CN109340585B

CN109340585B - 一种管道泄漏检测及定位方法

Info

Publication number: CN109340585B
Application number: CN201811265946.5A
Authority: CN
Inventors: 林伟国; 赵瑞祥; 王芳
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2038-10-26
Also published as: CN109340585A

Abstract

本发明提供了一种管道泄漏检测及定位方法，在管道上下游各安装一只声波信号变送器和流量计，以相同的采样频率实时同步地连续采集管道上下游的声波及流量信号，若检测到管道上下游流量差序列中存在超出预设泄漏灵敏度的流量差异常区间位置，且在该区间位置所对应时间段内检测到满足上游流量增加、下游流量减少这一特点的上、下游流量异常信号，则进一步提取对应时间段内管道上、下游异常声波信号序列，通过延时互相关定位计算来确定管道泄漏位置并发出泄漏报警。若在该区间内没有提取到异常声波信号，则直接发出流量异常报警。在保证泄漏检测灵敏度的同时，大大降低了误报率和漏报率，提高了泄漏报警的准确性。

Description

一种管道泄漏检测及定位方法

技术领域

本发明属于管道泄漏检测领域，具体涉及一种管道泄漏检测及定位方法。

背景技术

在管道泄漏检测中，声波法和负压波法是目前国内外应用最广的两种方法，工程实施简便、成本低廉，具有完善的理论基础和丰富的现场应用实例。

声波法对泄漏检测具有较高灵敏度和定位精度，由于其灵敏度高，因此即使微小短暂的压力波动也会产生较强的声波信号，例如每天施工人员都会进行多次调泵、调压、调阀等操作，这类操作会产生相当多的异常信号，极易造成定位错误而发生误报警，从而导致泄漏检测误报率很高。

负压波法适用于压力下降明显的泄漏检测，对于压力缓慢下降这一类型的泄漏非常不灵敏，例如缓慢开阀引起的泄漏(如打孔盗油)和经过远距离传输后的泄漏信号(对应的压力下降也是缓慢下降型)。由于其泄漏检测灵敏度低、定位误差大，因此极易造成泄漏的漏报警。

发明内容

为了解决现有技术存在的声波法误报率高，负压波法泄漏检测灵敏度低、定位误差大、漏报警率高等问题，本发明实施例提供以下技术方案：

提供了一种管道泄漏检测及定位方法，其具有泄漏点检测准确、可靠，误报率和漏报率低，泄漏报警准确率高等特点。

本发明的目的是提供一种管道泄漏检测及定位方法，包括以下步骤：

在管道上、下游各安装一只声波信号变送器和流量计，以相同的采样频率实时同步地连续采集管道上、下游的声波信号及流量信号；

设定管道泄漏检测灵敏度；

计算管道上下游流量差；

检测管道上下游流量差序列中超出所述管道泄漏检测灵敏度的流量差异常区间位置；

若检测到上述流量差异常区间存在，则对管道上、下游流量序列做流量异常区间位置检测；

检测管道上、下游流量序列在所述流量差异常区间位置所对应时间段内满足上游流量增加、下游流量减少这一特点的上、下游流量异常区间位置；

若在所述流量差异常区间位置所对应时间段内检测到满足上游流量增加、下游流量减少这一特点的上、下游流量异常信号区间存在，则进一步实施管道泄漏点定位；

提取管道上、下游声波信号序列在所述时间段内的异常声波信号确定管道泄漏点位置。

进一步的，所述管道上、下游安装的声波变送器和流量计各自的型号、精度和量程一致。

进一步的，所述管道上下游流量差计算方法如下：

取管道上、下游流量信号Q_up和Q_dn各一帧N点数据，分别计算管道上、下游流量各自的均值及上下游流量的流量差，其中N为正整数。

进一步的，所述流量差异常区间位置检测方法如下：

将所述管道上、下游流量差序列ΔQ_i按其正负极性作区间划分，划分得到NC个区间，取各个区间的流量差峰值Peak(k)，计算各个区间流量差峰值Peak(k)与管道输量均值Q_m之比δ，即

若δ大于所述管道泄漏检测灵敏度，则在当前区间k内出现了流量差异常；其中，k为正整数，0≤k≤NC，0<δ<1。

进一步的，每一帧数据内相同序号的数据点都与同一采样时间点相对应。

进一步的，所述管道上、下游流量异常区间位置检测方法如下：

将所述上、下游流量信号序列Q_up和Q_dn进行滤波处理，消除其中的直流项和趋势项，得到相应的新流量信号序列Q′_up和Q′_dn；

将所述上游流量信号序列Q′_up作正负区间划分，得到NC_up个区间，将所述下游流量信号序列Q′_dn作正负区间划分，得到NC_dn个区间；

若检测到所述上游流量信号序列Q′_up在所述流量差异常区间k所对应的时间段内存在流量增加的区间j，则所述区间j即为上游流量异常信号区间；其中，j为正整数，0≤j≤NC_up；

若检测到所述下游流量信号序列Q′_dn在所述流量差异常区间k所对应的时间段内存在流量减少的区间m，则所述区间m即为下游流量异常信号区间；其中，m为正整数，0≤m≤NC_dn；

若在所述流量差异常区间k所对应的时间段内既存在上游流量增加区间j，又存在下游流量减少区间m，则在所述流量差异常区间k所对应的时间段内管道上、下游出现了流量异常。

进一步的，若所述流量差异常区间k与所述上游流量异常区间j和所述下游流量异常区间m相重叠，即可判定管道发生了泄漏。

进一步的，所述管道泄漏点位置判定方法如下：

提取所述流量差异常区间k所对应的时间段内管道上、下游的异常声波信号序列A_up和A_dn，通过延时互相关定位方法计算确定管道泄漏点位置，并发出泄漏报警。

进一步的，如果在所述流量差异常区间k所对应的时间段内提取不到管道上、下游异常声波信号，则直接发出流量异常报警。

进一步的，所述管道泄漏检测灵敏度可以根据用户的需求设定。

本发明提供的一种管道泄漏检测及定位方法，将流量信号和声波信号相结合使用，通过信息融合实现泄漏位置的准确、可靠检测。在用户预设泄漏检测灵敏度的基础上，若管道上、下游流量差序列中存在大于预设泄漏检测灵敏度的区间位置，则进一步检测所对应时间段内满足管道上游流量增加、管道下游流量减少的区间位置是否存在，若存在则进一步对声波信号进行处理；在上述对应时间段内提取异常声波信号，通过延时互相关计算来定位管道泄漏位置，发出泄漏报警；如果在上述对应时间段内提取不到管道上、下游异常声波信号，则只发出流量异常报警。在保证泄漏检测灵敏度的同时，剔除了不符合泄漏时流量变化特性的异常信号，大大降低了误报率和漏报率，提高了泄漏报警的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种管道泄漏检测及定位方法主体流程图；

图2是本发明实施例提供的一种管道泄漏检测及定位方法中实测一帧管道上、下游流量信号；

图3是本发明实施例提供的一种管道泄漏检测及定位方法中一帧管道流量差信号；

图4是本发明实施例提供的一种管道泄漏检测及定位方法中经滤波处理后的管道上、下游流量信号各一帧；

图5是本发明实施例提供的一种管道泄漏检测及定位方法中实测管道上、下游声波信号各一帧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明公开了一种管道泄漏检测及定位方法，如图1所示包括如下步骤：

S001，在管道上、下游各安装一只声波信号变送器和流量计，以相同的采样频率实时同步地连续采集管道上、下游的声波信号及流量信号。

S002，设定管道泄漏检测灵敏度。

S003，计算管道上下游流量差。

S004，检测管道上下游流量差序列中超出设定管道泄漏检测灵敏度的流量差异常区间位置。

S005，若检测到上述流量差异常区间存在，则对管道上、下游流量序列做流量异常区间位置检测。

S006，检测管道上、下游流量序列在流量差异常区间位置所对应时间段内满足上游流量增加、下游流量减少这一特点的上、下游流量异常区间位置。

S007，若在流量差异常区间位置所对应时间段内检测到满足上游流量增加、下游流量减少这一特点的上、下游流量异常信号区间存在，则进一步实施管道泄漏点定位。

S008，提取管道上、下游声波信号序列在上述时间段内的异常声波信号确定管道泄漏点位置。

具体的，管道上、下游安装的声波变送器和流量计各自的型号、精度和量程相一致。

本实施例将流量信号和声波信号同时引入泄漏检测系统，在设定泄漏检测灵敏度的基础上，通过信息融合实现泄漏的准确、可靠检测，大大降低了误报率和漏报率，提高了泄漏报警率。

假设泄漏检测灵敏度为δ_s，本实施例中设定的δ_s为0.001，表示千分之一管道输量的泄漏检测能力。信号采样频率为100次/秒，数据帧时间长度为6分钟，即每一帧包含N＝36000点数据。管道上、下游流量信号序列如图2所示，提取管道上、下游流量信号Q_up和Q_dn各一帧N点数据，分别计算上、下游流量各自的均值及流量差：

Q_s＝Q_upm-Q_dnm

Q_m＝(Q_upm+Q_dnm)/2

ΔQ_i＝Q_up(i)-Q_dn(i)-Q_s(1≤i≤N，N为正整数)

其中，Q_up为管道上游流量值，Q_dn为管道下游流量值，Q_upm为管道上游流量均值，Q_dnm为管道下游流量均值，Q_s表示上下游流量仪表的系统误差(由正常平稳输送状态计算得到)，Q_m为管道输量均值，ΔQ_i表示管道上、下游流量差。

经计算得到：Q_upm＝48.5503m³/h，Q_dnm＝47.2079m³/h，Q_s＝1.3424m³/h，Q_m＝47.8800m³/h。

图3为管道上、下游流量的流量差信号序列ΔQ_i，对该信号序列进行正负区间划分，共划分出62个区间，进而可提取各个区间的峰值Peak(k)(1≤k≤62)，各个区间的起始位置S_st(k)和结束位置S_end(k)。计算各个区间流量差峰值Peak(k)与管道输量均值Q_m之比δ，得到

通过计算发现Peak(62)＝1.4809，δ＝0.0309，此时δ大于泄漏检测灵敏度δ_s，由此可判定当前区间对应位置流量差出现了异常(图3中加粗部分)。此区间的起始位置S_st(62)＝29357，终止位置S_end(62)＝36000，即管道流量差异常区间位置位于该帧数据点29357-36000之间。

进一步地，提取管道上、下游流量异常信号区间位置来确认管道是否发生了泄漏并实施定位报警。

对管道上游流量信号序列Q_up和下游流量信号序列Q_dn进行滤波处理，消除其中的直流项和趋势项，如图4所示，得到新的管道上游流量信号序列Q′_up和管道下游流量信号序列Q′_dn。对新的管道上、下游流量信号序列做正负区间划分和异常信号提取，其中管道上游信号序列Q′_up共划分出258个区间，在第253区间检测到存在异常信号(图4第一幅图中加粗部分)，异常信号区间起始位置S_st(253)＝29384，终止位置S_end(253)＝31303，即管道上游流量异常区间位置位于该帧数据点29384-31303之间；管道下游信号序列Q′_dn共划分出297个区间，在第290区间检测到存在异常信号(图4第二幅图中加粗部分)，异常信号区间起始位置S_st(290)＝32004，终止位置S_end(290)＝33965，即管道下游流量异常区间位置位于该帧数据点32004-33965之间。

泄漏现象的本质就是管道输送介质的漏损，当管道中某一点发生泄漏时，泄漏点上游流量会出现增加，而下游流量会出现减少。因此泄漏现象发生时上、下游流量计检测到的流量一定会伴随这种流量变化特征。图4中所示的管道上游流量异常信号区间位置(图4中第一幅图加粗部分区域)和下游流量异常信号区间位置(图4中第二幅图加粗部分区域)与图3中所示的管道上下游流量差异常信号区间位置(图3中加粗部分区域)相重叠，且在该区间内满足管道上游流量增加、管道下游流量减少这一特点，符合管道泄漏特征表明管道发生了泄漏，此刻通过提取管道上、下游声波异常信号结合互相关计算定位方法给出泄漏点位置，并发出泄漏报警。

读取管道上、下游声波信号序列各一帧如图5所示，每一帧包含N点数据，N＝36000。分别对管道上、下游声波信号序列作正负区间划分和异常信号提取。其中管道上游声波信号序列共划分出13个区间，在第12区间提取到异常信号(图5第一幅图中加粗部分)，异常信号区间起始位置S_st(12)＝29571，终止位置S_end(12)＝32146，即管道上游声波异常信号区间位置位于该帧数据点29571-32146之间；管道下游声波信号序列共划分出13个区间，在第12区间提取到异常信号(图5第二幅图中加粗部分)，异常信号区间起始位置S_st(12)＝32149，终止位置S_end(12)＝35633之间，即管道下游声波异常信号区间位置位于该帧数据点32149-35633之间。图5中该管道上、下游异常声波信号A_up和A_dn的区间位置(图5中加粗部分区域)与图3中所示的管道上、下游流量差异常信号区间位置(图3中加粗部分区域)相重叠，由此可判定此两区间内的声波异常信号为对应泄漏引起的泄漏声波信号，通过对该异常区间声波信号A_up和A_dn做延时互相关定位，最终定位距离为0公里，即可判断在管道上游站点处发生了泄漏现象。

作为本实施例的一种可选实施方式，上述实施例中的上下游实测声波信号可由压力信号来替代。通过建立压力—声波转换模型，将实时监测到的管道上、下游压力信号作为输入信号，转换得到管道上、下游虚拟声波信号，进而结合管道上、下游流量信号Q_up和Q_dn来实现管道泄漏的检测与定位；亦可直接利用压力信号P_up和P_dn来结合流量信号Q_up和Q_dn作为监测信息，来实现管道泄漏的检测与定位。

需要说明的是，本实施例中提到的流量信号和声波信号的采集处理可使用任何编程语言实现，并在相应的硬件设备上运行；采样频率和预设泄漏检测灵敏度可根据用户需求设定，在此不做限定。

本实施例提供的一种管道泄漏检测及定位方法，将流量信号和声波信号相结合使用，在用户预设泄漏检测灵敏度的基础上，若管道上、下游流量差序列中存在大于预设泄漏检测灵敏度的区间位置，则对管道上、下游流量信号做异常信号区间检测，若管道上、下游流量异常信号区间位置与流量差异常区间位置相重叠，且管道上、下游流量异常信号区间满足上游流量增加、下游流量减少这一特点，表明管道发生了泄漏，此刻应通过提取对应时间段内异常声波信号做延时互相关定位来确定管道泄漏点位置，并发出泄漏报警。在保证泄漏检测灵敏度的同时，剔除了不符合泄漏时流量变化特征的异常信号，大大降低了误报率和漏报率，提高了泄漏报警的准确性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种管道泄漏检测及定位方法，其特征在于，包括以下步骤：在管道上、下游各安装一只声波信号变送器和流量计，以相同的采样频率实时同步地连续采集管道上、下游的声波信号及流量信号；设定管道泄漏检测灵敏度；计算管道上下游流量差；检测管道上下游流量差序列中超出所述管道泄漏检测灵敏度的流量差异常区间位置；若检测到上述流量差异常区间存在，则对管道上、下游流量信号序列做流量异常信号区间位置检测；检测管道上、下游流量序列在所述流量差异常区间位置所对应时间段内满足上游流量增加、下游流量减少这一特点的上、下游流量异常信号区间位置；若在所述流量差异常区间位置所对应时间段内检测到满足上游流量增加、下游流量减少这一特点的上、下游流量异常信号区间存在，则进一步实施管道泄漏点定位；提取管道上、下游声波信号序列在所述时间段内的异常声波信号确定管道泄漏点位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道上、下游安装的声波信号变送器和流量计各自的型号、精度和量程一致。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道上下游流量差计算方法如下：取管道上、下游流量信号序列Q_up和Q_dn各一帧N点数据，分别计算管道上、下游流量各自的均值及上下游流量的流量差，其中N为正整数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流量差异常区间位置检测方法如下：将管道上、下游流量差序列ΔQ_i按其正负极性作区间划分，划分得到NC个区间，取各个区间的流量差峰值Peak(k)，计算各个区间流量差峰值Peak(k)与管道输量均值Q_m之比δ，即

5.根据权利要求3-4任一项所述的方法，其特征在于，每一帧数据内相同序号的数据点都与同一采样时间点相对应。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道上、下游流量异常信号区间位置检测方法如下：将上、下游流量信号序列Q_up和Q_dn进行滤波处理，消除其中的直流项和趋势项，得到相应的上、下游流量信号序列Q′_up和Q′_dn；将所述上游流量信号序列Q′_up作正负区间划分，得到NC_up个区间，将所述下游流量信号序列Q′_dn作正负区间划分，得到NC_dn个区间；若检测到所述上游流量信号序列Q′_up在流量差异常区间k所对应的时间段内存在流量增加的区间j，则所述区间j即为上游流量异常信号区间；其中，j为正整数，0≤j≤NC_up；若检测到所述下游流量信号序列Q′_dn在所述流量差异常区间k所对应的时间段内存在流量减少的区间m，则所述区间m即为下游流量异常信号区间；其中，m为正整数，0≤m≤NC_dn；若在所述流量差异常区间k所对应的时间段内既存在上游流量增加区间j，又存在下游流量减少区间m，则在所述流量差异常区间k所对应的时间段内管道上、下游出现了流量异常。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，若所述流量差异常区间k与所述上游流量异常信号区间j和所述下游流量异常信号区间m相重叠，即可判定管道发生了泄漏。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述管道泄漏点位置判定方法如下：提取所述流量差异常区间k所对应的时间段内管道上、下游的异常声波信号序列A_up和A_dn，通过延时互相关定位方法计算确定管道泄漏点位置，并发出泄漏报警。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，如果在所述流量差异常区间k所对应的时间段内提取不到管道上、下游异常声波信号，则直接发出流量异常报警。

10.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述管道泄漏检测灵敏度可以根据用户的需求设定。