船舶管路泄漏時信號組成分析及預處理研究＊

陽子軒 范世東 熊 庭

（武漢理工大學能源與動力工程學院 武漢 430063）

目前國內對于管道的泄漏檢測主要是采用負壓波聯合流量檢測方法［1］，對于管道泄漏以后得到的負壓波信號進行泄漏點判定時，采用的常見處理方式有直接判斷、小波變換法［2］、相關分析法［3］以及模式識別［4］的方法.但這些處理方式都是針對運行工況穩定的管道來進行的，而對于復雜管道的泄漏檢測展開的工作不多，對信號的預處理研究也較為少見.

1 復雜環境下的信號分析

1）高斯白噪聲 在船舶運營過程中，船舶管路會一直處在主機振動環境下工作，在實際測量過程中，壓力傳感器捕捉到的信號表現為很多的“毛刺”.

2）脈沖噪聲 由于敲擊、突發振動等一些不可預知的突發因素的影響，船舶管路實測信號會看到一些突然變尖銳的“尖峰”信號，也就是所謂的脈沖噪聲.

3）壓力脈動 管道內的流體在流過管道過程中，由于管路的彎頭、直徑變化等因素，不可避免的有流速、壓頭的變化，同時管道輸液需通過壓縮機或泵加壓作為動力，這種加壓方式是間歇性的，由于間歇加壓，管道內的壓力在平均值的上、下脈動（或波動），促使管流的壓力、速度、密度等參數隨時間呈周期性變化，這種變化稱“管流脈動”，也叫“壓力脈動”.壓力脈動曲線如圖1所示，文獻［5］中進行了壓力脈動的測試與分析，由于壓力脈動引起的壓力波動Δp達到了8.1×104Pa，最高排氣壓力為7.0×105Pa，滿負荷下壓力不均勻度（見圖1）.

圖1 壓力脈動曲線圖

4）風、浪引起的壓力波動 船舶在運營過程中，難免會受到風、浪等自然因素的影響.在風、浪的干擾下，船舶會左右搖晃，這時候管內液體的重力方向會發生變化，從而使壓力傳感器測得的信號產生波動.

圖2為考慮重力和速度2種因素影響的管道內橫截面上的壓力分布圖，在ANSYS中對某管道建模，設液體初速度為2m／s，管徑為0.048m，管內介質為水.若壓力傳感器安裝在管道側面，船舶橫向搖晃的角度為±15°，則壓力傳感器測到的信號表現為三角波，幅度變化在0.8～1kPa.這個值會隨著管徑和流速的變大而增大.

圖2 考慮重力和速度的管壓分布

5）碰撞引起的壓力波動 船舶發生碰撞時，船體發生傾斜，這時管道內液體的重力方向也會發生變化.以圖2所示的情況為例，設船體傾斜的角度也是15°，這樣壓力傳感器得到的信號將會是一個方波信號，其幅值大約為1kPa.同樣這個值也會隨著管徑和流速的變大而增大.

6）負壓波信號 當管路發生泄漏時，流體在管線內外壓差的作用下從泄漏點迅速流失，泄漏部位的物質損失使該處的流體密度減小，進而引起泄漏點處流體壓力降低.由于流體的連續性，管線中的流體速度不會立刻發生變化，而流體在泄漏點和其相鄰區域之間的壓力產生差異，這種差異導致泄漏點兩邊區域的高壓流體流向泄漏點處的低壓區域，從而又引起與泄漏點相鄰區域流體的密度減小和壓力降低.這一現象依次向管線上、下游方向傳遞，相當于泄漏點處產生了以一定速度傳播的負壓波.負壓波沿管線向上下游傳播，瞬時的壓力降具有幾乎垂直的邊沿［6］.

依據一般的能量傳播的損失過程，在泄漏點處根據負壓波幅值沿管線近似以指數形式衰減，即管道內壓力波變化表達式為

式中：p為由負壓波引起的壓力損失，Pa；px為泄漏點處負壓波壓力值，Pa；x為測點和泄漏點之間的距離，m；其中：α為負壓波衰減系數［7］，定義為

在文獻［7］中所搭建的實驗臺進行實驗時發現，當開啟一個泵時，管道內穩態壓力約為0.37 MPa，穩態流量為3.8m3／h.當管道發生泄漏時，負壓波引起的壓力變化幅值約為0.03MPa.管道的基本參數中，管道內徑為0.048m，管壁厚度為0.003 5m，這樣在20℃進行實驗時，根據負壓波波速公式可計算出a＝1 345.75m／s.由于管道內是水流，處于流態的紊流粗糙區，因而水力摩阻系數f＝1／（1.74－2lgε）2＝0.012.式中：ε為管壁相對粗糙度.根據以上條件，可以算出負壓波衰減系數α＝0.018.

從以上分析，高斯噪聲、脈沖噪聲、壓力脈動、風、浪、碰撞等因素引起的壓力波動都會對管道內壓力測量帶來影響，而當測點與泄漏點之間的距離x達到某一個比較大的值時，負壓波引起的壓力變化幅值將變的比較小.如果上述壓力波動的某一個或某幾個值疊加后再與負壓波信號疊加在一起，將會給負壓波拐點的判定造成困難，進而影響泄漏點的定位.圖3是在Matlab中對上述幾種信號進行模擬，得到的復雜環境下船舶管路泄漏信號模型.

圖3 復雜工況下船舶管路泄漏信號模型

圖3中，“毛刺”即為模擬的高斯白噪聲；尖峰信號為模擬的脈沖噪聲；信號的大體趨勢呈現一個倒三角，這是模擬的風、浪等自然因素引起的船體搖晃得到的信號；信號的1 100～1 200點之間有一個疊加的方波信號，模擬的是碰撞以后船體發生傾斜而得到的方波噪聲；而壓力脈動由于模擬不便，在圖3中沒有體現.

2 信號預處理

上述信號的組成形式各不相同，因而進行預處理時的方法也不同.對于高斯白噪聲和脈沖噪聲，可以采用中位數濾波的方法進行處理；對于壓力脈動，這屬于管道振動學的范疇，應該在管道的設計之初就要進行考慮，另外還可以通過一些輔助手段進行消除；對于風、浪引起的三角信號，由于其頻率較低，只會對信號的整體趨勢上產生一定的影響，對于泄漏發生后的負壓波信號拐點確定影響不大，因而可以不作考慮；對于碰撞引起的方波噪聲，可以用尋找時間序列的突變點方法將它從所測信號中進行分離.

2.1 壓力脈動的消減

壓力脈動的控制比較復雜，除反復計算、合理調整外，尚須在系統中適當位置正確配置緩沖器、孔板、集管器等元件，或者在某些部位設置諸如液流消振器、消振簧、儲能器等裝置，以消減或者抑制壓力脈動.比較常見的消振設備有：消振器、孔板消振、衰減器消振、集管器消振、穿膛式液流脈動消振器等.

2.2 中位數濾波

在信號的實時處理中，為了除去夾雜在信號中的噪聲，常采用滑動平滑法進行濾波［8］.這種方法的原則是：設定數據窗口含L個順序采樣數據，即窗口寬度為L，對窗口中的這L個數據進行加權求平均，此“加權平均”作為一個平滑值輸出.然后將窗口中最前面的一個數據移出，而最后面移入一個新數據，再對此滑動后的窗口中的數據進行新的一次平滑.這樣得到的平滑值序列就是原信號的濾波信號.其表達式為

式中：n為信號總長度；L為滑動窗口的寬度.

L點滑動平均濾波器的頻率響應是

這種方法雖有一定的濾波效果，但容易使信號產生畸變，而且不能消除那些大大偏離正常值的異常數據，只是將這些異常值加權地分散到L個平滑數據中，使平滑結果受到嚴重的影響.為克服上述加權平均方法的缺點，本文取滑動窗口中數據的中位數作為濾波值.

設窗口的寬度n＝2m＋1，窗口中的數據從小到大排列后，有m個數小于中位數，另有m個數大于中位數.當k≤m時，由于排列后所得中位數是基線數據d0，故這k個峰數據將被濾去.當k＞m時，整個峰頂點左右的m個數據稱為峰頂區數據，大于周圍的其它峰數據.這樣會在濾波結果中形成一種平臺形畸變.但在本文中，由于上述疊加信號的特殊性，不會產生這種平臺形畸變，因而不予考慮.采用本文的中位數濾波方法也能對原始信號中的高斯白噪聲進行平滑處理.負壓波信號的處理方式只需要尋找信號中的突變點，因而通過中位數濾波后，可以認為高斯噪聲和脈沖噪聲都已經濾除.

需要指出的是，由于窗口的寬度為2m＋1，濾波后會在波形的初始端和末尾端產生一個寬度為m的空白區，因而需要對這2m個數據進行補充，本文采用的方法是新序列的第1點到m點用原序列的第1點到m點的數據進行補充，新序列的n－m點到n點用原序列的n－m點到n點的數據進行補充.

2.3 負壓波信號和方波噪聲分離

圖4所示為負壓波信號和方波信號的疊加波形圖.

圖4 負壓波信號和方波噪聲疊加模型

對上述波形的負壓波信號和方波信號從疊加信號中分離，采用時間序列轉折突變檢測方法［9］，其步驟為：（1）在變量t的取值區間［1，n］中插入n－1個分點.于是，將時間變量t分為n小區間，記為（1，2］，（2，3］，…，（n－1，n］；（2）用最小二乘法計算分割成的n－1段直線的斜率.需要指出的是，由于每次都選取了2個數據進行計算，因而得到的新的數據序列將會少一個點，需要對第一個點進行數據補充，本文采用的方法是讓第一個點和第二個點的數據相等；（3）在n－1個斜率中，尋找其中最大的二個斜率，并對這二個斜率進行排序.設這兩個斜率為a1，a2，那么這兩個值對應的橫坐標就是濾波后信號中的兩個突變點；（4）上述3個點將原始信號分為3段，分別為0－a1段、a1－a2段、a2－n段.求這3段每段的均值，也就是求各段的統計平均.設4個值分別為s1，s2，s3；（5）s1的值是未發生泄漏時的管內壓力值，s3的值是發生泄漏后達到穩定管內的壓力值，s2是由于疊加的方波信號引起壓力波動值，這樣方波信號的幅值s＝s2－s1；（6）突變點的時刻和突變幅值大小都已知的情況下，可以還原方波噪聲，將經過中位數濾波的信號減去方波噪聲，就能得到對泄漏點定位有用的負壓波信號.

3 預處理實例

圖5為復雜工況下的信號處理實例，在圖5a）中，壓力傳感器得到的信號混有大量的噪聲，經過中位數濾波后，得到圖5b）.從圖5b）看出，經過中位數濾波后，脈沖噪聲完全濾除，高斯噪聲也得到了一定的平滑.圖5c）為采用時間序列的突變點檢測模型對經過中位數濾波后的信號處理得到的信號圖，從圖中可以明顯的看到2個突變點.圖5d）為用經中位數濾波后的信號減去方波噪聲而得到的信號，也就是最后得到的還原信號.

從圖5d）可以看出，還原后的信號已經是具有幾乎垂直的下降沿，這個信號經過相關分析法、小波變換法處理以后，就可以得到發生泄漏的時刻，從而對管道中的泄漏點進行精準定位.

圖5 復雜工況特殊信號處理實例

4 結束語

本文探討了復雜環境下船舶管路泄漏信號的組成及預處理方式，有以下幾點體會：（1）復雜環境下船舶管路基于負壓波檢測方法得到的信號中包含了大量的噪聲，需要選擇合適的濾波方法和信號預處理方法來對有用信號和噪聲信號進行分離；（2）中位數濾波方法對濾除脈沖噪聲非常有效，對高斯噪聲也有一定的平滑作用.但要注意對濾波后的數據進行補充，否則會造成突變點漂移現象，影響定位精度；（3）尋找時間序列的轉折突變點后將方波噪聲從負壓波信號中進行分離，在突變點檢測時也要注意數據補充，否則也一樣引起突變點漂移.

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