输气管道泄漏的智能检测与定位方法研究

摘要

作为同公路、铁路、水运、航运并驾齐驱的五大运输行业之一的管道运输系统，因其具有环保、快捷、经济等优点，在国民经济中的地位愈加突出。但由于自然侵蚀、意外损坏，加上不法分子的偷窃破坏等缘故，使得管道泄漏事件经常发生，它不但造成了大量的经济损失和环境污染，而且可能带来极其严重的人身伤亡事故。气体运输占管道运输的比重逐年增加，由此，输气管道泄漏检测与定位方法的研究对于维持管道安全运行、保护人民生命及财产安全具有重要的现实意义。 音波法具有误报率低、定位精度较高的优点，是目前具有发展潜力的输气管道泄漏检测与定位方法。虽然音波法泄漏检测技术具有诸多优势，但由于气体的可压缩性增加了气体泄漏检测的难度，且现有的音波泄漏检测系统的准确度不理想，造价昂贵，在信号滤波方面存在瓶颈，因此并未在我国西气东输等重大工程上得到推广应用。 音波定位法主要依靠音波在管道中的传播速度及管道长度两个参数来进行泄漏检测及定位，实际中由于管道运营管理不善，原始施工图纸缺失或管道所处环境复杂等原因，往往使这两个参数的取值不够精确，严重影响了音波法对管道泄漏点的定位精度。因此，本文分析了泄漏音波信号在管道中传播时表现出的信号特征，阐述了盲系统辨识方法的基本原理。针对泄漏音波信号传播信道这种高阶系统存在的病态问题，采用相关函数配准原理构建出代价函数。通过高阶信道盲辨识算法求取管道长度和音波速度，从而对音波定位法的相关参数进行了分析。 针对音波传感器采集到的管道泄漏信号存在噪声问题，本文采用小波阈值法对音波泄漏信号进行降噪处理，并对小波分析的三个要素，即小波分解的尺度、阈值选取的规则、小波基的选择方法进行了分析对比，确定了泄漏音波信号的小波降噪参量，并分别采用BP(Back Propagation)神经网络和径向基函数神经网络对泄漏点进行定位。通过仿真对比及音波信号衰减规律的研究，验证了小波降噪方法的可行性及径向基函数神经网络较BP神经网络定位方法的准确性。 由于泄漏音波信号具有非平稳特征，因此，本文采用适用于非平稳信号时频分析的局部均值方法从这些信号中提取幅值和频率随时间变化的规律并对其分析。通过仿真验证了此方法可以有效地把握不同孔径下管道泄漏信号的特征，对准确判断漏点孔径大小、快速制定管道泄漏抢救方案、评估管道泄漏事故规模提供了十分重要的依据。 不同于液体管道，输气管道内泄漏音波信号的流动特性与管内压力、流速、温度和密度等影响较大，针对非等温的输气管道，工况会更加复杂。因此，本文根据管道沿程温度的变化及管内气体流动特性的不同，分别采用了等温定位法及变步长精细Runge-Kutta法对等温管道及非等温管道进行漏点检测与定位。经仿真验证，变步长精细Runge-Kutta法泄漏定位的效果优于等温定位法。

目录

声明

摘要

1．1目的及意义

1．2音波泄漏检测国内外研究现状

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．3泄漏检测方法及其评价指标

1．3．1泄漏检测方法

1．3．2主要评价指标

1．4存在的问题

1．5本文主要工作

第2章音波泄漏检测与定位方法

2．1引言

2．2音波法泄漏检测原理

2．3音波法泄漏定位原理

2．4音波检测研究进展

2．5音波检测存在的问题

2．6本章小节

第3章基于盲系统辨识的音波法参数分析

3．1引言

3．2时间差参数分析

3．2．1音波信号泄漏特点

3．2．2音波泄漏信号互相关函数

3．3音速参数分析

3．4管道长度参数分析

3．4．1盲系统辨识原理

3．4．2基于盲系统辨识的管道长度估计

3．5本章小节

第4章基于小波神经网络的音波信号降噪方法研究

4．1引言

4．2降噪方法的确定

4．3小波变换和傅里叶变换

4．3．1傅里叶变换

4．3．2傅里叶变换的局限性

4．3．3小波变换

4．3．4小波变换和傅里叶变换降噪效果对比

4．4奇异性分析

4．5基于小波变换的管道泄漏信号降噪方法研究

4．5．1小波分析信号降噪原理及步骤

4．5．2小波基函数、分解尺度及阈值处理方法的选择

4．5．3泄漏音波信号降噪仿真研究

4．6基于BP神经网络的管道泄漏定位方法研究

4．6．1人工神经网络

4．6．2 BP神经网络的建立

4．6．3基于BP神经网络泄漏定位

4．7基于RBF神经网络的管道泄漏定位方法研究

4．7．1 RBF神经网络

4．7．2 RBF神经网络的训练

4．7．3基于RBF神经网络泄漏定位

4．8误差对比分析结果

4．9本章小节

第5章基于LMD-PCA-RWSVM的音波信号提取及泄漏辨识

5．1引言

5．2局部均值分解时频分析方法

5．2．1与经验模态分解方法的比较

5．2．2 LMD时频分析的优点

5．3基于PCA的音波泄漏信号特征提取

5．3．1主成分分析PCA

5．3．2T2统计量和核密度估计方法

5．3．3 SPE统计量

5．3．4基于PCA的泄漏信息特征提取

5．4．1 SVM概述

5．4．2多类SVM

5．4．3 RWSVM的优点

5．5基于LMD-PCA-RWSVM泄漏信号特征提取及辨识

5．6本章小节

第6章非等温输气管道的泄漏检测与定位方法研究

6．1引言

6．2输气管道基本模型

6．3等温输气管道泄漏定位仿真研究

6．3．2基于等温定位法的输气管道泄漏定位研究

6．4非等温输气管道泄漏定位仿真研究

6．4．1非等温输气管道模型建立

6．4．2变步长精细龙格-库塔法

6．4．3基于变步长精细龙格-库塔法的管道泄漏定位研究

第7章结论及展望

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间的主要工作及成果

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