王澤鑫,周 恒,黃新剛,張皓翔,楊 璇

(克拉瑪依市富城能源集團(tuán)有限公司,新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

管道天然氣泄漏定位系統(tǒng)需要多方面相互配合,可通過(guò)及時(shí)的泄漏定位令地面救援指揮部門(mén)了解現(xiàn)場(chǎng)情況,從而迅速制定合理的應(yīng)對(duì)方案[1-2]。因此,在救援指揮系統(tǒng)中,對(duì)天然氣泄漏點(diǎn)的具體位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位尤為重要。文獻(xiàn)[3]以概率統(tǒng)計(jì)為依據(jù),對(duì)災(zāi)害中天然氣泄漏點(diǎn)的定位特征向量進(jìn)行分析描述,以完成定位并應(yīng)用到救援指揮系統(tǒng)中。雖然這種方法在實(shí)際應(yīng)用中操作簡(jiǎn)單,但在泄漏點(diǎn)定位方面存在一定的誤差,降低了天然氣泄漏定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)性。

文獻(xiàn)[4]首先利用坐標(biāo)變換原理分析,對(duì)物體圖像的平面與世界兩坐標(biāo)建立數(shù)學(xué)關(guān)系,并計(jì)算得到距離和信標(biāo)的坐標(biāo)以實(shí)現(xiàn)對(duì)觀察點(diǎn)的定位;然后采用稀疏自編碼器與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,將多個(gè)自定義Wi-Fi特征和11個(gè)距離類(lèi)別分別作為輸入和標(biāo)簽;最后通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的距離識(shí)別定位坐標(biāo)的有效值,完成整個(gè)定位流程,并應(yīng)用于救援指揮系統(tǒng)中。此方法實(shí)施時(shí)定位過(guò)程較復(fù)雜,且計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),導(dǎo)致天然氣泄漏定位系統(tǒng)不能及時(shí)地實(shí)施人員救助。這主要是因?yàn)楫?dāng)前方法都是以明確的閾值特征判斷發(fā)生泄漏的位置,需要長(zhǎng)時(shí)間積累才能明確診斷。多點(diǎn)安裝傳感器能解決這一問(wèn)題,但是會(huì)產(chǎn)生巨大成本,同時(shí)大幅增加通信故障的可能性。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)基于管道空間數(shù)據(jù)的天然氣泄漏點(diǎn)定位方法。本文構(gòu)建天然氣泄漏檢測(cè)系統(tǒng),篩選出距離未知節(jié)點(diǎn)位置最近的基站節(jié)點(diǎn),采用最小二乘法求解天然氣傳感節(jié)點(diǎn)位置,并通過(guò)加權(quán)融合算法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的定位。

1 天然氣泄漏特征空間數(shù)據(jù)關(guān)系分析

一般的天然氣泄漏檢測(cè)系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)。天然氣泄漏檢測(cè)系統(tǒng)主要由通信裝置、精準(zhǔn)定位監(jiān)測(cè)站、發(fā)光信號(hào)指示牌、精準(zhǔn)定位收發(fā)器、超聲波傳感器、通信信號(hào)裝置、傳感定位系統(tǒng)和紅外氣體泄漏傳感器等構(gòu)成[5-6]。天然氣泄漏檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

在天然氣泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中,對(duì)天然氣泄漏的具體特征屬性進(jìn)行監(jiān)測(cè)是重中之重。天然氣定位系統(tǒng)大部分采用三線邊定位法計(jì)算出泄漏點(diǎn)的具體位置[7-8],并運(yùn)用假設(shè)法驗(yàn)證檢測(cè)方法的可實(shí)施性以及準(zhǔn)確率。

本文在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合管道空間數(shù)據(jù)關(guān)系,設(shè)3個(gè)已知的基站點(diǎn)位為圓心、待測(cè)區(qū)域到檢測(cè)點(diǎn)的距離為半徑。根據(jù)檢測(cè)可得,基于三線邊定位法的定位中,接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)較大的節(jié)點(diǎn)基站對(duì)定位的精準(zhǔn)度影響較大,而指標(biāo)較小的則沒(méi)有太大影響[9-11]。因此,為了保證檢測(cè)質(zhì)量,必須選擇各指標(biāo)都較為中和的空間節(jié)點(diǎn)參與定位。根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(received signal strength indicator,RSSI)的范圍和泄漏特征信號(hào)接收強(qiáng)度,本文篩選出3個(gè)符合要求且距離未知節(jié)點(diǎn)位置最近的基站節(jié)點(diǎn),從而確保定位信息不受干擾?；竟?jié)點(diǎn)的優(yōu)先選取如圖2所示。

圖2 基站節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先選取

由圖2可知:首先,通過(guò)篩選依據(jù)RSSI,將范圍從1#～10#空間節(jié)點(diǎn)縮小到待測(cè)區(qū)域周?chē)?#～4#基站節(jié)點(diǎn);然后,以接收空間信號(hào)的強(qiáng)度關(guān)系為依據(jù),對(duì)1#～4#基站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行降序組合排列;最后,選定1#～3#節(jié)點(diǎn)作為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)參與計(jì)算。此操作處理在一定程度上保障了后續(xù)的定位檢測(cè)精準(zhǔn)度。

2 定位算法設(shè)計(jì)

在坐標(biāo)系全局下,本文將未知井下天然氣傳感節(jié)點(diǎn)的位置設(shè)為P(x,y)。選定的3個(gè)基站節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為A(a1,b1)、B(a2,b2)、C(a3,b3)。天然氣傳感節(jié)點(diǎn)P的位置坐標(biāo)可以通過(guò)距離方程來(lái)表達(dá)。具體計(jì)算式為:

(1)

式中:x為天然氣傳感節(jié)點(diǎn)P的橫坐標(biāo),m;a1、a2、a3分別為選定3個(gè)基站節(jié)點(diǎn)A、B、C的橫坐標(biāo),m;y為P的縱坐標(biāo),m;b1、b2、b3分別為A、B、C的縱坐標(biāo),m;d1、d2、d3分別為A、B、C到P的距離,m。

在實(shí)際應(yīng)用中,會(huì)發(fā)生因?yàn)闇y(cè)量誤差使式(1)出現(xiàn)無(wú)解的情況,所以在求解定位時(shí)要對(duì)式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

(2)

(3)

式中:Q為假定圓的位置。

θ=[xyx2+y2]T

(4)

式中:θ為節(jié)點(diǎn)向量。

(5)

式中:K為基站節(jié)點(diǎn)到天然氣傳感節(jié)點(diǎn)的距離。

式(3)～式(5)可化簡(jiǎn)為Qθ=K。則運(yùn)用最小二乘法計(jì)算可得:

θ=(QTQ)-1QTK

(6)

P(x,y)的估計(jì)值是θ中的元素。無(wú)論3個(gè)假定的圓是相交還是相離,用這種方法獲得的P(x,y)都可以得到相應(yīng)的實(shí)數(shù)解。但是這種方法會(huì)受外在環(huán)境因素的影響而降低定位精準(zhǔn)度,從而出現(xiàn)較大的定位誤差。因此,采用加權(quán)融合算法[12],即將空間特征關(guān)系加權(quán)因子加到每組的定位坐標(biāo)中,可以提高定位精度。具體操作如下。

本文通過(guò)A、B這2點(diǎn)得到P1(x1,y1),即P的坐標(biāo)估計(jì)值。同理,通過(guò)A、C點(diǎn)與B、C點(diǎn)可分別得到P2(x2,y2)、P3(x3,y3)這2個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)估計(jì)值。天然氣泄漏檢測(cè)的初始傳感節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的距離和與之相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)呈反比。所以,當(dāng)上述傳感節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)間的距離越遠(yuǎn)時(shí),與之相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)空間關(guān)系比重就會(huì)越小。P的坐標(biāo)(x,y)可通過(guò)加權(quán)值得到:

(7)

式中:x1、x2、x3分別為A和B、A和C、B和C所得到的P的坐標(biāo)估計(jì)值的橫坐標(biāo),m;y1、y2、y3分別為A和B、A和C、B和C所得到的P的坐標(biāo)估計(jì)值的縱坐標(biāo),m。

至此,本文運(yùn)用較少的節(jié)點(diǎn)定位出天然氣泄漏點(diǎn)的具體位置。此環(huán)節(jié)為救援行動(dòng)的重要環(huán)節(jié),可提高救援速度。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)環(huán)境的搭建

通過(guò)仿真試驗(yàn),對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的天然氣泄漏點(diǎn)定位系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證分析。進(jìn)行試驗(yàn)的仿真模擬環(huán)境為45 m×45 m的空曠室內(nèi)。試驗(yàn)所需要的輸氣管道泄漏試驗(yàn)裝置包括管道、空氣壓縮機(jī)、緩沖罐。

在某一階段,用于軟件測(cè)試的真實(shí)管道系統(tǒng)的基本參數(shù)為:管道長(zhǎng)度L=55 km;管道平均直徑D=0.529 m;管壁厚度e=0.007 m;管材彈性模量E=2.06×1011Pa;媒質(zhì)(天然氣)密度ρ=900 kg/m3;流體體積彈性系數(shù)K=1.32×109Pa。

管道內(nèi)媒質(zhì)的流速對(duì)負(fù)壓波波速有一定的影響。當(dāng)管道內(nèi)媒質(zhì)流速增大時(shí),負(fù)壓波的波速也會(huì)增加。因此,通過(guò)負(fù)壓波傳播速度,可計(jì)算得出負(fù)壓波的波速v=994.1 m/s。

3.2 傳感器的選擇與應(yīng)用結(jié)果測(cè)定

天然氣泄漏特征會(huì)被轉(zhuǎn)換為電渦流信號(hào)。電渦流傳感器的工作原理如圖3所示。

圖3 電渦流傳感器的工作原理

運(yùn)用本文方法對(duì)傳感器進(jìn)行布局,可以使天然氣濃度不斷增大。以閾值為基礎(chǔ)的電渦流傳感器靜態(tài)輸出與動(dòng)態(tài)輸出如圖4所示。

圖4 電渦流傳感器靜態(tài)輸出與動(dòng)態(tài)輸出示意圖

由圖4可知,本文方法利用空間關(guān)系,可以快速檢測(cè)出泄漏點(diǎn)。其不再單純依靠閾值,故優(yōu)勢(shì)明顯。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

試驗(yàn)步驟為確定區(qū)域內(nèi) 4條邊線及4個(gè)頂點(diǎn)的中心點(diǎn),計(jì)算出該區(qū)域內(nèi)的大致中心點(diǎn),并設(shè)置9個(gè)基站節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)隨機(jī)選擇1個(gè)未知節(jié)點(diǎn)(8,8)進(jìn)行測(cè)試,采用文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)及本文設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)共同對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。迭代次數(shù)為50次。3種系統(tǒng)定位誤差率對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 3種系統(tǒng)定位誤差率對(duì)比結(jié)果

由圖5可知,本文系統(tǒng)相對(duì)于其他2種系統(tǒng),定位誤差曲線較為平緩,誤差率明顯較低。通過(guò)誤差曲線的對(duì)比可推理,較為平緩的曲線趨勢(shì)就表示系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)誤差。為進(jìn)一步驗(yàn)證所提系統(tǒng)的可靠性,本文分別對(duì)3種系統(tǒng)定位的時(shí)效和精確度進(jìn)行比較。系統(tǒng)定位時(shí)效對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)定位時(shí)效對(duì)比結(jié)果

由圖6可知,相對(duì)于其他2種系統(tǒng),本文系統(tǒng)的耗時(shí)最短,耗時(shí)穩(wěn)定維持在14～18 min。而其他2種系統(tǒng)的定位所耗時(shí)間均在20 min以上。使用文獻(xiàn)[4]定位方法的應(yīng)急定位指揮系統(tǒng)的定位耗時(shí)最長(zhǎng)。

精準(zhǔn)度對(duì)比結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,相對(duì)于其他2種系統(tǒng),本文系統(tǒng)的精準(zhǔn)度最高,接近99%,且穩(wěn)定。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)精準(zhǔn)度最低,且上下波動(dòng)較大。文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的精準(zhǔn)度比文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)高、波動(dòng)較小,精準(zhǔn)度維持在75%～90%之間。

綜上所述,本文系統(tǒng)的性能好、定位誤差小、定位時(shí)間短,且精準(zhǔn)度高。該系統(tǒng)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)定位出天然氣泄漏位置,并且定位精度較高,為天然氣泄漏事故發(fā)生后的應(yīng)急救援工作節(jié)省一定的時(shí)間,有助于救援行動(dòng)的及時(shí)進(jìn)行。

4 結(jié)論

本文基于管道空間數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)天然氣泄漏點(diǎn)定位方法,采用三線邊定位法篩選出基站節(jié)點(diǎn),通過(guò)最小二乘法和加權(quán)融合算法,對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行定位。該方法可在突發(fā)天然氣泄漏事故時(shí)迅速、精準(zhǔn)定位泄漏點(diǎn),為事故救援工作節(jié)省時(shí)間,以便決策單位及時(shí)通知救援小組對(duì)周?chē)嗣袢罕娺M(jìn)行安全撤離。這將有效減少由災(zāi)害帶來(lái)的安全隱患,極大程度地保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全,具有較好的應(yīng)用性能。