CN113188053B - 基于管道地理特点的管道故障调度方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于管道地理特点的管道故障调度方法、装置及系统，当判断发生管道泄漏时，确定泄漏点在所建立的直角坐标系中的位置，并根据泄漏点在直角坐标系中的位置，获取该泄漏点的实时环境状态，以进一步推算该泄漏可能导致的扩散结果，基于所述泄漏点的位置、实时环境状态以及扩散结果进行故障调度处理。本发明的技术方案能够快速定位泄漏点在坐标系中的位置，有利于及时发现泄漏点进行故障处理；进行扩散结果计算时充分考虑了环境条件因素，提高了计算的精确性；基于推算的结果并结合泄漏点附近的环境情况进行故障调度处理，有效提高了故障处理和调度的效率和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及管道安全监测技术领域，尤其涉及一种基于管道地理特点的管道故障调度方法、装置及系统。
背景技术
综合管廊，就是地下城市管道综合走廊，即在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通信，燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。
针对设置于综合管廊中的天然气管道，由于天然气是危险化学品，具有易燃易爆的特性，若天然气泄漏，则极易形成爆炸性气体，遇到明火就会引发爆炸；因此，天然气管道泄漏监测和定位技术作为确保管道安全运行的技术越来越受到重视；随着中国天然气管网逐步扩大，运行年限不断增加，因为腐蚀、老化、第三方破坏等原因引起的管道泄漏事故不断发生，管道泄漏不仅污染环境、浪费资源，而且对人民的生命财产安全都是巨大的威胁；因此无论是从安全因素还是经济因素出发，开发合适的天然气管道泄漏监测和定位方法，维护管道的正常运行，保障人民生命财产安全，都有十分重要的意义。
现有技术中，用于监测管道泄漏的方法主要包括直接检测方法和间接检测方法，直接检测方法的优点是定位精确、灵敏度高，缺点是不适用于检测铺设较深的管道的检测；而间接检测方法根据管道泄漏造成的物理参数的变化来对管道泄漏进行检测，但是现有技术中缺乏对于故障泄漏点的快速、精确的定位方法，并且，在泄漏故障发生时，缺乏将故障泄漏点与泄漏点周围的地理情况的有机结合，以推算出故障可能达到的事故规模，从而难以达到对于故障的有效处理。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种基于管道地理特点的管道故障调度方法、装置及系统，以解决现有技术中存在的故障检测不全面、定位不够精确、以及对故障规模缺乏推算的问题。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于管道地理特点的管道故障调度方法，包括步骤：
基于地理地图建立直角坐标系，所述直角坐标系覆盖所有待测天然气管道；
在直角坐标系的x、y轴上每间隔一定距离设置参考坐标点；
通过两个相邻传感器监测点的压力差数据是否超过压力差阈值，判断管道是否发生泄漏；
判断为发生管道泄漏时，确定泄漏点在所述直角坐标系中的位置；
根据泄漏点在所述直角坐标系中的位置，获取该泄漏点的实时环境状态；
根据泄漏点的位置以及实时环境状态计算该泄漏可能导致的扩散结果；
基于所述泄漏点的位置、实时环境状态以及扩散结果进行故障调度处理。
进一步的，所述判断为发生管道泄漏时，确定泄漏位置在所述直角坐标系中的位置，包括步骤：
判断传感器监测点是否分别与参考坐标点重合；
若重合，则根据参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标；
若不重合，向各参考坐标点发送监测信息，并根据最先接收到该监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标。
进一步的，所述根据参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标，包括：
设具有压力差的两个传感器监测点分别重合的参考坐标点的坐标分别为x1和x2；
根据以下公式计算泄漏点的坐标m：
其中，v为管道中压力波的传播速度，Δt为两个传感器监测点接收到压力波的时间差。
进一步的，所述根据最先接收到该监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标，包括：
设最先接收到监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点对应的坐标分别为x01，x02，y01，y02；
根据以下公式计算泄漏点的坐标(x，y)：
其中，m01为泄漏点距离一个传感器监测点的距离，m02为泄漏点距离另一个传感器监测点的距离，v为管道中压力波的传播速度，Δt为两个传感器监测点接收到压力波的时间差。
进一步的，所述根据泄漏点的位置以及实时环境状态计算该泄漏可能导致的扩散结果，包括：
获取环境状态中的湿度H和温度T；
根据以下公式计算扩散浓度c：
其中，Q为泄漏流量，t为泄漏时间，σx、σy分别为x、y轴方向扩散参数，R为气体常数，x、y分别为泄漏点的x、y轴坐标。
根据本发明的第二个方面，提供了一种基于管道地理特点的管道故障调度装置，包括参考坐标设置模块、管道泄漏监测模块、地理信息获取模块、扩散结果推算模块、故障调度处理模块；其中，
所述参考坐标设置模块，基于地理地图建立直角坐标系，所述直角坐标系覆盖所有待测天然气管道；在直角坐标系的x、y轴上每间隔一定距离设置参考坐标点；
所述管道泄漏监测模块，通过两个相邻传感器监测点的压力差数据是否超过压力差阈值，判断管道是否发生泄漏；
所述地理信息获取模块，判断为发生管道泄漏时，确定泄漏点在所述直角坐标系中的位置；根据泄漏点在所述直角坐标系中的位置，获取该泄漏点的实时环境状态；
所述扩散结果推算模块，根据泄漏点的位置以及实时环境状态计算该泄漏可能导致的扩散结果；
所述故障调度处理模块，基于所述泄漏点的位置、实时环境状态以及扩散结果进行故障调度处理。
进一步的，所述扩散结果推算模块，根据泄漏点的位置以及实时环境状态计算该泄漏可能导致的扩散结果，包括：
获取环境状态中的湿度H和温度T；
根据以下公式计算扩散浓度c：
其中，Q为泄漏流量，t为泄漏时间，σx、σy分别为x、y轴方向扩散参数，R为气体常数，x、y分别为泄漏点的x、y轴坐标。
根据本发明的第三个方面，一种基于管道地理特点的管道管理系统，包括故障监测装置、报警装置、GIS空间可视化装置、历史数据查询装置；其中，
所述故障监测装置，对天然气管道的各项参数进行监测，将监测结果发送至系统中的其他各装置；并在发生管道泄漏时，确定泄漏点的位置、该泄漏点的实时环境状态，进行故障调度处理；并将上述确定的各项信息发送至报警装置和GIS空间可视化装置；
所述报警装置，接收故障监测装置的报警信号，以进行报警；
所述GIS空间可视化装置，基于故障监测装置确定的泄漏点的位置、该泄漏点的实时环境状态，以及该故障监测装置对各项参数的监测结果，对管道的故障情况进行三维可视化显示；
所述历史数据查询装置，对故障监测装置监测的各项参数进行存储，并对所存储的监测数据进行查询；
其中，所述故障监测装置包括如本发明第二个方面所述的管道故障调度装置。
综上所述，本发明提供了一种基于管道地理特点的管道故障调度方法、装置及系统，当判断发生管道泄漏时，确定泄漏点在所建立的直角坐标系中的位置，并根据泄漏点在直角坐标系中的位置，获取该泄漏点的实时环境状态，以进一步来推算该泄漏可能导致的扩散结果，基于所述泄漏点的位置、实时环境状态以及扩散结果进行故障调度处理。
本发明所提供的技术方案，相对于现有技术具有如下有益的技术效果：
(1)通过建立覆盖整个天然气管道的直角坐标系以及设置于直角坐标系上的参考坐标点，在判断出发生泄漏故障时，能够快速定位泄漏点在坐标系中的位置，有利于及时发现泄漏点进行故障处理。
(2)在判断出发生泄漏故障的泄漏点的同时，获取泄漏点附近的环境情况，根据泄漏点附近的环境情况计算出该泄漏可能导致的扩散结果，在对扩散结果进行计算时，充分考虑了湿度、温度等环境条件因素，从而提高了扩散结果计算的精确性。
(3)基于推算的结果并结合泄漏点附近的环境情况进行故障调度处理，能够使得故障调度处理有更强的针对性，有效提高了故障处理和调度的效率和准确性。
附图说明
图1是本发明基于管道地理特点的管道故障调度方法的流程图；
图2是计算泄漏点在直角坐标系中的坐标的原理示意图1；
图3是计算泄漏点在直角坐标系中的坐标的原理示意图2；
图4是本发明天然气管道的监测装置的构成框图；
图5是本发明基于管道地理特点的管道管理系统的构成框图。
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了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种基于管道地理特点的管道故障调度方法，针对设置于综合管廊中的天然气管道，该方法的流程图如图1所示，包括步骤：
基于地理地图建立直角坐标系，所述直角坐标系覆盖所有待测天然气管道，在直角坐标系的x、y轴上每间隔一定距离设置参考坐标点。通过建立直角坐标系，覆盖所有待测的天然气管道组成的天然气管道网，使得在发生故障时，能够迅速对泄漏点的位置进行定位。并且该直角坐标系基于地理地图建立，即当在直角坐标系的位置确定之后，可以根据在直角坐标系中的坐标获取该位置的地理信息，其中包括环境状态信息等相关的信息。所设置的参考坐标点上，设置有通信模块，为了实现长距离的通信，可以设置无线通信模块，该通信模块用于实现与管道上的传感器监测点、以及管道管理系统中各个相关装置的通信。参考坐标点在x、y轴上设置的间隔距离，可以根据实际情况下，天然气管道所占的长度或管道网所覆盖的面积，以及在监测过程中希望达到的定位精度等情况进行设置。
通过两个相邻传感器监测点的压力差数据是否超过压力差阈值，判断管道是否发生泄漏。在天然气管道上每间隔一定距离设置传感器监测点，获取位于传感器监测点的各传感器的压力监测数据和温度监测数据，以判断管道是否发生泄漏。传感器监测点的设置间隔距离与上述参考坐标点的设置原则基本一致。各个传感器监测点上设置有传感器，至少包括压力传感器和温度传感器，也包括有其他天然气管道监测常用的物理量监测用传感器，例如流量传感器、管壁应力传感器、湿度传感器等。传感器监测点的位置与参考坐标点的位置可能有重合。判断管道是否发生泄漏，可以根据以下步骤进行判断：
获取传感器监测点监测的压力数据与上一个传感器监测点的压力数据的差值ΔP，以及该传感器监测点监测的温度数据与原始温度数据的差值ΔT。上一个传感器监测点通常包括根据天然气在管道中的流动方向，位于该传感器监测点上游的并且相邻的一个传感器监测点的数据。根据差值ΔP和ΔT分别与压力差阈值和温度阈值的关系，判断是否发生管道泄漏：
若ΔP≥ΔPthresh1，则判断为发生管道泄漏；或者，
若|ΔT|≥ΔTthresh1，则判断为发生管道泄漏。
若ΔPthresh1>ΔP≥ΔPthresh2，则同时对该传感器监测点以及该传感器监测点的上一个传感器监测点的温度数据分别与原始温度数据的温度差值进行判断；
若|ΔT1|≥ΔTthresh2且|ΔT2|≥ΔTthresh2，则判断为发生管道泄漏。
若ΔP<Pthresh2且ΔT<Tthresh2，则返回继续进行比较。
其中，ΔPthresh1、ΔPthresh2分别为第一和第二压力差阈值，ΔTthresh1、ΔTthresh2分别为第一和第二温度阈值；ΔPthresh1>ΔPthresh2，Tthresh1>ΔTthresh2；ΔT1和ΔT2分别为该传感器监测点与原始温度数据的温度差值，以及该传感器监测点的上一个传感器监测点的温度数据与原始温度数据的温度差值。
在本实施例中，例如采用压力数据的差值ΔP是否超出压力差阈值的方式判断是否发生管道泄漏。当判断为发生管道泄漏时，确定泄漏点在所述直角坐标系中的位置，可以包括如下步骤：
判断传感器监测点是否分别与参考坐标点重合。由于采用压力数据的差值ΔP是否超出压力差阈值的方式判断是否发生管道泄漏，从而当判断为发生管道泄漏时，涉及的传感器监测点为两个传感器监测点，分别判断这两个传感器监测点是否分别与参考坐标点重合。
若两个传感器监测点均与对应的参考坐标点重合，则根据参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标。也就是说，当发生管道泄漏位置所在的传感器监测点均与参考坐标点重合时，该传感器监测点刚好位于直角坐标系的x轴或者y轴上，根据参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标。此时的计算方法可以参照图2中给出的示意图，结合图2，以传感器监测点刚好与位于直角坐标系的x轴上的参考坐标点重合为例，设具有压力差的两个传感器监测点分别重合的参考坐标点的坐标分别为x1和x2；
根据以下公式计算泄漏点的坐标m：
其中，v为管道中压力波的传播速度，Δt为两个传感器监测点接收到压力波的时间差。
若不重合，向各参考坐标点发送监测信息，并根据最先接收到该监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标。也就是说，当该传感器监测点没有位于直角坐标系的x轴或者y轴上时，需要确定其在直角坐标系中的位置。确定某点在直角坐标系中的位置，需要确认该点的x坐标信息和y坐标信息，由传感器监测点向各个参考坐标点发送泄漏点的监测数据以及时间信息数据，该时间信息数据为发送时刻的时间信息数据，各个参考坐标点根据发送时刻的时间信息数据，以及其接收到数据的接收时刻的时间信息数据，x轴上和y轴上分别有一个参考坐标点接收到同一数据的时间最早，根据这两个参考坐标点的坐标，可以计算出泄漏点处的坐标。此时的计算方法可以参照图3中给出的示意图，结合图3：
设最先接收到监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点对应的坐标分别为x01，x02，y01，y02；
根据以下公式计算泄漏点的坐标(x，y)：
其中，m01为泄漏点距离一个传感器监测点的距离，m02为泄漏点距离另一个传感器监测点的距离，v为管道中压力波的传播速度，Δt为两个传感器监测点接收到压力波的时间差。
根据泄漏点在所述直角坐标系中的位置，获取该泄漏点的实时环境状态，根据泄漏点的位置以及实时环境状态计算该泄漏可能导致的扩散结果。由于环境或者气象条件不同时，天然气泄漏的扩散程度也会不同，为了使得对于泄漏可能导致的扩散结果进行更加精确的推算，在计算时考虑了泄漏点处的湿度和温度等物理量的影响，来对泄漏点处的扩散浓度进行计算，该计算公式基于气体在不同条件下扩散的原理，以及基于实际情况下实验数据的拟合。
获取环境状态中的湿度H和温度T；
根据以下公式计算扩散浓度c：
其中，Q为泄漏流量，t为泄漏时间，σx、σy分别为x、y轴方向扩散参数，可以通过实验或者根据经验值获得，R为气体常数，x、y分别为泄漏点的x、y轴坐标。
基于所述泄漏点的位置、实时环境状态以及扩散结果进行故障调度处理。例如根据扩散浓度的高低来选择实施故障调度处理的方法等。
根据本发明的第二个实施例，提供了一种基于管道地理特点的管道故障调度装置，该装置的构成框图如图4所示，包括参考坐标设置模块、管道泄漏监测模块、地理信息获取模块、扩散结果推算模块、故障调度处理模块。
参考坐标设置模块，基于地理地图建立直角坐标系，所述直角坐标系覆盖所有待测天然气管道；在直角坐标系的x、y轴上每间隔一定距离设置参考坐标点。
管道泄漏监测模块，通过两个相邻传感器监测点的压力差数据是否超过压力差阈值，判断管道是否发生泄漏。
地理信息获取模块，判断为发生管道泄漏时，确定泄漏点在所述直角坐标系中的位置；根据泄漏点在所述直角坐标系中的位置，获取该泄漏点的实时环境状态。
扩散结果推算模块，根据泄漏点的位置以及实时环境状态计算该泄漏可能导致的扩散结果，可以按照以下方式进行计算：
获取环境状态中的湿度H和温度T；
根据以下公式计算扩散浓度c：
其中，Q为泄漏流量，t为泄漏时间，σx、σy分别为x、y轴方向扩散参数，R为气体常数，T为气体温度，x、y分别为泄漏点的x、y轴坐标。
故障调度处理模块，基于所述泄漏点的位置、实时环境状态以及扩散结果进行故障调度处理。
上述各个模块中的参考坐标设置、管道泄漏监测、扩散结果推算以及故障调度处理方式均与本发明第一个实施例中提供的方法相同，在此不再赘述。
根据本发明的第三个实施例，提供了一种基于管道地理特点的管道管理系统，该系统的构成框图如图5所示，包括故障监测装置、报警装置、GIS空间可视化装置、历史数据查询装置。
故障监测装置，对天然气管道的各项参数进行监测，将监测结果发送至系统中的其他各装置；并在发生管道泄漏时，确定泄漏点的位置、该泄漏点的实时环境状态，进行故障调度处理；并将上述确定的各项信息发送至报警装置和GIS空间可视化装置；该故障监测装置可以包括如本发明第二个实施例所述的管道故障调度装置。该故障监测装置可以通过设置在天然气管道上的传感器监测点的各个传感器对天然气管道的各项参数进行监测，所述各项参数包括但不限于温度数据、压力数据、流量数据、管壁应力数据、湿度数据等，并通过通信模块将所监测的数据向其他装置发送。
报警装置，接收故障监测装置的报警信号，以进行报警。
GIS空间可视化装置，基于故障监测装置确定的泄漏点的位置、该泄漏点的实时环境状态，以及该故障监测装置对各项参数的监测结果，对管道的故障情况进行三维可视化显示。
历史数据查询装置，对故障监测装置监测的各项参数进行存储，并对所存储的监测数据进行查询。
综上所述，本发明涉及一种基于管道地理特点的管道故障调度方法、装置及系统，当判断发生管道泄漏时，确定泄漏点在所建立的直角坐标系中的位置，并根据泄漏点在直角坐标系中的位置，获取该泄漏点的实时环境状态，以进一步来推算该泄漏可能导致的扩散结果，基于所述泄漏点的位置、实时环境状态以及扩散结果进行故障调度处理。通过建立覆盖整个天然气管道的直角坐标系以及设置于直角坐标系上的参考坐标点，在判断出发生泄漏故障时，能够快速定位泄漏点在坐标系中的位置，有利于及时发现泄漏点进行故障处理。在判断出发生泄漏故障的泄漏点的同时，获取泄漏点附近的环境情况，根据泄漏点附近的环境情况计算出该泄漏可能导致的扩散结果，在对扩散结果进行计算时，充分考虑了湿度、温度等环境条件因素，从而提高了扩散结果计算的精确性。基于推算的结果并结合泄漏点附近的环境情况进行故障调度处理，能够使得故障调度处理有更强的针对性，有效提高了故障处理和调度的效率和准确性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (3)
1.一种基于管道地理特点的管道管理系统，其特征在于，包括故障监测装置、报警装置、GIS空间可视化装置、历史数据查询装置；其中，
所述故障监测装置，对天然气管道的各项参数进行监测，将监测结果发送至系统中的其他各装置；并在发生管道泄漏时，确定泄漏点的位置、该泄漏点的实时环境状态，进行故障调度处理；并将上述确定的各项信息发送至报警装置和GIS空间可视化装置；该故障监测装置包括参考坐标设置模块、管道泄漏监测模块、地理信息获取模块、扩散结果推算模块、故障调度处理模块；
所述报警装置，接收故障监测装置的报警信号，以进行报警；
所述GIS空间可视化装置，基于故障监测装置确定的泄漏点的位置、该泄漏点的实时环境状态，以及该故障监测装置对各项参数的监测结果，对管道的故障情况进行三维可视化显示；
所述历史数据查询装置，对故障监测装置监测的各项参数进行存储，并对所存储的监测数据进行查询；
其中，所述参考坐标设置模块，基于地理地图建立直角坐标系，所述直角坐标系覆盖所有待测天然气管道；在直角坐标系的x、y轴上每间隔一定距离设置参考坐标点；
所述管道泄漏监测模块，通过两个相邻传感器监测点的压力差数据是否超过压力差阈值，判断管道是否发生泄漏；
所述地理信息获取模块，判断为发生管道泄漏时，确定泄漏点在所述直角坐标系中的位置，包括：判断传感器监测点是否分别与参考坐标点重合；若重合，则根据参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标；若不重合，向各参考坐标点发送监测信息，并根据最先接收到该监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标：设最先接收到监测信息的x轴和y轴上的参考坐标点对应的坐标分别为x01，x02，y01，y02；
根据以下公式计算泄漏点的坐标（x，y）：
其中，
为泄漏点距离一个传感器监测点的距离，
为泄漏点距离另一个传感器监测点的距离，v为管道中压力波的传播速度，
为两个传感器监测点接收到压力波的时间差；
所述地理信息获取模块，还根据泄漏点在所述直角坐标系中的位置，获取该泄漏点的实时环境状态；
所述扩散结果推算模块，根据泄漏点的位置以及实时环境状态计算该泄漏可能导致的扩散结果；
所述故障调度处理模块，基于所述泄漏点的位置、实时环境状态以及扩散结果进行故障调度处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地理信息获取模块，根据参考坐标点的坐标以及泄漏点与传感器监测点之间的距离计算泄漏点在所述直角坐标系中的坐标，包括：
设具有压力差的两个传感器监测点分别重合的参考坐标点的坐标分别为x1和x2；
根据以下公式计算泄漏点的坐标m：
其中，v为管道中压力波的传播速度，为两个传感器监测点接收到压力波的时间差。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述扩散结果推算模块，根据泄漏点的位置以及实时环境状态计算该泄漏可能导致的扩散结果，包括：
获取环境状态中的湿度H和温度T；
根据以下公式计算扩散浓度c：
其中，Q为泄漏流量，t为泄漏时间，
、
分别为x、y轴方向扩散参数，R为气体常数，x、y分别为泄漏点的x、y轴坐标。
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