CN111783945A - 基于迁移学习lstm的长输油管道泄漏实时检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于油田生产设备技术领域，具体涉及一种基于迁移学习LSTM的长输油管道泄漏实时检测系统，包括以下步骤：1、通过长输油管道泄漏实验平台采集数据，包含正常数据和泄露数据，通过数据训练，使LSTM网络检测准确率达到达95％以上；2、通过迁移学习，将训练好的LSTM模型迁移到现场数据上，对管道状态进行实时预测
Figure DDA0002550303590000011
3、通过观测器观测
Figure DDA0002550303590000012
然后比较r(k)，R(k)之间关系，判断是否发生泄漏，如果发生，系统报警。该系统可通过模式识别方法实时对管道故障进行诊断，如果发生故障，会进行报警，在原油运输过程中具有一定应用价值。针对上述技术问题，解决了实时性问题、小样本问题和错报、漏报问题。

Description

基于迁移学习LSTM的长输油管道泄漏实时检测系统
技术领域：
本发明属于油田生产设备技术领域，具体涉及一种基于迁移学习LSTM的长输油管道泄漏实时检测系统。
背景技术：
石油是重要的战略资源，关系到国家的经济命脉。管道由于其便利，快捷的特点被广泛应用于石油运输。然而，由于我国管道大多始建于上世纪80年代，服役了将近40年，已经严重老化，容易出现漏油的事故。这不仅会造成能源浪费，污染环境等问题，甚至会危害人类的生命财产安全。因此提出一种长输油管道实时检测系统显得十分必要。
目前，对于管道泄漏检测，大多采用负压波的方法，即在管道两端安装压力传感器，通过收集压力信号进行小波变化等处理对管道判断是否泄露(管道发生泄漏压力信号会产生变化)。
然而，这样做会面临三个不足：1.实时性问题：数据采集到数据进行一系列信号变换处理，会导致检测的实时性问题，甚至延误最佳的维修时机。2.小样本问题：由于管道发生泄漏是一个小概率事件，导致泄漏样本比较少，在信号处理过程中没有参考，需要依赖大量专家意见，这样既费时，又大大增加了检测成本。3.容易出现误报，漏报现象：由于传感器所处的环境(车辆的行驶，附近的施工等)会造成收集到的压力信号中包含大量噪声，这进一步加大了检测的难度。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于迁移学习LSTM的长输油管道泄漏实时检测系统，该系统可通过模式识别方法实时对管道故障进行诊断，如果发生故障，会进行报警，在原油运输过程中具有一定应用价值。针对上述技术问题，解决了实时性问题、小样本问题和错报、漏报问题。
本发明采用的技术方案为：一种基于迁移学习LSTM的长输油管道泄漏实时检测系统，所述检测系统包括以下步骤：
步骤1、通过长输油管道泄漏实验平台采集数据，包含正常数据和泄露数据(含有噪声)，通过数据训练，使LSTM网络检测准确率达到达95％以上；
步骤2、通过迁移学习，将训练好的LSTM模型迁移到现场数据上，对管道状态进行实时预测
Figure BDA0002550303570000021
步骤3、通过观测器观测
Figure BDA0002550303570000022
然后比较r(k)，R(k)之间关系，判断是否发生泄漏，如果发生，系统报警。
进一步地，一种基于迁移学习LSTM的长输油管道泄漏实时检测系统，提出基于观测器的在线实时检测-解决实时性问题；
1)、首先设计观测器：
Figure BDA0002550303570000023
Figure BDA0002550303570000024
其中u(k)为数据的输入，
Figure BDA0002550303570000025
为中间状态，
Figure BDA0002550303570000026
为输出，
Figure BDA0002550303570000027
和θφ为最优的权重ω和偏置b组合；
2)、构造残差产生器：
Figure BDA0002550303570000031
其中，y(k)为实时压力数据。
3)、在线实时检测
如果r(k)<R(k)正常情况
如果r(k)>R(k)故障情况
其中R(k)为阈值。
提出基于迁移学习的小样本检测；
提出基于LSTM的长输油管道泄漏检测算法；考虑到管道压力信号是一个时间序列，而LSTM(作为循环神经网络(RNN)的变体)在处理时间序列具有很好的时间依赖性，而且识别准确率高。
本发明的有益效果：解决了长输油管道泄漏检测的实时性，小样本，容易误报，漏报问题。本发明具有检测速度快，准确率高等优势，应用到实际油田系统可以减低95％以上的事故发生概率。从而降低了石油资源的浪费，减少了环境污染，更重要的是为人民的生命财产保驾护航。
附图说明：
图1是实施例一的流程框图；
图2是实施例一中LSTM网络预测流程图；
图3是实施例一中迁移学习模型流程图；
图4是实施例一中LSTM在实验室数据训练的效果图；
图5是实施例一中基于迁移学习LSTM的现场预测效果图；
图6是实施例一中基于观测器的实时监测效果图。
具体实施方式：
实施例一
参照各图，一种基于迁移学习LSTM的长输油管道泄漏实时检测系统，其特征在于：所述检测系统包括以下步骤：
步骤1、通过长输油管道泄漏实验平台采集数据，包含正常数据和泄露数据(含有噪声)，通过数据训练，使LSTM网络检测准确率达到达95％以上；由于管道压力信号是一个时间序列，而LSTM(作为循环神经网络(RNN)的变体)在处理时间序列具有很好的时间依赖性，而且识别准确率高，如图1所述。
步骤2、通过迁移学习，将训练好的LSTM模型迁移到现场数据上，对管道状态进行实时预测
Figure BDA0002550303570000041
迁移学习模型如图2所示。
步骤3、通过观测器观测
Figure BDA0002550303570000042
然后比较r(k)，R(k)之间关系，判断是否发生泄漏，如果发生，系统报警。
在本步骤中，提出基于观测器的在线实时检测-解决实时性问题；
1)、首先设计观测器：
Figure BDA0002550303570000043
Figure BDA0002550303570000044
其中u(k)为数据的输入，
Figure BDA0002550303570000045
为中间状态，
Figure BDA0002550303570000046
为输出，
Figure BDA0002550303570000047
和θφ为最优的权重ω和偏置b组合；
2)、构造残差产生器：
Figure BDA0002550303570000051
其中，y(k)为实时压力数据。
3)、在线实时检测
如果r(k)<R(k)正常情况
如果r(k)>R(k)故障情况
其中R(k)为阈值。
首先考虑到基于负压波信号的管道故障检测是具有时间依赖性的，因此提出了一种基于LSTM的故障诊断方法。然后，考虑到管道故障信号是一个小样本问题，因此提出了一种基于迁移学习的策略来解决小样本问题，用实验室管道数据来对LSTM模型进行训练，然后将训练好的模型迁移到实际管道信号中。最后考虑到管道故障诊断需要时效性，因此提出了一种基于观测器的实时故障诊断方法，通过残差函数与阈值进行对比，进而实时判断管道是否发生故障。解决了实时性问题、小样本问题、错报和漏报问题。为管道故障诊断提出了一套系统科学的方法，具有可操作性，具有一定的实际应用价值。

Claims (2)

1.一种基于迁移学习LSTM的长输油管道泄漏实时检测系统，其特征在于：所述检测系统包括以下步骤：
步骤1、通过长输油管道泄漏实验平台采集数据，包含正常数据和泄露数据，通过数据训练，使LSTM网络检测准确率达到达95％以上；
步骤2、通过迁移学习，将训练好的LSTM模型迁移到现场数据上，对管道状态进行实时预测；
步骤3、通过观测器观测
Figure FDA0002550303560000011
然后比较r(k)，R(k)之间关系，判断是否发生泄漏，如果发生，系统报警。
2.根据权利要求1所述的一种基于迁移学习LSTM的长输油管道泄漏实时检测系统，其特征在于：所述步骤3的步骤如下：
1)、设计观测器：
Figure FDA0002550303560000012
Figure FDA0002550303560000013
其中u(k)为数据的输入，
Figure FDA0002550303560000014
为中间状态，
Figure FDA0002550303560000015
为输出，
Figure FDA0002550303560000016
和θφ为最优的权重ω和偏置b组合；
2)、构造残差产生器：
Figure FDA0002550303560000017
其中，y(k)为实时压力数据。
3)、在线实时检测
如果r(k)<R(k)正常情况
如果r(k)>R(k)故障情况
其中R(k)为阈值。
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GR01 Patent grant
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