基于CUSUM 算法的負壓波管道無損檢測方法

周 杰

（1.周口理工職業學院，河南 周口 466000；2.周口技師學院，河南 周口 466000）

由于目前鹽業化工企業主要采用鹽鹵作為生產原料，大多數鹽腔都處于地下，且鹽化廠的地理位置使得鹽鹵管道是鹽化廠收獲鹵水的主要方法，因此鹵水集中輸送成為提取鹽鹵的重要環節，在生產中常需要長距離運輸。然而隨著管道數增多、管道輸送距離拉長，以及基本管線處于露天狀態，導致管線遭遇破壞和自然環境的腐蝕影響，泄露的風險和狀態與日增加。由于鹵水具有一定的腐蝕性和流動性，使得鹵水泄漏對周圍村莊和環境造成嚴重威脅，同時對企業造成巨大的經濟損失[1]，因此鹽鹵管道的安全檢測至關重要。

我國鹽鹵管道檢測技術主要有人工檢測、半自動檢測、全自動化檢測3 種。其中，人工檢測速度較慢，周期較長，給企業帶來的損失大大增加；半自動檢測方法較為簡單，但魯棒性不強，采用物理量檢測極易受到周圍環境的干擾；全自動化檢測是未來的發展趨勢，主要分為流量、聲波、壓力、光纖、磁電傳感等[2]。

流量傳感型對流入流出量進行計量，但是受到管道形變和溫度影響，精確度不高，且無法準確定位到泄漏點；壓力傳感型對管道內壓力信號進行處理，多采用均值濾波等進行消噪、提取特征值，與此同時也會大大降低泄漏信息的特征、影響定位精度；聲波傳感型以負壓波為主，通過管壁負壓波進行定位，由于長距離問題，負壓波在傳輸過程中衰減較為嚴重，對泄漏變化極為敏感，易受到干擾[3]。

目前負壓波檢測技術的精度受到管道、材料、尺寸、流量等影響，造成負壓波適用場景不能通用。本文提出一種基于CUSUM 算法的負壓波管道無損檢測方法，具有較強的自身抗噪性能，通過歷史數據預處理，解決了負壓波抗噪能力較差的問題，可靠性強，靈敏度高。該方法對管道泄漏檢測定位具有一定的工程實際意義。

1 負壓波法基本理論

1.1 負壓波檢測原理

當鹵水管道出現裂紋、造成泄漏時，管道內本來的穩定流體將會沿著裂紋噴射向外擠壓，造成流體流失，使得管內在泄漏點壓力降低，導致流體膨脹且密度降低。流體以水擊波的形式往兩端傳播、擴散、反射、衰減，由于負壓波屬于定頻信號，因此反射衰減較慢，沿管壁達到管道盡頭[4]。當負壓波傳遞到首末兩端時，會在一段時間中產生壓力陡降，通過首末兩端采集的同步時鐘差，根據具體的材質，計算出實際負壓波在管道中的傳播速度，計算出泄漏點的具體位置[5]。負壓波傳播速度一般在1 000 m/s 左右，負壓波法定位迅速，防止事故擴大，爭取了寶貴的時間，降低了損失[6]。負壓波法原理見圖1。

圖1 負壓波法原理

1.2 負壓波法采集信號與定位

管道總長度為L，故障距離PT1 為x，假設負壓波傳播速度為α，管內流體速度為V，負壓波到達兩端時間差為Δt，則泄漏點到達PT1 距離的計算公式為

負壓波法采集的主要信號包括流量、壓力、溫度時域信號。根據負壓波的結構特征與所采集的壓力、流量信號進行分析，將首末兩端所采集的壓力、流量信號的結構特征與負壓波的結構特征進行對比。當滿足相應結構特征時，綜合管內壓力、流速等，計算負壓波在管道中不同段的取值情況，通過時間差對泄漏點位置進行定位[7]。

2 CUSUM 算法基本理論

2.1 CUSUM 算法原理

累積和（Cumulative Sum，CUSUM） 是統計學中一種重要的方法，于1945 年在英國劍橋大學誕生[8]。其本質就是凸顯觀測值與水平值偏移程度的控制圖。主要統計一個時序數列中過程平均值的微小變化和未來可變性，具有提前預測的能力。CUSUM算法基于序貫分析中的序貫概率比進行檢測，在抽樣時，不預先指定樣本總數，而且先抽取少量樣本，然后停止或者繼續抽樣，直到滿足條件，根據最終的結果狀態確定樣本數[9]。

2.2 基于CUSUM 算法的負壓波檢測

由于負壓波攜帶振動信號等泄露信息往兩端傳播，假設負壓波整個時間域上存在m個時間觀察點，可知m個時間觀察點中觀察到的負壓波波形數據分別為X1，X2，X3，…，Xm，相互獨立且服從分布N（μ1，δ2）。模型主要通過對時間域中的m進行檢測，觀察其均值分布，假設在時間觀察點n＜m后的負壓波數據發生突變，則負壓波數據量Xn+1，Xn+2，…，且服從分布N（μ2，δ2），要求μ1＜μ2。在發生突變時，假設檢驗公式為

式中：初始值S0=0；zi為當前負壓波觀察值相對于負壓波歷史基線的一個偏移量；Xi為當前PT1 的觀測值；μi為歷史基線均值；σi為歷史基線的標準差；Si為所需的負壓波預警統計量；Si-1為上一階段的負壓波狀態統計預警量；k為參考值，是CUSUM 負壓波模型中待定參數。

當輸鹵管道出現泄漏時，通過以往歷史數據的長期檢測，當出現變化時，立刻對變化較為明顯的負壓波做出精確預警，從而檢測負壓波到兩端PT1、PT2 的時刻，通過同步時間差，即可精準確定泄漏點位置。

3 負壓波檢測及識別

3.1 程序設計流程

基于CUSUM 算法的負壓波檢測具有良好的抗噪性，但在復雜工況下，由于現場大量噪聲夾雜時獲取原始信號較為困難，因此需要采用消噪方法對環境噪聲進行先一步處理。本程序采用小波去噪，結合固有工況，設置特定小波基db4，通過長期的正態分布記錄數據，保證正常工況下數據的穩定性，通過MATLAB 程序設計，進一步驗證算法的準確性，MATLAB 程序中CUSUM 算法負壓波檢測流程見圖2。

圖2 MATLAB 程序中CUSUM 算法負壓波檢測流程圖

3.2 檢測判別測試及結果分析

根據MATLAB 程序中CUSUM 算法負壓波檢測流程，首先對采集的時域數據進行小波去噪，得到較為平滑的數據片段，即輸鹵管道實測負壓波波形數據片段，見圖3。

圖3 輸鹵管道實測負壓波波形數據片段

將實測負壓波波形數據通過CUSUM 算法檢測，判斷數據是否超出歷史數據基線裕度，當達到泄漏條件時，即可采集雙端檢測的負壓波到達時間，通過距離公式進行計算，完成管道泄漏點的定位[10]。

通過輸鹵管道智能檢測系統數據采集，選擇STM32F767 為主控芯片，建立8 個數據采集點。在每段輸鹵管道上下游安裝終端，采集壓力信號和振動信號，并將信號進行存儲，采取圖2 中CUSUM算法負壓波檢測流程，通過調試，得到輸鹵管道檢測模型檢測判別正確率，見表1。

表1 輸鹵管道檢測模型檢測判別正確率

從測試結果來看，基于CUSUM 算法的負壓波檢測對于鹽化工輸鹵管道的泄漏檢測具有較高的準確性，該檢測模型能夠根據不同場景調整修改參數，從而滿足不同現場的要求，具有一定的工程實用價值。

4 結束語

本文從算法層面對負壓波檢測輸鹵管道工泄漏檢測提出一種基于CUSUM 算法的改進方法，對歷史數據進行預處理，通過負壓波進行泄漏點定位，具有良好的抗噪性能，同時為企業爭取了大量的時間。相對于傳統的負壓波檢測只能檢測到較大泄漏的缺點，該算法可以檢測到微小泄漏，對于不同場景工況下，通過設置閾值，正確率高于90%，滿足實際工況要求。