王 輝

（東莞市水利勘測設(shè)計院有限公司，廣東 東莞 523115）

1 基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)設(shè)計

1.1 流體流動的計算和模擬

通過計算結(jié)構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)對泵站輸水管道進(jìn)行建模，以對其進(jìn)行流體流動的計算和模擬[1]。在建模過程中基于逐步回歸法對各個最優(yōu)變量進(jìn)行引入：每個解釋變量被引入后都要對其實施F檢驗，對于被選的解釋變量，則需要逐個對其實施t檢驗。當(dāng)被選的解釋變量在后面繼續(xù)對解釋變量進(jìn)行引入的過程中變得不夠顯著則對其進(jìn)行刪除處理，確保對新變量進(jìn)行引入時回歸方程里只有顯著性變量[2]。反復(fù)實施該過程，直到回歸方程里沒有可選入的顯著解釋變量，也沒有可剔除的不夠顯著的解釋變量，獲取擁有最優(yōu)解釋變量集的回歸方程，通過該回歸方程在建模過程中對各個最優(yōu)變量進(jìn)行引入。計算結(jié)構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)具備高效分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)存動態(tài)分配的功能，并且在建模網(wǎng)格的后處理與預(yù)處理方面靈活性很強(qiáng)[3]。計算結(jié)構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)共包括3個模塊，各模塊功能見表1。

利用計算結(jié)構(gòu)動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行泵站輸水管道流體流動計算和模擬，過程見表2[4]。

表1 各模塊具體功能

表2 流體流動計算和模擬過程

1.2 數(shù)據(jù)采集與分析

通過輸水管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行泵站輸水管道數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)的具體構(gòu)成包括連接電纜、計算機(jī)、水聽器分析儀、水聽器，技術(shù)指標(biāo)見表3[5]。

表3 技術(shù)指標(biāo)

通過多道信號與光纖水聽器的相關(guān)分析軟件實施采集數(shù)據(jù)分析，該軟件具備振動監(jiān)測、檢測、勘探功能，能夠進(jìn)行濾波處理、振幅分析處理、頻譜分析處理、波形分析處理[6]。通過傅里葉變換對采集數(shù)據(jù)實施濾波處理。

1.3 實現(xiàn)輸水管道壓力監(jiān)測

通過光時域相敏反射計的布設(shè)對由外界振動而引起的光纖折射率變化進(jìn)行檢測，布設(shè)的光時域相敏反射計與其他結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成一個Φ-OTDR 系統(tǒng)，實現(xiàn)泵站輸水管道壓力監(jiān)測，其中對光時域相敏反射計進(jìn)行布設(shè)需要根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來進(jìn)行[7]。光時域相敏反射計是一種頻移低、線寬窄的激光器，線寬處于幾個千赫之內(nèi)。Φ-OTDR系統(tǒng)的光纖傳感光源為脈沖窄帶光源，其壓力監(jiān)測原理見圖1[8]。

圖1 壓力監(jiān)測原理

Φ-OTDR 系統(tǒng)具體構(gòu)成包括光時域相敏反射計、環(huán)形器、信號處理器、解調(diào)器。Φ-OTDR 系統(tǒng)主要通過光時域相敏反射計對連續(xù)光進(jìn)行輸出，接著利用解調(diào)器實施調(diào)制，把連續(xù)光變成脈沖探測光并向環(huán)形器輸入，經(jīng)過環(huán)形器后脈沖探測光最終進(jìn)入待測光纖[9]。此時由于被測光纖在各處存在不同的折射率，會發(fā)生瑞利散射情況。后向瑞利散射光會通過環(huán)形器流向信號處理器。通過信號處理器能夠把時域光信號變?yōu)闀r域電信號，然后通過計算機(jī)對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行輸出[10]。只需最后進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測就能夠?qū)崿F(xiàn)泵站輸水管道壓力監(jiān)測[11]。通過Φ-OT?DR 系統(tǒng)監(jiān)測儀實現(xiàn)輸水管道壓力監(jiān)測，該監(jiān)測儀的參數(shù)見表4。

表4 監(jiān)測儀的參數(shù)

Φ-OTDR 系統(tǒng)的測量信號見圖2[12]。

圖2 Φ-OTDR系統(tǒng)的測量信號

在利用Φ-OTDR 系統(tǒng)進(jìn)行泵站輸水管道壓力監(jiān)測的過程中，Φ-OTDR 系統(tǒng)的動態(tài)范圍的計算公式為：

式中：R 為Φ-OTDR 系統(tǒng)的動態(tài)范圍；g 為傳輸損耗；Ps(0)為信號處理的對應(yīng)信噪比；Pn為接收靈敏度[13]。

壓力監(jiān)測過程中Φ-OTDR 系統(tǒng)的空間分辨率計算公式為：式中:Δz為Φ-OTDR 系統(tǒng)的空間分辨率；c為真空中光的速度；Tp為探測脈沖的具體寬度；ηs為群折射率[14]。

2 監(jiān)測實驗

2.1 方法設(shè)計

為證明基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)的性能，對其進(jìn)行實驗驗證。搭建實驗管道系統(tǒng)，對其實施壓力監(jiān)測實驗。實驗輸水管道的數(shù)據(jù)見表5。

表5 實驗輸水管道的數(shù)據(jù)

實驗管道系統(tǒng)在不同工況下流量與壓力的變化情況見表6。

表6 實驗管道系統(tǒng)在不同工況下流量與壓力的變化情況

實驗管道系統(tǒng)由溫度傳感器、數(shù)字壓力高精度傳感器、一體式智能電磁流量計、雙閘板單作用氣動閘閥、化工石油流程泵、蓄水池構(gòu)成（見圖3）。

圖3 實驗管道系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

實驗管道系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)見表7。

表7 實驗管道系統(tǒng)具體數(shù)據(jù)

實驗管道系統(tǒng)的安裝圖見圖4。

圖4 實驗管道系統(tǒng)的安裝圖

利用設(shè)計的基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)對實驗管道系統(tǒng)進(jìn)行輸水管道壓力監(jiān)測。以采集點為300～500個范圍內(nèi)的監(jiān)測差分幅值波動幅度數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)。為避免本次實驗結(jié)果過于單一、缺乏對比性，將原有的兩種技術(shù)（分別為基于數(shù)值模擬方法、基于卡爾曼濾波器的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)）作為實驗中的對比方法，比較幾種實驗技術(shù)的監(jiān)測差分幅值波動幅度實驗數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)果研究

在采集點為300～400 個的范圍內(nèi)，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)與基于數(shù)值模擬方法、基于卡爾曼濾波器的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測差分幅值波動幅度實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果見圖5。

圖5 監(jiān)測差分幅值波動幅度實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果（采集點為300～400個）

由圖5 可知，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測差分幅值波動幅度均高于基于數(shù)值模擬方法、基于卡爾曼濾波器的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測差分幅值波動幅度，能夠更迅速地對泄漏處進(jìn)行定位。

在采集點為400～500個的范圍內(nèi)，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)與基于數(shù)值模擬方法、基于卡爾曼濾波器的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測差分幅值波動幅度實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果見圖6。

圖6 監(jiān)測差分幅值波動幅度實驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果（采集點為400～500個）

由圖6可知，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測差分幅值波動幅度均高于基于數(shù)值模擬方法、基于卡爾曼濾波器的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測差分幅值波動幅度，同樣能夠更迅速地對泄漏處進(jìn)行定位。

3 結(jié)語

基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)了監(jiān)測差分幅值波動幅度的提升，對于供水系統(tǒng)安全性的提升有較大意義。