CN110440144B - 一种基于压力信号幅值衰减的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于压力信号幅值衰减的定位方法，通过在调压装置上下游管腔内分别设置压力采集装置，上下游压力采集装置分别连接到计算器，并用GPS授时装置对计算器进行精确授时。在用气低峰时，对相同时间窗口的压力信号进行傅里叶变换，结合调压装置状态及典型频率对信号进行分析，排除有源信号，筛选出泄漏信号。对泄漏信号在频域中采用幅值衰减法进行定位计算。其解决了现有燃气管网泄漏中通过持续声波进行泄漏信号的监测过程中干扰因素多、数据量大、分析困难、泄露定位精度低的技术问题。本发明可广泛应用于燃气管网泄漏监测中。

Description

一种基于压力信号幅值衰减的定位方法

技术领域

本发明涉及信号定位技术领域，具体为一种基于压力信号幅值衰减的定位方法。

背景技术

天然气是人类最重要的清洁能源之一，随着探明储量的增加与开采技术的进步，天然气的使用也越来越普及，天然气易燃易爆，同时又是温室效应气体，所以，建立实时的泄漏监测系统与泄漏预警机制，既具有重要的安全意义，也是环境保护的迫切需要。

在燃气管路当中，调压装置是中低压衔接点，燃气流至此处时，会因为压力与管径的变化，产生大量的持续声波信号，而因泄露原因产生的持续声波会淹没在这些因调压装置开启后产生的持续声波中。

目前，很多采用持续声波监测燃气管网泄露及定位的系统中，无论用拾音器捕捉音频，经放大后进行识别，还是用加速度计捕捉振动信号，都没有将调压装置开启后产生的有源持续声波进行过滤，导致泄露信号很容易被调压装置开启后产生的有源持续声波淹没，不但数据量大，分析困难，而且后续的泄露定位精确性低，误报率高。

发明内容

本发明针对现有燃气管网泄漏中通过持续声波进行泄漏信号的监测过程中干扰因素多、信号容易被淹没、数据量大、分析困难的技术问题，提供一种可有效排除有源信号、监测数据量小、分析定位简单且准确度高的基于压力信号幅值衰减的定位方法。

为此，本发明的技术方案是，一种基于压力信号幅值衰减的定位方法，具体步骤为：

(1)在调压阀上下游管腔内分别设置压力采集装置，连接到计算器，用授时装置对计算器进行精确授时，所述压力采集装置用于分别对燃气管网的上、下游压力信号进行实时采样并上传至控制装置；

(2)将每个节点调压装置的同一个时间窗口的压力信号转换为各个节点的频域信号，通过控制装置分析找出典型频率，对每个典型频率按照幅值大小进行排序；

(3)阀口开启的调压装置属于频域有源信号源，如果某个典型频率在某节点处的幅值最大，初步判定该频率信号来源于该调压装置，把该节点处以及与该节点相邻的左右侧节点的频率信号返回到时域，计算出该点与左右侧节点之间的相位差；

(4)通过计算两节点信号之间的相位差，进一步确定各节点信号是否为有源信号，若是有源信号，则排除；若不是有源信号，启动定位算法。

优选的，进一步判断出各频率信号幅值最大的点是否就是该频率信号的信号源采用的公式为：

令β＝MOD(k)

其中：L是两节点之间的物理距离；

λ是该频率在介质中传播时的波长；

φ_i是计算终点的初相位；

φ₀是计算起点的初相位；

β是对k取余数的值；

如果β值符合0≤β≤0.1范围，且各节点幅值以信号源节点为中心沿距离开窗呈衰减趋势，则说明该组同频信号来源于该信号源，属于有源信号；

如果β值符合0≤β≤0.1范围，而存在某节点幅值不符合衰减趋势，需将距离窗口以该节点为起始点平移，重新对该距离窗口内的各节点信号做是否为信号源的判断；

重复上述步骤，排除所有的有源信号。

优选的，排除所有的有源信号后，仍存在找不到信号源的盲源频率信号，启动泄漏点定位计算，具体步骤为：

(1)以幅值最大的信号点t₀为中心，在其左边和右边分别选择两个信号点，选择条件次序为：

第一条件：

且阀口闭合；

第二条件：

且阀口开启；

第三条件：

且阀口闭合；

其中，L_支为支管长度，L_干为干管长度；

(2)设t₀左边信号点为a_i，信号幅值为A_i，右边信号点为b_i，信号幅值为B_i，信号沿管程传播，幅值会衰减，因处在用气低峰时段，忽略介质流速对信号的影响，根据公式：

计算出泄漏点位置；

其中：

L_i为a_i与b_i的间距；

X_i为a_i距离泄漏点的距离；

左边和右边信号两两结合可以计算出四个定位点，取平均值后确定为泄漏点；

(3)如果计算出来的泄漏点处在t₀点所在支管与干管的交汇处，说明泄漏点在t₀点所在支管上，把t₀点设成起点，继续应用上述方法求出泄漏点。

优选的，泄漏点定位的具体步骤为：

(1)各节点的持续声波数据根据GPS时钟同步，各自截取时间段(t₀,t₀+T)内的节点i次声波数据y_i(t)；

(2)对各节点的y_i(t)做FFT，得到其谱

如果判定其存在谱峰位置w₀，则得到谱峰位置相位

其中，k可以通过节点到预测泄漏点位置x判定：

其中：sm(x)是定义泄漏点到达节点m的距离；

sn(x)是定义泄漏点到达节点n的距离；

是节点m与节点n到达谱峰位置时的相位差；

λ是持续声波的波长。

本发明有益效果是：

(1)通过对调压装置开启引发的有源持续声波信号确认及排除，有效的将泄漏引发的持续声波信号从管网中复杂众多的干扰信号中剥离出来，极大的减少了对泄漏信号提取的工作量；

(2)通过对调压装置开启引发的有源信号的排除，减少了泄漏监测定位的工作量，提高了工作效率；

(3)由于排除了众多的干扰信号，减少了控制装置的数据量，提高了定位精度，泄漏监测效率高，误报率低。

附图说明

图1为中低压城市燃气管网调压阀设置示意图；

图2为本发明调压阀前后端腔内设置压力采样装置示意图；

图3为持续声波能量分布示意图；

图4为日间持续声波时域图；

图5为日间持续声波频域图；

图6为夜间持续声波时域图；

图7为夜间持续声波频域图；

图8为频域有源信号排除流程图；

图9为幅值衰减法泄露定位计算示意图。

图中符号说明：

1.中压燃气管道；2.低压燃气管道；3.调压阀；4.前端压力采样装置；5.后端压力采样装置；6.计算器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

本实施例中的调压装置为调压阀，但是，其它任何能起到相同或类似作用的装置均属于本发明的保护范围。

如图1-2所述，燃气管网系统中包括中压燃气管道1、低压燃气管道2、调压阀3、前端压力采样装置4、后端压力采样装置5、计算器6，还包括GPS精确授时装置，前端压力采样装置设在调压阀的前端，后端压力采样装置设在调压阀的后端。前端压力采样装置设有前端压力变送器，后端压力采样装置设有后端压力变送器，前端压力变送器安装在调压阀的前端管腔内，后端压力变送器安装在调压阀的后端管腔内。

根据FW-H(Ffowcs Williams&Hawkings)方程，调压阀阀口开启或者天然气管道发生泄漏后，由于气体具有可压缩性和不均匀性，在该点处会产生一个湍流脉动(活塞效应)，从而产生一些低频率的四极子声源信号；与此同时，气流与管壁之间还会因摩擦产生一些低频率的偶极子声源信号，这两种信号在管道中以一维平面波的形式向远处传播，衰减慢，传播距离远，在整个泄露期间都存在，我们称之为持续声波，声源能量主要集中在0-20hz的低频区(图3)，与负压波特征相反，持续声波在时域图中幅值不明显，在白天很容易被淹没(图4-5)，在夜间噪声低时，通过频域图(图6-7)中则能够很明显的发现该信号，且由于频率较低，传播距离相对较远。

如图8所示，一种基于压力信号幅值衰减的定位方法，具体步骤为：

(1)在调压阀上下游管腔内分别设置压力变送器，连接到计算器，用GPS授时装置对计算器进行精确授时；

(2)通过各节点调压阀的前端压力变送器和后端压力变送器分别对燃气管网的上、下游压力信号进行实时采样；

(3)阀口开启，该阀口为频域有源信号源，阀口关闭，该阀口的信号为被动接受来的信号；在用气低峰时，将一定距离窗口内(例如10公里)各节点调压阀的同一个时间窗口的压力信号和阀口状态信息上传到控制装置；

(4)对每个节点阀口的同一个时间窗口的压力信号分别做傅立叶变换，得到各个节点的频域信号；

(5)通过控制装置分析找出典型频率，对每个典型频率按照幅值大小进行排序；

(6)阀口开启的调压阀属于有源信号，如果某个典型频率在某节点处的幅值最大，初步判定该频率信号来源于该阀口；

(7)把该节点处以及与该节点相邻的左右侧节点的频率信号返回到时域，计算出该点与左右侧节点之间的相位差；

(8)通过同频率的相邻信号点之间的相位差，采用公式判断出各频率信号幅值最大的点是否就是该频率信号的信号源，公式如下：

令β＝MOD(k) (1)

其中：L是两节点之间的物理距离；

λ是该频率在介质中传播时的波长；

φ_i是计算终点的初相位；

φ₀是计算起点的初相位；

β是对k取余数的值，其中β可根据压力变送器分辨精度与经验值设定。

如果β值符合0≤β≤0.1范围，且各节点幅值以信号源节点为中心沿距离开窗呈衰减趋势，则说明该组同频信号来源于该信号源，属于有源信号；

如果β值符合0≤β≤0.1范围，而存在某节点幅值不符合衰减趋势，需将距离窗口以该节点为起始点平移，重新对该距离窗口内的各节点信号做是否为信号源的判断。

重复上述步骤，排除所有的有源信号。

排除所有的有源信号后，仍存在找不到信号源的盲源频率信号，启动泄漏点定位计算。如图9所示，泄漏信号定位计算的具体步骤为：

(1)以幅值最大的信号点t₀为中心，在其左边和右边分别选择两个信号点，选择条件次序为：

第一条件：

且阀口闭合；

第二条件：

且阀口开启；

第三条件：

且阀口闭合；

其中，L_支为支管长度，L_干为干管长度。

(1)设t₀左边信号点为a_i，信号幅值为A_i，右边信号点为b_i，信号幅值为B_i，信号沿管程传播，幅值会衰减，因处在用气低峰时段，忽略介质流速对信号的影响，根据公式：

计算出泄漏点位置；

其中：

L_i为a_i与b_i的间距；

X_i为a_i距离泄漏点的距离。

左边和右边信号两两结合可以计算出四个定位点，取平均值后确定为泄漏点。

(3)如果计算出来的泄漏点处在t₀点所在支管与干管的交汇处，说明泄漏点在t₀点所在支管上，把t₀点设成起点，继续应用上述方法求出泄漏点。

还可以采用互相关方程对泄漏点定位，计算步骤如下：

(1)各节点的持续声波数据根据GPS时钟同步，各自截取时间段(t₀,t₀+T)内的节点i持续声波数据y_i(t)；

(2)对各节点的y_i(t)做FFT，得到其谱

如果判定其存在谱峰位置w₀，则得到谱峰位置相位

其中，k可以通过节点到预测泄漏点位置x判定：

其中：

s_m(x)是定义泄漏点到达节点m的距离；

s_n(x)是定义泄漏点到达节点n的距离；

λ是持续声波的波长；

是节点m与节点n到达谱峰位置时的相位差；

INT()为取整函数。

由于存在时间误差、信号干扰的问题，会导致多组计算出来的泄露点并不能落在一个点上，为了进一步过滤干扰信号，对这些计算出来的泄漏点进行最小二乘法处理，最终得到更加精准的预测泄漏点，完成定位。

最小二乘法公式如下：

其中，W_mn是根据互相关函数尖峰的大小给定得权值，尖峰越明显，权值越大，如判别不出尖峰，则W＝0。

通过对调压阀阀口开启引发的有源持续声波信号确认及排除，有效的将泄漏引发的持续声波信号从管网中复杂众多的干扰信号中剥离出来，极大的减少了对泄漏信号提取的工作量；通过对调压阀阀口开启引发的有源信号的排除，减少了泄漏监测定位的工作量，提高了工作效率；对泄漏信号采用幅值衰减法进行定位计算，提高了定位精度。本发明解决了现有燃气管网泄漏中通过持续声波进行泄漏信号的监测过程中干扰因素多、数据量大、分析困难、泄露定位精度低的技术问题。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (4)

1.一种基于压力信号幅值衰减的定位方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)在调压装置上下游管腔内分别设置压力采集装置，连接到计算器，用授时装置对计算器进行精确授时，所述压力采集装置用于分别对燃气管网的上、下游压力信号进行实时采样并上传至控制装置；

(2)将每个节点调压装置的同一个时间窗口的压力信号转换为各个节点的频域信号，通过所述控制装置分析找出典型频率，对每个典型频率按照幅值大小进行排序；

(3)阀口开启的调压装置属于频域有源信号源，如果某个典型频率在某节点处的幅值最大，初步判定该频率信号来源于该调压装置，把该节点处以及与该节点相邻的左右侧节点的频率信号返回到时域，计算出该点与左右侧节点之间的相位差；

(4)通过计算两节点信号之间的相位差，进一步确定各节点信号是否为有源信号，若是有源信号，则排除；若不是有源信号，启动定位算法。

2.根据权利要求1所示的基于压力信号幅值衰减的定位方法，其特征在于，进一步判断出各频率信号幅值最大的点是否就是该频率信号的信号源，采用的公式为：

令β＝MOD(k)

其中：L是两节点之间的物理距离；

λ是该频率在介质中传播时的波长；

φ_i是计算终点的初相位；

φ₀是计算起点的初相位；

β是对k取余数的值；

如果β值符合0≤β≤0.1范围，且各节点幅值以信号源节点为中心沿距离开窗呈衰减趋势，则说明该组同频信号来源于该信号源，属于有源信号；

如果β值符合0≤β≤0.1范围，而存在某节点幅值不符合衰减趋势，需将距离窗口以该节点为起始点平移，重新对该距离窗口内的各节点信号做是否为信号源的判断；

重复上述步骤，排除所有的有源信号。

3.根据权利要求2所示的基于压力信号幅值衰减的定位方法，其特征在于，排除所有的有源信号后，仍存在找不到信号源的盲源频率信号，启动泄漏点定位计算，具体步骤为：

(1)以幅值最大的信号点t₀为中心，在其左边和右边分别选择两个信号点，选择条件次序为：

第一条件：

且阀口闭合；

第二条件：

且阀口开启；

第三条件：

且阀口闭合；

其中，L_支为支管长度，L_干为干管长度；

(2)设t₀左边信号点为a_i，信号幅值为A_i，右边信号点为b_i，信号幅值为B_i，信号沿管程传播，幅值会衰减，因处在用气低峰时段，忽略介质流速对信号的影响，根据公式：

计算出泄漏点位置；

其中：

L_i为a_i与b_i的间距；

X_i为a_i距离泄漏点的距离；

左边和右边信号两两结合可以计算出四个定位点，取平均值后确定为泄漏点；

(3)如果计算出来的泄漏点处在t₀点所在支管与干管的交汇处，说明泄漏点在t₀点所在支管上，把t₀点设成起点，继续应用上述方法求出泄漏点。

4.根据权利要求2所示的基于压力信号幅值衰减的定位方法，其特征在于，泄漏点定位的具体步骤为：

(1)各节点的持续声波数据根据GPS时钟同步，各自截取时间段(t₀,t₀+T)内的节点i次声波数据y_i(t)；

(2)对各节点的y_i(t)做FFT，得到其谱

如果判定其存在谱峰位置w₀，则得到谱峰位置相位

其中，k可以通过节点到预测泄漏点位置x判定：

其中：sm(x)是定义泄漏点到达节点m的距离；

sn(x)是定义泄漏点到达节点n的距离；

是节点m与节点n到达谱峰位置时的相位差；

λ是持续声波的波长。

Images