一种用于航煤管道泄漏监测和定位的系统及方法与流程
本发明涉及管道健康检测领域，具体涉及一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统及方法。
背景技术：
航空煤油(喷气燃料)是飞机的血液，是航空能源的主要组成部分，航煤输油管道作为飞机飞行作战能量输送到供应的关键环节，其健康运行与否将直接影响飞行安全。因此，对输油管道的渗泄漏监测具有十分重要的意义。仅2018年至今全管线渗漏多起，造成了较大的经济损失和不良社会影响。因此通过技术手段监测、检测输油管道安全状态，保证输油管道健康、正常运行；保障作战能源的正常供给，具有十分重要的意义。
针对现有旧有油料管道大量埋地、拓扑复杂、频繁启停等特点，为满足对旧有管道原位改造对泄漏和微小泄漏进行精准定位/定量预警的需求，形成航煤管道泄漏检测在线精准定位与原位定时管道完整性定量检修预警系统逐步在全航煤料输送管道上进行推广，逐步实现航煤管道的可靠性管理工作建设，对于管道本身防护、油料安全输送具有重要作用，对预防事故、确保飞行油料保障安全，提高油料保障能力具有极为重要的意义。
负压波方法判断泄漏主要是通过识别压力下降来完成的。但是，由于油料运输的工艺流程十分复杂，经常需要倒灌、切泵等作业。当管道某点发生泄漏，两端传感器采集到负压波的信息将被作为判断泄漏采集的依据。而这个过程中间并没有任何操作来判定引起负压波的是不是泄漏事件，很可能是正常的工艺流程导致了管道内压力下降。因此，需要寻找一种技术来减小或消除这些影响，来提高干线泄漏检测系统的定位精度并减小误报率。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术中针对航煤管道要求定位误差低、自动化程度高和联动操作的问题，提供了一种用于航煤管道泄漏监测和定位的系统及方法，解决了上述问题。
本发明提供一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统，包括第一站组、第二站组、第一站远程终端、第二站远程终端、校时模块和监控终端，第一站和第二站之间通过管道连接，第一站远程终端连接第一站组，用于采集第一站压力、流量和温度数据，第二站远程终端连接第二站组，用于采集第二站压力、流量和温度数据，校时模块分别连接第一站远程终端和第二站远程终端，用于对第一站远程终端和第二站远程终端统一校时，监控终端连接第一站远程终端和第二站远程终端，用于判断管道是否泄漏和泄漏位置，第一站组和第二站组所用传感器为mems光纤f-p压力传感器。
波长型mems光纤f-p压力传感器内部的f-p压力敏感芯片基于mems微加工技术制备，其f-p光学干涉腔的其中一个反射面为soi硅片的原始抛光表面沉积高反膜后构成，另外一个反射面为玻璃片的原始抛光表面沉积高反膜后构成，都非常光洁和平整，通过硅-玻璃阳极键合固定后可以获得很高的f-p光学干涉腔干涉精细度，其精细度因子也即自由谱宽fsr与信号谱3db带宽fwhm之比不小于20，可采用波长信号解调方式进行压力信号检测，提高压力分辨率和测量精度，解决了f-p光学干涉腔采用强度调制解调方法和相位调制解调方法所存在的灵敏度低、受光源功率波动和光纤弯折影响等问题；同时，由于波长信号解调方式对f-p敏感腔的腔长变化有更为灵敏的检测能力，使得硅压力敏感膜不需要设计得非常薄，从而兼顾mems压力传感器的测量精度、过量程能力、机械可靠性和动态测量响应能力。
各站点采用多传感器，与单传感器系统相比，运用多传感器数据融合技术在解决探测、跟踪和目标识别等问题方面，能够增强系统生存能力，提高整个系统的可靠性和鲁棒性，增强数据的可信度，并提高精度，扩展整个系统的时间、空间覆盖率，增加系统的实时性和信息利用率等。多传感器融合技术的基本原理就像人脑综合处理信息一样，充分利用各个传感器资源，通过对多传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多传感器在空间或时间上亢余或互补信息依据某种准则来进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述。
通过现有的数据采集与监控控制系统获得管道输送介质的压力、流量、温度、密度等参数，对负压波或声波传播速度进行修正；采用神经网络模式等模式识别算法对压力、流量、温度、密度等多种信号进行处理，准确判断泄漏事件，减低系统的误报率。
在实际的监测系统中，每站均有一台计算机来实时的采集压力等数据，并把采集到的数据保存起来。当系统检测到有泄漏时，子站会在送数据的同时进行相应的有“负压波”指示，此时可调出相应的数据进行分析，确定泄漏点的位置。要准确确定负压波传播到上、下游站压力传感器的时间差，就要做到调出来作分析的那一段数据的起始时间一致，也就是要求上、下游站的计算机的系统时间一致。为此需借用己有的北斗卫星定位系统(北斗)来使各站计算机的系统时间保持同步。
本发明所述的一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统，作为一种优选方式，第一站组包括第一站本体、第一站近端压力传感器和第一站远端压力传感器，第一站近端压力传感器贴近第一站于管道上，第一站远端压力传感器设置于第一站近端压力传感器外侧管道上。
本发明所述的一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统，作为一种优选方式，第二站组包括第二站本体、第二站近端压力传感器和第二站远端压力传感器，第一站本体和第二站本体通过管道连接，第二站近端压力传感器贴近第二站于管道上，第二站远端压力传感器设置于第二站近端压力传感器外侧管道上。
本发明所述的一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统，作为一种优选方式，用于航煤管道泄漏监测和定位系统还包括若干中间站组、若干与各中间站组相连的中间站组远程终端，中间站组设置于第一站组和第二站组之间，中间站组远程终端连接校时模块和监控终端，中间站组所用传感器为mems光纤f-p压力传感器。
本发明所述的一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统，作为一种优选方式，中间站组包括中间站本体、中间站进口近端压力传感器、中间站进口远端压力传感器、中间站出口近端压力传感器和中间站出口远端压力传感器，中间站进口近端压力传感器和中间站进口远端压力传感器由近至远设置于中间站油料进口方向管道上，中间站出口近端压力传感器和中间站出口远端压力传感器由近至远设置于中间站油料出口方向管道上。
管线上有第一、第二两个检测站点，在第一站出站口安装两个压力传感器，两个压力传感器相隔一段距离，分别用近端传感器和远端传感器来表示。同时在第二站进站口安装两个压力传感器，相隔一定距离，也用近端传感器和远端传感器表示。当第一站或者第一站上游有工况操作，采集到压力下降信号的传感器顺序依次为第一站近端、第一站远端、第二站远端、第二站近端。当第二站或者第二站下游有工况调整时，采集到的数据下降的压力传感器顺序依次为第二站近端、第二站远端、第一站远端、第一站近端。如果泄漏真实发生在第一、第二两站之间，则压力下降信号由中间出发向两侧传播。对于第一站，先经过远端再经过近端，对于第二站，同样也是先经过远端再经过近端。这样通过压力在四个传感器上的下降顺序，就可以判定引起系统报警的负压波到底是不是泄漏引起的。如果压力下降信号是管段中间某一点引起的，则判定是泄漏真实发生。如果压力下降是第一、第二两站上下游信号引起的，则屏蔽报警信息。
阵列传感器泄漏检测系统主要包括四部分的内容，压力传感器、远程终端单元(rtu)、网络以及中心站的监控软件。构建基于双压力传感器的管道泄漏检测系统，需要在管道每一个站点的出站口和进站口安装两个压力传感器。由于管线首站只有出站口，末站只有进站口，所以首、末两站只需要两个传感器。而中间站都有进站口和出站口，所以需要安装四个传感器。
本发明所述的一种用于航煤管道泄漏监测和定位方法，作为一种优选方式，包括以下步骤：
s1、读入各站点的压力信号；
s2、信号数据预处理；
s3、判断信号数据是否正常，若不正常运行步骤s1若正常运行步骤s4；
s4、判断是否是工况变化，若是，进行工况提示，并运行步骤s1；若不是则运行步骤s5；
s5、通过小波变换法对数据进行处理；
s6、判断步骤s5处理后的数据是否超过阈值，若是，则进行泄漏定位并报警，并运行步骤s6,；若不是则运行步骤s1；
s7、对泄漏数据和报警信息进行记录存储。
小波变换是把某一称为基本小波(母小波)的函数ψab(t)做位移b后,再在不同尺度下与待分析的信号s(t)做内积：
小波变换被形象地称为数学显微镜，对s(t)进行分析，就是用基本小波观察它，x(t)代表镜头所起的作用(滤波或卷积)，b相当于镜头相对于目标平行移动，a的作用相当于镜头向目标推进或远离。b为尺度因子，b增大时，ψb(t)在时域上伸展，频域上收缩，中心频率降低，有利于分析信号的概貌；b减小时，ψb(t)在时域上收缩，频域上伸展，中心频率升高，有利于分析信号的高频细节，可检测信号的瞬变点。小波变换作为一种多尺度时频分析方法，能将含有多种频率成分的被分析信号按一定的时间和频率进行分解并逐步求精，具有几乎完善的双重局部化性质并能有效地刻划信号突变并抑制噪声。一方面，由于噪声属高频信号，其模极大值随着分解尺度的增加而衰减，所以经过适当的尺度分解后，再采取适当的阀值以消除噪声影响；另一方面，wts(a,b)的极值点对应于平滑后的拐点，因此，利用模局部极大值及其跨尺度传递，可准确地分析出信号发生畸变的时刻，从而精确定位。
本发明所述的一种用于航煤管道泄漏监测和定位方法，作为一种优选方式，步骤s5具体为：
s51、小波基函数的选择；
s52、确定小波函数分解层次；
s53、阈值的设定；
s54、漏电位置计算的模型建立。
基于小波阈值函数实行信号去噪的第一个考虑的就是选择一种相对符合的小波基(dbn、symn、coifn、haar、morlet等)。和傅里叶变换进行比较，小波变换有着很多的小波基能够进行选取，这样能够对同一个待处理的信号在不一样的小波基上进行展现，将会获得不一样的分解效果。选取不一样的小波基函数将会产生不一样的去噪效果，所以小波基的选择也是非常重要的一环。选取小波基通过的做法是先思考小波变换的通用性、有用性和系数的单一性。然而，在具体的实际运用中，根据分析采用小波变换方法进行信号分解的最后数据与理论效果之间存在的误差，用于判断小波基的合适度，用这个结果来选择合适的小波基函数。
目前，较为先进的小波基函数为正交(daubechies)小波和双正交(symlets)小波。daubechies小波是一个紧支撑正交小波，对于给定的支撑宽度具有极值相位和最高消失矩.symlets小波是由daubechies提出的一族近似对称的小波，它们是db小波族的改进，2个小波族的特性相似，但symlets小波在保持极大简单性的同时，可以增加其对称性，symlets也是紧支撑小波，对于给定的支撑宽度，具有最高消失矩数。紧支撑小波在滤波中已得到广泛应用。正交和双正交小波具有二阶的消失矩，对信号的逼近精度高，但正交小波缺乏对称(反对称)性，有可能造成较多的失真。因此，一般而言，双正交小波综合性能是最好的。若能够根据信号不同的特征，自适应地选择小波基,就能够达到最佳的滤波效能。
小波变换对信号进行分解过程中，分解层数的确定同样为一个非常关键的环节。小波变换对含噪信号实行分析并且实行处理，其本质是对在不同分辨率或不同尺度上的小波系数实行的处理。从理论上来说，对于长度为n的数据信号，其最大分解层数可以取到
所以，分解层数不是越大越好，太大就会不利于计算量和存储量，降低处理后的效果。
分解层数j选取的越大，信号与噪声会有不同的特性表现出来，可以由这不同特性用于分离噪声与信号。然则若是分解层数相比很大，也会降低去噪后信号的质量。分解层数越大会使得信号进行重构之后产生很大的误差，同时也会造成越大的失真现象。所以，选取适当的分解层数必然需要由信号的现实情况来决定。对于一般情况，能利用信号的信噪比来确定适当的分解层数，因为信噪比越大，信号量占有主导，此时分解层数应该拔取较小就能够把噪声剖析开来；若是信噪比越小，噪声量占有主导，想要抑制噪声，则须要较大的分解层数。是以由待处理信号的信噪比值的大小决定分解层数的数值，也能必定程度上获取更好的去噪效果。
小波指标的阈值直接关系到泄漏检测的灵敏度、可靠性和泄漏定位的精度。利用正常运行状态的数据计算指标值以确定阈值。一般情况下，在设定阑值时必须综合考虑泄漏检测的灵敏性和可靠性。其中阈值的设定不一定能保证所有试验均可检测出管道的泄漏。应该在保证可以可靠地检测出一定泄漏量的前提下，使各种随机扰动引发的误报警尽量减少。
针对利用同一种的小波基函数(db系列、sym系列等)对含噪信号实行消噪处理时，如何进行阈值的确定这直接关系到降噪效果的好坏，正负作用很大，不可以忽视。若是确定的阈值太小，那么会有一部分噪声的小波系数，将会无法被置为零，如此施加阈值之后，就导致降噪之后的信号其小波系数将包含过多的噪声分量，去噪不彻底且效果明显不好。相反的情况，若是确定的阈值相对很大，那么会有一部分有效信号的小波系数会被置为零，因此这部分有效信号会跟着噪声一路被滤除掉，导致降噪之后的信号其存在有效的信号会丢弃，这就是常说造成信号失真的现象。
因此，如果阈值选择不当，小波变换将不能够很完全地给含噪信号实行去噪。在小波去噪过程中，确定适当的阈值就会让噪声信号分量在被滤除的时刻，尽可量完善的保全原始信号的有效的信号很少丢失。
本发明所述的一种用于航煤管道泄漏监测和定位方法，作为一种优选方式，步骤s6泄漏定位方式为：
s61、计算由于介质流速瞬时变化引起的压力差δp，公式如下：
其中，γ为介质的重度，g为重力加速度，a为负压波在该管道中的传播速度，υ为正常输送时介质的流速，υ0为瞬变后的介质流速；
s62、设t1和t2分别为负压波信号从泄漏点处传输到管道上、下游压力变送器时所消耗的时间，计算泄漏点到管道上游压变的距离x，公式如下：
其中，l为管道上、下游压变之间的距离。
系统总体结构由中心监控机、放置在首、末站的数据采集系统、站监控主机、北斗校时模块,还有压力、流量和温度传感器组成。数据采集系统采集的数据按照自定义的通讯协议通过rs232串口、串口/网口转换及网络(依据现场网络状况而定)将数据传到中心监控机。当管线上的某点发生泄漏时，其压力和流量信号随之产生相应的变化，中心控制站的监测软件对采集上来的负压波和流量信号以曲线的形式进行实时显示，并根据输油管道两端采集的信号,以流量平衡和负压波法为理论基础，对输油管道中所出现的泄漏及时进行报警，并确定泄漏点位置。
附图说明
图1是一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统示意图；
图2是一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统第一站组示意图；
图3是一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统第二站组示意图；
图4是一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统中间站组示意图；
图5是一种用于航煤管道泄漏监测和定位方法流程图。
附图标记：
1、第一站组；11、第一站本体；12、第一站近端压力传感器；13、第一站远端压力传感器；2、第二站组；21、第二站本体；22、第二站近端压力传感器；23、第二站远端压力传感器；3、第一站远程终端；4、第二站远程终端；5、校时模块；6、监控终端；7、中间站组；71、中间站本体；72、中间站进口近端压力传感器；73、中间站进口远端压力传感器；74、中间站出口近端压力传感器；75、中间站出口远端压力传感器；8、中间站组远程终端。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种用于航煤管道泄漏监测和定位系统，包括第一站组1、第二站组2、第一站远程终端3、第二站远程终端4、校时模块5、监控终端6、若干中间站组7、若干与各中间站组7相连的中间站组远程终端8，第一站和第二站之间通过管道连接，第一站远程终端3连接第一站组1，用于采集第一站压力、流量和温度数据，第二站远程终端4连接第二站组2，用于采集第二站压力、流量和温度数据，校时模块5分别连接第一站远程终端3和第二站远程终端4，用于对第一站远程终端3和第二站远程终端4统一校时，监控终端6连接第一站远程终端3和第二站远程终端4，用于判断管道是否泄漏和泄漏位置，第一站组1和第二站组2所用传感器为mems光纤f-p压力传感器。中间站组7设置于第一站组1和第二站组2之间，中间站组远程终端8连接校时模块5和监控终端6，中间站组7所用传感器为mems光纤f-p压力传感器。
如图2所示，第一站组1包括第一站本体11、第一站近端压力传感器12和第一站远端压力传感器13，第一站近端压力传感器12贴近第一站于管道上，第一站远端压力传感器13设置于第一站近端压力传感器12外侧管道上。
如图3所示，第二站组2包括第二站本体21、第二站近端压力传感器22和第二站远端压力传感器23，第一站本体11和第二站本体21通过管道连接，第二站近端压力传感器22贴近第二站于管道上，第二站远端压力传感器23设置于第二站近端压力传感器22外侧管道上。
如图4所示，中间站组7包括中间站本体71、中间站进口近端压力传感器72、中间站进口远端压力传感器73、中间站出口近端压力传感器74和中间站出口远端压力传感器75，中间站进口近端压力传感器72和中间站进口远端压力传感器73由近至远设置于中间站油料进口方向管道上，中间站出口近端压力传感器74和中间站出口远端压力传感器75由近至远设置于中间站油料出口方向管道上。
两个压力传感器的安装距离以及采样率对于负压波方向的判定有至关重要的作用。假设两个传感器距离100m，采样率为20hz，负压波在原油中传播速度约为1km/s，则两个传感器采样仅差两个点，难以判定信号方向。增加两个传感器距离可以提高信号方向判定精度，但是受到站内空间的影响，两个传感器的距离一般在200m之内，甚至更短。所以需要增加rtu的采样率，采样率提高十倍，相同精度下距离就可以缩小。而中心站压力下降判定与泄漏定位采用20hz的采样率即可，所以当rtu提高采样速率时，为了减少网络传输压力，可以部分传输采集数据，而信号判定由rtu完成。这样既降低了网络传输的负荷，又能满足rtu信号定向的准确性要求。
系统总体结构由中心监控机、放置在首、末站的数据采集系统、站监控主机、北斗校时模块,还有压力、流量和温度传感器组成。数据采集系统采集的数据按照自定义的通讯协议通过rs232串口、串口/网口转换及网络(依据现场网络状况而定)将数据传到中心监控机。当管线上的某点发生泄漏时，其压力和流量信号随之产生相应的变化，中心控制站的监测软件对采集上来的负压波和流量信号以曲线的形式进行实时显示，并根据输油管道两端采集的信号,以流量平衡和负压波法为理论基础，对输油管道中所出现的泄漏及时进行报警，并确定泄漏点位置。
在每处测点位置处按照传感器阵列性能，布置安装传感器，传感器采用设计的专用管道安装夹具进行安装，传感器按照每组约8至12个进行波长组合，每处测点位置传感器现场安装图见图，每处测点位置传感器波长、标定系数等信息。
如图5所示，一种用于航煤管道泄漏监测和定位方法，包括以下步骤：
s1、读入各站点的压力信号；
s2、信号数据预处理；
s3、判断信号数据是否正常，若不正常运行步骤s1若正常运行步骤s4；
s4、判断是否是工况变化，若是，进行工况提示，并运行步骤s1；若不是则运行步骤s5；
s5、通过小波变换法对数据进行处理；
s6、判断步骤s5处理后的数据是否超过阈值，若是，则进行泄漏定位并报警，并运行步骤s6,；若不是则运行步骤s1；
s7、对泄漏数据和报警信息进行记录存储。
传统的傅立叶变换在时域不能局部化，难以检测到突变信号。与傅里叶变换相比，小波变换是时间(空间)频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了傅里叶变换的困难问题，成为继傅里叶变换以来在科学方法上的重大突破。小波变换由于在时－频域局部化，而且时窗和频窗的宽度可调节，可以有效检测强噪声背景下的信号突变边沿，而其模极大值所对应的时间可以进一步被用于定位信号边沿的发生时间，故小波变换可检测到突变信号，可以测定信号奇异点的位置和奇异性指数的大小。
正交和双正交小波具有二阶的消失矩，对信号的逼近精度高，但正交小波缺乏对称(反对称)性，有可能造成较多的失真。因此，一般而言，双正交小波综合性能是最好的。若能够根据信号不同的特征，自适应地选择小波基,就能够达到最佳的滤波效能。
步骤s4的工况变化判断方式具体为：
管道某一位置两侧的传感器检测到向两侧的数据下降则非工况变化，否则为工况变化。
步骤s5具体为：
s51、小波基函数的选择；
s52、确定小波函数分解层次；
s53、阈值的设定；
s54、漏电位置计算的模型建立。
步骤s6泄漏定位方式为：
s61、计算由于介质流速瞬时变化引起的压力差δp，公式如下：
其中，γ为介质的重度，g为重力加速度，a为负压波在该管道中的传播速度，υ为正常输送时介质的流速，υ0为瞬变后的介质流速；
s62、设t1和t2分别为负压波信号从泄漏点处传输到管道上、下游压力变送器时所消耗的时间，计算泄漏点到管道上游压变的距离x，公式如下：
其中，l为管道上、下游压变之间的距离。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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