CN110375207B - 一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统 - Google Patents

一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，包括多场源信息采集系统、数据处理与分析系统、监测预警系统，其中多场源信息采集系统包括浓度场采集子系统、温度场采集子系统、地电场采集子系统，浓度场采集子系统采集浓度场数据，温度场采集子系统采集温度场数据，地电场采集子系统采集地电场数据；数据处理与分析系统接收浓度场数据、温度场数据、地电场数据并计算得到各个数据的变化量，数据处理与分析系统中将变化量分别与对应的变化量阈值进行比较，判断是否产生预警信号，数据处理与分析系统产生的预警信号传输到监测预警系统，使监测预警系统报警。本发明通过构建燃气泄漏采集系统，获取相应的技术参数，预防燃气管道泄漏。

Description

一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统
技术领域
本发明涉及燃气泄露检测系统领域，具体是一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统。
背景技术
目前，随着煤炭去产能战略的提出，油气资源在我国国民经济发展中占据比重越来越大。然而油气资源分布的不均匀性导致其利用率较低，往往需要长距离、大范围的运输。管道由于自身的诸多优势已成为油气运输的主要手段。现有的燃气管道一般分为地面架空和地下埋设两种类型。但是由于种种原因，管道泄漏不可避免。其中地面架空管道的泄漏主要是由于管体自身零部件缺陷等导致，其次还有日照、雨水等原因；地下埋设管道泄漏主要是由于外部因素引起，如滑坡、沉降及暗河冲刷等。
对于管道泄漏检测国内外相关学者进行了大量研究，主要包括直接检测和间接检测两种。直接检漏法主要利用泄漏物敏感材料制成传感单元布置于管道周边进行检测，当管道发生泄漏时，传感单元与泄漏物相互作用并以压电信号输出，提醒工作人员泄漏事件的发生。该方法精确度很高，但是成本较高、检测连续性有待提高等缺点导致其难以推广；其次还有人工目测巡检法(成本低，效率低)等。间接检漏法是通过监测管道的运行参数，如浓度、压力、流量、温度等反演预估泄漏事件发生的可能性。包括：质量平衡法(成本高，无法准确定位)、负压波检漏法(简单易操作，无法满足小尺度泄漏)、压力梯度法(定位较差)、压力点分析法(定位较差)、统计检漏法(成本低，定位较差)、应力波法(定位较差)等。
上述方法受自身条件限制，普遍存在定位难等问题，已无法满足目前智慧管网中燃气管道安全运营管理的需要。综上，现如今缺少一种结构简单、设计合理且使用操作简便、效果好的燃气管道巡检系统，能有效解决现有燃气管道巡检系统存在的泄漏点难以定位、监控片面化、应急救援缓慢、关键信息获取难度高等问题。基于此，本发明主要针对地下埋深管道提出一种深埋燃气管道泄漏人工智能巡检系统及检测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，该系统结构简单、设计合理且使用操作简便，能有效解决现有地下埋深燃气管道巡检系统存在的泄漏点难以定位、监控片面化、应急救援缓慢、关键信息获取难度高等问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：包括多场源信息采集系统、数据处理与分析系统、监测预警系统，其中：
多场源信息采集系统包括浓度场采集子系统、温度场采集子系统、地电场采集子系统，所述浓度场采集子系统采集燃气管道区域的浓度场信号并得到浓度场数据，温度场采集子系统采集燃气管道区域的温度场信号并得到温度场数据，地电场采集子系统采集燃气管道区域的地电场信号并得到地电场数据；
所述数据处理与分析系统通过无线通讯网络与多场源信息采集系统中的各个子系统无线通讯连接，由各个子系统分别将浓度场数据、温度场数据、地电场数据传输到数据处理与分析系统；所述数据处理与分析系统中根据浓度场数据、温度场数据、地电场数据，对应得到浓度场数据的变化量、温度场数据的变化量、地电场数据的变化量，数据处理与分析系统中预设有浓度场数据变化量阈值、温度场数据变化量阈值、地电场数据变化量阈值，由数据处理与分析系统将浓度场数据的变化量、温度场数据的变化量、地电场数据的变化量分别与对应的变化量阈值进行比较，当至少有两个变化量超出各自对应的阈值时，数据处理与分析系统产生预警信号；
监测预警系统与数据处理与分析系统连接，数据处理与分析系统产生的预警信号传输到监测预警系统，使监测预警系统报警。
所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：所述的浓度场采集子系统采用激光甲烷检测仪，激光甲烷检测仪与数据处理与分析系统无线通讯连接，激光甲烷检测仪向燃气管道区域发射激光，燃气管道区域的甲烷气体吸收激光使激光信号变化，变化的激光信号返回至激光甲烷检测仪，由激光甲烷检测仪基于激光变化量计算得到燃气管道区域甲烷气体的浓度场数据，并由激光甲烷检测仪将浓度场数据传输到数据处理与分析系统；
数据处理与分析系统根据浓度场数据，计算得到连续时间上相邻时刻浓度场数据变化量。
所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：所述的温度场采集子系统采用分布式光纤测温系统，分布式光纤测温系统中的主机与数据处理与分析系统无线通讯连接，分布式光纤测温系统中分布式测温光纤缠绕于导杆上，并通过导杆传输到燃气管道区域，分布式测温光纤在燃气管道区域温度影响下，分布式测温光纤内部光信号发生变化，变化的光信号通过背向散射进入分布式光纤测温系统的主机，由主机根据变化的光信号计算得到燃气管道区域的温度场数据，并由主机将浓度场数据传输到数据处理与分析系统；
数据处理与分析系统根据温度场数据，计算得到连续时间上相邻时刻温度场数据变化量。
所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：所述的分布式光纤测温系统中的主机预设有温度场数据背景值，所述温度场数据背景值由分布式光纤测温系统现场采集燃气管道区域环境温度得到，分布式光纤测温系统中的主机从测量燃气管道区域时得到的温度场数据中去除光信号背景值，以得到有效的温度场数据。
所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：所述的地电场采集子系统采用电阻率测试系统，该电阻率测试系统包括集成有程控电极转换器的数字式电阻率仪、通讯电缆、多道电极传感单元构成，其中数字式电阻率仪与数据处理与分析系统无线通讯连接，数字式电阻率仪与电极传感单元通过通讯电缆连接，由数字式电阻率仪向电极传感单元通电，电极传感单元与燃气管道区域接触得到电信号，电信号经过通讯电缆传输到数字式电阻率仪，由数字式电阻率仪得到燃气管道区域的视电阻率，并最终由数字式电阻率仪根据视电阻率反演得到燃气管道区域真实电阻率，数字式电阻率仪将真实电阻率作为地电场数据传输到数据处理与分析系统；
数据处理与分析系统根据地电场数据，计算得到连续时间上相邻时刻地电场数据变化量。
数字式电阻率仪集成的程控电极转换器的目的是切换电极供电方式，即测试系统内有多道电极，其中1-2个电极为供电电极，其余为测量电极，系统要求每个电极的供电/测量属性可随意切换，通过程控电极转换器可实施内部切换。
所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：所述的电极传感单元呈环向等间距分布，环向半径根据燃气管道区域范围设定。
所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：所述的数据处理与分析系统为远程上位计算机，远程上位计算机中有数据库、计算模块、比较模块和报警信号产生模块，其中数据库中存储浓度场数据、温度场数据、地电场数据、各个变化量阈值，计算模块计算连续时间上各相邻时刻浓度场数据变化量、温度场数据变化量、地电场数据变化量，比较模块将浓度场数据变化量、温度场数据变化量、地电场数据变化量分别与对应的变化量阈值进行比较并得到比较结果，报警信号产生模块根据比较结果判断是否产生报警信号。
所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：所述的监测预警系统包括显示器和声光报警模块，显示器和声光报警模块分别与远程上位计算机电连接。
所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：还包括GPS定位导航系统，GPS定位导航系统与数据处理与分析系统无线通讯连接，由GPS定位导航系统采集燃气管道区域的GPS定位数据并传输到数据处理与分析系统。
所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：所述多场源信息采集系统、GPS定位导航系统与数据处理与分析系统之间通过4G网络组建无线局域网，实现无线通讯连接。
与现有技术相比，本发明优点为：
1、本发明采用三种物理场即浓度场、温度场和地电场对深埋燃气管道泄露源进行综合测试，较以往单一浓度场等测试方法相比更加准确，可大大提高异常泄漏区的检测精度。
2、本发明采用4G网络和无线局域网相结合的方式，使得信息传输更加快速便捷，有效提高了应急指挥速度，大大缩短抢险时间。
3、本发明系统内部自带GPS定位导航，可对巡检人员工作路径进行实时追踪，以便达到发现泄露源的同时即可瞬间对其精准定位的效果。
4、本发明系统中浓度场测试改变以往接触式检测手段，引进先进激光测试技术，其适用环境更加宽广，检测工作效率显著提高；温度场测试传感单元采用分布式温度传感光纤，其兼具传感传输功能且较适用于恶劣环境，存活性较常规传感器大大提高；地电场测试系统改变以往直线式排列系统，更改为环形可变径测试系统，使用更加方便、快捷。
附图说明
图1是本发明系统原理图。
图2是本发明浓度场采集子系统原理图。
图3是本发明温度场采集子系统原理图。
图4是本发明地电场采集子系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，包括包括多场源信息采集系统、数据处理与分析系统、监测预警系统，其中多场源信息采集系统包括3个采集子系统，分别为浓度场采集子系统、温度场采集子系统及地电场采集子系统。
如图2所示，浓度场采集子系统主要基于激光甲烷测试仪进行测试，其特点是只对甲烷气体敏感，主要利用可调谐二极管激光吸收光谱技术，包括1-电源系统：1-1充电单元、1-2供电单元；2-探测系统：2-1激光光源模块、2-2电子模块(即用于驱动光源工作的光源驱动模块)、2-3激光发射系统、2-4激光接收系统；3-信号处理系统：3-1信号分离模块，3-2信号处理模块；其中充电单元1-1接入外部电网并向供电单元1-2供电，供电单元1-2向电子模块2-2供电，由电子模块2-2驱动光源模块2-1出射激光，出射的激光经激光发射系统2-3出射至燃气管道区域，由燃气管道区域返回的激光经激光接收系统2-4接收，激光接收系统2-4产生的信号传输到信号处理系统3，信号处理模块3中由信号分离模块3-1分离噪声后，最终由信号处理模块3-2处理得到浓度场数据。
如图3所示，温度场采集子系统利用分布式光纤测温系统完成采集，主要由4-分布式光纤温度测试仪、5-分布式测温光纤、6-自动升降导杆等部分组成。分布式光纤温度仪负责激发光源信号，通过调制解调设备进入分布式测温光纤5，分布式测温光纤5呈螺旋状缠绕至自动升降导杆6外部，由自动升降导杆6将分布式测温光纤5传输到作为探测靶区的燃气管道区域，分布式测温光纤5感知靶区温度后将影响其内部光源信号产生变化，从而变化后的光信号通过背向散射进入分布式光纤温度测试仪4的主机，最后主机计算即可获得探测靶区温度场数据。
如图4所示，地电场采集子系统采用基于高密度电法仪构建的电阻率测试系统，主要由7-多通道采集主机、8-通讯电缆和9-多道采集传感单元组成。其中多通道采集主机一般为8通道，由集成程控电极转换器7-1的数字式电阻率仪7-2组成；采集传感单元9由64道电极传感单元组成，64道电极传感单元呈等间距环状排列，环形半径依据勘探靶区范围界定，收放半径范围为0.5～3m。数字式电阻率仪7-2向电极传感单元供电，电极传感单元采集的电信号经过通讯电缆8传输到数字式电阻率仪7-2，由数字式电阻率仪7-2得到电阻率数据作为地电场数据。
数字式电阻率仪7-1集成的程控电极转换器7-2的目的是切换电极供电方式，即测试系统内有多道电极，其中1-2个电极传感单元为供电电极，其余为测量用电极，系统要求每个电极的供电/测量属性可随意切换，通过程控电极转换器7-2可实施内部切换。
本系统利用激光甲烷测试仪、分布式光纤温度测试仪及高密度电法仪为测试主机分别对浓度场、温度场及地电场进行测试。
对于浓度场测试：激光甲烷测试仪发射出的激光通过天然气泄漏甲烷目标体时，激光会吸收甲烷气体，吸收后的激光经过物体反射后会返回到测试仪，通过仪器内部元器件处理计算出靶区内甲烷浓度。
对于温度场测试：所采用的分布式测温光纤兼具传感和传输两种性能，因此自身即是传感器又是信号传输器，根据检测需要设置分布式光纤温度测试仪采集参数，以至于达到测试效果，后期为了做温度动态分析对比图需要测试一组初始背景值作为参考。由于一年四季早中晚的温度变化差异较大，因此为了保证采集温度数据的有效性，需要采集多组温度场背景值作为参考，分别包括：春夏秋冬中的每天早中晚均需要采集一组背景值。
对于地电场数据采集：改变常规电阻率测试系统，将常规的直线式排列电极测试系统改装为环状式排列电极，可根据实际需要调整观测系统半径。待观测系统布置于靶区上方后，根据实际需要设置采集参数(供电电压、供电方式、供电时间、采样频率等)，然后进行通电检测，从而获得不同范围内的电阻率值。
同时此系统内部嵌入有GPS定位导航系统，可实时跟踪检测人员的巡检踪迹，精准定位检测点。
本发明中，浓度场测试仪器为激光甲烷测试仪，其可直接获得所测区域燃气浓度值。当发射激光通过待测气体后，吸收后的激光经过物体反射会重新进入测试仪，最后通过内部元器件处理即可计算出靶区燃气浓度值，记为P测。
本发明中，温度场测试仪器所采集数据为布里渊频移，而布里渊频移与温度成正相关，根据公式1可求得温度值
vB(T)＝CT·(T-T0) (1)
其中vB代表布里渊频谱；CT为布里渊频移和温度的比值即温度系数；T为测量温度，T0为初始温度值即背景值。
一般需要先对分布式测温光纤进行温度标定，求取CT。其方法为将一段光纤浸入恒温水浴锅中，设置初始温度为10℃，每隔10℃将温度升至100℃为止，得到对应温度下的布里渊频移值，每次测试保持20分钟，各测量3次，取平均值作为最终值。最终得到温度标定曲线图，对其进行线性拟合后可得CT。
解编数据利用仪器配套的分析软件将(.sat)格式的源文件转换为(.xls)格式，并剔除异常数据，再利用1式结合CT求得温度值T，最后利用Origin对温度数据进行相关处理，绘制出温度曲线趋势图。
根据上述公式(1)可确定光纤沿线各点的温度变化量，当深埋管道上部某区域某点发生温度异常时，通过分布式测温光纤即可获得温度异常区。
本发明中，地电场测试仪器可直接获得靶区电流值，经过以下步骤可计算求得所需参数。其过程包括：(1)将仪器采集到的原始数据导入WBD解编软件，输入电极坐标，进行相关视电阻率的计算，并剔除采集全区段内的视电阻率异常值，最后导出相应装置的视电阻率数据；(2)使用Surfer成图软件打开(.dat)格式视电阻率数据，进行网格化数据、选择自然邻点法进行网格化划分、网格划分大小及过滤异常数据等基本处理流程，根据实际需要选择滤波器对数据进行滤波以及进行白化，通过上述操作处理最终即得到相应装置的视电阻率数据图。
现场采集了靶区内各点的视电阻率值，为了得到能够反映测试区域内真实电阻率分布情况的图像，进行基于测量数据的反演过程，该反演通过AGI软件进行处理操作。数据基本处理过程主要包括三大功能模块：预处理模块、数据反演处理模块、数据结果成图处理模块。最终获得靶区范围内真实电阻率值ρ测。
本发明的数据处理与分析系统对深埋燃气管道区域多场数据异常变化评价：结合探测靶区内燃气浓度场、温度场、地电场多场数据变化特征，对燃气管道上部天然气含量进行分析判断。三类设备单元采集的数据经过4G网络传输导入数据处理与分析系统，数据处理与分析系统根据气体浓度、温度及电阻率等相关信息，并根据以往的经验设置的阈值，对于多场测定值较背景值有较大变化超过阈值时视为异常区并向监测预警系统发送预警信号，并可根据异常值差异大小定量评价燃气管道泄漏的可能性大小。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (2)

1.一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其特征在于：包括多场源信息采集系统、数据处理与分析系统、监测预警系统，其中：多场源信息采集系统包括浓度场采集子系统、温度场采集子系统、地电场采集子系统， 所述浓度场采集子系统采集燃气管道区域的浓度场信号并得到浓度场数据，温度场采集子 系统采集燃气管道区域的温度场信号并得到温度场数据，地电场采集子系统采集燃气管道 区域的地电场信号并得到地电场数据；所述数据处理与分析系统通过无线通讯网络与多场源信息采集系统中的各个子系统 无线通讯连接，由各个子系统分别将浓度场数据、温度场数据、地电场数据传输到数据处理 与分析系统；所述数据处理与分析系统中根据浓度场数据、温度场数据、地电场数据，对应 得到浓度场数据的变化量、温度场数据的变化量、地电场数据的变化量，数据处理与分析系 统中预设有浓度场数据变化量阈值、温度场数据变化量阈值、地电场数据变化量阈值，由数据处理与分析系统将浓度场数据的变化量、温度场数据的变化量、地电场数据的变化量分别与对应的变化量阈值进行比较，当至少有两个变化量超出各自对应的阈值时，数据处理与分析系统产生预警信号；监测预警系统与数据处理与分析系统连接，数据处理与分析系统产生的预警信号传输 到监测预警系统，使监测预警系统报警；
所述的浓度场采集子系统采用激光甲烷检测仪，激光甲烷检测仪与数据处理与分析系统无线通讯连接，激光甲烷检测仪向燃气管道区域发射激光，燃气管道区域的甲烷气体吸收激光使 激光信号变化，变化的激光信号返回至激光甲烷检测仪，由激光甲烷检测仪基于激光变化 量计算得到燃气管道区域甲烷气体的浓度场数据，并由激光甲烷检测仪将浓度场数据传输 到数据处理与分析系统；数据处理与分析系统根据浓度场数据，计算得到连续时间上相邻时刻浓度场数据变化量；
所述的温度场采集子系统采用分布式光纤测温系统，分布式光纤测温系统中的主机与数据处理与分析系统无线通讯连接，分布式光纤测温系统中分布式测温光纤缠绕于导杆上，并通过导杆传输到燃气管道区域，分布式测温光纤在燃气管道区域温度影响下，分布式测温光纤内部光信号发生变化，变化的光信号通过背向散射进入分布式光纤测温系统的主机，由主机根据变化的光信号计算得到燃气管道区域的温度场数据，并由主机将浓度场数据传输到数据处理与分析系统；数据处理与分析系统根据温度场数据，计算得到连续时间上相邻时刻温度场数据变化量；
所述的分布式光纤测温系统中的主机预设有温度场数据背景值，所述温度场数据背景值由分布式光纤测温系统现场采集燃气管道区域环境温度得到，分布式光纤测温系统中的主机从测量燃气管道区域时得到的温度场数据中去除光信号背景值，以得到有效的温度场数据；
所述的地电场采集子系统采用电阻率测试系统，该电阻率测试系统包括集成有程控电极转换器的数字式电阻率仪、通讯电缆、多道电极传感单元构成，其中数字式电阻率仪与数据处理与分析系统无线通讯连接，数字式电阻率仪与电极传感单元通过通讯电缆连接，由数字式电 阻率仪向电极传感单元通电，电极传感单元与燃气管道区域接触得到电信号，电信号经过通讯电缆传输到数字式电阻率仪，由数字式电阻率仪得到燃气管道区域的视电阻率，并最终由数字式电阻率仪根据视电阻率反演得到燃气管道区域真实电阻率，数字式电阻率仪将真实电阻率作为地电场数据传输到数据处理与分析系统；数据处理与分析系统根据地电场数据，计算得到连续时间上相邻时刻地电场数据变化量；
所述的电极传感单元呈环向等间距分布，环向半径根据燃气管道区域范围设定；
所述的数据处理与分析系统为远程上位计算机，远程上位计算机中有数据库、计算模块、比较模块和报警信号产生模块，其中数据库中存储浓度场数据、温度场数据、地电场数据、各个变化量阈值，计算模块计算连续时间上各相邻时刻浓度场数据变化量、温度场数据变化量、地电场数据变化量，比较模块将浓度场数据变化量、温度场数据变化量、地电场数据变化量分别与对应的变化量阈值进行比较并得到比较结果，报警信号产生模块根据比较结果判断是 否产生报警信号；
所述的监测预警系统包括显示器和声光报警模块，显示器和声光报警模块分别与远程上位计算机电连接；
所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，还包括GPS定位导航系统，GPS定位导航系统与数据处理与分析系统无线通讯连接，由GPS定位导航系统采集燃气管道区域的GPS定位数据并传输到数据处理与分析系统。
2. 根据权利要求1所述的一种深埋燃气管道泄漏人工智能检测系统，其 特征在于：所述多场源信息采集系统、GPS定位导航系统与数据处理与分析系统之间通过4G 网络组建无线局域网，实现无线通讯连接。
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