邱 楓，李明駿，屈定榮，黃賢濱，許述劍

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266000)

大型原油儲(chǔ)罐底板腐蝕是影響和決定儲(chǔ)罐服役壽命的關(guān)鍵問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，儲(chǔ)罐泄漏爆炸的事故中，底板腐蝕狀態(tài)是影響儲(chǔ)罐安全運(yùn)行的主要因素之一。儲(chǔ)罐底板腐蝕往往不是呈現(xiàn)均勻腐蝕，而是局部區(qū)域出現(xiàn)腐蝕坑。一個(gè)腐蝕坑形成一個(gè)大的聲發(fā)射源，儲(chǔ)罐底板則存在多個(gè)這樣的聲發(fā)射源，表現(xiàn)為多源化。因此，聲源識(shí)別前需進(jìn)行多源信號(hào)的分組，即判別哪些傳感器收到的信號(hào)需來(lái)自同一聲源，且為同一事件，否則可能會(huì)出現(xiàn)事件缺失或重復(fù)計(jì)算事件的現(xiàn)象，不能準(zhǔn)確地識(shí)別聲發(fā)射源。本文基于儲(chǔ)罐底板腐蝕聲發(fā)射全域監(jiān)測(cè)方法，提出儲(chǔ)罐底板腐蝕聲源短基線網(wǎng)格識(shí)別方法。

1 基于相關(guān)分析的同源信號(hào)聚類(lèi)

聚類(lèi)的原理是把數(shù)據(jù)集合中相似的對(duì)象分成不同的組別或者更多的子集，這樣讓在同一個(gè)子集中的成員對(duì)象都有相似的一些屬性。各傳感器接收到的同一聲發(fā)射源信號(hào)應(yīng)該具有比較高的相似性。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以利用聚類(lèi)分析將傳感器接收到的信號(hào)按相似性進(jìn)行分類(lèi)，每一類(lèi)信號(hào)對(duì)應(yīng)著一個(gè)聲發(fā)射事件。即要準(zhǔn)確的識(shí)別聲發(fā)射源，需要判斷哪些信號(hào)來(lái)自同一事件，屬于同一聲源。互相關(guān)系數(shù)法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一聲源信號(hào)進(jìn)行聚類(lèi)分析。設(shè)x=(x1，x2，…，xN)，y=(y1，y2，…，yN)為被判定的兩個(gè)信號(hào)序列，其相關(guān)函數(shù)為

(1)

互相關(guān)函數(shù)是兩個(gè)不同信號(hào)x(n)和y(n)之間的乘積，兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算能夠?qū)⑵涔残圆糠痔崛〕鰜?lái)并抑制掉非共性部分，互相關(guān)函數(shù)的最大值反映了兩個(gè)信號(hào)之間的相似性的程度。由于互相關(guān)函數(shù)的最大值是絕對(duì)量值，與信號(hào)幅值有關(guān)，不便于統(tǒng)一度量。因此，對(duì)x、y的最大值進(jìn)行歸一化處理，得到兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)。

(2)

互相關(guān)系數(shù)的值越接近1表明兩信號(hào)之間相似程度越高，來(lái)自同一個(gè)聲源的可能性越大。在聚類(lèi)融合過(guò)程中，根據(jù)兩個(gè)信號(hào)之間的互相關(guān)系數(shù)是否超過(guò)閾值來(lái)確定其是否屬于同一個(gè)聚類(lèi)。屬于同一聚類(lèi)的信號(hào)則被判定來(lái)自同一聲源，為一個(gè)聲發(fā)射事件。這樣用相關(guān)系數(shù)法可以判斷兩個(gè)信號(hào)是否來(lái)自同一聲源。平均相關(guān)系數(shù)

(3)

式中：n′——聚類(lèi)C中的信號(hào)數(shù)量。

ρ(x，C1)的意義在于判斷目標(biāo)信號(hào)與已知聚類(lèi)的相關(guān)性。設(shè)在事件定義時(shí)間內(nèi)i號(hào)傳感器接收到的撞擊信號(hào)集合為Hi={hi1，hi2，…，hin}，n=3，4，5，…，H中的信號(hào)按時(shí)間順序排列，信號(hào)類(lèi)別數(shù)量未知。選取h11信號(hào)為基準(zhǔn)，分別與h21，h22，…，h2n中的信號(hào)做相關(guān)系數(shù)計(jì)算，取相似度最大的那個(gè)信號(hào)(假定為h2k)與h11信號(hào)共同構(gòu)成C1聚類(lèi)。接著將信號(hào)h31，h32，…，h3n與C1進(jìn)行平均相關(guān)系數(shù)運(yùn)算，取平均相關(guān)系數(shù)最大的那個(gè)(假定為h3m)，可判定h3m屬于聚類(lèi)C1。這樣h11、h2k、h3m屬于聚類(lèi)C1。依次類(lèi)推，可知以h12信號(hào)為基準(zhǔn)的聚類(lèi)C2。最終可以得到C1，C2，…，Cn，這樣就得到了所有聚類(lèi)集合。

2 基于全域監(jiān)測(cè)的儲(chǔ)罐底板腐蝕多聲源識(shí)別方法

2.1 短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵?/h3>

對(duì)于一個(gè)聲發(fā)射源，其強(qiáng)度不同發(fā)出的聲波觸發(fā)傳感器數(shù)量也不同。聲波按照由近及遠(yuǎn)的順序，依次觸發(fā)聲發(fā)射傳感器。并且距離越近的傳感器接收到的信號(hào)幅值越大，距離越遠(yuǎn)的傳感器接收到的信號(hào)幅值越小。直到距離達(dá)到一定程度，聲波的幅度無(wú)法越過(guò)門(mén)檻。這種觸發(fā)時(shí)間和信號(hào)參數(shù)的差異性即可提供有關(guān)聲源歸屬區(qū)域、強(qiáng)度、活度的信息。

依據(jù)聲波相位陣列原理，與一聲源距離相等的傳感器接收到同一事件聲信號(hào)的時(shí)間相同，強(qiáng)度相等。如圖1所示，若聲源在兩傳感器的中垂線上，即r1=r2處，由于聲波到達(dá)兩傳感器的距離相同，到達(dá)兩傳感器的時(shí)間相同，信號(hào)強(qiáng)度相同；當(dāng)聲源與兩傳感器距離r1r2，聲波先觸發(fā)2號(hào)傳感器，且信號(hào)強(qiáng)度更高。因此，對(duì)同一聲源發(fā)生的同一聲發(fā)射事件，若1號(hào)傳感器先接收信號(hào)到且強(qiáng)度更高，則該聲源離1號(hào)傳感器更近；反之，離2號(hào)傳感器更近?？梢?xún)蓚鞲衅鬟B線中垂線為網(wǎng)格拓?fù)涞囊罁?jù)。值得注意的是，如果只有1號(hào)傳感器收到信號(hào)，而2號(hào)傳感器未收到信號(hào)，則該聲發(fā)射源應(yīng)處于以1號(hào)傳感器所在位置為圓心，以a為半徑的圓形區(qū)域；若僅有2號(hào)傳感器收到信號(hào)，則該聲發(fā)射源應(yīng)處于以2號(hào)傳感器所在位置為圓心，以a為半徑的圓形區(qū)域。

圖1 聲源與兩傳感器相位陣列

采用更為靈活的短基線陣列系統(tǒng)，每個(gè)基陣由包括一個(gè)以上的傳感器構(gòu)成。將接收到同一聲源發(fā)生的同一聲發(fā)射事件信號(hào)的傳感器劃分為一個(gè)基陣中的基元，可見(jiàn)基元的歸屬是由聲發(fā)射事件決定的，同一個(gè)聲發(fā)射傳感器在不同事件中可能屬于不同基陣。對(duì)一個(gè)基陣中傳感器接收到的信號(hào)觸發(fā)時(shí)間和參數(shù)特征進(jìn)行兩兩比較，任意兩個(gè)傳感連線的中垂線所劃分形成的區(qū)域即為聲源判別歸屬區(qū)域，進(jìn)而形成儲(chǔ)罐底板短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵?簡(jiǎn)稱(chēng)“網(wǎng)格陣列”)。通過(guò)對(duì)基陣中多組傳感器接收到的同一聲發(fā)射事件的信號(hào)的判別，可以縮小該聲發(fā)射事件的所屬區(qū)域，更加準(zhǔn)確的識(shí)別聲源的歸屬網(wǎng)格，識(shí)別聲發(fā)射源。儲(chǔ)罐內(nèi)部放置不同傳感器數(shù)量，將形成不同的網(wǎng)格陣列，例如罐外布置6個(gè)傳感器，罐內(nèi)中心布置1個(gè)傳感器，即形成1-6陣列如圖2所示；也可形成其他傳感器陣列方式，對(duì)幾種典型的陣列傳感器進(jìn)行坐標(biāo)表示，見(jiàn)表1，底板半徑設(shè)為R0，由外至內(nèi)進(jìn)行編號(hào)，第一層傳感器總數(shù)為n1，第二層傳感器總數(shù)為n2，第三層傳感器總數(shù)為n3，傳感器編號(hào)為i(i=1,2,3…n)，中心坐標(biāo)為(0,0)。

圖2 1-6儲(chǔ)罐底板短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵?/p>

2.2 基于全域監(jiān)測(cè)的儲(chǔ)罐底板多聲源識(shí)別

針對(duì)時(shí)差定位方法的應(yīng)用情況，即一個(gè)聲發(fā)射事件需3個(gè)及3個(gè)以上傳感器收到聲發(fā)射信號(hào)，才可以形成定位，沒(méi)有形成定位的聲發(fā)射源事件便被丟失，而腐蝕信號(hào)較弱，聲發(fā)射波僅觸發(fā)一個(gè)傳感器的情況較多。并且由于聲波傳播的復(fù)雜性，定位點(diǎn)不能準(zhǔn)確反映聲源位置，僅是對(duì)于儲(chǔ)罐底板腐蝕狀態(tài)的評(píng)估具有參考意義。以及區(qū)域定位對(duì)于同一聲發(fā)射源事件的重復(fù)定位問(wèn)題?；谌虮O(jiān)測(cè)的短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵新暟l(fā)射源識(shí)別方法，綜合多聲源信號(hào)辨識(shí)方法，考慮腐蝕聲發(fā)射信號(hào)特性，鑒于聲源強(qiáng)度不同導(dǎo)致的聲波觸發(fā)傳感器的幾種情況，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射源的全面識(shí)別。

表1 傳感器坐標(biāo)

2.2.1聲波觸發(fā)1個(gè)傳感器

若某一聲發(fā)射源強(qiáng)度較低，發(fā)出的聲波僅觸發(fā)7號(hào)傳感器，則該聲發(fā)射源與其他1-6號(hào)傳感器的距離均較7號(hào)傳感器遠(yuǎn)，則該聲發(fā)射源屬于AHIJKE區(qū)域；同理，若某一聲波僅觸發(fā)1號(hào)傳感器，說(shuō)明該聲發(fā)射源與2-7號(hào)傳感器的距離較1號(hào)傳感器遠(yuǎn)，則該聲發(fā)射源屬于GAEF區(qū)域。

2.2.2聲波觸發(fā)2個(gè)傳感器

若某一聲源強(qiáng)度稍低，發(fā)出的聲波僅觸發(fā)1號(hào)和7號(hào)傳感器，說(shuō)明該聲發(fā)射源與2-6號(hào)傳感器的距離較1號(hào)和7號(hào)傳感器遠(yuǎn)，應(yīng)在被觸發(fā)傳感器之間的區(qū)域。則當(dāng)1>7時(shí)，該聲發(fā)射源屬于AED區(qū)域；當(dāng)7>1時(shí)，該聲發(fā)射源屬于ABE區(qū)域。同理，若某一聲波僅觸發(fā)1號(hào)和2號(hào)傳感器，說(shuō)明該聲發(fā)射源與3-7號(hào)傳感器的距離較1號(hào)和2號(hào)傳感器遠(yuǎn)，應(yīng)在被觸發(fā)傳感器之間的區(qū)域。則當(dāng)1>2時(shí)，該聲發(fā)射源屬于ADG區(qū)域；當(dāng)2>1時(shí)，該聲發(fā)射源屬于AGL區(qū)域。由兩個(gè)傳感器判別形成的聲源識(shí)別區(qū)域較一個(gè)傳感器的范圍縮小了，因此當(dāng)聲發(fā)射波觸發(fā)n個(gè)傳感器，組成多組判別時(shí)，聲發(fā)射源的所在區(qū)域?qū)⒈幌薅ㄔ诟〉姆秶?，?shí)現(xiàn)更精細(xì)的識(shí)別。

2.2.3聲波觸發(fā)n個(gè)傳感器

對(duì)于強(qiáng)度較高的聲發(fā)射源，發(fā)出的聲發(fā)射波會(huì)觸發(fā)n個(gè)傳感器，通過(guò)判別，可以將聲發(fā)射源識(shí)別在某一網(wǎng)格。儲(chǔ)罐底板腐蝕全域監(jiān)測(cè)的傳感器陣列方式不同，基陣中基元對(duì)網(wǎng)格內(nèi)聲源的識(shí)別邏輯不同，平面網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的識(shí)別能力也不同。一個(gè)網(wǎng)格的判別由圍成該網(wǎng)格的中垂線的傳感器所接收的信號(hào)決定。對(duì)平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵械淖R(shí)別能力進(jìn)行分析，識(shí)別比例P=S網(wǎng)格/S儲(chǔ)罐底板，識(shí)別比例越小，能夠識(shí)別的網(wǎng)格區(qū)域面積越小，識(shí)別精度越高，所達(dá)到的識(shí)別效果越好；反之，識(shí)別比例越大，所識(shí)別的網(wǎng)格區(qū)域面積越大，識(shí)別精度越低。由于網(wǎng)格由傳感器的中垂線圍城，識(shí)別邏輯即為這些傳感器接收到的信號(hào)強(qiáng)度的判別。根據(jù)傳感器坐標(biāo)，儲(chǔ)罐底板半徑R0，可以求出所識(shí)別網(wǎng)格面積為關(guān)于R0的表達(dá)式，從而求出識(shí)別比例。最大識(shí)別比例與最小識(shí)別比例的比為該陣列的識(shí)別不均勻系數(shù)k，k=Pmax/Pmin。

可以通過(guò)適量增加傳感器數(shù)量來(lái)提高識(shí)別效果。但并不是越多越好，數(shù)量的增加可能會(huì)導(dǎo)致不均勻系數(shù)變大。同時(shí)，對(duì)于不同聲源，接收到信號(hào)的傳感器數(shù)目增加，會(huì)導(dǎo)致多聲源辨識(shí)的難度增大。可根據(jù)實(shí)際情況選擇陣列。首先要進(jìn)行儲(chǔ)罐底板腐蝕多聲源辨識(shí)，對(duì)同源信號(hào)聚類(lèi)，再利用短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵校瑢?chǔ)罐底板劃分成若干網(wǎng)格，從而基于全域監(jiān)測(cè)的儲(chǔ)罐底板腐蝕聲源識(shí)別方法，對(duì)同源同事件聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行判別，可為儲(chǔ)罐底板的腐蝕聲源找到歸屬網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射源的識(shí)別。

該方法解決了儲(chǔ)罐底板腐蝕聲發(fā)射信號(hào)較弱，聲發(fā)射信號(hào)難以獲取，聲源所在位置難以確定的問(wèn)題。不會(huì)存在聲源的漏識(shí)別現(xiàn)象，針對(duì)聲發(fā)射波觸發(fā)傳感器數(shù)量的不同情況，實(shí)現(xiàn)聲源所屬區(qū)域的判別，為儲(chǔ)罐底板維修決策提供更可靠的依據(jù)。

3 模擬儲(chǔ)罐底板多聲源辨識(shí)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用常壓立式儲(chǔ)罐底板常用材料Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼所制成的圓形鋼板，其直徑為900 mm，厚度為8 mm；選用美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的DP3I型傳感器，以及集成化更高、更適用于壓力容器檢測(cè)的第3代全數(shù)字化系統(tǒng)。結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)所采用的材料及結(jié)構(gòu)尺寸，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終設(shè)定系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)PDT為300 μs，HDT為600 μs，HLT為1 000 μs。由于本實(shí)驗(yàn)的定位聲源來(lái)自于2H(0.5)斷鉛模擬聲源，因此檢測(cè)門(mén)檻設(shè)為中靈敏度范圍的40dB。

按圖2的傳感器陣列方式，采用1-6陣列，將6個(gè)傳感器均勻耦合在圓板外圍，在圓板中心耦合1個(gè)傳感器，實(shí)驗(yàn)中各傳感器坐標(biāo)見(jiàn)表2。在儲(chǔ)罐底板上表面隨機(jī)斷鉛3次，記錄并保存各次斷鉛位置及各傳感器接收到的信號(hào)幅度，如表3所示。

表2 實(shí)驗(yàn)中的各傳感器坐標(biāo)

表3 3次斷鉛位置及各通道接收信號(hào)幅度

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

同源信號(hào)聚類(lèi)。設(shè)3次斷鉛聲源信號(hào)最先收到信號(hào)、第二收到信號(hào)、第三收到信號(hào)的前3個(gè)傳感器接收信號(hào)集合分別依次為{aa，ab，ac}、{ba，bb，bc}、{ca，cb，cc}、利用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)分析，其相關(guān)性如圖3和4所示。

通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜分析發(fā)現(xiàn)，斷鉛信號(hào)在30 kHz處功率譜密度最大。由圖3(a)～(c)可知aa，ba信號(hào)在30 kHz處相關(guān)系數(shù)最大，即相關(guān)性更大，故把a(bǔ)a和ba信號(hào)歸于同一聚類(lèi)C1，即aa、ba∈C1。

圖3 3個(gè)不同聲源信號(hào)相關(guān)性

圖4 2個(gè)不同聲源信號(hào)相關(guān)性

同理，由圖4(a)、(b)可知ab，bb信號(hào)相關(guān)性更大，故把a(bǔ)b和bb信號(hào)歸于同一聚類(lèi)C2，即ab、bb∈C2。顯然ac和bc信號(hào)歸于聚類(lèi)C3，即ac、bc∈C3。然后再進(jìn)行3通道信號(hào)集合{ca，cb，cc}的判別，經(jīng)分析{aa、ba、ca}∈C1，{ab、bb、cb}∈C2，{ac、bc、cc}∈C3。

應(yīng)用相關(guān)分析將3組斷鉛信號(hào)成功分離，表明該方法可以將同一聲源發(fā)出的同一聲發(fā)射波形成的聲發(fā)射信號(hào)劃分為一類(lèi)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐底板腐蝕同源聲發(fā)射信號(hào)的同源聚類(lèi)。對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，根據(jù)功率譜密度，將相關(guān)系數(shù)最大的即相關(guān)性最大的信號(hào)劃分為一類(lèi)，即可將特定時(shí)間內(nèi)的同一聲源信號(hào)聚為一類(lèi)，形成一個(gè)事件。多聲源信號(hào)聚類(lèi)的完成表明該方法可以實(shí)現(xiàn)多聲源的辨識(shí)，這為聲源的識(shí)別和評(píng)估提供了基礎(chǔ)。

再應(yīng)用短基線平面網(wǎng)格聲源識(shí)別方法，確定每個(gè)事件發(fā)生于哪個(gè)網(wǎng)格。對(duì)分成3組的信號(hào)進(jìn)行網(wǎng)格歸屬判別，依據(jù)網(wǎng)格識(shí)別方法，對(duì)照?qǐng)D2中的網(wǎng)格陣列，1#聲源歸屬于網(wǎng)格ABC，2#聲源歸屬于網(wǎng)格DEF，3#聲源歸屬于網(wǎng)格BCE。表現(xiàn)為與聲源位置一致。

4 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)罐底板腐蝕聲發(fā)射信號(hào)屬于弱信號(hào)，針對(duì)底板中央?yún)^(qū)域腐蝕聲源信號(hào)難以獲取、聲源識(shí)別漏判或誤判的問(wèn)題，提出基于全域監(jiān)測(cè)方法儲(chǔ)罐底板腐蝕多聲源信號(hào)辨識(shí)方法、聲源識(shí)別方法，得到如下結(jié)論：

a)建立基于相關(guān)分析的同源信號(hào)聚類(lèi)方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐底板腐蝕多聲源信號(hào)的辨識(shí)，即判斷哪些信號(hào)來(lái)自同一聲源，為基于聲發(fā)射全域監(jiān)測(cè)的儲(chǔ)罐底板腐蝕短基線平面網(wǎng)格聲源識(shí)別提供依據(jù)。

b)建立短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵?，基于聲波相位陣列原理，綜合多聲源信號(hào)辨識(shí)方法，形成基于全域監(jiān)測(cè)的儲(chǔ)罐底板腐蝕聲源網(wǎng)格識(shí)別方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐底板不同強(qiáng)度聲源(強(qiáng)度不同的聲源，發(fā)出的聲波觸發(fā)傳感器數(shù)量不同)的有效識(shí)別，可對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行更為精細(xì)的網(wǎng)格化管理，對(duì)判斷聲源集中度具有一定意義，為儲(chǔ)罐底板腐蝕嚴(yán)重度評(píng)估提供依據(jù)。