CN110085003A - 一种埋地燃气管道监控预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气管道监控预警领域，涉及一种埋地燃气管道监控预警方法。所述预警方法，步骤如下：第一步：根据应力、PH值、甲烷浓度、管道使用时间和气管道泄露事故的历史数据，得出关于应力、PH值、甲烷浓度、管道使用时间与燃气管道泄露事故关系的回归系数。第二步：根据预测值改变传感器节点的唤醒频率。第三步：进行预警操作。第四步：对于已经发生燃气管道泄露事故的情况，估算出泄露点位置。本发明不仅可监控管网当前运行参数，还能对有泄露危险的管道给出提前预警，并根据泄露的危险程度调整无线传感网节点的唤醒频率；对于已发生泄漏的管道可给出估算的泄露点位置信息。

Description

一种埋地燃气管道监控预警方法

技术领域

本发明属于燃气管道监控预警领域，涉及一种埋地燃气管道监控预警方法。

背景技术

燃气和我们在日常生活中的联系正在日趋密切。燃气是无色透明气体，与水泄漏、油泄漏不同，燃气管道泄漏不能直观明显的被发现，特别是发生微量渗漏，更是不容易发现。燃气管道通气运行过程中，发生泄漏的原因往往是因为管道的腐蚀、接口及密封材料的老化、管道热胀冷缩，安装质量存在问题、机械振动等,这些原因将造成燃气管道断裂或穿孔。当发生泄漏时，燃气会顺着一定的通道传播，当泄漏的燃气聚集在地面或者建筑物内，浓度到达爆炸极限，很可能发生爆炸、火灾以及一系列的次生灾害，从而造成严重的人身伤亡和财产损失

户外埋地管道属于隐蔽工程，有着24小时不间断运行等特点，日常巡检只能保障“表面”安全，而内部情况掌握甚少，造成信息掌握不足，管理困难。本发明在埋地管线上方布设无线传感器网络，监控管网当前运行参数，并根据历史数据，对有泄露危险的管道给出提前预警。对于已发生泄漏的管道给出估算的泄露点位置信息。

目前埋地燃气管道监控方法，仅仅能监控一些管网当前运行参数，无法对有泄露危险的管道给出提前预警。也未看到对泄漏的管道给出估算的泄露点位置信息的技术方案。

发明内容

本发明在埋地燃气管道上方布设无线传感器网络，监控管网当前运行参数，并根据历史数据，对有泄露危险的管道给出提前预警。对于已发生泄漏的管道给出估算的泄露点位置信息。解决了目前燃气管道泄漏不易监测、无法提前预警、泄露点定位难的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种埋地燃气管道监控预警系统，包括Zigbee网关、燃气管道、Internet和云服务器。n个Zigbee节点(即传感器)设置在燃气管道上，完成对应力、PH值、甲烷浓度等指标的监测，将检测到的数据上传到zigbee网关，在Zigbee网关的硬件平台上移植linux操作系统。Zigbee网关通过Internet与云服务器相连，将检测到的数据上传到云服务器处理，并将云服务器对数据的处理结果传送给Zigbee网关。

一种埋地燃气管道监控预警方法，步骤如下：

由一种埋地燃气管道监控预警系统，得到应力、PH值、甲烷浓度数据信息。燃气管道使用时间根据管道铺设时间的记录得到。

第一步：根据应力、PH值、甲烷浓度、管道使用时间和气管道泄露事故的历史数据，得出关于应力、PH值、甲烷浓度、管道使用时间与燃气管道泄露事故关系的回归系数。

1.1建立燃气管道参数向量：

x＝(x⁽¹⁾，x⁽²⁾，x⁽³⁾，x⁽⁴⁾，1)

其中，x⁽¹⁾为应力，x⁽²⁾为PH值，x⁽³⁾为甲烷浓度，x⁽⁴⁾为管道使用时间；

1.2建立系数向量w＝(w⁽¹⁾，w⁽²⁾，w⁽³⁾，w⁽⁴⁾，b)，其中，w⁽¹⁾为应力系数；w⁽²⁾为PH值系数；w⁽³⁾为甲烷浓度系数；w⁽⁴⁾为管道使用时间系数；b为偏置；

1.3设函数为：

1.4求取损失函数，损失函数为：

其中，m为数据集样本数；y为类别标签，表示“有事故”和“无事故”两种状态，并且y＝1时，代表“有事故”，y＝0时，表示“无事故”；

1.5利用梯度下降法对所述损失函数J(w)进行迭代，求解使J(w)最小化的w最佳值，迭代函数为：

设定w初值为：(1，1，1，1.5，2)

迭代中系数的以上预设初值有利于提高得到全局最优解的机会。

其中，α表示步长，并且α＝0.02；重复迭代计算次数R＝750；

该步长保持了适中的迭代速度；既不会出现迭代过快而可能错过最优解。也不会出现迭代速度太慢而造成迭代不能结束。

第二步：根据预测值改变传感器节点的唤醒频率：

无线传感网的传感器节点，即Zigbee节点，为了降低功耗，采用定时唤醒的工作方式。

设P_a为设定的安全概率阈值，如P_a＝0.001(出现事故的概率为0.001，用户可自主设定)；n₀为初始状态所设定的每天唤醒次数，如n₀＝3；

则安全常数Z₀：

则根据当前运行参数，调整每天唤醒次数为：

n＝n₀，当W^TX≤Z₀；

当W^TX＞Z₀；

其中：W^T为W的转置；

该调整唤醒频率方法根据危险程度调整唤醒频率，保证在危险程度高时可以更多地采集观测数据。

第三步：当满足W^TX＞KZ₀时，进行预警操作。

进一步的，K选取范围为0.15-0.25，或选K＝0.2；以上取值范围很好地在避免虚报和避免漏报之间进行了折衷。

第四步：对于已经发生燃气管道泄露事故的情况，通过下式估算出泄露点位置：

其中：X_e,Y_e为估计的泄露点坐标；X_i,Y_i为第i个甲烷浓度节点传感器坐标；C_i为第i个甲烷浓度节点所测得的甲烷浓度。

该泄露点位置估算方法考虑了甲烷浓度因素，具有较高准确性。

本发明的有益效果：

本发明不仅可监控管网当前运行参数，还能对有泄露危险的管道给出提前预警，并根据泄露的危险程度调整无线传感网节点的唤醒频率；对于已发生泄漏的管道可给出估算的泄露点位置信息。

附图说明

图1为埋地燃气管道监控预警系统平台的结构。

图中：1为Zigbee网关；2为燃气管道；3为Internet；4为云服务器。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种埋地燃气管道监控预警系统，包括Zigbee网关1、燃气管道2、Internet3和云服务器4。n个Zigbee节点(即传感器)设置在燃气管道2上，完成对应力、PH值、甲烷浓度等指标的监测，将检测到的数据上传到zigbee网关1，在Zigbee网关1的硬件平台上移植linux操作系统。Zigbee网关1通过Internet3与云服务器4相连，将检测到的数据上传到云服务器4处理，并将云服务器4对数据的处理结果传送给Zigbee网关1。

一种埋地燃气管道监控预警方法，步骤如下：

由一种埋地燃气管道监控预警系统，得到应力、PH值、甲烷浓度数据信息。燃气管道2使用时间根据管道铺设时间的记录得到。

第一步：根据应力、PH值、甲烷浓度、管道使用时间和气管道泄露事故的历史数据，得出关于应力、PH值、甲烷浓度、管道使用时间与燃气管道泄露事故关系的回归系数。

1.1建立燃气管道参数向量

x＝(x⁽¹⁾，x⁽²⁾，x⁽³⁾，x⁽⁴⁾，1)

其中，x⁽¹⁾为应力，x⁽²⁾为PH值，x⁽³⁾为甲烷浓度，x⁽⁴⁾为管道使用时间；

1.2建立系数向量w＝(w⁽¹⁾，w⁽²⁾，w⁽³⁾，w⁽⁴⁾，b)，其中，w⁽¹⁾为应力系数；w⁽²⁾为PH值系数；w⁽³⁾为甲烷浓度系数；w⁽⁴⁾为管道使用时间系数；b为偏置；

1.3设函数为：

1.4求取损失函数，损失函数为：

其中，m为数据集样本数；y为类别标签，表示“有事故”和“无事故”两种状态，并且y＝1时，代表“有事故”，y＝0时，表示“无事故”；

1.5利用梯度下降法对所述代价函数J(w)进行迭代，求解使J(w)最小化的w最佳值，迭代函数为：

设定w初值为：(1，1，1，1.5，2)

迭代中系数的以上预设初值有利于提高得到全局最优解的机会。

其中，α表示步长，并且α＝0.02；重复迭代计算次数R＝750；

该步长保持了适中的迭代速度；既不会出现迭代过快而可能错过最优解。也不会出现迭代速度太慢而造成迭代不能结束。

第二步：根据预测值改变传感器节点的唤醒频率。

无线传感网的传感器节点，即Zigbee节点，为了降低功耗，采用定时唤醒的工作方式。

设P_a为设定的安全概率阈值，如P_a＝0.001(出现事故的概率为0.001，用户可自主设定)；n₀为初始状态所设定的每天唤醒次数，本发明选择n₀＝3；

安全常数Z₀：

则根据当前运行参数，调整每天唤醒次数为：

n＝n₀，当W^TX≤Z₀；

当W^TX＞Z₀；

该调整唤醒频率方法根据危险程度调整唤醒频率，保证在危险程度高时可以更多地采集观测数据。

第三步：当满足W^TX＞KZ₀时，进行预警操作。

进一步的，K选取范围为0.15-0.25，或选K＝0.2；以上取值范围很好地在避免虚报和避免漏报之间进行了折衷。

第四步：对于已经发生燃气管道泄露事故的情况，通过下式估算出泄露点位置：

其中：X_e,Y_e为估计的泄露点坐标；X_i,Y_i为第i个甲烷浓度节点传感器坐标；C_i为第i个甲烷浓度节点所测得的甲烷浓度。

Claims (4)

1.一种埋地燃气管道监控预警方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：根据应力、PH值、甲烷浓度、管道使用时间和气管道泄露事故的历史数据，得出关于应力、PH值、甲烷浓度、管道使用时间与燃气管道泄露事故关系的回归系数；

1.1建立燃气管道参数向量：

x＝(x⁽¹⁾，x⁽²⁾，x⁽³⁾，x⁽⁴⁾，1)

其中，x⁽¹⁾为应力，x⁽²⁾为PH值，x⁽³⁾为甲烷浓度，x⁽⁴⁾为管道使用时间；

1.2建立系数向量w＝(w⁽¹⁾，w⁽²⁾，w⁽³⁾，w⁽⁴⁾，b)，其中，w⁽¹⁾为应力系数；w⁽²⁾为PH值系数；w⁽³⁾为甲烷浓度系数；w⁽⁴⁾为管道使用时间系数；b为偏置；

1.3设函数为：

1.4求取损失函数，损失函数为：

其中，m为数据集样本数；y为类别标签，表示“有事故”和“无事故”两种状态，并且y＝1时，代表“有事故”，y＝0时，表示“无事故”；i表示第i个；

1.5利用梯度下降法对所述损失函数J(w)进行迭代，求解使J(w)最小化的w最佳值，迭代函数为：

其中，α表示步长；

第二步：根据预测值改变传感器节点的唤醒频率：

设P_a为设定的安全概率阈值，n₀为初始状态所设定的每天唤醒次数；

则安全常数Z₀：

则根据当前运行参数，调整每天唤醒次数n为：

n＝n₀，当W^TX≤Z₀；

当W^TX＞Z₀；

其中：W^T为W的转置；

第三步：当满足W^TX＞KZ₀时，进行预警操作；

第四步：对于已经发生燃气管道泄露事故的情况，通过下式估算出泄露点位置：

其中：X_e,Y_e为估计的泄露点坐标；X_i,Y_i为第i个甲烷浓度节点传感器坐标；C_i为第i个甲烷浓度节点所测得的甲烷浓度。

2.如权利要求1所述的一种埋地燃气管道监控预警方法，其特征在于，第一步中，设定w初值为：1，1，1，1.5，2；α＝0.02。

3.如权利要求1或2所述的一种埋地燃气管道监控预警方法，其特征在于，第三步中，K选取范围为0.15～0.25。

4.根据权利要求1或2或3所述的任意一项埋地燃气管道监控预警方法采用的埋地燃气管道监控预警系统，其特征在于，包括Zigbee网关(1)、燃气管道(2)、Internet(3)和云服务器(4)；n个传感器设置在燃气管道(2)上，完成对应力、PH值、甲烷浓度指标的监测，将检测到的数据上传到zigbee网关(1)，Zigbee网关(1)通过Internet(3)与云服务器(4)相连，将检测到的数据上传到云服务器(4)处理，并将云服务器(4)对数据的处理结果传送给Zigbee网关(1)。