基于小波分析的管道泄漏檢測與定位研究_圖文

1、中圖分類號：單位代碼：學(xué)號：寸閡石油六學(xué)碩±學(xué)位論文基于小波分析的管道泄漏檢測與定位研究學(xué)科專業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)研究方向：智能控制技術(shù)作者姓名：王振華指導(dǎo)教師：史永宏副教授二。一二年五月：（）關(guān)于學(xué)位論文的獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立進行研究工作所取得的成果，論文中有關(guān)資料和數(shù)據(jù)是實事求是的。盡我所知，除文中已經(jīng)加以標注和致謝外，本論文不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含本人或他人為獲得中國石油大學(xué)（華東）或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對研究所做的任何貢獻均已在論文中作出了明確的說明。若有不實之處，本人愿

2、意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。學(xué)位論文作者簽名：日期：加年月曰學(xué)位論文使用授權(quán)書本人完全同意中國石油大學(xué)（華東）有權(quán)使用本學(xué)位論文（包括但不限于其印刷版和電子版），使用方式包括但不限于：保留學(xué)位論文，按規(guī)定向國家有關(guān)部門（機構(gòu)）送交學(xué)位論文，以學(xué)術(shù)交流為目的贈送和交換學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱、借閱和復(fù)印，將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存學(xué)位論文。保密學(xué)位論文在解密后的使用授權(quán)同上。學(xué)位論文作者簽名：圣亟璽指導(dǎo)教師簽名：蜜缸勉日期：加年月日日期：加坪月日摘要近年來，隨著管道運輸?shù)拇罅繎?yīng)用，管線使用時間的增長，再加上施工過程中存在的缺陷、環(huán)境的腐蝕以及人

3、為破壞，各種管道事故時有發(fā)生，對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大的潛在威脅。為了及時地檢測到泄漏的發(fā)生，較為精確地定位泄漏點，及時通知工作人員采取相應(yīng)的措施，從而減少物質(zhì)資源的損失和企業(yè)的經(jīng)濟損失，就需要在技術(shù)上給予充分的支持。為此，本文提出基于小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測與定位方法。本文首先研究了負壓力波泄漏檢測與定位法的基本原理，分析了影響此方法定位精度的兩個關(guān)鍵因素：負壓力波在輸油管道中的傳播速度和負壓力波的突變點時刻。分析影響負壓力波波速的因素，改進了波速公式，得到了一個新的定位公式，并對影響時間差的兩個因素進行了分析。其次對小波分析及其奇異性理論進行了分析研究，探討了小波變換的模極大值與

4、信號奇異性關(guān)系，然后分析諧波小波的特點，針對其時域衰減慢的不足進行了改進，并給出了改進的諧波小波進行泄漏壓力信號分析的方法。通過利用改進的諧波小波在管道泄漏實驗平臺上進行泄漏檢測實驗，驗證了改進的諧波小波在時域的定位能力得到了提高。而后本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行輔助檢測以減少泄漏的漏報和誤報。簡要介紹人工神經(jīng)元模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類，簡述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)過程，確定本文所用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、各層神經(jīng)元的個數(shù)和激活函數(shù)，然后對普通的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺點進行分析。針對于其易陷于局部最小點的局限，本文提出了基于蟻群算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并與普通的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行性能的比較。比較結(jié)果顯示基于蟻群算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度和輸出

5、精度都得到了提高。最后基于和設(shè)計了一個基于改進的諧波小波和改進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測與定位的仿真系統(tǒng)，針對采集到的壓力信號的存儲提出了一種通用、低復(fù)雜度的無損壓縮算法，并利用仿真系統(tǒng)對管道泄漏進行檢測和定位，確定了仿真系統(tǒng)定位的準確度。關(guān)鍵詞：管道泄漏檢測與定位，負壓力波，諧波小波，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，蟻群算法（），。，：，麗：，目錄第一章緒論一課題的背景和意義國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基于硬件的方法基于軟件的方法課題的研究內(nèi)容論文的組織安排第二章負壓波泄漏檢測與定位基本原理負壓力波泄漏檢測與定位法的關(guān)鍵問題負壓力波法的改進負壓力波波速的改進時間差對定位的影響本章小結(jié)第三章改進的諧波小波弓言小波分析簡介連續(xù)小波變

6、換離散小波變換小波奇異性理論小波變換的模極大值與信號奇異性關(guān)系諧波小波諧波小波簡介諧波小波的正交特性改進的諧波小波變換。改進的諧波小波特性分析泄漏信號突變點檢測實驗本章小結(jié)第四章改進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本理論人工神經(jīng)元模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入向量和各層神經(jīng)元數(shù)的確定激活函數(shù)的選取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷基于蟻群算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)蟻群算法的參數(shù)設(shè)置基于蟻群算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程基于蟻群算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢漏工作流程性能比較本章小結(jié)第五章仿真系統(tǒng)與仿真實驗仿真系統(tǒng)檢測定位模塊信號顯示模塊信號存取模塊輔助檢測模塊仿真實驗本章小結(jié)總結(jié)與展望參考文獻。攻讀碩士學(xué)位期間

7、取得的學(xué)術(shù)成果【謝管道運輸是一種經(jīng)濟的運輸方式，在輸送液體、氣體等物資方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。它具有以下個特點：第一，方便快捷，效率高，貨運量大，有利于控制和管理；第二，建造的費用較低；第三，在運輸過程中是完全封閉的，各種消耗相比較低；第四，建設(shè)過程中可以適應(yīng)各種地勢，并可以適應(yīng)各種惡劣氣候和環(huán)境。由于其相比較于其他運輸方式的優(yōu)勢，管道運輸己成為繼公路運輸、鐵路運輸、水運和航運之后的第五大運輸方式。伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，管道運輸在國民經(jīng)濟中扮演著重要的角色，尤其是在石油、天然氣的運輸以及市政給排水、供熱和供氣等方面。隨著管道運輸?shù)拇罅繎?yīng)用，管線使用時間的增長，再加上施工過程中存在的缺陷、環(huán)境的

8、腐蝕以及人為破壞，各種管道事故時有發(fā)生，對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大的潛在威脅。管道在設(shè)計和施工過程中不免會存在差異，而且所處的環(huán)境和對其相應(yīng)的維護和管理也存在著不同，這就使得不同管線具有各自獨特的失效率曲線，但其變化的大概趨勢是類似的，管道必然會老化，最終無法再繼續(xù)使用。以上原因?qū)е碌墓艿朗鹿矢怕蕰蟠笤黾?，產(chǎn)生的泄漏會時有發(fā)生。每個國家都會面對此急需解決的問題，而且此問題會逐漸地趨于嚴重。一方面，管道運輸?shù)奈镔|(zhì)一般具有一定的危險性，且一旦發(fā)生泄漏就會污染管道沿線的環(huán)境，并造成所運物資的損失，同時產(chǎn)生相應(yīng)的財產(chǎn)損失以及環(huán)境處理過程的花銷；另一方面，長距離輸油管道一般跨越的距離有幾百千米，中間會

9、穿過環(huán)境相當(dāng)惡劣的地區(qū)，如果不能及時發(fā)現(xiàn)泄漏和確定泄漏發(fā)生的位置，那么就有可能造成無法估量的后果。為了使管線的運行安全，尤其是那些建設(shè)在惡劣環(huán)境下的油氣管道，利用傳統(tǒng)就地泄漏檢測技術(shù)來檢測泄漏不會產(chǎn)生有效的效果，需要使用先進的控制和信號分析技術(shù)來來實現(xiàn)泄漏的檢測和定位，并建立相應(yīng)的系統(tǒng)。輸油管道檢漏系統(tǒng)可以及時地檢測到管道泄漏的發(fā)生，較為精確地定位泄漏點，及時通知工作人員采取相應(yīng)的措施，以使泄漏產(chǎn)生的損失和污染達到最小，從而減少人工檢測所產(chǎn)生的各種費用。這樣就可以增強管道的監(jiān)測和管理，減少物資損失及其產(chǎn)生的經(jīng)濟損失，實現(xiàn)對管道運行的自動化監(jiān)測和管理。目前，我國的經(jīng)濟高速發(fā)展，管道因其經(jīng)濟性而獲

10、得大量使用，對管道泄漏檢測系統(tǒng)的需求就會日益地增強，因而根據(jù)我國不同地方管道的現(xiàn)狀，運用先進的控制和分析技術(shù)，研發(fā)具有針對性的泄漏檢測與定位系統(tǒng)，對于促進我國經(jīng)濟快速穩(wěn)定發(fā)展、提第一章緒論高安全水平和增加生產(chǎn)效率將具有重要意義。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀根據(jù)檢測過程中所采用的技術(shù)，本文將目前的管道泄漏檢測方法分為基于硬件的方法和基于軟件的方法兩類，并進行簡單的介紹?；谟布姆椒ɑ谟布姆椒ㄖ饕菍⒏鞣N硬件裝置安裝在管道上，并利用這些裝置進行管道泄漏的檢測與定位。通常的實現(xiàn)方法有人工巡視或者利用各種根據(jù)物理和化學(xué)原理實現(xiàn)的設(shè)備來監(jiān)測管道周圍的實時狀況，通過相應(yīng)的分析來判斷管道是否泄漏?？蓪⑵浞譃橐韵路N：

11、人工巡視法、示蹤劑檢測法、空氣采樣法、光學(xué)和熱學(xué)檢測法、聲學(xué)檢測法陽。伽和泄漏檢測電纜法¨。早期一般通過人工對管道進行分段巡視的方法來實現(xiàn)管道泄露的檢測。對于無色無味的天然氣來說，需要在運輸之前添加一定量的臭味劑，使得泄漏盡快地被檢測到。一般選用硫化物作為臭味劑，其中使用最廣泛的臭味劑是四氫噻吩（）。但是此方法的缺點也是顯而易見的：速度相當(dāng)慢，檢測沒有連續(xù)性，主要依靠檢測者所積累的經(jīng)驗。目前其他較為先進的技術(shù)已經(jīng)取代了此種方法。示蹤劑檢測法就是將一定量的示蹤劑加入管道中傳輸?shù)囊后w中，當(dāng)液體從管道中泄漏出來時，液體中的示蹤劑就會揮發(fā)，并擴散到鄰近的土壤中，通過檢測是否存在著示蹤劑來確定

12、管道是否泄漏。但此方法在檢測環(huán)境變化的過程中會消耗大量的時間，發(fā)現(xiàn)泄漏的速度較慢，并且對泄漏點不能精確定位?？諝獠蓸臃ň褪菍艿乐車目諝膺M行采樣，并利用相應(yīng)的儀器對其進行分析，如果在空氣中泄漏氣體的濃度超出設(shè)定的濃度值時，就說明發(fā)生了泄漏，同時報警。可燃氣體檢測器和氫火焰電離檢測器是檢測過程中一般所選用的儀器。氣體監(jiān)測器是一類檢測所泄漏氣體濃度的儀器儀表工具，它在檢測過程中通過催化氧化作用產(chǎn)生電壓信號，此電壓與空氣中的可燃氣體濃度成一定的比例，當(dāng)電壓信號超過預(yù)先設(shè)置的限定值時，就產(chǎn)生泄漏報警信號。管道中傳輸?shù)囊后w溫度一般明顯不同于周圍的環(huán)境溫度，所以泄漏的檢測可以通過對管道周圍環(huán)境溫度進行監(jiān)

13、測來實現(xiàn)。此方法對管道的監(jiān)測一般需要裝備紅外成像儀。它可以將物質(zhì)發(fā)射出來的紅外能量轉(zhuǎn)化為熱圖像，通過分析熱圖像得出溫度的分布，從而實現(xiàn)對泄漏的檢測憫嘲。一般情況下，如果管道內(nèi)傳輸?shù)奈镔|(zhì)泄漏到鄰近的區(qū)域，中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文泄漏的物質(zhì)必然會引起鄰近環(huán)境溫度的變化。此方法一般要先對管道正常運行時周圍環(huán)境溫度進行記錄，并生成相應(yīng)的熱圖譜，在檢測時利用在高空中運行的衛(wèi)星或飛機對環(huán)境溫度進行實時的監(jiān)測，如若發(fā)現(xiàn)溫度產(chǎn)生了變化，就說明管道在某處發(fā)生了泄漏。管道的埋設(shè)深度會對此方法的有效性產(chǎn)生影響，管道中溫度和環(huán)境溫度差值越大，檢測的效果就越好，效果最好是檢測冬季的供熱管道。聲學(xué)檢測法根據(jù)以下原

14、理來實現(xiàn)：當(dāng)泄漏發(fā)生時，流體在泄漏點處會于管道摩擦產(chǎn)生超聲波，此超聲波以聲音的傳播速度向管道兩端傳播，安裝在管道兩端的聲學(xué)傳感器會監(jiān)測到聲波，通過分析獲得聲波的最強點，進行相應(yīng)的處理即可獲得泄漏點的位置。文獻提出通過在管道上安裝的多個聲學(xué)傳感器監(jiān)測泄漏產(chǎn)生的超聲波信號，并通過最小二乘算法進行相應(yīng)的運算，從而確定泄漏點位置，獲得了相對較好的效果們。泄漏檢測電纜是一種特殊的電纜，它可以與管道傳輸?shù)慕橘|(zhì)產(chǎn)生物理或者化學(xué)作用，同時它會產(chǎn)生某種電信號或者光信號。可以沿管線安裝此類電纜，如果發(fā)生泄漏，管道兩端的相應(yīng)分析儀器就可以確定是否產(chǎn)生了泄漏¨。目前存在兩種利用電纜進行檢漏的方法：第一種是電

15、纜接觸泄漏介質(zhì)會短路；第二種是電纜與泄漏介質(zhì)反應(yīng)使電纜的特征阻抗產(chǎn)生變化?；谲浖姆椒ü艿涝诎l(fā)生泄漏時本身的各種參數(shù)（壓力、摩阻、流量、流速等）會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，基于軟件的方法就是利用先進的控制和信號分析技術(shù)對以上各種參數(shù)的變化進行處理與相應(yīng)的運算，從而確定泄漏點位置，同時通過補償管道非線性和隨機性等因素所導(dǎo)致的誤差來提高泄漏檢測的靈敏度和定位精度。近幾年來計算機技術(shù)高速發(fā)展，管道上普遍使用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，管道泄漏與定位方法越來越趨于以軟件為主、軟硬結(jié)合的方法，使原來的方法得到相應(yīng)的補充?；谟布姆椒ǘ疾荒苓B續(xù)運行，實時性差，實現(xiàn)所需費用很高，而基于軟件的方法可以連續(xù)的運行，實時性

16、相對高，能夠適應(yīng)各種環(huán)境，實現(xiàn)簡單，目前使用的較為廣泛。目前，基于軟件的方法一般采用在管道兩端安裝若干傳感器采集管道的各項參數(shù)，通過相應(yīng)的技術(shù)分析這些數(shù)據(jù)來實現(xiàn)泄漏的檢測與定位。該方法又可以分為以下三種：基于數(shù)學(xué)模型的方法、基于信號處理的方法和基于知識的方法。（）基于數(shù)學(xué)模型的方法在模型法中，首先要對管道進行實時的建模，運用模型對采集的管道各種參數(shù)進行分析，然后利用相應(yīng)的算法對分析結(jié)果進行處理，從而實現(xiàn)管道泄漏的檢測。此方法又第一章緒論可以分為以下幾種：狀態(tài)估計法鍆、系統(tǒng)辨識法鍆、實時模型法礎(chǔ)及瞬變流檢測法。狀態(tài)估計法先對管道進行監(jiān)控，獲得其中流體狀態(tài)信息，然后對狀態(tài)進行建模，得出一個具有分布

17、式參數(shù)的非線性模型，接著一般利用特征線法或者差分法對模型進行線性處理，最后利用狀態(tài)估計器對模型進行狀態(tài)的分析。文獻針對于管道所處狀態(tài)參數(shù)隨著時間會產(chǎn)生變化的問題，提出了一種新的觀測器，其是非線性和自適應(yīng)的，可以在線實時對管道的摩阻進行辨識，能夠?qū)π孤┊a(chǎn)生的報警信號進行有效地控制羽。文獻】設(shè)計了一種基于具有二次非線性項的非線性模型的觀測器用于故障檢測，其輸入輸出或者隨機的干擾都不能影響它的誤差動態(tài)特性，并且對未知輸入是魯棒的羽。文獻對管道建立非線性的模型，擴展了原來用于多點泄漏檢測的線性模型，其殘差的問題可以通過兩個部分來解決：第一，生成一個非線性的子系統(tǒng)，使其僅對一個泄漏解耦合，而對剩余的泄漏

18、不解耦合，子系統(tǒng)都要滿足三角形特征；第二，根據(jù)殘差對泄漏集敏感的特點，設(shè)計一組具有非線性特征的觀測器釘。系統(tǒng)辨識法首先從管道上提取相關(guān)信息，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后通過與管道實時的參數(shù)值對比來判斷管道是否泄漏。相比較于狀態(tài)估計法，它具有更強的實時性，判斷的更加準確。此種方法經(jīng)常被工業(yè)的實際應(yīng)用所采用。文獻在利用線性模型建立管道的模型過程中添加符合一定條件的非線性項，在泄漏檢測和定位過程中其原理與觀測器法大致相同。實時模型法根據(jù)物質(zhì)守恒、能量平衡等與管道運行相關(guān)的方程建立一個管道的實時模型，利用此模型同步模擬管道實際運行狀況，定時采集管道的壓力、溫度等參數(shù)，同時模型也必然有一組模擬的參數(shù)值，將模

19、擬值與實測值進行比較，如果兩組參數(shù)之間的差值不在設(shè)置的變化范圍內(nèi)，就對泄漏進行報警。為了采集管道參數(shù)，此方法必然要在管道上安裝相應(yīng)的傳感器，而為了檢測的準確度更高就要在管道上安裝盡可能多精度高的設(shè)備和建立更加相近的模型。此方法檢測更為敏感，而且連續(xù)性更好。文獻】首先分析熱量沿輸油管道散發(fā)的規(guī)律，鑒于溫度會影響石油的粘度、密度等物性特征，再加上與管壁摩擦產(chǎn)生的熱量對溫度降低規(guī)律的影響，分別設(shè)計了管道的熱力和水力模型，并在泄漏定位過程中使用三維曲線，并根據(jù)其缺陷進行改進。管道發(fā)生泄漏時，液體的狀態(tài)會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，會有瞬態(tài)的流動，因而會產(chǎn)生瞬態(tài)壓力波。瞬變流檢測法利用管道的瞬態(tài)流量、瞬態(tài)溫度和瞬態(tài)

20、壓力等參數(shù)建立實時數(shù)學(xué)模擬模型，并實時進行計算，再與實際的管道參數(shù)測量值相比較，通過兩個值之間的差值來判斷管道的運行狀況。此方法可準確地檢測到大流量的泄漏，但不能靈敏地檢測中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文，流量的泄漏。文獻研究了非恒定摩阻對水力瞬變的影響，考慮管道有、無泄漏時任意位置的壓力頻域特征，并分別建立以上兩種情況的水力瞬變頻域數(shù)學(xué)模型，用拉氏頻域變換處理邊界條件和實測數(shù)據(jù)，提出基于以上模型的泄漏檢測反問題分析方法，將目標函數(shù)用遺傳算法進行優(yōu)化，進行泄漏各個參數(shù)的辨識工作。文獻分析管道泄漏對瞬變壓力波衰減的影響，建立包含非恒定摩阻和泄漏參數(shù)的適合調(diào)水工程管道系統(tǒng)特點的管道泄漏檢測時域數(shù)學(xué)

21、模型，給出矩形特征線網(wǎng)格，并給出相應(yīng)的求解方法，分析瞬變水擊波波形由于不同泄漏的參數(shù)而產(chǎn)生的變化，并結(jié)合遺傳算法來實現(xiàn)對管道泄漏參數(shù)的辨識，以實現(xiàn)對目標函數(shù)的優(yōu)化，彌補可能出現(xiàn)的局部最小問題。（）基于信號處理的方法在泄漏檢測和定位中，此方法首先從管道上采集聲波、壓力等數(shù)據(jù)，然后利用相應(yīng)的技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析，從而實現(xiàn)管道泄漏的檢測和定位，包括聲學(xué)方法鍆啪、壓力分析法瞳。踟和流量守衡法等。管道發(fā)生泄漏時，流體在泄漏點向外噴射形成連續(xù)的聲波信號，同時向管道的兩端傳播。此信號是隨機變化的，其中包含著關(guān)于泄漏點位置和大小的信息。利用管道上安裝的聲檢測儀器監(jiān)測聲波信號，然后利用信號處理技術(shù)分析采集到的信號

22、，從而獲得泄漏點的位置，實現(xiàn)泄漏的定位。對于那些長度很長的管道，要實現(xiàn)對其泄漏的檢測就必須在沿途安裝大量聲音傳感器。該方法對泄漏的判斷更為準確，確定的泄漏點位置更為精確，但在許多場合并不適合安裝大量傳感器，使其應(yīng)用受到了限制。文獻運用短時傅里葉變換分析管道上下游采集的聲波信號，分析是否存在反映泄漏狀態(tài)的信息，如果存在則報警，然后將上下游檢測到泄漏信號的時間差和聲波的傳播速度代入相應(yīng)公式，計算得到上游采集點與泄漏點之間的距離。文獻】利用小波變換來對泄漏的聲波信號進行分解，對各級子信號的能量進行計算，分析子信號的能量比，確定可以反映泄漏的子信號，并將子信號的特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸

23、出判斷管道是否泄漏，并通過相應(yīng)的處理得到泄漏的位置?；趬毫c的方法可以分為基于負壓力波的方法晗¨和壓力梯度法等。在基于負壓力波的方法檢測過程中可以采用小波變換、時間序列分析和相關(guān)分析等技術(shù)。小波變換將信號進行分解處理，由于噪聲和有用信號分布在不同的頻域上，這樣就可以將它們分離，將噪聲所在頻帶置零處理，然后利用小波重構(gòu)算法可以重新構(gòu)造濾波后的信號心別。所以可以利用小波變換對信號進行分析，如果獲得負壓力波的下降沿，則說明發(fā)生了泄漏，計算出管道兩端下降沿時刻之差，再將時間差和負壓力波的傳播速度代入相應(yīng)公式，就可以求得泄漏點與首端或末端的距離。該方法也有它本身的局限性：其可以檢測到的泄漏必

24、須是快速和突發(fā)的；噪聲容易干擾其檢測過程，使其產(chǎn)生錯報和誤報。文獻通過小波變換對管道泄漏信號進行濾波，接著對信號進行分析，通過是否存在負壓力波下降沿來確定是否存在泄漏，然后計算得到負壓力波到達管道兩端的時間差，結(jié)合負壓力波的波速即可對泄漏點進行定位。文獻首先介紹了諧波小波變換的基本原理及其分析過程采用的快速算法，然后利用諧波小波對泄漏信號進行分析，獲得關(guān)于此信號的時頻圖、時頻等高線圖以及時頻剖面圖，分析得到反映泄漏的特征，并提取壓力信號的拐點，實現(xiàn)對長輸油管道中小泄漏的檢測。時間序列分析法實時采集壓力信號，組成時間序列，通過分析這個序列可以實現(xiàn)泄漏的檢測。文獻首先對壓力信號的時間序列進行重構(gòu)，

25、確定序列的嵌入維和嵌入延遲，選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)維數(shù)，先對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行離線的訓(xùn)練，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進行初始設(shè)置，然后進行在線訓(xùn)練，實時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，并獲得對信號檢測的結(jié)果，實現(xiàn)對泄漏的檢測。在相關(guān)分析法中，首先要采集泄漏點上下游的壓力信號，然后利用相關(guān)技術(shù)進行相關(guān)性分析，對其相關(guān)函數(shù)進行實時的計算，如果計算所得值小于預(yù)先設(shè)定的值，則說明沒有發(fā)生泄漏；如果所得值是一個極大值，且其大于預(yù)先設(shè)定的取值界限，則說明發(fā)生了泄漏，然后通過確定相關(guān)函數(shù)的峰值就可以計算出泄漏點的位置。此方法檢測靈敏，定位準確，只需要對壓力進行檢測，而不需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模擬模型，大大減少了計算量。它可以較為有效地檢測具有

26、突發(fā)特性的泄漏，但很難實現(xiàn)對量小、緩慢、壓降不明顯的泄漏的有效檢測。文獻利用管道上下游采集的壓力信號的相關(guān)函數(shù)根據(jù)以下規(guī)則進行對管道泄漏的檢測：實時對相關(guān)函數(shù)進行計算，如果大于設(shè)定的閾值則說明管道中存在泄漏。接著就是根據(jù)相關(guān)函數(shù)的峰值來確定上下游檢測到泄漏的時間差，再將管線長度和壓力波傳播的速度代入相應(yīng)公式即可得到泄漏點的位置。壓力梯度法是基于以下原理來對泄漏進行檢測與定位的：管道中壓力的變化是線性的。管道泄漏時，泄漏點前后的情形截然相反：前面的流量增大，壓力降變陡，而后面的流量減小，壓力降變平。這樣，管道中的壓力梯度就變成了折線，而折線的交點就代表著泄漏點的位置。如果泄漏點上下游的壓力梯度具

27、有相同的邊界條件，進行計算之后就可以得到泄漏的位置。在實際操作中，管道具有非線性的壓力梯度，同時工況變化也會對壓力分布變化產(chǎn)生影響，所以壓力梯度法不能精確地求得泄漏點的位置，而且定位的精確度還會受儀器誤差的干擾。為解決以上問題，文獻】在管道兩端增加壓力測量中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文點，并運用曲線擬合對采集的數(shù)據(jù)進行分析以實現(xiàn)對泄漏點的檢測與定位。文獻利用管道兩端的壓力梯度來構(gòu)造相應(yīng)的時間序列，使序列的統(tǒng)計特性對泄漏量敏感，基于信息測度分析這個序列，檢測管道是否泄漏。流量平衡法首先測量管道出入口的流量，然后比較兩處的流量是否相等，若相等，表示沒有泄漏，相反則有泄漏。由于管道中流體的溫度、密

28、度、壓力等性質(zhì)影響實際采集的流量精度，流體的任一變化都極有可能干擾流量平衡法的準確度，極易產(chǎn)生誤報，有時很難及時地發(fā)現(xiàn)泄漏，一般作為其他檢測方法的輔助部分。（）基于知識的方法基于知識的方法根據(jù)處理數(shù)據(jù)所采用的技術(shù)可以分為統(tǒng)計學(xué)法、模式識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。統(tǒng)計決策法實時計算管道出入口流量和壓力之間的關(guān)系，并分析關(guān)系的變化規(guī)律，根據(jù)變化規(guī)律確定是否泄漏：如果它們之間的關(guān)系沒有變化，表明沒有泄漏；如果它們之間的關(guān)系發(fā)生了變化，則表示管道泄漏了。這種變化可以通過序列概率比和模式識別來檢測。此方法的關(guān)鍵在于設(shè)置合理的門限值，門限值的設(shè)定關(guān)系到檢測的靈敏性和準確性。此方法的適用面非常廣泛，一般不受環(huán)境的

29、影響，可以較為靈敏地檢測到泄漏，更加準確地定位泄漏點。文獻】實時采集管道的流量和壓力信號，利用基于順序概率測試的假設(shè)檢驗的統(tǒng)計決策方法，計算得出存在泄漏的置信概率，從而實現(xiàn)對泄漏的檢測。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法通過泄漏和未泄漏數(shù)據(jù)的訓(xùn)練后，通過輸入實時的管道參數(shù)，獲得實際的輸出，與標準輸出相比較，確定管道是否泄漏。文獻】提出一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入由兩部分組成：管道兩端采集的流量之差和管道沿線所有站點間壓力差的均值，網(wǎng)絡(luò)的輸出是管道運行狀況的置信度，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的過程中不僅要使用管道運行的實時數(shù)據(jù)，而且還要使用專家先驗知識，而后對管道進行檢測，建立了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的

30、管道泄漏檢測系統(tǒng)，從而利用此系統(tǒng)對實時采集的管道運行參數(shù)進行分析實現(xiàn)對泄漏的檢測。模式識別法根據(jù)泄漏產(chǎn)生的壓力、流量等特征與工況所產(chǎn)生的特征具有比較大的差異，通過采集管道的壓力、流量等信息，根據(jù)不同的狀態(tài)進行特征提取，然后對采集的特征進行模式識別，實現(xiàn)泄漏的檢測。此方法可以較為準確地檢測泄漏，減少誤報和漏報。文獻提出了一種基于小波包和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測方法，首先利用小波包對采集的聲波信號進行分解，在小波包的每個頻帶中重構(gòu)其分解系數(shù)，將時域分析所得的方差、峭度和能量作為輸入，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對泄漏聲波特征進行分析，以區(qū)分產(chǎn)生聲波信號的原因。課題的研究內(nèi)容本課題的研究內(nèi)容主要包括以個部分：（）

31、分析影響泄漏檢測和定位精度的因素，選取相應(yīng)的措施減弱這些因素對精度的影響，提高檢測和定位精度。（）利用小波變換檢測信號突變的優(yōu)越能力以及對噪聲信號不敏感的特性，將壓力信號的突降準確提取，從而捕捉泄漏信號，對泄漏點定位，克服由于噪聲存在而給定位帶來的誤差。（）分析總結(jié)管道運行工況壓力、流量等的變化規(guī)律，提取無泄漏情況下管道的狀態(tài)信息和泄漏條件下的狀態(tài)信息，并利用這些樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷是否泄漏，減少由于工況干擾而產(chǎn)生的誤報和漏報，提高檢測的準確率。（）分析現(xiàn)有的國內(nèi)外各種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的優(yōu)缺點，綜合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)壓縮算法，根據(jù)管道泄漏的信號特征和數(shù)據(jù)采集單元處理能力，設(shè)計一種在數(shù)據(jù)采

32、集過程中對采集樣本進行壓縮存儲的低復(fù)雜度數(shù)據(jù)壓縮算法。論文的組織安排第一章緒論部分，主要介紹課題研究背景意義、課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及本課題的主要研究內(nèi)容和工作，并簡要說明本文的章節(jié)安排。第二章，本章分析了基于負壓力波的泄漏檢測與定位法具體過程，對影響此方法定位精度的兩個關(guān)鍵因素進行研究。在分析影響負壓力波波速的因素的基礎(chǔ)上，對波速公式和泄漏點定位公式進行了改進。對影響時間差計算的兩個因素進行分析，確定了這兩個因素產(chǎn)生的定位誤差。第三章，本章簡述小波變換的基本理論，分析小波奇異性理論，對小波變換的模極大值與信號奇異性關(guān)系進行探討。簡要介紹諧波小波的基本理論，研究了其正交特性，針對其在時域衰減

33、慢的缺點進行改進，并給出了運用改進的諧波小波進行泄漏壓力信號分析的方法。實驗分析改進諧波小波的特性，并用此小波對在管道泄漏實驗平臺上采集的泄漏壓力信號進行分析，驗證了改進的諧波小波在時域的定位能力得到了提高。第四章，本章簡要介紹人工神經(jīng)元模型的結(jié)構(gòu)，并基于神經(jīng)元連接方式對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分類，簡述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)過程，根據(jù)本文要求確定本文所用神中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、各層神經(jīng)元的個數(shù)、激活函數(shù)及權(quán)值修正算法，然后對普通的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺點進行分析。本文利用蟻群算法來解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)易陷于局部極小點的缺陷，進行仿真實驗，然后進行性能分析，驗證了基于蟻群算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能得到了提高

34、。第五章，結(jié)合和，本章設(shè)計了一個基于改進的諧波小波和改進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道泄漏檢測與定位的仿真系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的各個模塊進行簡要介紹。在數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計了一個通用、低復(fù)雜度的無損壓縮算法，實現(xiàn)對壓力信號的實時壓縮存儲。另外，在仿真系統(tǒng)上進行泄漏定位實驗，分析改進諧波小波定位的準確度。最后對課題研究內(nèi)容進行了簡述，描述了進一步的工作。第二章負壓波泄漏檢測與定位第二章負壓波泄漏檢測與定位基本原理輸油管道在受到外界作用力、人為的破壞或自然腐蝕產(chǎn)生泄漏點時，由于輸油管道內(nèi)的流體本身的壓力很高，而輸油管道外的壓力值為大氣壓，在泄漏點處的流體在管道內(nèi)外的壓力差的作用下快速流失，使得泄漏點處的流體密度會因此減小

35、，這就可以根據(jù)物理原理推知此處的壓力會降低。由于輸油管道的流體具有連續(xù)性，流體的泄漏暫時不會改變流體的傳輸速度，那么泄漏點與其相鄰近的區(qū)域會產(chǎn)生壓力差。上下游的流體會因此壓力差流向泄漏點，這就使得相鄰區(qū)域的密度變小、壓力降低，這種壓力降低現(xiàn)象會沿著管線向上下游傳播。以上就是負壓力波的形成與傳播過程。它的傳播過程與在介質(zhì)中聲波的傳播過程類似，其傳播速度是在輸油管道流體中聲波的傳播速度，大概在與之間。輸油管道發(fā)生泄漏時，管道中會產(chǎn)生負壓力波，該負壓力波以一定的傳播速度沿著管道向上下游傳播。在上下游安裝的壓力傳感器會捕獲到包含泄漏信息的負壓力波，這樣就獲取兩個負壓力波從泄漏點傳播到壓力傳感器的時間，

36、這兩個時間相減得到時間差。根據(jù)上下游的壓力傳感器之間距離、以上的時間差以及負壓力波在介質(zhì)中的傳播速度就可進行定位。如圖所示：圖負壓力波泄漏檢測與定位原理圖上圖中為上游站點和下游站點之間的距離，為上游站點與泄漏點之間的距離。設(shè)負壓力波在管道中的傳播速度為，負壓力波到達上下游壓力采集點的分別為，則有：中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文乞一乞蘭整理得：三蕓堂一乞蘭整理得：蘭竺。毛木就是站點與泄漏點之間的距離，根據(jù)此距離就可以確定泄漏點的位置。（）負壓力波泄漏檢測與定位法的關(guān)鍵問題（）在該方法中，式（）中的負壓力波的傳播速度通常使用的是定值，一般為在輸油管道流體中聲波的傳播速度。但是此傳播速度實際上受輸

37、油管道中的流體體積模量、密度、管材的彈性模量、管道的約束條件和溫度的變化等的影響，所以它并不是一個常數(shù)。因此，如果用定值來對泄漏點定位時，那就會產(chǎn)生相對比較大的定位誤差。（）在信號的實際采集過程中，采集環(huán)境中不可避免地存在電磁干擾和工況變化，那么采集到的壓力信號中就存在著與泄漏信息無關(guān)的噪聲，如何從壓力信號中分離出突變點就成為關(guān)鍵?？焖贉蚀_地識別壓力突變點不僅關(guān)系到泄漏檢測的靈敏度和可靠性，而且關(guān)系到時間差的精度，影響泄漏定位的準確度。因此，要使得檢測和定位的準確度更高，就要針對以上兩個問題提出相應(yīng)的解決方案。負壓力波法的改進負壓力波波速的改進負壓力波波速不僅由管道中流體的密度、體積模量決定，

38、而且也受管材的拉伸模量、管道的約束系數(shù)和管道直徑與管壁厚度之比的影響羽。流體的體積彈性系數(shù)取決于流體的密度和溫度，而流體的密度受溫度變化的影響。對于確定的管道，管道的約束系數(shù)、管材的拉伸模量和管道直徑與管壁厚度之比都是一個常數(shù)。下式（）為以溫度為自變量的波速公式：砸，褊式中：（卜管道中的負壓力波在溫度為時的傳播速度，（卜管道中流體在溫度為時的體積彈性系數(shù)，；（卜管道中流體在溫度為時的密度，；（）第二章負壓波泄漏檢測與定位一管道的彈性模量；一管道的直徑，；卜管道的壁厚，；一管道的約束系數(shù)。將式（）進行泰勒展開，生成一個以為自變量的泰勒多項式。經(jīng)過分析，式（）中的，都是固定值，在一定的溫度范圍內(nèi)，

39、可以運用數(shù)值擬合將關(guān)于溫度的泰勒多項式轉(zhuǎn)化為下式：（）（）一（），（）式中：（卜管道中負壓力波在溫度為時的波速，；（）管道中負壓力波在溫度為時的波速，；常數(shù)，。令，（島），可將（）式轉(zhuǎn)化為下式：，（），（）由于管道中溫度不是固定值，而是變化的，因此研究負壓力波波速隨管道中溫度變化的變化規(guī)律，就可以獲得較為精確的定位公式，從而提高泄漏點的定位精度。設(shè)（）為負壓力波波速以管道距離為自變量的函數(shù)表達式，而從式（）可知波速的變化與溫度的變化相關(guān)，那么就有：（）（正）（）式中：一在管道距離為處的溫度用式（）和式（）替換式（）相應(yīng)的部分，從而獲得波速關(guān)于管道距離的函數(shù)表達式：（）（，），（）一七（靠一（）

40、一叫（）式（）可以轉(zhuǎn)化為：（）刮（）式中：（），露（瓦（）式（）表示以管道距離為自變量的波速公式，其中，都是常數(shù)。管道中的溫度的變化規(guī)律是沿線降低，而從式（）口看出負壓力波波速也是隨距離的增長而降中國石油大學(xué)（華東）碩士學(xué)位論文表示負壓力波波速與到上游采集點的距離的函數(shù)表達式為（），負壓力波從泄漏點傳播靜（）乞，（工）（）位置。將式（）代入式（）有：扣孑套（）：上（譬警）、類似的，式（）與式（）相加得式（）：¨煉，擊等，仁川又有一乞（）聯(lián)立式（）和式（一）即可求得的值：扣壺（等）（）根據(jù)式（）和式（），就可以求得泄漏點距上游的采集點的距離的解丟（吐暑于×垡芋（魯）一魯，上式就是改進的泄漏定位公式。從式（）可知公式中只有是變量，而其他值都第二章負壓波泄漏檢測與定位時間差對定位的影響時間差主要取決于壓力信號的采樣周期。和負壓力波突變點的清晰程度。（）采樣周期。對定位的影響在負壓力波泄漏檢測和定位法中，對壓力信號的采集采用的是離散采樣。采集