CN109357171B

CN109357171B - 一种地下管线泄漏监测与定位方法与装置

Info

Publication number: CN109357171B
Application number: CN201811453370.5A
Authority: CN
Inventors: 李雨龙
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-07-24
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: CN109357171A

Abstract

本发明公开了一种地下管线泄漏监测与定位方法和装置，解决现有方法和装置管线泄漏误报率和漏报率高的问题。所述方法包含：对地下管线中的各监测点采集声波压信号；采用功率谱密度比较法，计算各监测点的功率谱密度比值为所述声波压的功率谱密度的最大值与平均值之比，并进行泄漏判断，得到各监测点的泄漏情况为：确定泄漏、疑似泄漏、未泄漏；将所述确定泄漏、疑似泄漏的监测点合并为泄漏计算点，任选两个位置相邻的监测点作为第一、第二泄漏计算点；根据所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号，采用互相关方法计算时间差，得到泄漏点位置。所述装置，应用于所述方法。本发明实现了离线、小区域在线、大区域在线三种工作模式的泄漏监测与定位。

Description

一种地下管线泄漏监测与定位方法与装置

技术领域

本发明涉及给水热力关系技术领域，尤其涉及一种地下管线泄漏监测与定位方法与装置。

背景技术

地下管线是城市重要的基础设施，是保证城市生产生活正常运转的重要基础，目前的管网泄漏检测仍以人工巡检的方式为主，人员投入成本高、时效差、定位慢等问题十分显著，容易产生马路拉链，经常破坏和占用路面；现有的非人工管道泄漏检测方法分为基于硬件和基于软件两大类，基于硬件的方法和技术包含电缆传感器、光纤维、土壤检测等，基于软件的方法和技术包含质量或体积平衡、实时瞬变模型等，无论是基于硬件或基于软件的方法在实际应用中都存在误报率高、漏报率高的问题，基于硬件的方法存在对硬件指标要求不明确、使用传感器参差不齐的问题，基于软件的方法存在模型单一的问题。

发明内容

本发明提供一种地下管线泄漏监测与定位方法与装置，解决现有方法和装置管线泄漏误报率和漏报率高的问题。

一种地下管线泄漏监测与定位方法，包含：对地下管线中的各监测点采集声波压信号；采用功率谱密度比较法，计算各监测点的功率谱密度比值为所述声波压的功率谱密度的最大值与平均值之比，并进行泄漏判断，得到各监测点的泄漏情况为：确定泄漏、疑似泄漏、未泄漏；将所述确定泄漏、疑似泄漏的监测点合并为泄漏计算点，任选两个位置相邻的监测点作为第一、第二泄漏计算点；根据所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号，采用互相关方法计算时间差，得到泄漏点位置。

进一步地，在所述根据所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号，采用互相关方法计算时间差，得到泄漏点位置的步骤之前，所述方法还包含：采用能量谱密度分析法确定所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的滤波频率范围，并对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号进行频域滤波。

进一步地，所述方法还包含：从所述监测点中任选一个与所述第一泄漏计算点或第二泄漏计算点位置相邻的监测点作为辅助定位点，采用多点补偿法对所述第一、第二泄漏计算点的信号进行差分，得到第一、第二泄漏计算点的差分信号，分别为：

x₀(t)＝x(t)-z(t-t_x)

y0(t)＝y(t)-z(t-t_y)

t_x＝(a+b)/v

t_y＝b/v

其中，x(t)、y(t)、z(t)分别为所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点、辅助定位点的声波压信号，x₀(t)、y₀(t)分别为所述第一、第二泄漏计算点的差分信号，a为所述第二泄漏计算点与所述第一泄漏计算点之间的距离，b为所述辅助定位点与所述第二泄漏计算点之间的距离，v为声音在地下管线中的传播速度，tx为声音在所述第一泄漏计算点与所述辅助定位点之间的传播时间，t_y为声音在所述第二泄漏计算点与所述辅助定位点之间的传播时间；采用互相关方法对所述第一、第二泄漏计算点的差分信号计算时间差，得到泄漏点位置修正值。

优选地，所述采用功率谱密度比较法，计算各监测点的功率谱密度比值为所述声波压的功率谱密度的最大值与平均值之比，并进行泄漏判断，得到各监测点的泄漏情况为：确定泄漏、疑似泄漏、未泄漏的步骤进一步包含：对所述各监测点的声波压信号进行傅里叶变换，得到各监测点的功率谱密度为：

其中，F(ω)为所述功率谱密度，P(t)为所述声波压信号的功率，S(t)为所述声波压信号；根据所述各监测点的功率谱密度，得到各监测点的功率谱密度比值为：

其中，Q为所述功率谱密度比值，F(ω)为所述功率谱密度，MAX(F(ω))为所述功率谱密度的最大值，AVG(F(ω))为所述功率谱密度的平均值；根据所述功率谱密度比值，对各监测点进行泄漏判断，当所述功率谱密度比值大于10时，判断监测点泄漏情况为确定泄漏；当所述功率谱密度比值不大于10且大于等于5时，判断监测点泄漏情况为疑似泄漏；当所述功率谱密度比值小于5时，判断监测点泄漏情况为未泄漏。

优选地，所述采用能量谱密度分析法确定所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的滤波频率范围，并对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号进行频域滤波的步骤，进一步包含：对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号计算信号能量为：

其中，E_x、E_y分别为所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的能量，S_x(t)、S_y(t)分别为所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号；根据Parseval定理分别计算所述第一、第二泄漏计算点的能量谱密度为：

其中，S_x(f)、S_y(f)分别为所述第一、第二泄漏计算点的能量谱密度；分别求得所述第一、第二泄漏计算点的能量谱密度为最大值时的第一频率最大值、第二频率最大值；确定所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的低频滤波范围为：20Hz到所述第一频率最大值与第二频率最大值中的最小值，高频滤波范围为：所述第一频率最大值与第二频率最大值中的最大值到3000Hz；对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号进行滤波。

优选地，所述根据第一、第二泄漏计算点的声波压信号，采用互相关方法计算时间差，得到泄漏点位置的步骤，进一步包含：根据所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号，计算互相关函数为：

其中，R_xy(τ)、R_yx(-τ)为所述第一、第二泄漏计算点的互相关函数的两种表示方式，τ为时间变量，T为所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的采集时间，x(t)、y(t)分别为所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点的声波压信号；根据所述互相关函数，计算信噪比为：

其中，SNR为信噪比，R_xy(τ)为所述互相关函数，MAX(R_xy(τ))为所述互相关函数的最大值，AVG(R_xy(τ))为所述互相关函数的平均值；选取所述信噪比最大时的时间变量作为所述第一、第二泄漏计算点的传感器时间差；根据所述传感器时间差计算得到泄漏点位置为：

其中，L为所述泄漏点位置与所述第二泄漏计算点之间的距离，D为所述第一、第二泄漏计算点之间的距离，v为声音在所述地下管线中的传播速度，T_d为所述传感器时间差。

一种地下管线泄漏监测与定位装置，应用在所述方法，包含：第一区第一振动传感器、第一区第二振动传感器、第一区第一采集模块、第一区第二采集模块、处理模块；所述第一区第一、第二振动传感器，分别用于根据第一区采集指令对地下管线中第一、第二监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第一、第二声波压信号；所述第一区第一、第二采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，所述第一区第一、第二声波压信号；所述处理模块，用于产生所述第一区采集指令；接收所述第一区第一、第二声波压信号，进行泄漏情况判断和泄漏点定位。

进一步地，所述装置还包含：第一区第三振动传感器、第一区第三采集模块；所述第一区第三振动传感器，用于根据第一区采集指令对地下管线中第三监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第三声波压信号；所述第一区第三采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，所述第一区第三声波压信号；所述处理模块，还用于接收所述第一区第三声波压信号，并采用多点补偿法对泄漏点位置进行修正。

进一步地，所述装置还包含：第一区数据交换器；所述第一区数据交换器，用于在所述处理模块与所述第一区第一、第二、第三采集模块之间建立通信。

优选地，所述装置还包含：第二区第一振动传感器、第二区第二振动传感器、第二区第三振动传感器、第二区第一采集模块、第二区第二采集模块、第二区第三采集模块、第二区数据交换器；所述第二区第一、第二、第三振动传感器，分别用于根据第二区采集指令对地下管线中第一、第二、第三监测点的声波压信号进行采集，输出第二区第一、第二、第三声波压信号；所述第二区第一、第二、第三采集模块，用于接收并发送所述第二区采集指令，所述第二区第一、第二、第三声波压信号；所述第二区数据交换器，用于在所述处理模块与所述第二区第一、第二、第三采集模块之间建立通信；所述处理模块，还用于产生所述第二区采集指令；接收所述第二区第一、第二、第三声波压信号，进行泄漏情况判断和泄漏点定位。

本发明有益效果包括：本发明提供的地下管线泄漏监测与定位方法与装置提出了明确的硬件指标要求和具体的信号采集规则，以及基于功率谱密度计算的泄漏状态判断方法和基于多点信号补偿的泄漏点精确定位及修正方法。所述装置和方法大大提高了泄漏监测水平和定位精度，不仅适用于给水管线，对热力管线也非常有效，同时该方法适用于离线工作、小区域在线工作、大区域在线工作三种工作模式，具有很好的实用性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种地下管线泄漏监测与定位方法流程实施例；

图2为一种包含频域滤波的地下管线泄漏监测与定位方法流程实施例；

图3为一种包含泄漏定位修正的地下管线泄漏监测与定位方法流程实施例；

图4为一种包含泄漏判断的地下管线泄漏监测与定位方法流程实施例；

图5为一种地下管线泄漏监测与定位装置实施例；

图6为一种包含泄漏定位修正的地下管线泄漏监测与定位装置实施例；

图7为一种小区域在线模式的地下管线泄漏监测与定位装置实施例；

图8为一种大区域在线模式的地下管线泄漏监测与定位装置实施例。

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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。

地下管线是城市重要的基础设施，是保证城市生产生活正常运转的重要基础。作为城市地下管网中建设较早的几类管线，很多城市的给水管网和热力管网已经出现老化现象，管线漏损和爆管事故频发，造成水资源严重浪费，大大提高了经营成本，同时存在重大安全隐患。虽然市场上存在一些管线检漏设备，但效果并不理想。目前的管网泄漏检测仍以人工巡检的方式为主，人员投入成本高、时效差、定位慢等问题十分显著，容易产生马路拉链，经常破坏和占用路面。如何加强地下管网安全监管，提高预警和事后处置工作效率，摆到了自来水和热力公司各级主管部门面前。为此如何正确处理地下管网当前问题，如何保证地下管网安全高效的运转显得尤为重要和紧迫。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1为一种地下管线泄漏监测与定位方法流程实施例，用于对地下管线的泄漏情况进行监测与泄漏点定位，作为本申请的实施例，一种地下管线泄漏监测与定位方法，包含以下步骤：

步骤101，对地下管线中的各监测点采集声波压信号。

在步骤101中，通过振动传感器对所述声波压信号进行采集，当管道发生泄漏时，能够产生比普通水声频率高很多的声压波沿管道传播，因此利用振动传感器可以对管线中的声音信号可以对管线泄漏情况进行监测。

在步骤101中，所述地下管线为地下带压管线，包含给水管线、热力管线。

步骤102，采用功率谱密度比较法，计算各监测点的功率谱密度比值为所述声波压的功率谱密度的最大值与平均值之比，并进行泄漏判断，得到各监测点的泄漏情况为：确定泄漏、疑似泄漏、未泄漏。

在步骤102中，由于泄漏声音信号的功率集中在比较小的频率范围内，因此可以利用功率谱密度分析的方法来判断管线中是否发生了泄漏。

步骤103，将所述确定泄漏、疑似泄漏的监测点合并为泄漏计算点，任选两个位置相邻的监测点作为第一、第二泄漏计算点。

在步骤103中，泄漏点的位置在所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点之间。

步骤104，根据所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号，采用互相关方法计算时间差，得到泄漏点位置。

在步骤104中，泄漏点定位原理是，通过放置在管道两端的振动传感器测量泄漏信号，由于泄漏点包围在中间，泄漏声音传播到达两个传感器的时间不同，因此利用两列信号的互相关函数分析，即可确定泄漏噪声到达两个传感器的时间差，根据该时间差，通过两个传感器间的距离和声波在该管材中的传播速度，即可计算出泄漏点距两个传感器的距离。

在步骤104中，采用互相互相关方法计算时间差之前，需对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号进行频域滤波，滤除噪声信号。

本发明实施例提供的泄漏点监测与定位方法采用功率谱密度比较法对泄漏点进行判断，充分考虑泄漏噪声的平稳随机性，可以有效判断泄漏发生的可能性。

图2为一种包含频域滤波的地下管线泄漏监测与定位方法流程实施例，用于减小泄漏点计算的数据量，作为本申请的实施例，一种地下管线泄漏监测与定位方法，包含以下步骤：

步骤101，对地下管线中的各监测点采集声波压信号。

步骤105，采用能量谱密度分析法确定所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的滤波频率范围，并对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号进行频域滤波。

在步骤105中，采用能量谱密度分析法确定声波压信号的滤波频率范围并滤除频率范围以外信号，使声波压信号的频段选择范围大大缩小，减小计算量。

步骤106，根据所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号，采用互相关方法计算时间差，得到泄漏点位置。

在步骤106中，采用互相关法计算时间差所使用的输入信号为采用能量谱密度分析法频域滤波后的第一泄漏计算点声波压信号、第二泄漏计算点声波压信号。

本发明实施例提供的管线监测与定位方法采用能量谱密度分析法对计算点的声波压信号进行频域滤波，减小了互相关方法计算泄漏点时间差的运算量，相比不采用能量谱密度分析法进行频域滤波的方法，运算量可以减小为四分之一，同时，本发明实施例提供的所述方法对硬件的要求降低，设备耗电量小、计算时间快、实用性强。

图3为一种包含泄漏定位修正的地下管线泄漏监测与定位方法流程实施例，用于对泄漏点定位进行修正，得到精确的泄漏点位置，作为本申请的实施例，一种地下管线泄漏监测与定位方法，包含以下步骤：

步骤101，对地下管线中的各监测点采集声波压信号。

步骤107，从所述监测点中任选一个与所述第一泄漏计算点或第二泄漏计算点位置相邻的监测点作为辅助定位点，采用多点补偿法对所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点的信号进行差分，得到第一泄漏计算点、第二泄漏计算点的差分信号，分别为：

x₀(t)＝x(t)-z(t-t_x) (1)

y0(t)＝y(t)-z(t-t_y) (2)

t_x＝(a+b)/v (3)

t_y＝b/v (4)

其中，x(t)、y(t)、z(t)分别为所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点、辅助定位点的声波压信号，x₀(t)、y₀(t)分别为所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点的差分信号，a为所述第二泄漏计算点与所述第一泄漏计算点之间的距离，b为所述辅助定位点与所述第二泄漏计算点之间的距离，v为声音在地下管线中的传播速度；t_x为声音在所述第一泄漏计算点与所述辅助定位点之间的传播时间，t_y为声音在所述第二泄漏计算点与所述辅助定位点之间的传播时间。

步骤108，采用互相关方法对所述第一、第二泄漏计算点的差分信号计算时间差，得到泄漏点位置修正值。

本发明实施例采用多点补偿的方法，对泄漏点定位位置进行修正，修正了定位误差，大大提高了管线泄漏点定位精度，提高了人工修复过程中管线泄漏点定位的效率。

图4为一种包含泄漏判断的地下管线泄漏监测与定位方法流程实施例，用于对地下管线泄漏情况进行监测和对泄漏点进行精确定位，作为本申请的实施例，一种地下管线泄漏监测与定位方法，包含以下步骤：

步骤101，对地下管线中的各监测点采集声波压信号。

步骤201，对所述各监测点的声波压信号进行傅里叶变换，得到各监测点的功率谱密度为：

其中，F(ω)为所述功率谱密度，P(t)为所述声波压信号的功率，S(t)为所述声波压信号。

在步骤201中，所述声波压信号为有限长度信号，因此可以对所述声波压信号进行功率谱密度积分计算。

步骤202，根据所述各监测点的功率谱密度，得到各监测点的功率谱密度比值为：

其中，Q为所述功率谱密度比值，F(ω)为所述功率谱密度，MAX(F(ω))为所述功率谱密度的最大值，AVG(F(ω))为所述功率谱密度的平均值。

步骤203，根据所述功率谱密度比值，对各监测点进行泄漏判断，当所述功率谱密度比值大于10时，判断监测点泄漏情况为确定泄漏；当所述功率谱密度比值不大于10且大于等于5时，判断监测点泄漏情况为疑似泄漏；当所述功率谱密度比值小于5时，判断监测点泄漏情况为未泄漏。

在步骤203中，对所述泄漏情况判断的数值为大量实验总结和验证得出的，可以是本发明实施例中的10、5，也可以是其他数值，这里不做特别限定。

下表1为某城市区域给水管网泄漏点监测表，区域面积为5.3km²，包含管线长度13.4km，共有76个管井，管线于1990年代建设，该区域漏损率20％左右。根据区域内管网特点，将该区域划分为9个子区域，在每个区域中心布设一台数据交换器，共9台，在各子区域主要管井中共布设67台设备。这些设备可以分为42组，对42条管段进行监测，部分设备同时属于多个组，可以复用。

表1某城市区域给水管网泄漏点监测表

采用功率谱密度分析法对各监测点进行判断，判断结果显示，67个监测点位中，有7个点附近疑似泄漏，2个点附近发生泄漏。

在步骤103中，对所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点进行选择，本发明实施例，根据泄漏情况判断结果及监测点空间分布情况，初步判断存在4个泄漏点，如下表2所示，其中A、B、C为泄漏点附近的振动传感器。

表2第一、第二泄漏计算点选择表

步骤204，对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号计算信号能量为：

其中，E_x、E_y分别为所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的能量，S_x、S_y分别为所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号。

步骤205，根据Parseval定理分别计算所述第一、第二泄漏计算点的能量谱密度为：

其中，S_x(f)、S_y(f)分别为所述第一、第二泄漏计算点的能量谱密度。

步骤206，分别求得所述第一、第二泄漏计算点的能量谱密度为最大值时的第一频率最大值、第二频率最大值。

步骤207，确定所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的低频滤波频率范围、高频滤波频率范围。

在步骤207中，所述低频滤波范围为：20Hz到所述第一频率最大值与第二频率最大值中的最小值，高频滤波范围为：所述第一频率最大值与第二频率最大值中的最大值到3000Hz。

需要说明的是，所述低频滤波范围最小值可以是本发明实施例中的20Hz，也可以是其他数值，所述高频滤波范围的最大值可以是本发明实施例中的3000Hz，也可以是其他数值，这里不做特别限定。

步骤208，对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号进行滤波.

在步骤208中，根据所述低频滤波范围、高频滤波范围，对所述低频滤波范围和高频滤波范围之外的信号进行滤波。

步骤209，根据所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号，计算互相关函数为：

其中，R_xy(τ)、R_yx(-τ)为所述第一、第二泄漏计算点的互相关函数的两种表示方式，τ为时间变量，T为所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的采集时间，x(t)、y(t)分别为所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点的声波压信号。

步骤210，根据所述互相关函数，计算信噪比为：

其中，SNR为所述信噪比，R_xy(τ)为所述互相关函数，MAX(R_xy(τ))为所述互相关函数的最大值，AVG(R_xy(τ))为所述互相关函数的平均值。

步骤211，选取所述信噪比最大时的时间变量作为所述第一、第二泄漏计算点的传感器时间差。

步骤212，根据所述传感器时间差计算得到泄漏点位置为：

在步骤212中，采用相关法计算得到泄漏点定位结果如下表3所示。

表3泄漏点定位结果

序号	距点A(m)	距点B(m)
			1	162.3	89.7
2	113.9	134.1
			3	54.9	133.1
4	211.5	93.5

步骤107，从所述监测点中任选一个与所述第一泄漏计算点或第二泄漏计算点位置相邻的监测点作为辅助定位点，采用多点补偿法对所述第一、第二泄漏计算点的信号进行差分，得到第一、第二泄漏计算点的差分信号。

在步骤108中，采用互相关方法对所述第一、第二泄漏计算点的差分信号计算时间差的具体步骤为：计算所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点的差分信号的互相关函数和信噪比，选择所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点的差分信号信噪比为最大值时的时间差，根据第一泄漏计算点、第二泄漏计算点的差分信号的时间差，计算得到所述泄漏点位置修正值。

在步骤108中，采用多点修正法对泄漏点位置进行修正的结果如下表4所示，泄漏点位置真实结果如下表5所示，误差分析结果如下表6所示。

表4泄漏点位置修正后结果

序号	距点A(m)	距点B(m)
			1	163.0	89.0
2	113.1	134.9
			3	54.2	133.8
4	212.2	92.8

表5真实泄漏位置

序号	距点A(m)	距点B(m)
			1	163.1	88.9
2	113.2	134.8
			3	54.2	133.8
4	212.1	92.9

表6误差分析

序号	相关定位误差(m)	补偿后误差(m)
			1	-0.8	-0.1
2	0.7	-0.1
			3	0.7	0
4	-0.6	0.1

通过误差比较，可以得出结论，相关定位算法可以有效的定位泄漏点，但存在较大误差；通过多点补偿方法，可以将定位误差大大缩小。

本发明实施例提出的地下管线泄漏监测与定位方法充分考虑泄漏噪声信号处理方法中产生误差的各项因素的来源，利用信号功率谱密度特征判断是否存在泄漏，采用互相关方法进行泄漏点定位，利用信号能量谱密度特征选取最佳频段，应用多点信号补偿方法修正定位结果，可大大提高泄漏定位精度，降低管道泄漏检测的误报率和漏报率，实现管线泄漏精细化监管。

图5为一种地下管线泄漏监测与定位装置实施例，应用在地下管线监测与定位方法中，作为本申请实施例，一种地下管线泄漏监测与定位装置，应用在所述方法，包含：第一区第一振动传感器1、第一区第二振动传感器2、第一区第一采集模块3、第一区第二采集模块4、处理模块5。

所述第一区第一、第二振动传感器，分别用于根据第一区采集指令对地下管线中第一、第二监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第一、第二声波压信号；所述第一区第一、第二采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，所述第一区第一、第二声波压信号；所述处理模块，用于产生所述第一区采集指令，接收所述第一区第一、第二声波压信号，进行泄漏情况判断和泄漏点定位。

一种地下管线泄漏监测与定位装置主要包含信号采集、信号传输、信号处理三个部分，信号采集部分包含振动传感器与采集模块，所述数据采集要求加速度误差在0.0000005g以内，再考虑到数据采集的稳定性、有效性、可用性，提出对振动传感器的指标要求如下表7所示：

表7振动传感器指标要求

需要说明的是，所述时间同步信号的要求是：同步误差小于100微秒，这个误差要求的来源如下：

其中V_n是噪声在管道中传播速度，一般是1200m/s左右；ΔT_d是传感器同步误差，△L是定位结果误差，当传感器同步误差是100微秒时，给最终定位结果产生的大约是6cm左右，属于可接受范围，同时100微秒的时间同步误差是可实现的。时间同步误差的来源由单片机、采集电路、通信模块带来的延迟这几部分组成，应分别测试和控制，最后叠加起来应满足指标要求。

需要说明的是，实现时间同步的方式有两种，本发明实施例采用通过所述处理机向所述第一区第一采集模块、第一区第二采集模块同时发送第一区采集指令的方式实现时间同步。

优选地，所述振动传感器模数转换的精度应达到18bit，由于对所述振动传感器的指标要求中，量程是0.1g，分辨率是0.0000005g，因此数字化以后，有效的数据个数是：0.1/0.0000005＝200000个，二进制模数转换的模块要求是log2200000≈17.6，由此判断，模数转换模块精度应达到18位。

作为本发明实施例，所述处理模块与所述第一区第一采集模块、第一区第二采集模块，通过无线通信的方式进行通信，所述无线通信的数据传输速度要求是不小于180000bits/s，原因为，对泄漏情况监测的设备中包含无线实时听音功能，为了能够实时收听泄漏噪声，通信模块的数据传输速度不能小于同时间内采集的数据量，采集数据量计算方式为：泄漏噪声经模数转换后每一条的数据量是18位二进制，采集频率是10000Hz，因此每秒钟数据量是180000bits，通信模块发射和接收数据的速度应不小于180000bits/s。

作为本发明实施例，采用Lora技术实现短距离无线通信，需要说明的是，所述处理模块与所述第一区第一、第二采集模块可以采用无线通信方式，也可以采用其他通信方式，这里不做特别限定，采用无线通信方式可以采用本发明实施例中的Lora技术，也可以采用其他技术，这里不做特别限定。

需要说明的是，所述处理模块可以是主机或服务器，这里不做特别限定。

本发明实施例适用于离线工作模式，工作人员携带所述装置到现场进行泄漏检测，监测点定位通过所述处理模块进行计算，装置体积小、便于携带、实用性能强。

图6为一种包含泄漏定位修正的地下管线泄漏监测与定位装置实施例，用于对泄漏点定位进行修正，作为本申请实施例，一种地下管线泄漏监测与定位装置，应用在所述方法，包含：第一区第一振动传感器1、第一区第二振动传感器2、第一区第一采集模块3、第一区第二采集模块4、处理模块5、第一区第三振动传感器6、第一区第三采集模块7。

所述第一区第一、第二振动传感器，分别用于根据第一区采集指令对地下管线中第一、第二监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第一、第二声波压信号；所述第一区第一、第二采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，所述第一区第一、第二声波压信号；所述处理模块，用于产生所述第一区采集指令；接收所述第一区第一、第二声波压信号，进行泄漏情况判断和泄漏点定位。

所述第一区第三振动传感器，用于根据第一区采集指令对地下管线中第三监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第三声波压信号；所述第一区第三采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，所述第一区第三声波压信号；所述处理模块，还用于接收所述第一区第三声波压信号，并采用多点补偿法对泄漏点位置进行修正。

作为本发明实施例，所述处理模块与所述第一区第三采集模块采用无线通信方式进行连接，无线通信方式应用Lora技术，需说明的是所述处理模块与所述第一区第三采集模块也可以采用其他方式通信，这里不做特别限定。

在本发明实施例中，增加了振动传感器和采集模块的目的是，引入多点补偿算法，提高泄漏点位置计算的精度。

本发明实施例提供的地下管线监测与定位装置增加了一个附件传感器用于实现多点补偿法修正泄漏点位置，使泄漏点定位更准确。

图7为一种小区域在线模式的地下管线泄漏监测与定位装置实施例，适宜用小区域在线监测地下管线泄漏情况和定位泄漏点，作为本申请实施例，一种地下管线泄漏监测与定位装置，应用在所述方法，包含：第一区第一振动传感器1、第一区第二振动传感器2、第一区第一采集模块3、第一区第二采集模块4、处理模块5、第一区第三振动传感器6、第一区第三采集模块7、第一区数据交换器8。

所述第一区第一、第二振动传感器，分别用于根据第一区采集指令对地下管线中第一、第二监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第一、第二声波压信号；所述第一区第一、第二采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，所述第一区第一、第二声波压信号；所述处理模块，用于产生所述第一区采集指令；接收所述第一区第一、第二声波压信号，进行泄漏情况判断和泄漏点定位。所述第一区第三振动传感器，用于根据第一区采集指令对地下管线中第三监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第三声波压信号；所述第一区第三采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，接所述第一区第三声波压信号；所述处理模块，还用于接收所述第一区第三声波压信号，并采用多点补偿法对泄漏点位置进行修正。

所述第一区数据交换器，用于在所述处理模块与所述第一区第一、第二、第三采集模块之间建立通信。

作为本发明实施例，通过在所述第一区数据交换器中增加GPS校时模块实现采集信号时间同步，这种方式可以实现多台数据交换器之间时间同步，适合大面积监测。

需说明的是，本发明实施例中所述第一区数据交换器与所述处理模块的通信方式为4G网络通信，数据回传采用4G通信方式。由于采集模块在井下，没有4G信号，为了解决这个问题，增加一个中继设备——数据交换器，数据交换器与采集模块之间仍然采用Lora方式通信，数据交换器与处理模块之间采用4G方式通信。

还需说明的是，本发明实施例中振动传感器和采集模块的个数为3个，也可以是多于3个的任意数值，数值的选取与地下管线长度有关，这里不作特别限定。

本发明实施例提供的地下管线监测与定位装置适用于小区域在线监测工作模式，通过数据交换器实现每个小区域的监测情况独立控制和监测情况在线分析。

图8为一种大区域在线模式的地下管线泄漏监测与定位装置实施例，适用于大区域在线工作模式，作为本申请实施例，一种地下管线泄漏监测与定位装置，应用在所述方法，包含：处理模块5、第一区监测装置20、第二区监测装置30。

所述第一区监测装置包含：第一区第一振动传感器1、第一区第二振动传感器2、第一区第一采集模块3、第一区第二采集模块4、第一区第三振动传感器6、第一区第三采集模块7、第一区数据交换器8。

所述第一区监测装置包含：第二区第一振动传感器9、第二区第二振动传感器10、第二区第一采集模块11、第二区第二采集模块12、第二区第三振动传感器13、第二区第三采集模块14、第二区数据交换器15。

所述第一区第一、第二振动传感器，分别用于根据第一区采集指令对地下管线中第一、第二监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第一、第二声波压信号；所述第一区第一、第二采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，所述第一区第一、第二声波压信号；所述处理模块，用于产生所述第一区采集指令；接收所述第一区第一、第二声波压信号，进行泄漏情况判断和泄漏点定位。所述第一区第三振动传感器，用于根据第一区采集指令对地下管线中第三监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第三声波压信号；所述第一区第三采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，所述第一区第三声波压信号；所述处理模块，还用于接收所述第一区第三声波压信号，并采用多点补偿法对泄漏点位置进行修正。所述第一区数据交换器，用于在所述处理模块与所述第一区第一、第二、第三采集模块之间建立通信。

所述第二区第一、第二、第三振动传感器，分别用于根据第二区采集指令对地下管线中第一、第二、第三监测点的声波压信号进行采集，输出第二区第一、第二、第三声波压信号；所述第二区第一、第二、第三采集模块，用于接收并发送所述第二区采集指令，所述第二区第一、第二、第三声波压信号；所述第二区数据交换器，用于在所述处理模块与所述第二区第一、第二、第三采集模块之间建立通信；所述处理模块，还用于产生所述第二区采集指令；接收所述第二区第一、第二、第三声波压信号，进行泄漏情况判断和泄漏点定位。

作为本发明实施例，通过在所述第一区数据交换器、第二区数据交换机中增加GPS校时模块，实现对采集信号指令的时间同步。

需说明的是，所述装置中区域监测装置的个数可以是本发明实施例中的2个，如第一区监测装置、第二区监测装置，也可以是任意多于2个的数值，这里不做特别限定，监测装置个数越多，监测范围越大。

本发明实施例适用于大区域在线监测工作模式，可以对大面积区域的地下管线泄漏情况进行监测和泄漏点精确定位，提出了明确的硬件指标要求和具体的信号采集规则，装置实用性强。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种地下管线泄漏监测与定位方法，其特征在于，包含：

对地下管线中的各监测点采集声波压信号；

采用功率谱密度比较法，计算各监测点的功率谱密度比值为所述声波压的功率谱密度的最大值与平均值之比，并进行泄漏判断，得到各监测点的泄漏情况为：确定泄漏、疑似泄漏、未泄漏；

将所述确定泄漏、疑似泄漏的监测点合并为泄漏计算点，任选两个位置相邻的监测点作为第一、第二泄漏计算点；

根据所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号，采用互相关方法计算时间差，得到泄漏点位置；

从所述监测点中任选一个与所述第一泄漏计算点或第二泄漏计算点位置相邻的监测点作为辅助定位点，采用多点补偿法对所述第一、第二泄漏计算点的信号进行差分，得到第一、第二泄漏计算点的差分信号，分别为：

x₀(t)＝x(t)-z(t-t_x)

y₀(t)＝y(t)-z(t-t_y)

t_x＝(a+b)/v

t_y＝b/v

其中，x(t)、y(t)、z(t)分别为所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点、辅助定位点的声波压信号，x₀(t)、y₀(t)分别为所述第一、第二泄漏计算点的差分信号，a为所述第二泄漏计算点与所述第一泄漏计算点之间的距离，b为所述辅助定位点与所述第二泄漏计算点之间的距离，v为声音在地下管线中的传播速度，t_x为声音在所述第一泄漏计算点与所述辅助定位点之间的传播时间，t_y为声音在所述第二泄漏计算点与所述辅助定位点之间的传播时间；

采用互相关方法对所述第一、第二泄漏计算点的差分信号计算时间差，得到泄漏点位置修正值。

2.如权利要求1所述的地下管线泄漏监测与定位方法，其特征在于，在所述根据所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号，采用互相关方法计算时间差，得到泄漏点位置的步骤之前，所述方法还包含：

采用能量谱密度分析法确定所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的滤波频率范围，并对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号进行频域滤波。

3.如权利要求1所述的地下管线泄漏监测与定位方法，其特征在于，所述采用功率谱密度比较法，计算各监测点的功率谱密度比值为所述声波压的功率谱密度的最大值与平均值之比，并进行泄漏判断，得到各监测点的泄漏情况为：确定泄漏、疑似泄漏、未泄漏的步骤进一步包含：

对所述各监测点的声波压信号进行傅里叶变换，得到各监测点的功率谱密度为：

其中，F(ω)为所述功率谱密度，P(t)为所述声波压信号的功率，S(t)为所述声波压信号；

根据所述各监测点的功率谱密度，得到各监测点的功率谱密度比值为：

其中，Q为所述功率谱密度比值，F(ω)为所述功率谱密度，MAX(F(ω))为所述功率谱密度的最大值，AVG(F(ω))为所述功率谱密度的平均值；

根据所述功率谱密度比值，对各监测点进行泄漏判断，当所述功率谱密度比值大于10时，判断监测点泄漏情况为确定泄漏；当所述功率谱密度比值不大于10且大于等于5时，判断监测点泄漏情况为疑似泄漏；当所述功率谱密度比值小于5时，判断监测点泄漏情况为未泄漏。

4.如权利要求2所述的地下管线泄漏监测与定位方法，其特征在于，所述采用能量谱密度分析法确定所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的滤波频率范围，并对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号进行频域滤波的步骤，进一步包含：

对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号计算信号能量为：

其中，E_x、E_y分别为所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的能量，S_x(t)、S_y(t)分别为所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号；

根据Parseval定理分别计算所述第一、第二泄漏计算点的能量谱密度为：

其中，S_x(f)、S_y(f)分别为所述第一、第二泄漏计算点的能量谱密度；

分别求得所述第一、第二泄漏计算点的能量谱密度为最大值时的第一频率最大值、第二频率最大值；

确定所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的低频滤波范围为：20Hz到所述第一频率最大值与第二频率最大值中的最小值，高频滤波范围为：所述第一频率最大值与第二频率最大值中的最大值到3000Hz；

对所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号进行滤波。

5.如权利要求1所述的地下管线泄漏监测与定位方法，其特征在于，所述根据第一、第二泄漏计算点的声波压信号，采用互相关方法计算时间差，得到泄漏点位置的步骤，进一步包含：

根据所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号，计算互相关函数为：

其中，R_xy(τ)、R_yx(-τ)为所述第一、第二泄漏计算点的互相关函数的两种表示方式，τ为时间变量，T为所述第一、第二泄漏计算点的声波压信号的采集时间，x(t)、y(t)分别为所述第一泄漏计算点、第二泄漏计算点的声波压信号；

根据所述互相关函数，计算信噪比为：

其中，SNR为信噪比，R_xy(τ)为所述互相关函数，MAX(R_xy(τ))为所述互相关函数的最大值，AVG(R_xy(τ))为所述互相关函数的平均值；

选取所述信噪比最大时的时间变量作为所述第一、第二泄漏计算点的传感器时间差；

根据所述传感器时间差计算得到泄漏点位置为：

6.一种地下管线泄漏监测与定位装置，应用在权利要求1～5任一项所述方法，其特征在于，包含：第一区第一振动传感器、第一区第二振动传感器、第一区第一采集模块、第一区第二采集模块、处理模块；

所述第一区第一、第二振动传感器，分别用于根据第一区采集指令对地下管线中第一、第二监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第一、第二声波压信号；

所述第一区第一、第二采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，所述第一区第一、第二声波压信号；

所述处理模块，用于

产生所述第一区采集指令；

接收所述第一区第一、第二声波压信号，进行泄漏情况判断和泄漏点定位。

7.如权利要求6所述的地下管线泄漏监测与定位装置，其特征在于，所述装置还包含：第一区第三振动传感器、第一区第三采集模块；

所述第一区第三振动传感器，用于根据第一区采集指令对地下管线中第三监测点的声波压信号进行采集，输出第一区第三声波压信号；

所述第一区第三采集模块，用于接收并发送所述第一区采集指令，所述第一区第三声波压信号；

所述处理模块，还用于接收所述第一区第三声波压信号，并采用多点补偿法对泄漏点位置进行修正。

8.如权利要求7所述的地下管线泄漏监测与定位装置，其特征在于，所述装置还包含：第一区数据交换器；

9.如权利要求8所述的地下管线泄漏监测与定位装置，其特征在于，所述装置还包含：第二区第一振动传感器、第二区第二振动传感器、第二区第三振动传感器、第二区第一采集模块、第二区第二采集模块、第二区第三采集模块、第二区数据交换器；

所述第二区第一、第二、第三振动传感器，分别用于根据第二区采集指令对地下管线中第一、第二、第三监测点的声波压信号进行采集，输出第二区第一、第二、第三声波压信号；

所述第二区第一、第二、第三采集模块，用于接收并发送所述第二区采集指令，所述第二区第一、第二、第三声波压信号；

所述第二区数据交换器，用于在所述处理模块与所述第二区第一、第二、第三采集模块之间建立通信；

所述处理模块，还用于

产生所述第二区采集指令；

接收所述第二区第一、第二、第三声波压信号，进行泄漏情况判断和泄漏点定位。