王曉蘭WANG Xiao-lan

（杭州宸諾投資有限公司，杭州 310057）

0 引言

燃氣管網(wǎng)泄漏除了會給燃氣公司帶來經(jīng)濟損失，還會因為天然氣本身具有易燃易爆的特性，帶來嚴重的安全隱患，威脅社會公共安全和群眾生命財產(chǎn)安全。由于城市燃氣管網(wǎng)覆蓋范圍廣，并且經(jīng)常與其他市政管網(wǎng)相互交錯，在發(fā)生泄漏之后如何實現(xiàn)即時告警、準確定位，就成為燃氣管網(wǎng)公司必須要考慮的問題。本文介紹了一種基于聲發(fā)射傳感器的燃氣泄漏檢測裝置，可準確識別泄漏信號，實現(xiàn)了燃氣管網(wǎng)泄漏故障的即時告警。同時還能基于單點定位算法，實現(xiàn)對泄漏位置的精確定位，為泄漏問題的及時處理、有效降低燃氣浪費損失起到了積極幫助。

1 城市智慧燃氣管網(wǎng)泄漏信號檢測系統(tǒng)

1.1 燃氣泄漏檢測系統(tǒng)中傳感器的選擇

在燃氣泄漏檢測系統(tǒng)中，傳感器主要用于采集管網(wǎng)實時運行的狀態(tài)信號，然后利用通信裝置將該信號反饋給計算機，通過計算機的比對、分析，判斷燃氣管網(wǎng)的運行狀態(tài)。因此，傳感器的選擇將直接決定泄漏信號的檢測結果是否精確。本設計中選擇基于振動量檢測的傳感器，具體又分為2 種類型。其中加速度傳感器適用于振動頻率在0.1-5000Hz 且加速度較大的情況；而速度傳感器應用于振動頻率在1-100Hz，加速度較小的情況。根據(jù)以往的經(jīng)驗，燃氣管道發(fā)生局部泄漏時，由于氣體逸出引起的管壁振動頻率既有小于16Hz 的次聲波，也有超過2000Hz 的超聲波，因此本設計中選擇適用范圍更廣的加速度傳感器。

1.2 燃氣泄漏檢測系統(tǒng)的結構組成

該系統(tǒng)的核心裝置有聲發(fā)射傳感器、示波器、試驗管道、壓力表等，如圖1 所示。

圖1 燃氣泄漏檢測系統(tǒng)實驗裝置示意圖

如圖1 所示，在泄漏孔的左右兩側(cè)各布置了1 臺聲發(fā)射傳感器，用于檢測泄漏信號，檢測到信號后有示波器記錄并存儲。在靠近管道出口的位置安裝了1 部壓力表，可用于實時監(jiān)測管道內(nèi)天然氣的氣體壓力。泄漏孔的開度可調(diào)。在靠近管道入口的位置使用自動氣泵向管道內(nèi)打氣，保證供氣均勻、壓力穩(wěn)定。一段時間后，觀察示波器上呈現(xiàn)出來的兩個波形信號，可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)泄漏孔前方聲發(fā)射傳感器采集到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成的原始波形比較規(guī)律；而根據(jù)泄漏孔后方聲發(fā)射傳感器采集到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成的波形雜亂無章。據(jù)此可以識別出該管道上某處發(fā)生了泄漏。進一步的，可以判斷泄漏點位于兩臺聲發(fā)射傳感器之間，按照此方法不斷縮小兩臺傳感器的間隔距離，最終可以準確找出泄漏點的具體位置。

1.3 燃氣泄漏檢測的基本流程

由于該系統(tǒng)在實際應用中，并不確定待測泄漏信號的頻率，為了避免出現(xiàn)漏檢的情況，需要將檢測頻率范圍設置的較廣，無形中增加了數(shù)據(jù)處理量，從前端信號采集到計算機完成統(tǒng)計處理，需要花費較長的時間，難以突出泄漏檢測的實時性特點。針對此類問題，應付了混沌算法處理模塊，主要實現(xiàn)信號預制和混沌振子兩個功能。所謂信號預制，就是將任意泄漏信號的頻率范圍壓縮至1-10Hz的區(qū)間范圍內(nèi)，之后再將經(jīng)過壓縮處理后的泄漏信號，按照設計好的預制公比（Q=1.013）輸入到混沌振子陣列中。觀察相鄰振子之間是否出現(xiàn)了間歇混沌現(xiàn)象。如果有，則計算出信號頻率，再將該頻率乘以10-n，計算出被測泄漏信號的實際頻率。該處理可以借助于特定的應用軟件來完成：即假設某泄漏信號的速度為v，則以10nv（n 為整數(shù)）的速度將記錄的信號重新讀取。此時必然存在唯一的一個n，能夠讓重新讀取的信號頻率處于[1，10]Hz 的區(qū)間范圍內(nèi)。經(jīng)過混沌算法處理后的泄漏信號檢測圖像如圖2所示。

圖2 燃氣泄漏檢測系統(tǒng)實驗結果

結合圖2 可知，由燃氣管網(wǎng)泄漏信號檢測系統(tǒng)檢測到的原始信號為混沌狀態(tài)（圖2 左）。而經(jīng)過陣子陣列的處理后，檢測信號從混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笾芷跔顟B(tài)（圖2 右）。這樣就能通過陣列掃描更加準確地檢測泄漏信號，提高了系統(tǒng)響應速度和檢測效率。

2 城市智慧燃氣管網(wǎng)泄漏定位實驗

在檢測到燃氣管網(wǎng)有泄漏故障后，還應對泄漏點的位置進行精確定位，以便于技術人員盡快完成故障處理，防止出現(xiàn)燃爆事故。通過上文分析可知，當燃氣管道某處發(fā)生泄漏后，從泄漏點出會產(chǎn)生振動，并且從泄漏點沿著管壁向兩端傳播。因此，位于泄漏點兩側(cè)的聲發(fā)射傳感器可以捕捉振動信號，進而判斷是否發(fā)生了泄漏，并對泄漏位置進行精確定位?，F(xiàn)階段常用的定位方法有互相關法（GCC）、互雙譜法（CBM）等。

2.1 單點定位模型

隨著燃氣管網(wǎng)泄漏檢測技術的日益成熟，可用于泄漏定位的數(shù)學模型也越來越多。其中應用較為廣泛的是單點泄漏定位模型，該模型的檢測原理是假定兩套檢測系統(tǒng)或兩臺檢測裝置之間，有且只有一個泄漏點，其中1#聲發(fā)射傳感器與泄漏點之間的距離為L1，2#聲發(fā)射傳感器與泄漏點之間的距離為L2，兩臺傳感器之間的距離為L，存在L=L1+L2 的關系。假設兩臺傳感器接收到的泄漏信號分別為x1（n）、x2（n），則有以下公式：

式（1）中，s（n）表示零均值、平穩(wěn)、非高斯信號；N1（n）、N2（n）均表示零均值、平穩(wěn)的高斯噪聲，并且兩者之間相互獨立；D 表示時間延遲，可通過時延估計方法求得。現(xiàn)在假設該泄漏信號在燃氣管道中的傳播速度為v，采樣率為f0，則有以下公式：

根據(jù)式（2），分別得到L1和L2的表達式：

根據(jù)式（3）計算出L1和L2的值，即可找到燃氣管道上泄漏點的具體位置。

2.2 單點泄漏定位的基本原理

2.2.1 互相關定位方法

基于互相關理論的泄漏定位方法，是通過引入前置濾波優(yōu)化時延估計性能，廣義上的互相關定位原理如圖3所示。

圖3 互相關法原理圖

圖3 中，H1和H2代表引入的前值濾波器，通過傅里葉變換可以得到功率譜密度，其表達式為：

式（4）中，Rx1x2（τ）為功率譜密度，Sx1x2（ω）為輸入信號x1（t）和x2（t）的互功率譜密度。分別使用H1和H2對信號x1（t）和x2（t）進行濾波處理，得到濾波后的互功率譜密度，其計算公式為：

根據(jù)式（5）求得理想狀態(tài)下的互功率譜密度，但是在泄漏定位的實際操作中還存在外界干擾，因此只能得到互功率譜密度的估計值，由此可得x1（t）和x2（t）的互相關結果：

在式（6）中，由于引入了頻率加權函數(shù)Ψg（ω），能夠有效抑制噪聲高的、有可能引起時延估計誤差的頻帶，從而時互相關定位精度得到提升?？偨Y來說，互相關時延估計法泄漏信號定位，就是利用x1（t）和x2（t）兩個輸入信號，分別獲取其信號功率譜、噪聲功率譜，在此基礎上推算出泄漏點的位置坐標，但是考慮到泄漏源信號的頻率特征受到諸多因素（如埋設環(huán)境、管道材質(zhì)、管內(nèi)壓力等）的影響呈現(xiàn)出不確定特性，因此在實際應用中也受到限制。

2.2.2 互雙譜定位方法

互雙譜定位法可以有效彌補互相關定位法存在的一些不足，是目前適用范圍較廣、定位精度較高的一種泄漏定位方法。根據(jù)頻率計算方式的不同，又可分為常規(guī)的互雙譜法（CBM）、改進的互雙譜法（MCBM），以及參數(shù)互雙譜法（PBM）等幾種。以CBM 為例，首先進行互雙譜定義，其表達式為：

假設該信號為實信號，則式（7）中互雙譜在（fm，fn）組成的平面中存在2 條對稱線，即fm+fn=0，fm-fn=0。則符合采樣頻率的兩個主值區(qū)間T1和T2分別表示為：

在上述區(qū)間范圍內(nèi)，自雙譜B111（fm，fn）與互雙譜B112（fm，fn）可用下式表示：

觀察上述兩式可以發(fā)現(xiàn)B111（fm，fn）與B112（fm，fn）之間存在關系，經(jīng)過兩式合并、化簡后，兩者關系式可表示為：

上式中D 即為兩步傳感器檢測到的信號延遲。根據(jù)D可以求得互雙譜的時延估計結果。該結果的精度越高，則表明泄漏定位越精確。

2.3 燃氣管網(wǎng)泄漏定位實驗

為驗證單點定位模型在燃氣管道泄漏定位中的實用效果，使用獨立分布、均值為零的單邊指數(shù)信號模擬傳感器，收集燃氣管道中的泄漏信號。所得數(shù)據(jù)共有10 組，每組數(shù)據(jù)為256×4 個。設有2 臺傳感器，1#測量高斯噪聲，2#測量隨機噪聲。分別測量信噪比為10、20、30 時的時域波形。在此基礎上分別使用互相關定位法、互雙譜定位法，計算出時延估計結果，如圖4 所示。

圖4 燃氣管網(wǎng)泄漏定位實驗結果

根據(jù)圖4 可知，基于互相關定位法得出的時延估計結果為12，基于參數(shù)互雙譜法得到的時延估計結果為11.9978，后者的精度明顯更高。此外，大量的實驗也證明參數(shù)互雙譜法能夠在強噪聲環(huán)境下準確進行信號時延估計，保證定位結果精度。

3 結語

實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)泄漏故障的自動檢測和精準定位，是智慧城市建設下的一種必然趨勢。由于天然氣在泄漏時會產(chǎn)生振動，并沿著管道進行傳播，基于此可以構建燃氣管網(wǎng)泄漏信號檢測系統(tǒng)，利用聲發(fā)射傳感器收集振動信號，將其作為輸入量并用混沌振子陣列處理，可以得到具有特征頻率的泄漏信號，并且保證信號檢測結果具有較高精度。在泄漏定位方面，則使用單點定位模型，實驗表明基于互雙譜定位的模型，定位精度要優(yōu)于互相關定位模型，為泄漏故障的排查處理提供了必要的依據(jù)。