李志猛，戚甫銳，張茜

(中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司 濰坊輸油處， 山東 濰坊 261021)

1 管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)的必要性

2008年，中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司濰坊輸油處啟動(dòng)了東臨、東黃線檢漏系統(tǒng)升級(jí)改造工程。在此之前，濰坊處檢漏系統(tǒng)對(duì)于小信號(hào)的泄漏判斷存在誤報(bào)警、定位距離偏大的現(xiàn)象。此外，原檢漏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)Modem電話撥號(hào)的方式將子站的壓力數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)度室中心站進(jìn)行檢漏定位。由于電話通信線路不穩(wěn)定，造成通信質(zhì)量不好時(shí)存在數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，影響管線運(yùn)行壓力的分析。同時(shí)隨著輸油管線的老化以及反打孔盜油的任務(wù)的嚴(yán)峻性，管道檢漏監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)小信號(hào)的泄漏判斷提出了更高的要求，因而對(duì)檢漏系統(tǒng)升級(jí)改造勢(shì)在必行。

2 管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 泄漏監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用LabVIEW虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，根據(jù)LabVIEW平臺(tái)上構(gòu)造復(fù)雜多任務(wù)并行應(yīng)用程序的技術(shù)，針對(duì)平臺(tái)的多任務(wù)調(diào)度，盡量地使用動(dòng)態(tài)調(diào)用，優(yōu)化了程序結(jié)構(gòu)，使程序運(yùn)行更加平穩(wěn)、可靠；并且根據(jù)模塊化軟件設(shè)計(jì)方法，使界面更友好、操作簡(jiǎn)單方便。管道泄漏系統(tǒng)的中心站設(shè)在處調(diào)度室，并且中心站配置2臺(tái)計(jì)算機(jī)分別與各個(gè)子站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，此2臺(tái)計(jì)算機(jī)互為備份，完成相同的監(jiān)控功能。管線上各子站的數(shù)據(jù)采集裝置不斷采集管道的壓力等工況信息，初步判斷是否有泄漏信號(hào)發(fā)生，然后將采集的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼镜挠?jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析，判斷管線上是否有泄漏發(fā)生。當(dāng)發(fā)生泄漏事故時(shí)，將發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并對(duì)泄漏點(diǎn)定位，給出漏點(diǎn)位置信息。整個(gè)管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)由子站、中心站、通信三部分組成，全部采用高性能的Dell工作站。

2.2 采用高精度數(shù)據(jù)卡提高采樣速率

為了提高泄漏檢測(cè)的靈敏度和定位精度，壓力信號(hào)采樣頻率要達(dá)到100Hz以上。各子站進(jìn)出站壓力變送器完成壓力信號(hào)的采集，4～20mA電流信號(hào)經(jīng)防雷模塊接入各站的SCADA系統(tǒng)，同時(shí)將電流信號(hào)串聯(lián)接入到管道泄漏信號(hào)調(diào)理器并轉(zhuǎn)化為-10～10V的電壓信號(hào)，調(diào)理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波后接入到基于國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將原來(lái)的12位A/D轉(zhuǎn)換的PCI-6023E更換為16位A/D轉(zhuǎn)換的PCI-6220，具有精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，采樣速率可到200Kbit/s，提高了泄漏檢測(cè)的靈敏度和定位精度。

2.3 采用TCP/IP和FTP并行工作方式

為了對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，必須實(shí)時(shí)獲得管線各站的管道運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此通暢的數(shù)據(jù)通信是必不可少的。通信方式將原來(lái)的Modem撥號(hào)方式改為以太網(wǎng)方式，采用TCP/IP協(xié)議接收子站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且為了更好地實(shí)時(shí)監(jiān)控，中心站服務(wù)器采用了雙機(jī)熱備技術(shù)。此外，為了避免網(wǎng)絡(luò)通信暫時(shí)中斷造成壓力采集數(shù)據(jù)中心站丟失數(shù)據(jù)包的現(xiàn)象，檢漏系統(tǒng)采用了FTP程序和實(shí)時(shí)TCP/IP通信并行工作的方式。子站的壓力數(shù)據(jù)在往中心站實(shí)時(shí)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，在本地電腦建立緩存區(qū)以記錄采集壓力數(shù)據(jù)。子站的數(shù)據(jù)每隔1h就生成1個(gè)文件表，中心站每隔1h向子站校對(duì)數(shù)據(jù)表。如果中心站校對(duì)之后發(fā)現(xiàn)缺失子站的數(shù)據(jù)表，這時(shí)就啟動(dòng)FTP程序，子站向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)表，這樣就解決了網(wǎng)絡(luò)中斷及中心站掉數(shù)據(jù)包的問(wèn)題，更好地便于壓力信號(hào)的分析。

3 卡爾曼濾波和序貫概率比檢驗(yàn)算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 基于LabVIEW的卡爾曼濾波算法的實(shí)現(xiàn)

卡爾曼濾波器是最佳的遞歸估計(jì)器，其顯著特點(diǎn)是用狀態(tài)空間概念來(lái)描述其數(shù)學(xué)公式，通過(guò)遞歸計(jì)算其解，不要求保存過(guò)去的測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)新數(shù)據(jù)測(cè)得以后，根據(jù)新的數(shù)據(jù)和前一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值，借助于系統(tǒng)本身的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程(動(dòng)態(tài)方程)，按照遞推公式，即可算出新的狀態(tài)估計(jì)值。

根據(jù)管道上實(shí)時(shí)采集的壓力信號(hào)序列的特點(diǎn)以及標(biāo)量卡爾曼濾波的算法，建立如下的模型：

s(k)=s(k-1)+w(k-1)

(1)

x(k)=s(k)+n(k)

(2)

式中：s(k)——狀態(tài)信號(hào)序列；n(k)——白噪聲序列，常稱(chēng)為測(cè)量噪聲；w(k)——零均值的白噪聲序列，常稱(chēng)為動(dòng)態(tài)噪聲或系統(tǒng)噪聲；x(k)——觀測(cè)序列。

那么該模型的卡爾曼遞推算法如下：

(3)

(4)

濾波誤差方差：

(5)

濾波方程：

?(k)=?(k-1)+b(k)[x(k)-?(k-1)]

(6)

新息：e(k)=x(k)-?(k-1)

(7)

(8)

設(shè)初始值：?(0)=E[s(k)]，p(0)=0

卡爾曼遞推算法流程如圖1所示。

圖1 卡爾曼遞推算法流程示意

卡爾曼濾波處理的輸入是待分析的壓力信號(hào)序列，由式(7)可知，卡爾曼濾波處理輸出是歸一化的新息序列，該新息序列能夠突出壓力波形的拐點(diǎn)，圖2是壓力變送器輸出的待分析的壓力信號(hào)序列；圖3是壓力波形經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波器處理后的波形，可以看出信號(hào)的噪聲減小許多，而且反映出原壓力波形的變化趨勢(shì)；圖4是各自對(duì)應(yīng)的新息波形，可以看到原壓力信號(hào)波形平緩的地方，新息的值在零附近，原壓力信號(hào)波形突變的拐點(diǎn)位置，其出現(xiàn)極值點(diǎn)，也就是說(shuō)壓力信號(hào)波形的拐點(diǎn)被明顯地突出出來(lái)了。這樣，只需增加簡(jiǎn)單的判斷算法就可準(zhǔn)確定出相應(yīng)拐點(diǎn)的位置，分別得到管道上下游的壓力信號(hào)波形拐點(diǎn)的位置后，二者做差就可得到負(fù)壓波法中的關(guān)鍵參數(shù)——時(shí)間差，算出泄漏發(fā)生地點(diǎn)。由于該方法對(duì)拐點(diǎn)比較敏感，因而靈敏度較高，定位較準(zhǔn)，可以有效地提高負(fù)壓波法中時(shí)間差的準(zhǔn)確度，從而降低誤報(bào)警率。

圖2 壓力信號(hào)序列波形

圖3 卡爾曼濾波處理后的波形

圖4 歸一化的新息波形

3.2 基于LabVIEW的序貫概率比檢驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

序貫概率比檢驗(yàn)(SPRT)是一種統(tǒng)計(jì)決策方法。在序貫概率比檢驗(yàn)中，參數(shù)空間被分成三個(gè)區(qū)域：接受域(接受H0)、拒絕域(拒絕H0)與不確定區(qū)域，三個(gè)區(qū)域由上下兩個(gè)邊界(A，B)來(lái)劃分，如圖5所示。

圖5 序貫概率比檢驗(yàn)方法示意

當(dāng)檢驗(yàn)參數(shù)大于上邊界A時(shí)，則立即做出決定，拒絕H0；當(dāng)檢驗(yàn)參數(shù)小于下邊界B時(shí)，亦可以立即做出決定，接受H0；當(dāng)檢驗(yàn)參數(shù)介于A～B時(shí)，不能立即做出決定，應(yīng)該繼續(xù)利用新的數(shù)據(jù)計(jì)算檢驗(yàn)參數(shù)，再進(jìn)行判斷。

將壓力信號(hào)經(jīng)卡爾曼濾波算法處理后，其歸一化的新息序列作為序貫概率比檢驗(yàn)的輸入序列，以滿(mǎn)足序貫概率比檢驗(yàn)的要求。輸油管道壓力信號(hào)的序貫概率比檢驗(yàn)參數(shù)λ(n)通常為

λ(n)=λ(n-1)+Δμ(Xn-Δμ/2)

(9)

式中：Δμ——均值的變化量。

SPRT的上下邊界為

A=ln[(1-β)/α]

(10)

B=ln((1-α)/β)

(11)

式中：α，β——允許的誤報(bào)警率和漏報(bào)警率。

當(dāng)檢驗(yàn)參數(shù)超過(guò)下邊界時(shí)，即可做出未發(fā)生泄漏判斷，然后檢驗(yàn)參數(shù)λ(n)的值重新從零開(kāi)始計(jì)算；當(dāng)檢驗(yàn)參數(shù)超出上邊界時(shí)，做出泄漏的判斷，并調(diào)用相應(yīng)的判斷程序給出泄漏時(shí)刻，檢驗(yàn)參數(shù)λ(n)同樣重新從零開(kāi)始計(jì)算。上述的判斷步驟是根據(jù)序貫概率比檢驗(yàn)的原理設(shè)計(jì)的，只有當(dāng)檢驗(yàn)參數(shù)未超過(guò)上下邊界時(shí)無(wú)法做出是否泄漏的判斷，繼續(xù)計(jì)算λ(n)，一旦其超出邊界，則做出判斷，并將檢驗(yàn)參數(shù)做歸零處理，重新開(kāi)始計(jì)算。壓力信號(hào)序列經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波和歸一化等處理后，檢驗(yàn)參數(shù)λ(n)的計(jì)算見(jiàn)式(9)，由該式可以看出參數(shù)Δμ的選擇對(duì)λ(n)的影響較大。當(dāng)Δμ值較大時(shí)，容易引起誤報(bào)警；當(dāng)Δμ值較小時(shí)，又會(huì)漏報(bào)警，兩者都是不可取的。因此，選擇參數(shù)Δμ的原則就是盡量使誤報(bào)警率和漏報(bào)警率最低，一般均值偏差Δμ取值范圍為0.10～0.15。

4 結(jié)術(shù)語(yǔ)

該檢漏系統(tǒng)通過(guò)更換高頻數(shù)據(jù)采集卡、采用以太網(wǎng)FTP程序和實(shí)時(shí)TCP/IP通信并行工作的通信方式，并且以解決負(fù)壓波檢測(cè)管道泄漏方法的關(guān)鍵參數(shù)——時(shí)間差的獲得為基礎(chǔ)，提出了卡爾曼濾波和序貫概率比檢驗(yàn)的算法，實(shí)現(xiàn)了提高管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的目的，最大定位距離不超過(guò)0.4km，并且對(duì)于小泄漏信號(hào)的檢漏率達(dá)到了90%以上。

參考文獻(xiàn)：

[1]李曉維.虛擬儀器技術(shù)分析[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，1996，10(03)：9-13.

[2]王立寧，李健，靳世久.熱輸原油管道瞬態(tài)壓力波法泄漏點(diǎn)定位研究[J].石油學(xué)報(bào)，2000，21(04)：93-96.

[3]朱愛(ài)華.卡爾曼濾波和序貫概率比檢驗(yàn)在管道泄漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[D].天津：天津大學(xué)，2006：19-39.

[4]賈沛章，朱征桃.最優(yōu)估計(jì)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1984：33-45.

[5]許樹(shù)聲.信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985：157-162.

[6]向敬成.信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1994：171-177.

[7]朱愛(ài)華，靳世久，曾周末.卡爾曼濾波在管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表，2005，32(05)：57-60.

[8]陳春剛，王毅，楊振坤.利用假設(shè)檢驗(yàn)理論進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)[J].石油化工設(shè)備，2004，33(02)：46-49.

[9]蔡正敏，彭飛，易發(fā)新，等.長(zhǎng)輸管道泄漏故障診斷方法的研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19(02)：38-43.

[10]陳春剛，王毅，楊振坤.利用假設(shè)檢驗(yàn)理論進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)[J].石油化工設(shè)備，2004，33(02)：46-49.

[11]高炳坤，賈瑩.基于聲波的天然氣管道泄漏檢測(cè)與定位[J].化工自動(dòng)化及儀表，2013,40(03): 305-308.

[12]尹斌，陳健飛，盛華.基于風(fēng)險(xiǎn)的油田油氣集輸管線維護(hù)決策優(yōu)化方法[J].化工設(shè)備與管道，2012，49(02)：55-58.