謝文 徐自強 袁宇飛

【摘 要】天然氣管道發(fā)生泄漏，如果不能及時發(fā)現(xiàn)，將有可能造成人員傷亡和財產損失。在傳統(tǒng)的泄漏檢測定位方法中，密集網格分布是一種常用的方法，但該方法計算量較大。針對管道泄漏定位問題，文章提出了一種基于時間反演的自適應網格生成方法。在該方法中，為了降低定位分辨率，引入了一個分辨率調整參數調整捕獲信號。根據調整后信號的能量分布，自適應地將網格集中在泄漏區(qū)域。通過實驗研究對該方法進行驗證，在實驗中，兩個壓電陶瓷傳感器連接在一條55.8 m的PVC管道上，采集了4個泄漏點的負壓波信號。與傳統(tǒng)定位方法中廣泛應用的均勻網格相比，該方法在自適應網格數為均勻網格數的0.6%時表現(xiàn)出相似的性能，證明該方法能夠顯著降低泄漏定位的計算成本。

【關鍵詞】時間反轉;負壓波;定位;壓電陶瓷傳感器;管道泄漏;自適應網格

【中圖分類號】TP29 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）04-0031-04

0 前言

近年來，管網在輸送含氣、液、固三相流體中起著重要作用，因此管道結構健康監(jiān)測越來越受到世界各國的重視。然而，由于腐蝕、施工缺陷或外部破壞引起的管道泄漏，世界各地每年都會發(fā)生嚴重的管道泄漏安全事故。對此，很多學者和專家進行了大量管道泄漏檢測方法的研究，以期提供早期預警。具有代表性的管道泄漏定位技術[1]包括瞬態(tài)模型法、聲學技術[2]、混合法[3]。盡管上述技術能夠檢測管道是否存在泄漏，但存在計算成本高[1]和定位誤差較大[3]的問題。與其他方法相比，負壓波法因操作簡單、精度高而得到廣泛應用。

當管網發(fā)生泄漏時，負壓波會從泄漏點向管道兩側傳播。因此，可以通過追蹤負壓波路徑定位泄漏位置。研究人員已經做了很多努力提高負壓波方法的準確性[4]。Li等人開發(fā)了一種基于負壓波衰減的創(chuàng)新性定位算法[5]，有助于避免時差估計誤差和負壓波速度估計誤差的影響。為了消除噪聲干擾，發(fā)展了經驗模態(tài)分解法[6]處理負壓波信號。然而，有一些聲學特征不能用上述方法處理。例如，-3 dB帶寬在漏點和非漏點之間設置了一個邊界限制，然而這一重要信息被上述方法得到的結果所掩蓋。Ing等人補充證明，采用時間反轉（TR）定位方法識別-3 dB寬度和最大峰值等主要聲學特征是可行的[7]。然而，由于TR定位技術計算量大、計算時間長，因此難以實現(xiàn)管道泄漏的實時監(jiān)測。

本文提出了一種基于TR的自適應網格生成方法，以加速泄漏定位。首先對采集到的負信號進行調整，降低定位分辨率。然后將調整后的信號在監(jiān)控區(qū)域內反向傳播。根據低分辨率情況下監(jiān)測區(qū)域信號能量分布，自適應生成網格。最后利用傳統(tǒng)的TR定位方法計算并繪制自適應網格下的信號能量圖。通過實驗，研究了本方法的性能。在實驗中，4個閥門被裝配在55.8 m的PVC管道上，作為手動控制的泄漏。結果表明，自適應網格的性能與均勻網格相似，而自適應網格數僅為所需均勻網格數的0.6%。此外，基于自適應網格的TR定位方法只需花費傳統(tǒng)方法2.4%的時間。

1 原理描述

對于加壓管道，位于rL的泄漏將產生沿管道傳播的負壓波信號s（rL，t）。兩個鋯鈦酸鉛（PZT）傳感器連接在管道兩端附近，它們將捕獲負波信號。兩個傳感器的位置分別表示為r1和r2。

定位計算工作包括3個步驟，即信號調整計算、自適應網格生成計算和基于自適應網格的常規(guī)TR定位計算（如圖1所示）。

1.1 信號調整計算

在信號調整計算部分，為避免大網格泄漏點，應使局部泄漏區(qū)域覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域。本方法通過降低定位分辨率實現(xiàn)。由于-3 dB值（0.7）在漏點和非漏點之間設置了一個邊界限制，因此整個監(jiān)測區(qū)域的定位功能值應大于或等于所采集信號最大值之和的-3 dB值。詳細的子步驟如下所述（如圖1所示）。

1.1.1 調整兩個PZT傳感器捕捉到的負壓波信號

根據文獻[8]，設計函數：

f12（t）=δ（t-p×t1，L，m+p×t2，L，m） （1）

其中，tn，L，m是負壓波從rL到rn的傳播時間，δ（t）表示理想脈沖，p是分辨率調整參數[8]。

分辨率調整參數p被設置為未知參數。使用f12（t），我們可以對傳感器1捕捉到的信號x（r1，rL，t）與傳感器2捕捉到的信號x（r2，rL，t）進行如下調整：

x'（r1，rL，t）=x（r1，rL，t）×f12（-t）=s（rL，t）×a1，L，m δ（t+（p-1）×t1，L，m-p×t2，L，m） （2）

x'（r1，rL，t）=x（r2，rL，t）×f12（t）=s（rL，t）×a2，L，m δ（t-p×t1，L，m+（p-1）×t2，L，m） （3）

其中，δ（t-tn，L，m）和an，L，m分別是rL和rn之間信道的理想脈沖和衰減系數。

1.1.2 計算參數

在監(jiān)測區(qū)域的一個通用觀測點處，x'（r1，rL，t）和x'（r2，rL，t）的定位背景函數分別如下：

hc（r1，rk，t）=δ（t+（p-1）×t1，k，c-p×t2，k，c） （4）

hc（r2，rk，t）=δ（t+（p-1）×t2，k，c-p×t1，k，c） （5）

其中，t1，k，c是負壓波從rk到r1的傳播時間，t2，k，c是負壓波從rk到r2的傳播時間，下標“c”表示這與反向傳播場相對應，可以通過計算得到。

調整后的信號分別通過以下函數進行反向傳播[8]：

g （r1，rk，t）=x'（r1，rL，-t）×hc（r1，rk，t）g （r2，rk，t）=x'（r2，rL，-t）×hc（r2，rk，t） （6）

在本方法中，計算在監(jiān)測區(qū)域的起點和終點處，g（r1，rk，t）與g（r2，rk，t）的-3 dB值相對應時刻。為保證局部泄漏區(qū)域覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域，信號在監(jiān)測區(qū)域起點和終點的-3 dB值應相互疊加。因此，令

t■■=t■■t■■=t■■ （7）

公式（7）中，t■■是g （r1，rk，t）在起始點處信號的第一個3 dB值相對應的時刻。t■■是g （r1，rk，t）在起始點的第二個-3 dB值相對應的時刻。t■■是g （r1，rk，t）在末端的第二個-3 dB值相對應的時刻。t■■是g （r2，rk，t）在末端的第一個3 dB值相對應的時刻。

如文獻[8]所述，隨著參數p的增大，-3 dB的寬度變窄，因此通過求解方程得到最小分辨率調整參數p。公式（7）設置為最終分辨率調整參數p值，該值將用于生成自適應網格。

1.2 自適應網格計算

在該步驟中，根據改進后的信號能量分布，將網格集中在泄漏區(qū)域，并通過指定的參數p進行調整。

（1）設置初始網格和初始監(jiān)控區(qū)域的大小。生成初始網格并保存其位置。

（2）在保存的網格中，根據確定的參數p計算定位函數值[8]：

Io（rk）=Max（■x'（rn，rL，-t）■hc（t-tn，k，c）） （8）

（3）將網格大小調整為以前網格大小的一半。

（4）調整監(jiān)視區(qū)域的大小。新監(jiān)控區(qū)域的中心是步驟b2中獲得的最大定位功能值的位置，新監(jiān)控區(qū)域的范圍設置為之前的網格大小。

（5）使用新的網格大小在新的監(jiān)控區(qū)域生成新網格，并保存新網格的位置。

（6）重復步驟b2至步驟b5，直到最后一個監(jiān)測區(qū)域的最大定位功能值等于所采集信號的最大值之和。

1.3 基于自適應網格的常規(guī)TR定位計算

在此步驟中，應用自適應網格獲得泄漏位置，利用傳統(tǒng)的TR定位方法[7]，計算并繪制出所有保存網格上的最大能量分布曲線。

vo（rk）=Max（■x（rn，rL，-t）×δ（t-tn，k，c）） （9）

2 實驗

全模型管道由一系列PVC管段組成，總長55.8 m（如圖2所示）。管道共有6段9.1 m的直線段，由10個90°彎頭接頭連接，5個0.2 m段。管道壁厚0.32 cm，管徑為1.9 cm。采用4個手動控制閥作為泄漏點，分別位于距管道進口15.55 m、24.84 m、34.21 mm和43.47 m處。在本實驗中，我們將兩個PZT貼片傳感器粘貼在管道的外表面上，以檢測管道內的負壓波。PZT傳感器距管道入口分別為1.32 m和54.46 m。數據采集系統(tǒng)是一個NI PXI-5105數字化儀，信號觸發(fā)電平為-0.02 V。采樣率為100 kS/s。實驗采用i7-4702qm CPU，16 GB ddr3內存，2 GB內存的NVIDIA GT 820 m主機進行定位計算。

3 自適應網格生成

在同一管道系統(tǒng)中測量了負壓波速度u=（285.75±23.6）m/s[9]。因此，在以下章節(jié)中，300 m/s被設定為負壓波速度。為了降低定位分辨率，通過步驟a1調整由兩個PZT傳感器捕獲的負壓波信號。將分辨率調整參數p設定為未知參數。通過步驟a2得到參數p后，4個泄漏對應的最終p值分別為0.534 8、0.542 0、0.552 5和0.548 5。如文獻[8]所述，當參數p大于1時，分辨率增加。相反，當參數p小于1時，分辨率會降低。上述參數p值均在0.5左右。因此，使用上述參數p值，定位分辨率低于基于原始獲取的負壓波信號的定位分辨率（通常，基于原始獲取的負壓波信號的定位分辨率等于p=1時的定位分辨率）。利用上述p值揭示的泄漏面積可以覆蓋更大的空間。

由于低分辨率曲線具有局部單調性，峰值位于泄漏點，因此可以通過步驟b1至b6對監(jiān)測區(qū)域進行網格劃分。初始監(jiān)測區(qū)域長度為60 m，初始網格長度為監(jiān)測區(qū)域長度的一半。大多數自適應網格集中在泄漏區(qū)域。因此，網格總數顯著減少。

4 定位結果與比較

為了與均勻網格方法進行比較，本節(jié)展示了基于均勻網格的定位結果。采用文獻[7]中的常規(guī)時間反轉（TR）定位方法計算均勻網格和自適應網格的時間反轉信號能量分布（如圖3所示）。基于自適應網格的結果與基于均勻網格的結果相似。在無泄漏區(qū)域，由于自適應網格數目較少，所以兩條曲線之間存在明顯差異。在泄漏區(qū)域，自適應網格密集分布，基于兩種網格的曲線相互重疊。結果表明，采用自適應網格可以很好地揭示泄漏區(qū)域。

為了比較基于自適應網格和基于均勻網格的定位計算成本，表1和表2列出了基于兩種網格的均勻網格數、自適應網格數和計算時間消耗。

利用均勻網格，傳統(tǒng)的TR定位方法用5 581個均勻網格定位泄漏至少需要87.759 s。采用本方法，僅需33個網格即可對60 m長的區(qū)域進行監(jiān)測。如上所述，使用自適應網格的定位計算包括步驟a1至a2對應的信號調整計算、步驟b1至b6對應的自適應網格生成計算和基于自適應網格的常規(guī)TR定位計算。因此，基于自適應網格的定位時間消耗將分為3個部分。信號調整時間消耗約1.1 s，自適應網格生成時間消耗約0.5 s，使用自適應網格的常規(guī)TR定位時間消耗約0.5 s，基于自適應網格的總定位時間消耗約2.1 s，基于自適應網格的計算時間減少到均勻網格的2.4%左右。顯然，自適應網格生成方法可以有效地降低計算成本，加快定位速度，給出準確的定位結果。

5 總結

基于密集網格分布的時間反轉定位方法雖然可以保證管道泄漏檢測的定位精度，但是相應的計算量非常大，阻礙了其應用范圍。本文提出了一種基于時間反轉的自適應網格生成方法定位管道泄漏點。由于自適應網格的應用，所需網格的數量大大減少。本次研究通過實驗進行驗證。在一條55.8 m的PVC管道上，使用兩個PZT傳感器捕捉由4個手動控制閥產生的負壓波信號。實驗結果表明，與5 581個均勻網格相比，本方法只需生成33個自適應網格。綜上所述，本方法具有計算量小的顯著優(yōu)點。

參 考 文 獻

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