姜春雷， 郭遠(yuǎn)博， 付興濤， 王天昊

( 1. 東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 南京大學(xué) 工程管理學(xué)院，江蘇 南京 210093； 3. 大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163453； 4. 天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300160 )

0 引言

管道輸送具有安全、方便、快捷、易于管理等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用,隨著管道的老化和人為的破壞,管道泄漏經(jīng)常發(fā)生,因此管道泄漏檢測(cè)一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題．目前泄漏檢測(cè)方法主要有電纜泄漏檢測(cè)法、光纖泄漏檢測(cè)法、負(fù)壓波法、聲發(fā)射法、實(shí)時(shí)模型法、統(tǒng)計(jì)決策法等[1-5],其中光纖泄漏檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)漏點(diǎn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確,缺點(diǎn)是容易被施工破壞,并且投資較大.負(fù)壓波法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資小,施工、維護(hù)方便,缺點(diǎn)是檢測(cè)精度差,對(duì)于微小泄漏不適用.此外,這些方法多適用于單條管道,管道網(wǎng)絡(luò)的泄漏檢測(cè)技術(shù)更加復(fù)雜.由于管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜,管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、工況很難用數(shù)學(xué)模型精確描述,因此管網(wǎng)泄漏檢測(cè)是一種特殊類(lèi)型信號(hào)的檢測(cè),檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)環(huán)境變化的不同,自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)以適應(yīng)不同的環(huán)境.

傳統(tǒng)的管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)智能化程度較低,且單一傳感器信號(hào)易引起誤報(bào)和漏報(bào).因此,研究基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的管網(wǎng)泄漏檢測(cè)技術(shù),即采用多傳感器獲得管網(wǎng)泄漏的多種信號(hào)參數(shù),如負(fù)壓波、流量等,通過(guò)對(duì)信號(hào)參數(shù)綜合處理判斷管網(wǎng)泄漏情況,由多種信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)融合得到泄漏判決結(jié)果[6-8].

供熱管網(wǎng)的泄漏檢測(cè)不同于輸油、輸氣、供水等,因?yàn)槠鋼Q熱站點(diǎn)多面廣,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一處泄漏可能影響其他的換熱站采集信號(hào)狀態(tài).在供熱管網(wǎng)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中,多傳感器采集的管網(wǎng)泄漏信號(hào)經(jīng)過(guò)提取泄漏敏感特征參數(shù)后,還需要綜合分析這些異類(lèi)(不同類(lèi)型的信號(hào))泄漏特征參數(shù).由于管網(wǎng)泄漏檢測(cè)的復(fù)雜性、多變性,若通過(guò)嚴(yán)密的邏輯推理和精確計(jì)算診斷,則需要綜合考慮各種可能因素進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模,實(shí)現(xiàn)難度較大[9-10].筆者采用軟件與硬件結(jié)合的多傳感器數(shù)據(jù)融合供熱管網(wǎng)泄漏識(shí)別方法，即先由傳感器級(jí)進(jìn)行泄漏判決，然后再把判決采集上傳到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行泄漏特征級(jí)的數(shù)據(jù)融合[11-14].

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，其中：實(shí)心方點(diǎn)表示熱源,實(shí)心圓點(diǎn)表示換熱站,空心圓點(diǎn)表示熱網(wǎng)補(bǔ)償器.補(bǔ)償器是為消除因熱膨脹伸長(zhǎng)給管網(wǎng)產(chǎn)生熱應(yīng)力的影響而設(shè)置的能抵消其熱應(yīng)力的設(shè)備,通常安裝在檢查井內(nèi).設(shè)熱網(wǎng)內(nèi)共有p個(gè)換熱站、q個(gè)補(bǔ)償器,熱力站裝有溫度(泄漏定位補(bǔ)償)、負(fù)壓波、流量變送器,還有GPS校時(shí)器，保證在同一時(shí)刻采集數(shù)據(jù).補(bǔ)償器安裝具有GPRS模塊的溫度、液位傳感器,能夠把采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心.

圖1 供熱管網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

1.1 補(bǔ)償器數(shù)據(jù)采集模塊

補(bǔ)償器數(shù)據(jù)采集模塊由參數(shù)采集單元、供電單元、微控制器、通信單元等部分組成(見(jiàn)圖2).補(bǔ)償器數(shù)據(jù)采集模塊工作環(huán)境由鋰電池供電,采用超低功耗設(shè)計(jì),采集單元由傳感器、比較器、數(shù)字電位器、A/D等部分構(gòu)成.比較器是為降低功耗而設(shè)計(jì)的,與數(shù)字電位器協(xié)同工作.該模塊分為泄漏監(jiān)測(cè)和防盜監(jiān)測(cè)部分.

(1)泄漏監(jiān)測(cè)部分由1個(gè)液位計(jì)與4個(gè)溫度傳感器構(gòu)成,對(duì)檢查井井內(nèi)水位、補(bǔ)償器管壁溫度(包括供水和回水)和井內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).液位計(jì)安裝在檢查井底部,當(dāng)補(bǔ)償器泄漏時(shí),井底積水引起液位計(jì)報(bào)警；4個(gè)溫度傳感器分別安在補(bǔ)償器管壁(供、回水各1個(gè))和井內(nèi)(2個(gè)).補(bǔ)償器管壁上的2個(gè)溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)供、回水溫度,比較供、回水溫度與數(shù)據(jù)處理中心傳過(guò)來(lái)的供、回水溫度,如果溫度差(供、回水分開(kāi)比較)小于規(guī)定的溫度差,認(rèn)為補(bǔ)償器泄漏；井內(nèi)的2個(gè)溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)檢查井內(nèi)溫度,比較井內(nèi)溫度與管壁溫度,如果溫度差小于規(guī)定的溫度差,也認(rèn)為補(bǔ)償器泄漏.

圖2 補(bǔ)償器數(shù)據(jù)采集模塊

(2)防盜部分主要監(jiān)測(cè)井蓋的開(kāi)啟情況,當(dāng)井蓋被打開(kāi)時(shí),通過(guò)GPRS向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送報(bào)警信號(hào).GPRS通信模塊用于和數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,發(fā)送報(bào)警信息和接收數(shù)據(jù)處理中心發(fā)來(lái)的管內(nèi)溫度.微控制器用于控制數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理.當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí),數(shù)字電位器的電壓對(duì)應(yīng)補(bǔ)償器非泄漏的電信號(hào)電壓,平時(shí)微控制器MCU處于空閑狀態(tài)、GPRS模塊處于休眠狀態(tài),只有傳感器和比較器工作,傳感器采集的電信號(hào)到達(dá)比較器,與數(shù)字電位器的電壓進(jìn)行比較,如果小于數(shù)字電位器的電壓,認(rèn)為無(wú)泄漏發(fā)生,不用觸發(fā)MCU；如果大于數(shù)字電位器的電壓,認(rèn)為可能有泄漏問(wèn)題,比較器觸發(fā)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析,如果判斷補(bǔ)償器泄漏,MCU喚醒GPRS無(wú)線模塊,把報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)行泄漏報(bào)警.

1.2 熱力站數(shù)據(jù)采集模塊

熱力站數(shù)據(jù)采集模塊由參數(shù)采集單元、智能數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、GPS校時(shí)器、通信單元等部分組成(見(jiàn)圖3).各熱力站數(shù)據(jù)采集模塊的系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)間由GPS校時(shí)器提供時(shí)間基準(zhǔn),用以確保泄漏檢測(cè)的定位精度.參數(shù)采集單元用于采集熱力站的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù),由傳感器、A/D等部分構(gòu)成.為了降低數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量,智能數(shù)據(jù)處理單元將采集的壓力、流量、溫度、采集時(shí)間等存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,同時(shí)對(duì)壓力、流量以毫秒為周期進(jìn)行比較，當(dāng)壓降、流量降超過(guò)既定的經(jīng)驗(yàn)閾值時(shí)(壓力取為0.01 MPa,流量取為0.005 m3),判斷可能有泄漏發(fā)生,這時(shí)智能數(shù)據(jù)處理單元從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元取出帶有時(shí)間戳的前10 s的采集數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳給數(shù)據(jù)處理中心.數(shù)據(jù)處理中心通過(guò)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)判斷泄漏是否發(fā)生.

圖3 熱力站數(shù)據(jù)采集模塊

2 數(shù)據(jù)融合算法

設(shè)供熱管網(wǎng)的泄漏檢測(cè)狀態(tài)為0或1(0表示“泄漏”,1表示“非泄漏”).每個(gè)泄漏檢測(cè)狀態(tài)由n(n=2)個(gè)泄漏報(bào)警值表示,包括熱力站的負(fù)壓波、流量報(bào)警信號(hào) (溫度參數(shù)在泄漏點(diǎn)定位時(shí)用于負(fù)壓波傳輸補(bǔ)償),由n個(gè)泄漏報(bào)警值構(gòu)成管網(wǎng)泄漏檢測(cè)的報(bào)警值[15]為

η1={0,1},

η2={1,2},

其中η1為泄漏檢測(cè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的2個(gè)泄漏類(lèi)別的集合；η2為對(duì)應(yīng)泄漏檢測(cè)模式n個(gè)報(bào)警值類(lèi)別構(gòu)成的集合.

只對(duì)熱力站的泄漏目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合, 如果補(bǔ)償器檢測(cè)到泄漏,則直接進(jìn)行熱網(wǎng)泄漏報(bào)警.設(shè)i?η1,j?η2,第i類(lèi)管網(wǎng)泄漏在第j泄漏報(bào)警值有p個(gè)取值，則第i類(lèi)管網(wǎng)泄漏共有np個(gè)泄漏報(bào)警值,管網(wǎng)泄漏檢測(cè)的2個(gè)泄漏類(lèi)共有2np個(gè)泄漏報(bào)警值.

設(shè)在某一個(gè)時(shí)刻,管網(wǎng)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中多種傳感器可采集p個(gè)目標(biāo),構(gòu)成泄漏集合：

A={A1,A2,…,Ap},

其中Al(1≤l≤p)為構(gòu)成該類(lèi)泄漏檢測(cè)目標(biāo)的報(bào)警值.把Al={Al(j)|j?η2}作為管網(wǎng)泄漏檢測(cè)的分析序列,選取模型庫(kù)已知序列Ao作為比較序列：

Ao={Ao(j)|j?η2},o=1,2,…,m,

其中m為模型庫(kù)中含有泄漏模型的數(shù)量.根據(jù)近3a供熱管網(wǎng)泄漏壓力和流量的歷史數(shù)據(jù)分析結(jié)果，建立模型庫(kù).

根據(jù)灰關(guān)聯(lián)公式,Ao與Al的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξl(j)為

(1)

式中：ρ是分辨系數(shù),取經(jīng)驗(yàn)值，即ρ=0.4，則Al(j)與Ao(j)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為ξl={ξl(j),j?η2}.

Ao與Al的關(guān)聯(lián)度β(Ao,Al)為

(2)

這里χ(j)=0.5,表示相應(yīng)泄漏目標(biāo)的加權(quán)系數(shù).

為解決泄漏信號(hào)的不確定性和冗余性,采用證據(jù)理論對(duì)泄漏信任度重新分配,由式(2)可以得到t個(gè)泄漏樣本的關(guān)聯(lián)度集合：

G(s)={βi(Ao(s),Ai)|i∈(1,2,…,p)},

(3)

式中：s=1,2,…,t.

在Bayes信任結(jié)構(gòu)下,可以得出管網(wǎng)泄漏的判決條件為

(4)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將文中提出的供熱管網(wǎng)泄漏檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于某熱電廠的供熱系統(tǒng),該系統(tǒng)有熱源1個(gè)、熱力站38座、補(bǔ)償器泄漏檢查井121個(gè),供熱管網(wǎng)全長(zhǎng)為89 km.每個(gè)熱力站均裝有數(shù)據(jù)采集模塊,用于采集流量、負(fù)壓波、溫度等信號(hào).每個(gè)補(bǔ)償器泄漏檢查井裝有補(bǔ)償器泄漏檢測(cè)系統(tǒng),采用鋰電池供電.每個(gè)熱力站與數(shù)據(jù)處理中心采用GPRS通信,由數(shù)據(jù)處理中心通過(guò)GPS統(tǒng)一對(duì)各熱力站校時(shí).數(shù)據(jù)處理中心軟件采用C#編寫(xiě),數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL SERVER2005.應(yīng)用時(shí)間為2個(gè)采暖期(每個(gè)采暖期6個(gè)月).

(1)補(bǔ)償器檢查井泄漏檢測(cè)系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)全部泄漏情況并及時(shí)上傳數(shù)據(jù)處理中心,供電鋰電池能夠持續(xù)供電1個(gè)采暖期,每個(gè)月GPRS流量小于30 Mb.

(2)熱力站數(shù)據(jù)采集模塊能夠監(jiān)測(cè)流量、負(fù)壓波等參數(shù)的微小變化,并及時(shí)上傳數(shù)據(jù)處理中心.

(3)為驗(yàn)證多傳感器數(shù)據(jù)融合算法在泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用效果,選擇3種泄漏量(τ>10%、5%<τ<10%、τ<5%)進(jìn)行對(duì)比,τ表示供熱管道泄漏瞬時(shí)流量與管道瞬時(shí)流量之比.

不同融合次數(shù)泄漏檢測(cè)結(jié)果(取融合次數(shù)分別為t=2、t=4、t=6)見(jiàn)表1.多傳感器與單一傳感器在供熱管網(wǎng)泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用效果見(jiàn)表2.這里取負(fù)壓波數(shù)據(jù),并應(yīng)用小波分析泄漏檢測(cè)方法.

表1 不同融合次數(shù)泄漏檢出率

表2 小波分析與數(shù)據(jù)融合泄漏檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)研究多傳感器數(shù)據(jù)融合的供熱管網(wǎng)泄漏檢測(cè)技術(shù),包括硬件數(shù)據(jù)采集、泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和軟件數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)的合理性和算法的有效性.

(2)基于證據(jù)理論的數(shù)據(jù)融合方法對(duì)供熱管網(wǎng)的泄漏檢測(cè)有較好的適用性,當(dāng)供熱管網(wǎng)出現(xiàn)微小泄漏時(shí),其泄漏檢出率要比單一傳感器負(fù)壓波方法效果要好.

(3)隨著融合次數(shù)的增加,雖然供熱管網(wǎng)泄漏的識(shí)別正確率增加,但計(jì)算復(fù)雜度也同時(shí)增加,系統(tǒng)實(shí)時(shí)性下降,這是今后要研究的內(nèi)容.