CN110555282A - 一种排除有源信号有效进行盲源分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种排除有源信号有效进行盲源分析的方法，其具体步骤为：采用信号采集装置采集管路负压波信号，对同时段内的一组负压波信号进行分析，判断该组负压波信号是否为有源信号，对不是有源信号的负压波信号判断为泄露信号并进行定位，定位计算中将管道介质的流速对声波传播速度的互相叠加考虑在内，提高了泄露定位的精确度。本发明解决了现有采用负压波来监测燃气管道泄漏时由于干扰信号多，导致泄漏监测准确度低，效率低、人力成本高等问题。本发明广泛应用于燃气管道监测中。

Description

一种排除有源信号有效进行盲源分析的方法

技术领域

本发明涉及管道泄漏监测信号筛选技术领域，具体为一种排除有源信号有效进行盲源分析的方法。

背景技术

随着社会发展，燃气应用越来越广泛，因燃气泄漏引发的事故也越来越多，对于燃气泄漏的有效监测成为必不可少的环节。

如果管道发生泄漏，因泄漏点附近突然失压，周边气体会迅速进行补充，这个补充的过程会在泄漏点周围激起一个震荡信号，即负压波信号，这个信号尽管持续时间短但是最强烈，捕捉与分析这个信号，是泄漏监测最有效的方法。

调压装置开启瞬间，也会产生与负压波波形相似的压力跳变信号，而且城市中低压管网中调压装置节点众多，频繁的调压装置开启会产生大量的负压波信号，这些干扰信号给泄漏监测的准确度和监测效率带来了极大的影响，并且需要耗费大量的人力成本去排查，这些有源信号的提取与过滤成为负压波法监测燃气管路泄漏的主要难题。

发明内容

本发明针对现有采用负压波来监测燃气管道泄漏过程中，由于干扰信号多导致泄漏监测准确度及效率低、人力成本高等技术问题，提供一种能够有效排除管道干扰信号、准确进行管道泄漏监测并能实现泄漏点定位的排除有源信号有效进行盲源分析的方法。

为此，本发明的技术方案是，一种排除有源信号有效进行盲源分析的方法，具体步骤为：

(1)在调压装置前后端分别设有信号采集装置，所述信号采集装置上设有授时装置，所述信号采集装置用于采集燃气管道上调压装置两侧的信号并传至控制装置；

(2)通过所述控制装置分析，判断同一时间窗口内采集的一组信号是否为有源信号，并对有源信号进行确认；

(3)排除有源负压波信号后的其他负压波信号的盲源信号，判断为泄漏信号，启动定位运算，找出泄漏点位置。

优选的，步骤(2)中判断是否为有源信号的方法为：

a.当前后端信号采集装置同时接收到一个负压波信号时，认定为阀口开启导致的负压波，该信号为有源负压波信号，将该负压波信号及其时标信息，以及该节点为有源负压波信号源的信息，一起上传到所述控制装置；

b.只有前端信号采集装置接收到负压波信号时，说明该节点不是有源负压波信号源，此时，如果阀口处于开启状态，介质流动会在本地产生一些次声波信号，则该阀口为频域有源信号点；阀口处于关闭状态，只能被动接收信号，阀口为非频域有源信号点；将该负压波信号及其时标信息，以及是否为频域有源信号点，一起上传到所述控制装置；

c.对一定时间段内所述控制装置接收到的一组负压波信号进行分析，如果存在有源负压波信号源，对有源信号进行确认。

优选的，对一定时间段内所述控制装置接收到的一组负压波信号进行分析，如果存在有源负压波信号源，有源信号的确认方法为：

a.设t₀为最先接收到信号的点，以t₀为中心点，按处在干管上的左右关系，不包含t₀点，把全部信号分成两个点集，左边为点集A，右边为点集B；在点集A中建立子集A₁，选取支管没有流动的点加入到子集 A₁中，如果子集A₁的元素少于两个，进一步选取支管长度最短的点加入到子集A₁中，使子集A₁至少包含两个元素；同理建立点集B的子集B₁；

b.用该信号源信号与其左右边点集A与点集B内的节点信号之间进行互相关运算，计算得到β可根据信号采集装置分辨精度与经验值设定；

如果0.95≤β＜1.05，则初步判断本组信号源于该信号源，属于有源信号；

如果t₀中心节点左边所有节点的β值均符合1＜β≤1.05，右边所有节点的β值均符合0.95＜β≤1，则进一步判断本组信号源于该信号源，确定属于有源信号；

如果t₀中心节点左边所有节点的β值均符合0.95＜β≤1，右边所有节点的β值均符合1＜β≤1.05，则进一步判断本组信号源于该信号源，确定属于有源信号；

如果β值符合上述描述，确定本组信号源于该信号源，属于有源信号，运算结束。

优选的，某个时间段(t，t+T)内，所述控制装置接收到一组负压波信号，排除有源负压波信号确定为盲源信号后，启动定位算法，具体步骤如下：

(1)设t₀为最先接收到信号的点，以t₀为中心点，按处在干管上的左右关系，不包含t₀点，把全部信号分成两个点集，左边为点集A，右边为点集B，在点集A中建立子集A₁，选取支管没有流动的点加入到子集A₁中，如果子集A₁的元素少于两个，进一步选取支管长度最短的点加入到子集A₁中，使子集A₁至少包含两个元素；同理建立点集B的子集B₁；

(2)定义a_n∈A₁，a_m∈A₁，a_m离t₀点近，a_n离t₀点远；设a_n所在的支线管道长度为L₁，a_m所在的支线管道长度为L₂，两点所在的干管长度为L₃，两点的时差为τ，干管中的声波速度为υ，则：

设介质静态时声波的传播速度为c，管道中的介质流速为△υ≈c-υ；如果△υ＞0，介质流动方向与声波传输方向相反，如果△υ＜0，介质流动方向与声波传输方向一致；

(3)A₁中a_i发生的时间为t_a，B₁中b_i发生的时间为t_b，x_a为泄漏点距离a_i的距离，定位公式如下：

A₁中的元素与B₁中的元素，两两相结合可以计算得到多个x_a，用最小二乘法确定一个最终位置，计算出确定为泄漏点；

(4)如果计算出来的泄漏点处在t₀点与干管的交汇处，确定泄漏点在t₀点所在的支管上，用t₀点分别与a_i与b_i两两结合进行定位运算，多个点求平均值，得到泄漏点。

本发明有益效果是：

(1)通过对调压装置开启引发的负压波波信号确认及排除，有效的将阀口开启引发的有源信号从管网中复杂众多的信号中剥离出来，对负压波泄漏信号的提取和定位分析意义重大；

(2)通过有源信号的排除，减少了所述控制装置数据量，提高了泄漏定位精度；

(3)通过过滤掉干扰信号，提高了监测效率，降低了误报率。

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为本发明排除有源信号进行盲源分析的流程图；

图4为两节点存在负压波互相关波形图；

图5为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。

如图3所示，一种排除有源信号有效进行盲源分析的方法，具体步骤如下：

(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，用授时装置对该装置进行精确授时；

(2)通过各节点调压阀前端压力变送器和后端压力变送器分别燃气管网的上、下游压力信号进行实时采样；因阀口通径远小于管道直径，信号会在该部位发生全反射，上游负压波传递不到下游，下游负压波也传递不到上游，因此，上下游独立发生的负压波信号，只与其所在的管段的信息相对应；

(3)当前后端压力变送器同时接收到一个负压波信号时，认定为阀口开启导致的负压波，该信号为有源负压波信号，将该负压波信号及其时标信息，以及该节点为有源负压波信号源的信息，一起上传到控制装置；

(4)只有前端压力变送器接收到负压波信号时，说明该节点不是有源负压波信号源，此时，如果阀口处于开启状态，介质流动会在本地产生一些次声波信号，则该阀口为频域有源信号点；阀口处于关闭状态，只能被动接收信号，阀口为非频域有源信号点；将该负压波信号及其时标信息，以及是否为频域有源信号点，一起上传到控制装置；

(5)对一定时间段内控制装置接收到的一组负压波信号进行分析，如果存在有源负压波信号源，有源信号的确认方法为：

设t₀为最先接收到信号的点，以t₀为中心点，按处在干管上的左右关系，不包含t₀点，把全部信号分成两个点集，左边为点集A，右边为点集B。在点集A中建立子集A₁，优先选取支管没有流动的点加入到子集A₁中，如果子集A₁的元素少于两个，进一步选取支管长度最短的点加入到子集A₁中，使子集A₁至少包含两个元素；同理建立点集B的子集B₁。

用该信号源信号与其左右边点集A与点集B内的节点信号之间进行互相关运算。

某个时间段(t₀，t₀+T)内，控制装置接收到一组负压波信号，如果存在有源负压波信号源，用该信号源信号作为中心与其他左右边有限范围内的节点信号之间进行互相关运算，互相关运算公式如下：

其中：

m是源点负压波的节点；

n是待测节点；

x_m(t)、x_n(t)分别为感知到负压波节点的负压波波形和相关节点的同步波形。

如图4所示为两节点存在负压波互相关波形示意图，尖峰出现的时刻即为负压波到达两节点的时间差τ，使用公式：

L_理＝τ*c (2)

计算出两节点间的理论距离。

其中：

L_理是信号源节点与另一待测节点间的理论距离；

c是管道中介质静态时声波的传播速度；

τ是两节点接收到负压波的时间差。

β可根据压力变送器分辨精度与经验值设定。

其中：

L是信号源节点与另一待测节点间的实际距离；

τ是两节点接收到负压波的时间差；

c是管道中介质静态时声波的传播速度；

β是理论距离与实际距离的比值。

如果0.95≤β＜1.05，则初步判断本组信号源于该信号源，属于有源信号。

如果t₀中心节点左边所有节点的β值均符合1＜β≤1.05，右边所有节点的β值均符合0.95＜β≤1，则进一步判断本组信号源于该信号源，确定属于有源信号。

如果t₀中心节点左边所有节点的β值均符合0.95＜β≤1，右边所有节点的β值均符合1＜β≤1.05，则进一步判断本组信号源于该信号源，确定属于有源信号。

如果β值符合上述描述，确定本组信号源于该信号源，属于有源信号。

(6)排除为有源负压波信号后的其他信号为盲源信号，判断为泄漏信号，启动定位运算，找出泄漏点位置。

某个时间段(t，t+T)内，控制装置接收到一组负压波信号，排除有源负压波信号确定为盲源信号后，启动定位算法，具体步骤如下：

设t₀为最先接收到信号的点，以t₀为中心点，按处在干管上的左右关系，不包含t₀点，把全部信号分成两个点集，左边为点集A，右边为点集B。在点集A中建立子集A₁，优先选取支管没有流动的点加入到子集A₁中，如果子集A₁的元素少于两个，进一步选取支管长度最短的点加入到子集A₁中，使子集A₁至少包含两个元素；同理建立点集B的子集B₁。

如图5所示，定义a_n∈A₁，a_m∈A₁，a_m离t₀点近，a_n离t₀点远；设a_n所在的支线管道长度为L₁，a_m所在的支线管道长度为L₂，则有：

其中：

L₃是两节点所在的干管长度；

τ为两节点收到负压波的时差；

υ为干管中的声波速度；

c为管道中介质静态时声波的传播速度。

管道中的介质流速△υ＝c-υ，如果△υ＞0，介质流动方向与声波传输方向相反，如果△υ＜0，介质流动方向与声波传输方向一致；

A₁中的元素与B₁中的元素，两两结合进行定位运算，公式为：

其中：

x_a为露点x与节点a_i之间的距离；

t_a为节点a_i发生的时间；

t_b为节点b_i发生的时间；

L是两节点间的距离。

A₁中的元素与B₁中的元素，两两相结合可以计算得到多个x_a，将求得的多个x_a取平均值，用最小二乘法确定一个最终位置。

其中：

v是负压波的传导速度。

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。

确定泄漏点，计算公式为：

如果计算出来的泄漏点处在t₀点与干管的交汇处，确定泄漏点在t₀点所在的支管上，用t₀点分别与a_i与b_i两两结合进行定位运算，多个点求平均值，得到泄漏点。

通过对调压阀阀口开启引发的负压波信号确认及排除，有效的将阀口开启引发的有源信号从管网中复杂众多的信号中剥离出来，减少了控制装置分析数据量。定位中将管道介质的流速与声波传播速度的相互叠加，纳入计算，提高了泄露定位的精确度。本发明提高了采用负压波监测燃气管道泄漏方法的数据分析效率，对负压波泄漏信号的提取和定位分析意义重大。

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)

1.一种排除有源信号有效进行盲源分析的方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)在调压装置前后端分别设有信号采集装置，所述信号采集装置上设有授时装置，所述信号采集装置用于采集燃气管道上调压装置两侧的信号并传至控制装置；

(2)通过所述控制装置分析，判断同一时间窗口内采集的一组信号是否为有源信号，并对有源信号进行确认；

(3)排除有源负压波信号后的其他负压波信号的盲源信号，判断为泄漏信号，启动定位运算，找出泄漏点位置。

2.根据权利要求1所述的排除有源信号有效进行盲源分析的方法，其特征在于，步骤(2)中判断是否为有源信号的方法为：

a.当前后端信号采集装置同时接收到一个负压波信号时，认定为阀口开启导致的负压波，该信号为有源负压波信号，将所述有源负压波信号及其时标信息，以及该节点为有源负压波信号源的信息，一起上传到控制装置；

b.只有前端信号采集装置接收到负压波信号时，说明该节点不是有源负压波信号源，此时，如果阀口处于开启状态，介质流动会在本地产生一些次声波信号，则该阀口为频域有源信号点；阀口处于关闭状态，只能被动接收信号，阀口为非频域有源信号点；将该负压波信号及其时标信息，以及是否为频域有源信号点，一起上传到控制装置；

c.对一定时间段内控制装置接收到的一组负压波信号进行分析，如果存在有源负压波信号源，对有源信号进行确认。

3.根据权利要求2所述的排除有源信号有效进行盲源分析的方法，其特征在于，对一定时间段内控制装置接收到的一组负压波信号进行分析，如果存在有源负压波信号源，有源信号的确认方法为：

a.设t₀为最先接收到信号的点，以t₀为中心点，按处在干管上的左右关系，不包含t₀点，把全部信号分成两个点集，左边为点集A，右边为点集B；在点集A中建立子集A₁，选取支管没有流动的点加入到子集A₁中，如果子集A₁的元素少于两个，进一步选取支管长度最短的点加入到子集A₁中，使子集A₁至少包含两个元素；同理建立点集B的子集B₁；

b.用该信号源信号与其左右边点集A与点集B内的节点信号之间进行互相关运算，计算得到β可根据信号采集装置分辨精度与经验值设定；

如果0.95≤β＜1.05，则初步判断本组信号源于该信号源，属于有源信号；

如果t₀中心节点左边所有节点的β值均符合1＜β≤1.05，右边所有节点的β值均符合0.95＜β≤1，则进一步判断本组信号源于该信号源，确定属于有源信号；

如果t₀中心节点左边所有节点的β值均符合0.95＜β≤1，右边所有节点的β值均符合1＜β≤1.05，则进一步判断本组信号源于该信号源，确定属于有源信号；

如果β值符合上述描述，确定本组信号源于该信号源，属于有源信号，运算结束。

4.根据权利要求3所述的排除有源信号有效进行盲源分析的方法，其特征在于，某个时间段(t，t+T)内，控制装置接收到一组负压波信号，排除有源负压波信号确定为盲源信号后，启动定位算法，具体步骤如下：

(1)设t₀为最先接收到信号的点，以t₀为中心点，按处在干管上的左右关系，不包含t₀点，把全部信号分成两个点集，左边为点集A，右边为点集B，在点集A中建立子集A₁，选取支管没有流动的点加入到子集A₁中，如果子集A₁的元素少于两个，进一步选取支管长度最短的点加入到子集A₁中，使子集A₁至少包含两个元素；同理建立点集B的子集B₁；

(2)定义a_n∈A₁，a_m∈A₁，a_m离t₀点近，a_n离t₀点远；设a_n所在的支线管道长度为L₁，a_m所在的支线管道长度为L₂，两点所在的干管长度为L₃，两点的时差为τ，干管中的声波速度为υ，则：

设介质静态时声波的传播速度为c，管道中的介质流速为△υ≈c-υ；如果△υ＞0，介质流动方向与声波传输方向相反，如果△υ＜0，介质流动方向与声波传输方向一致；

(3)A₁中a_i发生的时间为t_a，B₁中b_i发生的时间为t_b，x_a为泄漏点距离a_i的距离，定位公式如下：

A₁中的元素与B₁中的元素，两两相结合可以计算得到多个x_a，用最小二乘法确定一个最终位置，计算出确定为泄漏点；

(4)如果计算出来的泄漏点处在t₀点与干管的交汇处，确定泄漏点在t₀点所在的支管上，用t₀点分别与a_i与b_i两两结合进行定位运算，多个点求平均值，得到泄漏点。