属性值是否在区间内判定待测管道是否发生泄漏，提高了检测的准确度，减少了误报和漏报的情况。

当判定管道发生泄漏时，为后续方便检修，还需判别发生泄漏点的具体位置，因此，如图5所示，在步骤S4之后，本发明实施例的管道泄漏识别方法还包括步骤S5：根据声像图谱中表示泄漏的起始点的时间差计算泄漏点与待测管道两端的距离。

作为一种具体的实施方式，声像图谱包括待测管道两端的次声波传感信号产生的两个波形，当待测管道发生泄漏时，两个波形中出现波谷，泄漏的起始点即为两个波谷的起始点。

具体地，可采用如下两个公式计算泄漏点与待测管道两端的距离：

S₁-S₂＝V(t₁-t₂) 公式(1)

S₁+S₂＝S 公式(2)

其中，S₁为泄漏点距离待测管道一端的距离，S₂为泄漏点距离待测管道另一端的距离，S为待测管道的长度，V为声音传播的速度，t₁-t₂为泄漏的起始点的时间差。

在公式(1)和公式(2)中，S、V和t₁-t₂都是已知量，因此可以得出 S₁和S₂的值，用公式(3)和公式(4)表示：

根据公式(3)和公式(4)可以得到泄漏点距离待测管道一端的距离 S₁和泄漏点距离待测管道另一端的距离S₂，由此可以确定发生泄漏点的具体位置，从而使检修人员能够准确获知待测管道发生泄漏的具体位置，进行及时维修。

实施例2

本发明实施例还提出了一种基于定性映射的管道泄漏识别装置，如图6 所示，该基于定性映射的管道泄漏识别装置包括：

传感信号接收模块1，用于接收待测管道两端的次声波传感信号；

时间接收模块2，用于接收次声波传感信号的产生时间；

声像图谱生成模块3，用于根据次声波传感信号和产生时间计算生成沿待测管道分布的声像图谱；

管道泄漏判断模块4，用于判断声像图谱属性值是否在基于历史数据构建的预设泄漏区间外；当预设数量的属性值在预设泄漏区间外时，管道泄漏判断模块判定待测管道发生泄漏。

通过上述传感信号接收模块1、时间接收模块2、声像图谱生成模块3、管道泄漏判断模块4之间的协同工作，本发明实施例提出的基于定性映射的管道泄漏识别装置可以参考历史数据，并基于历史数据得到泄漏区间，将本体噪声和外界因素对次声波检测的影响考虑在内进行识别，从而判定待测管道是否发生泄漏，减少了误报警，提高了判定的准确性。

优选地，如图7所示，上述管道泄漏判断模块4中具体包括预设泄漏区间构建模块41，该预设泄漏区间构建模块41包括：

管道样本图谱集获取子模块411，用于获取多组管道样本图谱集，管道样本图谱集中包含未泄漏管道图谱及泄漏管道图谱；其中，未泄漏管道图谱如图3所示，泄漏管道图谱如图4所示；

管道泄漏判断模型生成子模块412，用于将多组管道样本图谱集及对应泄漏情况输入预设判断模型进行训练，生成管道泄漏判断模型；

预设泄漏区间生成子模块413，用于根据管道泄漏判断模型及泄漏管道图谱生成预设泄漏区间。

优选地，管道泄漏判断模块4中声像图谱的属性值包括：声像图谱的幅度、宽度、频率及斜率中的一种或多种。

本发明实施例中，管道泄漏判断模块中所判定的预设数量的属性值的具体数量和属性值的数量相对应。

当管道泄漏判断模块4中属性值包括声像图谱的幅度、宽度、频率及斜率四个属性值时，预设数量的属性值为两个以内的属性值，即，当两个以内的属性值位于预设泄漏区间外时，则判定待测管道发生泄漏。具体地，假设τ_i(i＝1,2,3,4)分别为波形幅度、宽度、频率、斜率四个属性，x_i为四个属性的量值，[αi，βi]是其定性基准，如果x_i量值落在区间[αi，βi]中，则判定该属性与泄露模式的属性一致。因此当有三项或四项属性符合泄漏模式，可判定当前检测为泄漏，当有两项或一项属性符合泄漏模式，则判定当前检测为正常模式。在实际应用中，进行泄漏判别的属性值也不仅限于上述的四种属性值，可根据具体应用场景调整属性值的种类和数量，相应地，管道泄漏判断模块进行判别的预设数量可根据属性值的调整而进行相应的调整，例如是一半以下的属性值位于预设泄漏区间外时，判定待测管道发生泄漏，本发明不以此为限。

本发明实施例中，基于历史数据中的管道样本图谱集构建了预设泄漏区间模块，将本体噪声和外界因素对次声波检测的影响考虑在内，通过判断声像图谱中的属性值是否在预设泄漏区间内判定待测管道是否发生泄漏，提供了检测的准确度，减少了误报和漏报的情况。

当判定管道发生泄漏时，为后续方便检修，还需判别发生泄漏点的具体位置，因此，如图8所示，基于定性映射的管道泄漏识别装置中还包括距离计算模块5，其中，时间接收模块2接收声像图谱中表示泄漏的起始点的时间，距离计算模块5根据两个时间的差值计算泄漏点与待测管道两端的距离。

作为一种具体的实施方式，声像图谱包括待测管道两端的次声波传感信号产生的两个波形，当待测管道发生泄漏时，两个波形中出现波谷，泄漏的起始点即为波谷的起始点。

具体地，距离计算模块5可采用如下两个公式计算泄漏点与待测管道两端的距离：

S₁-S₂＝V(t₁-t₂) 公式(1)

S₁+S₂＝S 公式(2)

其中，S₁为泄漏点距离待测管道一端的距离，S₂为泄漏点距离待测管道另一端的距离，S为待测管道的长度，V为声音传播的速度，t₁-t₂为泄漏的起始点的时间差。

在公式(1)和公式(2)中，S、V和t₁-t₂都是已知量，因此可以得出 S₁和S₂的值，用公式(3)和公式(4)表示：

根据公式(3)和公式(4)可以得到泄漏点距离待测管道一端的距离 S₁和泄漏点距离待测管道另一端的距离S₂，由此可以确定发生泄漏点的具体位置，从而使检修人员能够准确获知待测管道发生泄漏的具体位置，进行及时维修。

实施例3

本发明实施例还提供一种基于定性映射的管道泄漏识别系统，如图9 所示，包括：处理器15、第一电源8、第二电源9、第一次声波传感器6、第二次声波传感器7、第一数字化仪12、第二数字化仪13、第一GPS天线 10和第二GPS天线11，两个次声波传感器分别监测待测管道两端产生的次声波传感信号，并将次声波传感信号分别传递给两个数字化仪；两个GPS天线为两个数字化仪提供时间与位置信息；两个数字化仪分别根据两个GPS 天线提供的时间与位置信息确定次声波传感信号的产生时间，并将接收的次声波传感信号和产生时间的信息传递给处理器15；处理器15使用实施例 1中基于定性映射的管道泄漏识别方法进行待测管道泄漏识别。

具体地，当待测管道发生泄漏时，待测管道泄漏点内外的压力差使得泄漏点产生不同于管道其他位置的次声波传感信号，两个次声波传感器接收待测管道中产生的次声波传感信号，处理器15根据该次声波传感信号生成沿管道分布的声像图谱，并判断声像图谱中预设数量的属性值是否在预设管道泄漏区间外，从而判断待测管道是否发生泄漏。

优选地，第一次声波传感器6、第二次声波传感器7的敏感头与待测管道内的介质完全接触并沉浸在介质中。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种基于定性映射的管道泄漏识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收待测管道两端的次声波传感信号和所述次声波传感信号的产生时间；

根据所述次声波传感信号和所述产生时间计算生成沿所述待测管道分布的声像图谱；

判断所述声像图谱属性值是否在基于历史数据构建的预设泄漏区间外，所述属性值包括：所述声像图谱的幅度、宽度、频率及斜率；

当预设数量的属性值在所述预设泄漏区间外，则判定所述待测管道发生泄漏。

2.如权利要求1所述的基于定性映射的管道泄漏识别方法，其特征在于,基于历史数据构建所述预设泄漏区间的过程包括：

获取多组管道样本图谱集，所述管道样本图谱集中包含未泄漏管道图谱及泄漏管道图谱；

将所述多组管道样本图谱集及对应泄漏情况输入预设判断模型进行训练，生成管道泄漏判断模型；

根据所述管道泄漏判断模型及所述泄漏管道图谱生成所述预设泄漏区间。

3.如权利要求1所述的基于定性映射的管道泄漏识别方法，其特征在于，根据所述声像图谱中表示泄漏的起始点的时间差计算泄漏点与所述待测管道两端的距离。

4.一种基于定性映射的管道泄漏识别装置，其特征在于，包括：

传感信号接收模块，用于接收待测管道两端的次声波传感信号；

时间接收模块，用于接收所述次声波传感信号的产生时间；

声像图谱生成模块，用于根据所述次声波传感信号和所述产生时间计算生成沿所述待测管道分布的声像图谱；

管道泄漏判断模块，用于判断所述声像图谱属性值是否在基于历史数据构建的预设泄漏区间外，所述属性值包括：所述声像图谱的幅度、宽度、频率及斜率；当预设数量的属性值在所述预设泄漏区间外时，所述管道泄漏判断模块判定所述待测管道发生泄漏。

5.如权利要求4所述的基于定性映射的管道泄漏识别装置，其特征在于，还包括：预设泄漏区间构建模块，所述预设泄漏区间构建模块包括：

管道样本图谱集获取子模块，用于获取多组管道样本图谱集，所述管道样本图谱集中包含未泄漏管道图谱及泄漏管道图谱；

管道泄漏判断模型生成子模块，用于将所述多组管道样本图谱集及对应泄漏情况输入预设判断模型进行训练，生成管道泄漏判断模型；

预设泄漏区间生成子模块，用于根据所述管道泄漏判断模型及所述泄漏管道图谱生成所述预设泄漏区间。

6.如权利要求4所述的基于定性映射的管道泄漏识别装置，其特征在于，还包括距离计算模块，其中，所述时间接收模块接收所述声像图谱中表示泄漏的起始点的时间，所述距离计算模块根据两个时间的差值计算泄漏点与所述待测管道两端的距离。

7.一种基于定性映射的管道泄漏识别系统，其特征在于，包括：电源、处理器、两个次声波传感器、两个数字化仪及两个GPS天线，

所述两个次声波传感器分别监测所述待测管道两端产生的次声波传感信号，并将所述次声波传感信号分别传递给所述两个数字化仪；

所述两个GPS天线为所述两个数字化仪提供时间与位置信息；

所述两个数字化仪分别根据所述两个GPS天线提供的时间与位置信息确定所述次声波传感信号的产生时间，并将接收的次声波传感信号和所述产生时间的信息传递给所述处理器；

所述处理器使用如权利要求1-3中任一项所述的基于定性映射的管道泄漏识别方法进行待测管道泄漏识别。

8.如权利要求7所述的基于定性映射的管道泄漏识别系统，其特征在于，所述次声波传感器的敏感头与所述待测管道内的介质完全接触并沉浸在介质中。

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