基于管道空間數據的天然氣泄漏點定位方法研究

王澤鑫,周 恒,黃新剛,張皓翔,楊 璇

(克拉瑪依市富城能源集團有限公司,新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

管道天然氣泄漏定位系統需要多方面相互配合,可通過及時的泄漏定位令地面救援指揮部門了解現場情況,從而迅速制定合理的應對方案[1-2]。因此,在救援指揮系統中,對天然氣泄漏點的具體位置進行精準定位尤為重要。文獻[3]以概率統計為依據,對災害中天然氣泄漏點的定位特征向量進行分析描述,以完成定位并應用到救援指揮系統中。雖然這種方法在實際應用中操作簡單,但在泄漏點定位方面存在一定的誤差,降低了天然氣泄漏定位系統的精準性。

文獻[4]首先利用坐標變換原理分析,對物體圖像的平面與世界兩坐標建立數學關系,并計算得到距離和信標的坐標以實現對觀察點的定位;然后采用稀疏自編碼器與深度神經網絡模型,將多個自定義Wi-Fi特征和11個距離類別分別作為輸入和標簽;最后通過節點間的距離識別定位坐標的有效值,完成整個定位流程,并應用于救援指揮系統中。此方法實施時定位過程較復雜,且計算時間長,導致天然氣泄漏定位系統不能及時地實施人員救助。這主要是因為當前方法都是以明確的閾值特征判斷發生泄漏的位置,需要長時間積累才能明確診斷。多點安裝傳感器能解決這一問題,但是會產生巨大成本,同時大幅增加通信故障的可能性。

針對上述問題,本文設計基于管道空間數據的天然氣泄漏點定位方法。本文構建天然氣泄漏檢測系統,篩選出距離未知節點位置最近的基站節點,采用最小二乘法求解天然氣傳感節點位置,并通過加權融合算法實現節點坐標的定位。

1 天然氣泄漏特征空間數據關系分析

一般的天然氣泄漏檢測系統采用嵌入式技術實現。天然氣泄漏檢測系統主要由通信裝置、精準定位監測站、發光信號指示牌、精準定位收發器、超聲波傳感器、通信信號裝置、傳感定位系統和紅外氣體泄漏傳感器等構成[5-6]。天然氣泄漏檢測系統組成如圖1所示。

在天然氣泄漏檢測系統中,對天然氣泄漏的具體特征屬性進行監測是重中之重。天然氣定位系統大部分采用三線邊定位法計算出泄漏點的具體位置[7-8],并運用假設法驗證檢測方法的可實施性以及準確率。

本文在傳統方法的基礎上,結合管道空間數據關系,設3個已知的基站點位為圓心、待測區域到檢測點的距離為半徑。根據檢測可得,基于三線邊定位法的定位中,接收信號強度指標較大的節點基站對定位的精準度影響較大,而指標較小的則沒有太大影響[9-11]。因此,為了保證檢測質量,必須選擇各指標都較為中和的空間節點參與定位。根據接收信號強度指示(received signal strength indicator,RSSI)的范圍和泄漏特征信號接收強度,本文篩選出3個符合要求且距離未知節點位置最近的基站節點,從而確保定位信息不受干擾?；竟濣c的優先選取如圖2所示。

圖2 基站節點的優先選取

由圖2可知:首先,通過篩選依據RSSI,將范圍從1#～10#空間節點縮小到待測區域周圍的1#～4#基站節點;然后,以接收空間信號的強度關系為依據,對1#～4#基站節點進行降序組合排列;最后,選定1#～3#節點作為檢測節點參與計算。此操作處理在一定程度上保障了后續的定位檢測精準度。

2 定位算法設計

在坐標系全局下,本文將未知井下天然氣傳感節點的位置設為P(x,y)。選定的3個基站節點坐標分別為A(a1,b1)、B(a2,b2)、C(a3,b3)。天然氣傳感節點P的位置坐標可以通過距離方程來表達。具體計算式為:

(1)

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

在實際應用中,會發生因為測量誤差使式(1)出現無解的情況,所以在求解定位時要對式(1)進行轉換:

(2)

(3)

式中:Q為假定圓的位置。

θ=[xyx2+y2]T

(4)

式中:θ為節點向量。

(5)

式中:K為基站節點到天然氣傳感節點的距離。

式(3)～式(5)可化簡為Qθ=K。則運用最小二乘法計算可得:

θ=(QTQ)-1QTK

(6)

P(x,y)的估計值是θ中的元素。無論3個假定的圓是相交還是相離,用這種方法獲得的P(x,y)都可以得到相應的實數解。但是這種方法會受外在環境因素的影響而降低定位精準度,從而出現較大的定位誤差。因此,采用加權融合算法[12],即將空間特征關系加權因子加到每組的定位坐標中,可以提高定位精度。具體操作如下。

本文通過A、B這2點得到P1(x1,y1),即P的坐標估計值。同理,通過A、C點與B、C點可分別得到P2(x2,y2)、P3(x3,y3)這2個點的坐標估計值。天然氣泄漏檢測的初始傳感節點與未知節點間的距離和與之相對應的節點坐標呈反比。所以,當上述傳感節點與未知節點間的距離越遠時,與之相對應的節點坐標空間關系比重就會越小。P的坐標(x,y)可通過加權值得到:

(7)

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

至此,本文運用較少的節點定位出天然氣泄漏點的具體位置。此環節為救援行動的重要環節,可提高救援速度。

3 試驗

3.1 試驗環境的搭建

通過仿真試驗,對本文設計的基于物聯網技術的天然氣泄漏點定位系統進行驗證分析。進行試驗的仿真模擬環境為45 m×45 m的空曠室內。試驗所需要的輸氣管道泄漏試驗裝置包括管道、空氣壓縮機、緩沖罐。

在某一階段,用于軟件測試的真實管道系統的基本參數為:管道長度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(天然氣)密度ρ=900 kg/m3;流體體積彈性系數K=1.32×109Pa。

管道內媒質的流速對負壓波波速有一定的影響。當管道內媒質流速增大時,負壓波的波速也會增加。因此,通過負壓波傳播速度,可計算得出負壓波的波速v=994.1 m/s。

3.2 傳感器的選擇與應用結果測定

天然氣泄漏特征會被轉換為電渦流信號。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

運用本文方法對傳感器進行布局,可以使天然氣濃度不斷增大。以閾值為基礎的電渦流傳感器靜態輸出與動態輸出如圖4所示。

圖4 電渦流傳感器靜態輸出與動態輸出示意圖

由圖4可知,本文方法利用空間關系,可以快速檢測出泄漏點。其不再單純依靠閾值,故優勢明顯。

3.3 試驗結果對比分析

試驗步驟為確定區域內 4條邊線及4個頂點的中心點,計算出該區域內的大致中心點,并設置9個基站節點。試驗隨機選擇1個未知節點(8,8)進行測試,采用文獻[3]系統、文獻[4]系統及本文設計的定位系統共同對該節點進行定位。迭代次數為50次。3種系統定位誤差率對比結果如圖5所示。

圖5 3種系統定位誤差率對比結果

由圖5可知,本文系統相對于其他2種系統,定位誤差曲線較為平緩,誤差率明顯較低。通過誤差曲線的對比可推理,較為平緩的曲線趨勢就表示系統的運行穩定,不會出現較大的波動誤差。為進一步驗證所提系統的可靠性,本文分別對3種系統定位的時效和精確度進行比較。系統定位時效對比結果如圖6所示。

圖6 系統定位時效對比結果

由圖6可知,相對于其他2種系統,本文系統的耗時最短,耗時穩定維持在14～18 min。而其他2種系統的定位所耗時間均在20 min以上。使用文獻[4]定位方法的應急定位指揮系統的定位耗時最長。

精準度對比結果如圖7所示。由圖7可知,相對于其他2種系統,本文系統的精準度最高,接近99%,且穩定。文獻[3]系統精準度最低,且上下波動較大。文獻[4]系統的精準度比文獻[3]系統高、波動較小,精準度維持在75%～90%之間。

綜上所述,本文系統的性能好、定位誤差小、定位時間短,且精準度高。該系統能夠在較短的時間內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生后的應急救援工作節省一定的時間,有助于救援行動的及時進行。

4 結論

本文基于管道空間數據,設計天然氣泄漏點定位方法,采用三線邊定位法篩選出基站節點,通過最小二乘法和加權融合算法,對節點坐標進行定位。該方法可在突發天然氣泄漏事故時迅速、精準定位泄漏點,為事故救援工作節省時間,以便決策單位及時通知救援小組對周圍人民群眾進行安全撤離。這將有效減少由災害帶來的安全隱患,極大程度地保障人民群眾的生命財產安全,具有較好的應用性能。