李鳳濱

(遼寧省大伙房水庫輸水工程建設(shè)局，遼寧 沈陽 110166)

基于方差檢驗(yàn)法的長距離輸水管線運(yùn)行狀態(tài)評價

李鳳濱

(遼寧省大伙房水庫輸水工程建設(shè)局，遼寧 沈陽 110166)

為了能夠及時發(fā)現(xiàn)長距離輸水管線泄漏等的異常狀況，需要對其壓力流量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。本文提出運(yùn)用方差檢驗(yàn)法來判斷壓力流量等監(jiān)測數(shù)據(jù)平穩(wěn)狀況，結(jié)合壓力流量的平穩(wěn)狀況來判斷管線是否運(yùn)行正常。結(jié)果表明：運(yùn)用方差檢驗(yàn)法可以準(zhǔn)確判斷壓力或流量的監(jiān)測數(shù)據(jù)是否平穩(wěn)；結(jié)合壓力、流量的方差檢驗(yàn)結(jié)果可以準(zhǔn)確判斷管線是否運(yùn)行正常。此方法運(yùn)用簡單，有助于及時發(fā)現(xiàn)威脅管線安全的因素。

長距離輸水管線； 泄漏； 方差檢驗(yàn)法

1 引 言

遼寧省大伙房水庫輸水(二期)工程管線長度約154.4km，承擔(dān)遼寧中部多個大城市的供水任務(wù)，供水保證率95%，具有輸水距離長、供水量大、供水目標(biāo)多的特點(diǎn)。該工程在重要節(jié)點(diǎn)上布設(shè)了流量計(jì)、壓力傳感器，自動化系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)娇刂浦行?。自動化系統(tǒng)采集的水力參數(shù)在工程中具有重大意義：監(jiān)視全線壓力穩(wěn)定、流量平衡；輔助調(diào)整各城市的供水量，確保及時充足供水；監(jiān)視全線，及時發(fā)現(xiàn)爆管、泄漏等威脅到全線安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況。但由于流量計(jì)、壓力傳感器等用于監(jiān)視的傳感器只設(shè)置在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，導(dǎo)致兩個相鄰的傳感器距離較遠(yuǎn)，它們之間的管線較長，當(dāng)該管線中某個位置出現(xiàn)威脅工程安全的情況(如：泄漏)時并不容易被發(fā)現(xiàn)。管線發(fā)生泄漏是管線運(yùn)行中的異常情況，針對該情況已有許多學(xué)者對此進(jìn)行研究，例如：輸油管道上光纖檢漏法[1]、負(fù)壓波法[2]等。其中光纖檢漏法靈敏度越高對成本要求越高，負(fù)壓波法對泄漏量要求較大。本文將從理論上分析在出現(xiàn)不同的運(yùn)行狀態(tài)時，壓力、流量等水力參數(shù)表現(xiàn)出的特征狀態(tài)，對其進(jìn)行歸納分析得到一套理論方法，該方法能夠從壓力、流量等水力參數(shù)變化的角度評判長距離輸水管線的運(yùn)行狀態(tài)。

本文將利用方差檢驗(yàn)法，綜合分析壓力、流量等水力參數(shù)的數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而評判長距離輸水管線的運(yùn)行狀態(tài)。

2 長距離輸水監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析理論

水力參數(shù)的數(shù)據(jù)分析結(jié)論，可分為正常運(yùn)行和異常運(yùn)行兩大類。若監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有一個好的分析方法，除非是非常明顯的異常(如：閥門開度突然變大)，否則不容易被發(fā)現(xiàn)，尤其對于一些緩慢的變化并不容易分辨判別，如：發(fā)生微量泄漏。

本文是以統(tǒng)計(jì)學(xué)的方差檢驗(yàn)法為基礎(chǔ)，評判壓力變化過程，若是出現(xiàn)異常，再對流量進(jìn)行方差檢驗(yàn)，若還是異常，說明此時段內(nèi)該段管線運(yùn)行狀態(tài)異常，并且根據(jù)出現(xiàn)異常的時間長短來判別異常原因。

2.1 方差檢驗(yàn)法運(yùn)用于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

當(dāng)管線運(yùn)行平穩(wěn)時，管線中水的流動接近層流，因此監(jiān)測到的壓力、流量等水力參數(shù)應(yīng)是平穩(wěn)的，且變化不大[3-5]，之所以變化是由于電氣設(shè)備采集導(dǎo)致，這是不可避免的，并且這對判斷是否實(shí)時采集是有利的，但它們的方差應(yīng)該是在某一范圍內(nèi)，否則將導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)散不平穩(wěn)，本文利用這一方差范圍展開理論分析，即認(rèn)為若是數(shù)據(jù)的方差超出該范圍則說明管線運(yùn)行狀態(tài)異常。例如管線的出口壓力，在同一運(yùn)行狀態(tài)下，監(jiān)測數(shù)據(jù)的方差是小于σ0的，若不是這種情況，說明該輸水管線出現(xiàn)異常。方差檢驗(yàn)法就是對該出口壓力的方差進(jìn)行檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)學(xué)中的方差檢驗(yàn)是先假設(shè)數(shù)據(jù)總體的分布形態(tài)或數(shù)據(jù)總體的參數(shù)特征，然后利用樣本提供的信息判斷假設(shè)是否合理，若合理則接受原假設(shè)，不合理則拒絕原假設(shè)，從而對所研究的數(shù)據(jù)總體做出推斷。在本文中方差檢驗(yàn)結(jié)果合理表示數(shù)據(jù)平穩(wěn)正常，不合理表示數(shù)據(jù)異常。方差檢驗(yàn)法適合于判斷壓力、流量等水力參數(shù)的變化是否異常。

2.2 長距離輸水管線運(yùn)行狀態(tài)特征的分析

對水力參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析判斷結(jié)果有兩種：數(shù)據(jù)平穩(wěn)正常和數(shù)據(jù)異常。數(shù)據(jù)平穩(wěn)正常時，該段是正常運(yùn)行的。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，分幾種情況：?該段管線有調(diào)流；?該段管線的水力參數(shù)受其他段管線調(diào)流的影響；?有人在未經(jīng)總部允許的情況下將閥門打開或關(guān)閉，并且沒有記錄在案，這屬于誤操作情況；?管線泄漏；?自動化系統(tǒng)采集過程出錯。對于第?、?查看調(diào)度日志便可知道，但對?、?、?，則需要仔細(xì)分辨鑒定。這幾種異常情況有不同的特征可以將它們分辨：?、?、?只發(fā)生在閥門打開或關(guān)閉的過程中，持續(xù)時間短，當(dāng)操作結(jié)束后，水力參數(shù)將會進(jìn)入正常平穩(wěn)狀態(tài)；?對應(yīng)管線泄漏一般要持續(xù)一段時間，并不隨調(diào)流操作結(jié)束而結(jié)束，將會一直持續(xù)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，直到進(jìn)入維修狀態(tài)，因此若是?，表征比較明顯，方差檢驗(yàn)結(jié)果異常將持續(xù)很久，并且壓力、流量等水力參數(shù)將同時出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常；?對應(yīng)自動化系統(tǒng)采集出錯，突然有一個很大的值或很小的值，這時，可以去掉最大值和最小值重新進(jìn)行方差檢驗(yàn)，若還是結(jié)果是異常，則觀察同一時間段其他水力參數(shù)的方差檢驗(yàn)(例如：出口壓力的方差檢驗(yàn)結(jié)果為異常，則對同一時段的進(jìn)口壓力或流量進(jìn)行方差檢驗(yàn))，若結(jié)果正常，則說明自動化系統(tǒng)采集出錯，下一個時間段的數(shù)據(jù)會回歸正常。綜上分析， ?、?兩種情況對管線運(yùn)行是有威脅的，當(dāng)出現(xiàn)?時應(yīng)及時處理；當(dāng)壓力、流量等水力參數(shù)同時出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，并且持續(xù)出現(xiàn)時，則該段管線需要注意，很可能存在泄漏。

3 工程實(shí)例

以大伙房水庫輸水(二期)工程中的一支線為例，該支線入口處調(diào)流閥安裝有壓力傳感器、流量計(jì)，壓力傳感器可觀測調(diào)流閥前后壓力變化，以高程表示，流量計(jì)可監(jiān)視通過調(diào)流閥的流量。調(diào)流閥連接一段較長的管線后接入水廠。本文以調(diào)流閥的進(jìn)口高程、出口高程和流量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行評判該段管線(支線)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.1 實(shí)例1：正常運(yùn)行狀態(tài)的判斷

以調(diào)流閥出口高程在2014年6月1日的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行評判。該日的出口高程數(shù)據(jù)如圖1所示，自動化系統(tǒng)所采集，間隔15min取一次，一天有96個數(shù)據(jù)，以30個數(shù)據(jù)作為一組樣本，可得三組獨(dú)立的樣本。以第一組樣本為例，運(yùn)用一個正態(tài)總體的方差檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，令σ0=0.035。

假設(shè)H0:σ2≤0.0352。

H1:σ2?0.0352(或)σ2≥0.0352。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

S——樣本標(biāo)準(zhǔn)差；

σ——總體標(biāo)準(zhǔn)差；

n——樣本數(shù)。

得S=0.33。給出統(tǒng)計(jì)量：

(2)

代入式(1)，n-1=29，可得χ2=26.85。

圖1 2014年6月1日調(diào)流閥出口高程過程曲線

分 組Sχ2判斷過程判斷結(jié)果出口高程第一組樣本總體(1～30)0.03426.85χ2≤χ20.05(29)接受第二組樣本總體(31～60)0.03224.73χ2≤χ20.05(29)接受第三組樣本總體(61～90)0.03834.79χ2≤χ20.05(29)接受

3.2 實(shí)例2：受其他段管線調(diào)流影響的情況分析

以2014年6月28日出口高程、進(jìn)口高程、流量監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，如圖2、圖3、圖4所示。按照實(shí)例1的方法進(jìn)行方差檢驗(yàn)，分析出口高程、進(jìn)口高程數(shù)據(jù)時σ0=0.035，分析流量數(shù)據(jù)時σ0=0.005。結(jié)果列于表2中。

圖2 2014年6月28日出口高程

圖3 2014年6月28日進(jìn)口高程

圖4 2014年6月28日流量

樣本總體編號Sχ2判斷過程判斷結(jié)果出口高程第一組(1～30)0.03936.14χ2≤χ20.05(29)接受第二組(31～60)0.02616.57χ2≤χ20.05(29)接受第三組(61～90)0.02920.56χ2≤χ20.05(29)接受進(jìn)口高程第一組(1～30)0.065100.03χ2≥χ20.05(29)拒絕第二組(31～60)0.03427.32χ2≤χ20.05(29)接受第三組(61～90)0.03326.08χ2≤χ20.05(29)接受流量第一組(1～30)0.00524.67χ2≤χ20.05(29)接受第二組(31～60)0.00645.47χ2≥χ20.05(29)拒絕第三組(61～90)0.00753.47χ2≥χ20.05(29)拒絕

表2中，進(jìn)口高程第一組數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。將其最大值去掉，補(bǔ)充鄰近數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成新一組樣本總體，重新檢驗(yàn)仍然拒絕原假設(shè)，但出口高程、流量監(jiān)測數(shù)據(jù)在該時段的方差檢驗(yàn)結(jié)果正常，說明是自動化系統(tǒng)采集引起的，下一時段將會恢復(fù)正常。流量數(shù)據(jù)第二、第三組數(shù)據(jù)出現(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果異常，但進(jìn)口高程、出口高程無異常，判斷為其他段管線調(diào)流引起的。經(jīng)過日志查詢，這兩個時段穩(wěn)壓塔在充水，全線壓力有波動，說明此方法判斷正確。

3.3 實(shí)例3：管道異常判斷

以2014年8月13日調(diào)流閥進(jìn)口高程、出口高程和流量的數(shù)據(jù)為例，這些數(shù)據(jù)變化如圖5、圖6、圖7所示，按照實(shí)例1所用方法進(jìn)行方差檢驗(yàn)，在分析出口高程、進(jìn)口高程數(shù)據(jù)時σ0=0.035，在分析流量數(shù)據(jù)時σ0=0.005。檢驗(yàn)過程列于表3中。

圖5 2014年8月13日出口高程

圖6 2014年8月13日進(jìn)口高程

圖7 2014年8月13日流量

樣本總體編號Sχ2判斷過程判斷結(jié)果出口高程第一組(1～30)0.05060.36χ2≥χ20.05(29)拒絕第二組(31～60)0.03935.87χ2≤χ20.05(29)接受第三組(61～90)0.06495.50χ2≥χ20.05(29)拒絕進(jìn)口高程第一組(1～30)0.03529χ2≤χ20.05(29)接受第二組(31～60)0.04546.91χ2≥χ20.05(29)拒絕第三組(61～90)0.04955.79χ2≥χ20.05(29)拒絕流 量第一組(1～30)0.012160χ2≥χ20.05(29)拒絕第二組(31～60)0.014231χ2≥χ20.05(29)拒絕第三組(61～90)0.018417χ2≥χ20.05(29)拒絕

4 討 論

a.在對同一管線同一水力參數(shù)不同時段進(jìn)行方差檢驗(yàn)法分析時，合理的σ0是可以通用的。例如：調(diào)流閥出口高程的數(shù)據(jù)，進(jìn)行方差檢驗(yàn)時可通用同一σ0，這意味著調(diào)流閥的開度發(fā)生變化時，調(diào)流閥出口高程的均值發(fā)生變化，用于方差檢驗(yàn)的σ0還是同一值，對工況適應(yīng)性好。

b.用方差檢驗(yàn)法有助于發(fā)現(xiàn)泄漏的起始時間。當(dāng)發(fā)現(xiàn)泄漏時，將鄰近時間段的數(shù)據(jù)用該方法去追溯，可判斷出發(fā)生的開始時間。

c.當(dāng)某一組數(shù)據(jù)進(jìn)行方差檢驗(yàn)出現(xiàn)結(jié)果異常時，可觀察其他數(shù)據(jù)組的檢驗(yàn)情況。以出口高程為例，當(dāng)某一組樣本出現(xiàn)方差檢驗(yàn)結(jié)果異常時，觀察進(jìn)口高程和流量數(shù)據(jù)，當(dāng)它們?yōu)檎r，可保留為該系統(tǒng)自動化采集異常；當(dāng)進(jìn)口高程和流量的檢驗(yàn)結(jié)果為異常時，就要注意判斷是否調(diào)流操作，并且要注意觀察下一個時間段的檢驗(yàn)情況。

綜上所述：?方差檢驗(yàn)法可以準(zhǔn)確判斷某一水力參數(shù)的是否正常平穩(wěn)；?結(jié)合進(jìn)口高程、出口高程和流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的方差檢驗(yàn)結(jié)果可以準(zhǔn)確判斷該段管線的運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié) 論

為了及時發(fā)現(xiàn)長距離輸水管線泄漏異常狀況，本文提出基于方差檢驗(yàn)法來分析水力參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)是否平穩(wěn)，綜合各水力參數(shù)的數(shù)據(jù)平穩(wěn)狀況去評判該段管線是否正常運(yùn)行，這有助于及時發(fā)現(xiàn)不利于工程運(yùn)行因素，及時解決工程隱患。此方法是對監(jiān)測數(shù)據(jù)的提煉分析，與其他方法相比，對泄漏量要求不大，運(yùn)用簡單更貼合工程實(shí)際。

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Evaluation on long-distance water conveyance pipeline running status on the basis of variance test method

LI Fengbin

(LiaoningDahuofangWaterConveyanceProjectConstructionBureau,Shenyang110166,China)

The monitoring data of pressure flow capacity should be processed and analyzed in order to discover the abnormalities of long-distance water pipeline. In the paper, it is proposed that the variance test method can be applied for judging the stable condition of pressure flow capacity and other monitoring data. The stable condition of pressure flow capacity can be combined for judging whether the pipelines are operated normally or not. Results show that the variance test method can be applied for accurately judging whether the monitoring data of the pressure or flow capability is stable or not. Pressure and flow capacity variance test results are combined for accurately judging whether the pipelines are operated normally or not. The method is applied simply, which is beneficial for discovering factors threatening pipeline safety timely.

long-distance water conveyance pipeline; leakage; variance test method

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.03.011

TV672+.2

A

1005-4774(2017)03- 0044- 05