高菽蔓

摘要：數(shù)據(jù)融合技術(shù)作為現(xiàn)代化的一個(gè)科學(xué)手段，能夠?qū)φ谶\(yùn)行的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，例如該技術(shù)在高壓力、大口徑、長(zhǎng)距離天然氣輸送管道中的使用，能夠?qū)μ烊粴夤芫W(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效的處置一些在人力和環(huán)境影響下難以排除的故障，從而保證天然氣運(yùn)行的安全、平穩(wěn)、高效，因此數(shù)據(jù)融合技術(shù)具有非常重要的作用。當(dāng)天然氣管網(wǎng)發(fā)生泄漏時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器能夠?qū)υ摴?jié)點(diǎn)中的天然氣信息進(jìn)行采集，然后將結(jié)果上傳到生產(chǎn)控制中心進(jìn)行分析和處理，對(duì)管道泄漏監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的多源信息處理方法進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)融合技術(shù)；天然氣；泄漏監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1天然氣管道泄漏的原因

天然氣管道泄漏的原因有很多，既有天然氣管道內(nèi)部因素的影響又有外部突發(fā)事件的影響，根據(jù)對(duì)最近幾年天然氣管道泄漏的原因進(jìn)行總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)泄漏的原因可以分為以下幾類。

1.1管道腐蝕

當(dāng)管道外防腐層因施工質(zhì)量或外來(lái)因素破壞，發(fā)生破損時(shí)與土壤接觸后形成化學(xué)腐蝕。當(dāng)管道陰極保護(hù)失效時(shí)也會(huì)發(fā)生腐蝕。當(dāng)管道長(zhǎng)期處置于潮濕或含有腐蝕性介質(zhì)中也會(huì)發(fā)生腐蝕。當(dāng)天然氣氣質(zhì)中含有硫化氫、二氧化硫等與管道中的水發(fā)生反應(yīng)時(shí)也會(huì)對(duì)管道內(nèi)壁造成腐蝕。

1.2施工破壞

由于天然氣的管網(wǎng)敷設(shè)在地面以下，其他工程施工的過(guò)程中由于過(guò)分的挖掘就有可能破壞到管網(wǎng)。除此之外由于車輛等一些重型機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間在路面碾壓，導(dǎo)致路面長(zhǎng)期處于超載的狀況，極有可能破壞地表的管網(wǎng)。

1.3管道地質(zhì)災(zāi)害

管道地質(zhì)災(zāi)害是在自然因素的影響下，對(duì)管道本體和運(yùn)營(yíng)環(huán)境造成破壞，目前最常見(jiàn)的管道地質(zhì)災(zāi)害有滑坡、崩塌、泥石流、河道溝水毀等。由于管道地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性、長(zhǎng)期性和危害巨大等特點(diǎn)，因此需要對(duì)管道的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生問(wèn)題要及時(shí)的解決和處理。

2主要的泄漏監(jiān)測(cè)方法及原理

目前管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有以下兩種，一種是基于硬件的監(jiān)測(cè)方法，一種是局域軟件的監(jiān)測(cè)方式。由于目前導(dǎo)致天然氣泄漏的原因有多種，因此針對(duì)不同的泄露方法有不同的監(jiān)測(cè)方式，本文主要就是對(duì)常見(jiàn)的模態(tài)聲發(fā)射法和負(fù)壓波法的工作原理進(jìn)行分析和介紹。

2.1模態(tài)聲發(fā)射法

該方法是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損監(jiān)測(cè)方式，該方式是利用儀器發(fā)出信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)的接收，通過(guò)對(duì)接收聲源進(jìn)行分析，從而對(duì)泄露的區(qū)域進(jìn)行確定。實(shí)際上模態(tài)聲發(fā)射法就是對(duì)泄露區(qū)域的材料缺陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。據(jù)調(diào)查天然氣材料本身都具有發(fā)聲特性，因此在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)不僅能夠監(jiān)測(cè)出天然氣泄漏還能夠?qū)π孤兜奈恢眠M(jìn)行定位。

該方法主要的工作原理是：天然氣泄露時(shí)在管內(nèi)外會(huì)形成不同的壓力差，這樣在管道中就會(huì)出現(xiàn)多相湍射流，該射流不但會(huì)擾亂天然氣的流動(dòng)方向還能夠在管道與其周圍的介質(zhì)發(fā)生相互作用產(chǎn)生高頻應(yīng)力波，該波會(huì)攜帶泄露位置、泄露處的形狀和大小等沿著管壁向兩側(cè)進(jìn)行傳播，接收器接收到發(fā)射信號(hào)之后通過(guò)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理和分析，判斷天然氣泄漏的位置。

2.2負(fù)壓波法

負(fù)壓波法主要是在管線泄漏監(jiān)測(cè)中對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，在使用的過(guò)程中具有設(shè)備少、操作簡(jiǎn)單、成本低、監(jiān)測(cè)速度快、定位精度高、靈敏度好的特點(diǎn)。

該方法的主要工作原理主要是：當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄露處就會(huì)流失一部分的天然氣，這樣在泄露處的密度就會(huì)降低，壓力也會(huì)隨之降低，這樣減壓波源就會(huì)在泄漏點(diǎn)的上下游以聲波的速度進(jìn)行傳播。在泄露處的兩端的壓力傳感器對(duì)周圍的壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后將采集信號(hào)的特征以及上下游的負(fù)壓力波到達(dá)傳感器的時(shí)間差進(jìn)行分析，從而確定泄露的大小和泄露的位置。當(dāng)監(jiān)測(cè)完壓力的信號(hào)之后還需要根據(jù)其變化的程度與標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行對(duì)比，對(duì)泄露進(jìn)行判斷。

3天然氣泄漏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合方法

為了有效的提高天然氣泄漏的監(jiān)測(cè)，減少由于天然氣泄漏造成的安全事故，相關(guān)研究人員提出了利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、證據(jù)理論等方法的融合處理方式，從而對(duì)一個(gè)或者是多個(gè)的傳感器進(jìn)行同時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析，以提高監(jiān)測(cè)的精確度。

傳感器的功能不同，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞信息也是不相同的，因此需要對(duì)這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用有效的融合方式能夠充分的利用各個(gè)傳感器傳遞的信息，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比和分析，產(chǎn)生新的融合效果。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)體系中，具有大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠?qū)艿乐械膲毫?、流量、溫度等相關(guān)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，從大量的數(shù)據(jù)中提取有效的信息，比如說(shuō)泄漏的位置信息，然后將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效信息匯聚到節(jié)點(diǎn)處，由節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合，對(duì)原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，將這些原始數(shù)據(jù)再上傳到控制中心中，由控制中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能化的分析和處理。原始信號(hào)的采集、初級(jí)處理都是由傳感器的節(jié)點(diǎn)來(lái)完成的，而高級(jí)信息融合則是由匯聚處的節(jié)點(diǎn)完成的，最終的判斷結(jié)果則是由計(jì)算機(jī)和人工處理的，這樣信息經(jīng)過(guò)層層的分析和處理能夠達(dá)到的提高數(shù)據(jù)處理的速度，還能夠減輕人工分析的工作量，提高工作效率，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合方法與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法之間最大的區(qū)別就是利用了多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)監(jiān)控，這樣可以對(duì)泄漏點(diǎn)的位置和形狀等進(jìn)行精確的判斷，從而保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。

泄漏點(diǎn)的信息發(fā)生在數(shù)據(jù)處理的每一個(gè)環(huán)節(jié)中，因此可以說(shuō)數(shù)據(jù)的融合決定著最后系統(tǒng)檢測(cè)功能的成果，要想快速、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)到管網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)參數(shù)，就需要保證數(shù)據(jù)能夠很好的實(shí)現(xiàn)融合功能。

4天然氣管網(wǎng)泄漏監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

在本次研究的過(guò)程中主要就是利用蟻群算法對(duì)管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。蟻群算法就是將數(shù)據(jù)進(jìn)行并行計(jì)算，而且在計(jì)算的過(guò)程中每一個(gè)程序之間的運(yùn)行都不會(huì)對(duì)其他的運(yùn)算過(guò)程產(chǎn)生硬性，只需要一個(gè)信息素進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的通信即可。蟻群算法不僅能夠保證算法的精確性，還能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)的搜索功能。

對(duì)蟻群算法進(jìn)行分析可以知道該算法在實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)正反饋算法，也就是說(shuō)該算法在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中主要就是模擬螞蟻的運(yùn)行方法，從而找到最優(yōu)的運(yùn)行路線，而在計(jì)算中的信息素就是對(duì)起始數(shù)據(jù)的一個(gè)反饋。不同的信息素經(jīng)過(guò)不同的算法會(huì)吸引更多的數(shù)據(jù)信息，然后進(jìn)行反饋，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行不斷的優(yōu)化，因此蟻群算法就是一個(gè)數(shù)據(jù)逐漸演變的過(guò)程。

具體的數(shù)據(jù)處理流程如下，Tabu（k）表示第k只螞蟻在此時(shí)刻還沒(méi)有訪問(wèn)過(guò)的區(qū)域集合。

4.1算法流程

從以上的分析中可以知道在進(jìn)行算法計(jì)算的過(guò)程中與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用，可以構(gòu)建一個(gè)良好的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，而且該系統(tǒng)主要的工作流程有：

第一，對(duì)在天然氣管道中利用傳感器的作用對(duì)泄露的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和整理，然后利用小波分析法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，找到其中攜帶有泄漏信息的特征信號(hào)，然后將這些信號(hào)匯聚到節(jié)點(diǎn)處，然后利用節(jié)點(diǎn)的作用進(jìn)行信息的融合；

第二，根據(jù)系統(tǒng)的問(wèn)題大小和規(guī)模，確定在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的過(guò)程中輸入和輸出的個(gè)數(shù)，然后對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值和閾值進(jìn)行初始化設(shè)置，以保證在系統(tǒng)運(yùn)行之初運(yùn)行參數(shù)的正確性；

第三，利用蟻群算法對(duì)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，從而找到最優(yōu)參數(shù)；

第四，將已經(jīng)利用蟻群算法優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用，從而找到在管網(wǎng)中的泄露信息。

4.2仿真實(shí)現(xiàn)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所選擇的結(jié)構(gòu)決定著整個(gè)問(wèn)題的規(guī)模，其中具體的算法數(shù)據(jù)如下表1所示。

通過(guò)仿真可以知道，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中利用蟻群算法能夠很好的對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，這樣可以有效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。實(shí)際上蟻群算法能夠?qū)ι窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的各個(gè)神經(jīng)元之間的權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化，從而對(duì)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，平衡神經(jīng)元之間權(quán)值和閾值的大小。

5結(jié)論

在天然氣管道管理的過(guò)程中需要對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)識(shí)別管道泄露狀況，本文在進(jìn)行研究的過(guò)程中就是利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)為用戶建立一個(gè)完全智能化的系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)官網(wǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，一旦運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行處理，從而精準(zhǔn)的對(duì)泄漏位置進(jìn)行定位，避免在人工監(jiān)測(cè)中出現(xiàn)工作效率低下等問(wèn)題，保證人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

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