CN111457252A - 一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，包括以下步骤；步骤A：在待检测区域设置多个振动传感器，记录振动传感器坐标；步骤B：关闭管道阀门，然后重新打开，持续采集振动波信号；步骤C：滤除有干扰的振动波信号，保留至少四个有效信号；步骤D：记录振动传感器i检测的振动波初至到时t_i；步骤E：基于到时不同泄漏定位方程，计算管道泄漏位置坐标。本发明的优点在于：通过多个振动传感器检测的振动波信号确定泄漏点位置，定位精度更高，使用方便，适用各种工程需要；通过最小绝对值法确定泄漏定位位置的最优结果，有效的降低部分离散点对计算结果的影响，使结果具有很好的稳定性和强健性，实现燃气管道泄漏的高精度定位。

Description

一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法

技术领域

本发明涉及燃气泄漏定位技术领域，尤其涉及一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法。

背景技术

城市燃气管网是维系城市与区域经济功能的基础性工程设施系统的重要组成部分，我国城市长输管网多数置于地下，存在监测、检测和泄漏定位困难等问题，深埋管道燃气泄漏精确定位技术是保障管网城市安全运行和社会稳定的主要手段。

目前，根据管道的布置特点和管道的位置特征，管道泄漏检测技术主要可分为地表检测法、管道外壁检测法以及管道内壁检测法等。地表检测是人工在地面通过直接观察、使用仪器或建立管道模型对可能发生泄露的地点进行检测，主要包括人工巡视法、管道瞬变模型法和气体成像法等，其中，人工巡查法耗费人工劳动力和资金大，且无法进行长时间检测，工作效率低；管道瞬态变化模型法由于影响管道动态检测的因素很多，使用该方法检测管道泄漏和定位的难度较大，误差也较高；气体成像法只能对泄露区域进行初步定位，更加准确的定位需要后期结合其他方法进行处理验证。另外，管道外壁检测法以及管道内壁检测法在定位精度、适应能力、费用等方面也都存在着不可忽视的缺陷。

公开号为CN104654024A的发明专利申请公开了一种广义回归神经网络城市燃气管道泄漏定位分析方法，通过在管道上下游布设压力传感器，通过两个压力传感器接收到的泄漏振动信号时间差对泄漏点进行定位，但是这样的方法仅适用于直管道，而且需要在前期建设阶段布设传感器，否则后期需要进行大量施工布置传感器，适用性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于振动波信号对任意地点进行燃气泄漏检测的燃气管道泄漏定位方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，包括以下步骤

步骤A：在待检测区域设置I个振动传感器，并确定坐标系，记录振动传感器坐标(x_i,y_i,z_i)；

步骤B：连接采集仪器，利用振动传感器持续采集信号，关闭管道阀门，然后重新打开，记录振动波信号；

步骤C：根据振动传感器记录的振动波信号，滤除有干扰的振动波信号，保留至少四个有效信号；

步骤D：对保留的振动波波形进行处理，记录振动传感器i检测的振动波初至到时t_i；

步骤E：基于到时不同泄漏定位方程

计算管道泄漏位置坐标(x,y,z)；

其中t₀为管道泄漏的初始时刻，根据方程进行求解，v为振动波在介质中的波速。

本发明使用振动传感器检测气体泄漏时的振动波，通过多个振动传感器检测的振动波信号和振动波初至时间来确定泄漏点位置，定位精度更高，可以根据需要检测任意位置的泄漏情况，使用方便，不需要前期预设传感器或进行大工程量的施工布设传感器，能够快速进行检测，适用各种工程需要；降低了对人力和物力的需求，检测效率高。

优选的，步骤A中振动传感器布置于待检测区域的地面上或向地下施工将振动传感器设置于待检测区域的不同高度。

优选的，步骤B中采集信号前需暂停周边的车辆和人员活动。

优选的，步骤B正式采集前还包括确定当前区域是否存在泄漏的步骤，方法为采集5～10分钟的振动传感器的信号，如果存在变频连续信号，则说明当前区域存在泄漏点。

优选的，步骤B中关闭燃气管道阀门30s以上，重新打开燃气管道阀门，在这过程中持续采集振动波信号。

优选的，步骤C中人工判断振动传感器采集的振动波信号是否存在异常干扰，判断条件为：如果关闭管道阀门的时间段内存在异常振动信号，则该振动传感器采集的信号存在异常干扰信号，应舍弃该信号传感器采集的信号。

优选的，步骤E中对待测区域的岩层进行取样，通过超声波测速技术获得该介质中的波速，该速度为振动波在介质中的波速。

优选的，还包括确定管道泄漏定位最优结果的步骤，方法为：

步骤F：基于最小绝对值法对管道泄漏定位结果进行残差分析，得到最优的定位结果；在所有有效的振动传感器中采用不同的组合方式依次选择4个振动传感器，通过计算得到该组合方式对应的管道泄漏位置，对第m个组合方式得到的管道泄漏位置计算管道泄漏定位目标函数

γ_i＝t_i-(t_ti+t₀)

其中，(x_m,y_m,z_m)表示第m个组合方式计算出的管道泄漏位置的坐标，t_m0为第m个组合方式计算出的管道泄漏位置对应的泄漏初始时刻，γ_i为第i个振动传感器的残差，t_ti为第i个振动传感器的计算走时；以管道泄漏定位目标函数

数值最小的管道泄漏位置作为管道泄漏定位的最优结果。

本发明提供的基于振动波的燃气管道泄漏定位方法的优点在于：使用振动传感器检测气体泄漏时的振动波，通过多个振动传感器检测的振动波信号和振动波初至时间来确定泄漏点位置，定位精度更高，可以根据需要检测任意位置的泄漏情况，使用方便，不需要前期预设传感器或进行大工程量的施工布设传感器，能够快速进行检测，适用各种工程需要；降低了对人力和物力的需求，检测效率高；可以通过对波形的检测，快速确定当前区域是否存在燃气泄漏，降低不必要的工作投入，效率更高，多传感器协同工作，提高了容错性能，确保结果稳定；通过最小绝对值法确定泄漏定位位置的最优结果，有效的降低部分离散点对计算结果的影响，使结果具有很好的稳定性和强健性，实现燃气管道泄漏的高精度定位。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的基于振动波的燃气管道泄漏定位方法的流程图；

图2为本发明的实施例提供的基于振动波的燃气管道泄漏定位方法的振动传感器的排列形式；

图3为本发明的实施例提供的基于振动波的燃气管道泄漏定位方法的变频连续信号的波形图；

图4为本发明的实施例提供的基于振动波的燃气管道泄漏定位方法的计算原理图。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例提供了一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，包括以下步骤：

步骤A：在待检测区域设置I个振动传感器1，并确定坐标系，记录振动传感器1坐标(x_i,y_i,z_i)；

其中坐标系的可任选原点和方向进行构建，只要保证所有振动传感器1的坐标使用同一坐标系记录即可，振动传感器1可直接在待检测区域的地面布设，也可以向地下施工在不同高度处布设，从工作方便的角度考虑一般直接在地面进行检测即可，这样工程量较小，灵活性高，不需要前期施工过程中预设传感器，可根据实际需要检测任意位置是否存在泄漏。

参考图2，优选实施例中可在待检测管道上方的地面阵列设置所述振动传感器，振动传感器1之间的距离均为R，综合成本和检测要求确定振动传感器1的总数I，根据现场情况和检测范围确定振动传感器1阵列方式，确定间距R的数值；规则阵列的振动传感器1方便后期的计算，但本实施在使用时对振动传感器1的摆放位置并没有严格要求。

步骤B：连接采集仪器，利用振动传感器1持续采集信号，关闭管道阀门，然后重新打开，采集振动波信号；

如果是临时检测是否存在泄漏，则在布置完振动传感器1后，可先采集时长为5～10分钟的振动信号，也可根据需要将进一步延长时间，然后观察振动信号的波形，如果存在变频连续信号，则说明当前区域的管道存在泄漏情况，波形可参考图3；如果不存在变频连续信号，则说明当前区域未出现泄漏情况，可回收振动传感器1对其他检测区域进行检测；当然也可以将振动传感器1预埋在地下，对待检测区域进行长期监测。

在确定存在管道泄漏的情况下，为了获取准确的振动信号，在保持振动传感器1正常采集信号的情况下，需要先将管道阀门关闭30s以上，令管道残余燃气排出或保持稳定，以便采集到管道未泄露时的振动波信号，然后重新打开管道阀门，当所有传感器连续一定时间采集到振动波信号后即可停止信号采集。

在临时采集的情况下，一般会在地面放置振动传感器1，为了防止人类活动对信号的影响，需要暂停周边的车辆和人员活动，具体暂停活动的距离根据传感器类型和地面情况确定；为了避免对交通和正常生活的影响，可选择在深夜进行检测工作；

优选实施例中选用多通道数字地震仪作为振动波信号采集仪器，其采集通道优选为低频数字检波器。

步骤C：根据振动传感器1记录的振动波信号，滤除有异常干扰的振动波信号，保留至少四个有效信号；

其中滤除异常干扰信号的方式为人为识别，判断条件为：如果关闭管道阀门的时间段内振动传感器1检测到异常振动信号，则该振动信号为异常干扰信号，该信号传感器的信号被舍弃，其余振动传感器1主要查看波形是否存在明显不符合变频连续信号的波形，如果有则同样舍弃该振动传感器1的信号。

步骤D：对保留的振动波波形进行处理，记录第i个振动传感器1检测的振动波初至到时t_i；

其中振动波初至到时t_i为该振动传感器1的信号中出现振动波的时刻。

步骤E：基于到时不同泄漏定位方程

计算管道泄漏位置坐标(x,y,z)；

其中t₀为管道泄漏的初始时刻，根据方程进行求解，v为振动波在介质中的波速；

参考图4，该方程为常规的速度和距离计算公式，通过多点的数值计算振源位置即可。

波速v的确定方法为对待测区域的岩层进行取样，通过超声波测速技术获得该介质中的波速，该速度为振动波在介质中的波速；

在波速已知的情况下，上式中存在泄漏点坐标(x,y,z)和泄漏初始时刻t₀四个未知数，因此步骤C中需至少保留四个有效振动信号进行计算，当仅在地面布设振动传感器1时，振动传感器1的Z轴坐标全部为0，泄漏点的Z轴坐标不需要考虑，此时可通过三个振动传感器1的信号确定泄漏点位置，在确定位置后直接向下挖到燃气管道就是对应的泄漏位置。

优选实施例中可通过MATLAB软件对以上公式进行编程，将有效的信号数据对应的坐标和振动波初至到时输入到MATLAB软件中，即可得到泄漏点坐标，从而降低工作人员的运算时间，提高工作效率。

为了排除部分干扰因素和传感器故障导致的定位偏差，本实施例还包括确定管道泄漏定位最优结果的步骤，方法为：

步骤F：基于最小绝对值法对管道泄漏定位结果进行残差分析，得到最优的定位结果；在所有有效的振动传感器中采用不同的组合方式依次选择4个振动传感器，通过计算得到该组合方式对应的管道泄漏位置，对第m个组合方式对应的管道泄漏位置计算管道泄漏定位目标函数

γ_i＝t_i-(t_ti+t₀)

其中，(x_m,y_m,z_m)表示第m个组合方式对应的管道泄漏位置的坐标，t_m0为第m个组合方式对应的管道泄漏位置对应的泄漏初始时刻，γ_i为第i个振动传感器的残差，t_ti为第i个振动传感器的计算走时；

以管道泄漏定位目标函数

数值最小的管道泄漏位置m作为管道泄漏定位的最优结果。

以上方法以各振动传感器残差的绝对值之和作为目标函数，各传感器在泄漏位置定位中的作用相同，从而降低个别离散点对定位精度的影响；提高稳定性和强健性。

Claims (8)

1.一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，其特征在于：包括以下步骤

步骤A：在待检测区域设置I个振动传感器，并确定坐标系，记录第i个振动传感器的坐标(x_i,y_i,z_i)；

步骤B：连接采集仪器，利用振动传感器持续采集信号，关闭管道阀门，然后重新打开，持续采集振动波信号；

步骤C：根据振动传感器记录的振动波信号，滤除有异常干扰的振动波信号，保留至少四个有效信号；

步骤D：对保留的振动波波形进行处理，记录振动传感器i检测的振动波初至到时t_i；

步骤E：基于到时不同泄漏定位方程

计算管道泄漏位置坐标(x,y,z)；

其中t₀为管道泄漏的初始时刻，根据方程进行求解，v为振动波在介质中的波速。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，其特征在于：步骤A中振动传感器布置于待检测区域的地面上或向地下施工将振动传感器设置于待检测区域的范围内。

3.根据权利要求1所述的一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，其特征在于：步骤B中采集信号前需暂停周边的车辆和人员活动。

4.根据权利要求1所述的一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，其特征在于：步骤B正式采集前还包括确定当前区域是否存在泄漏的步骤，方法为采集5～10分钟的振动传感器的信号，如果存在变频连续信号，则说明当前区域存在泄漏点。

5.根据权利要求1所述的一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，其特征在于：步骤B中关闭燃气管道阀门30s以上，重新打开燃气管道阀门，在此过程中持续采集振动波信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，其特征在于：步骤C中人工判断振动传感器采集的振动波信号是否存在异常干扰，判断条件为：如果关闭管道阀门的时间段内存在异常振动信号，则该振动传感器采集的信号存在异常干扰信号，应舍弃该信号传感器采集的信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，其特征在于：步骤E中对待测区域的岩层进行取样，通过超声波测速技术获得该介质中的波速，该速度为振动波在介质中的波速。

8.根据权利要求1所述的一种基于振动波的燃气管道泄漏定位方法，其特征在于：还包括基于最小绝对值法确定管道泄漏定位最优结果的步骤，方法为：

步骤F：在所有有效的振动传感器中采用不同的组合方式依次选择4个振动传感器，通过计算得到对应的管道泄漏位置，对第m个组合方式对应的管道泄漏位置计算管道泄漏定位目标函数

γ_i＝t_i-(t_ti+t₀)

其中，(x_m,y_m,z_m)表示第m个组合方式对应的管道泄漏位置的坐标，t_m0为第m个组合方式对应的管道泄漏位置对应的泄漏初始时刻，γ_i为第i个振动传感器的残差，t_ti为第i个振动传感器的计算走时；

以管道泄漏定位目标函数

数值最小的管道泄漏位置m作为管道泄漏定位的最优结果。

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