城市智慧燃氣管網泄漏信號檢測及泄漏定位實驗

王曉蘭WANG Xiao-lan

（杭州宸諾投資有限公司，杭州 310057）

0 引言

燃氣管網泄漏除了會給燃氣公司帶來經濟損失，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安全。由于城市燃氣管網覆蓋范圍廣，并且經常與其他市政管網相互交錯，在發生泄漏之后如何實現即時告警、準確定位，就成為燃氣管網公司必須要考慮的問題。本文介紹了一種基于聲發射傳感器的燃氣泄漏檢測裝置，可準確識別泄漏信號，實現了燃氣管網泄漏故障的即時告警。同時還能基于單點定位算法，實現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 城市智慧燃氣管網泄漏信號檢測系統

1.1 燃氣泄漏檢測系統中傳感器的選擇

在燃氣泄漏檢測系統中，傳感器主要用于采集管網實時運行的狀態信號，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，判斷燃氣管網的運行狀態。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。根據以往的經驗，燃氣管道發生局部泄漏時，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 燃氣泄漏檢測系統的結構組成

該系統的核心裝置有聲發射傳感器、示波器、試驗管道、壓力表等，如圖1 所示。

圖1 燃氣泄漏檢測系統實驗裝置示意圖

如圖1 所示，在泄漏孔的左右兩側各布置了1 臺聲發射傳感器，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，可用于實時監測管道內天然氣的氣體壓力。泄漏孔的開度可調。在靠近管道入口的位置使用自動氣泵向管道內打氣，保證供氣均勻、壓力穩定。一段時間后，觀察示波器上呈現出來的兩個波形信號，可以發現根據泄漏孔前方聲發射傳感器采集到的數據，轉化成的原始波形比較規律；而根據泄漏孔后方聲發射傳感器采集到的數據，轉化成的波形雜亂無章。據此可以識別出該管道上某處發生了泄漏。進一步的，可以判斷泄漏點位于兩臺聲發射傳感器之間，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，無形中增加了數據處理量，從前端信號采集到計算機完成統計處理，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的區間范圍內，之后再將經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了間歇混沌現象。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）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 的區間范圍內。經過混沌算法處理后的泄漏信號檢測圖像如圖2所示。

圖2 燃氣泄漏檢測系統實驗結果

結合圖2 可知，由燃氣管網泄漏信號檢測系統檢測到的原始信號為混沌狀態（圖2 左）。而經過陣子陣列的處理后，檢測信號從混沌狀態轉變為大周期狀態（圖2 右）。這樣就能通過陣列掃描更加準確地檢測泄漏信號，提高了系統響應速度和檢測效率。

2 城市智慧燃氣管網泄漏定位實驗

在檢測到燃氣管網有泄漏故障后，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，防止出現燃爆事故。通過上文分析可知，當燃氣管道某處發生泄漏后，從泄漏點出會產生振動，并且從泄漏點沿著管壁向兩端傳播。因此，位于泄漏點兩側的聲發射傳感器可以捕捉振動信號，進而判斷是否發生了泄漏，并對泄漏位置進行精確定位。現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

隨著燃氣管網泄漏檢測技術的日益成熟，可用于泄漏定位的數學模型也越來越多。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或兩臺檢測裝置之間，有且只有一個泄漏點，其中1#聲發射傳感器與泄漏點之間的距離為L1，2#聲發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、非高斯信號；N1（n）、N2（n）均表示零均值、平穩的高斯噪聲，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：

根據式（2），分別得到L1和L2的表達式：

根據式（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：

根據式（5）求得理想狀態下的互功率譜密度，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。總結來說，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（如埋設環境、管道材質、管內壓力等）的影響呈現出不確定特性，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。根據頻率計算方式的不同，又可分為常規的互雙譜法（CBM）、改進的互雙譜法（MCBM），以及參數互雙譜法（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間T1和T2分別表示為：

在上述區間范圍內，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現B111（fm，fn）與B112（fm，fn）之間存在關系，經過兩式合并、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信號模擬傳感器，收集燃氣管道中的泄漏信號。所得數據共有10 組，每組數據為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 燃氣管網泄漏定位實驗結果

根據圖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互雙譜法能夠在強噪聲環境下準確進行信號時延估計，保證定位結果精度。

3 結語

實現燃氣管網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生振動，并沿著管道進行傳播，基于此可以構建燃氣管網泄漏信號檢測系統，利用聲發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。