管道泄漏检测方法及装置与流程

本发明涉及管道泄漏监测领域，具体而言，涉及一种管道泄漏检测方法及装置。

背景技术：

管道作为第五大交通运输方式，是石油、天然气、矿浆、二氧化碳、生物燃料等流变特性介质的最有效运输方式。但随着管龄的增长，老化腐蚀、地质灾害及人为破坏等原因引起的管道泄漏事故频发。因此实时监测管道泄漏并对泄漏点进行精确定位，对保证公共财产和人身安全、保护环境、减少国家经济损失具有重要意义。

现有的管道泄漏检测技术主要分为泄漏介质检测法、管壁参数检测法、声学检测法和光纤分布式传感监测法四大类。而负压波监测法由于实现简单、易维护，成为近些年管道泄漏检测领域的研究热点和主要技术手段之一。但泄漏负压波信号在传输过程中由于信号衰减及环境噪声等因素的影响，负压波信号拐点不清晰，到达管道两端传感器时间差获取精度降低，严重影响了负压波系统的定位精度及在管道运输行业的推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种管道泄漏检测方法及装置，其能够有效改善上述问题。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种管道泄漏检测方法，所述方法包括：获取由管道泄漏引起的负压波信号；对所述负压波信号进行预处理，获得所述管道沿线压力的动态变化序列；基于所述管道沿线压力的动态变化序列，确定泄漏点所在区间；基于所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列，获取所述泄漏点的位置。

第二方面，本发明实施例还提供了一种管道泄漏检测装置，其包括采集模块，用于获取由管道泄漏引起的负压波信号；预处理模块，用于对所述负压波信号进行预处理，获得所述管道沿线压力的动态变化序列；区间模块，用于基于所述管道沿线压力的动态变化序列，确定泄漏点所在区间；位置模块，用于基于所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列，获取所述泄漏点的位置。

第三方面，本发明实施例还提供了一种管道泄漏检测装置，其包括多个传感器，所述多个传感器沿待测管道的轴线间隔设置在所述待测管道上，所述多个传感器之间的间距可调，所述传感器用于检测由所述待测管道泄漏产生的负压波信号。

本发明实施例提供的管道泄漏检测方法及装置，首先获取由管道泄漏引起的负压波信号；然后对所述负压波信号进行预处理，以降低噪声对有效负压波信号的干扰，获得所述管道沿线压力的动态变化序列；再基于所述管道沿线压力的动态变化序列，确定泄漏点所在区间，以缩小计算范围，使计算结果更精确；最后基于所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列，获取所述泄漏点的位置，即实现对所述泄漏点的精确定位。相对于现有技术，本发明实施例提供的方法及装置通过管道内设置的多个传感器将管道检测进行分段，以确定泄漏点所在区间，再基于所述泄漏点所在区间对泄漏点进行定位，可实现对负压波信号拐点及时间差的精确获取，其定位精度高、现场可操作性强，可以广泛应用于长输油气管道及城市供水供热管道的泄漏监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为一种可应用于本发明实施例中的电子设备的结构框图；

图2为本发明第一实施例提供的管道泄漏检测方法的流程框图；

图3为本发明第一实施例中步骤s210的子步骤流程框图；

图4为本发明第一实施例中步骤s220的子步骤流程框图；

图5为本发明第一实施例中步骤s230的子步骤流程框图；

图6为本发明第一实施例提供的泄漏后管道沿线传感器监测负压波信号序列曲线；

图7为本发明第一实施例提供的传感器监测负压波信号小波变换后曲线；

图8为本发明第一实施例提供的泄漏点两侧压力序列小波变换后采用差值算法后的动态压力曲线；

图9为本发明第一实施例提供的对动态压力变化序列采用互相关算法后获得的相关函数曲线；

图10为二次曲线拟合获取两信号时间差的示意图；

图11为本发明第二实施例提供的管道泄漏检测装置的结构框图；

图12为本发明第二实施例提供的预处理模块的结构框图；

图13为本发明第二实施例提供的区间模块的结构框图；

图14为本发明第二实施例提供的位置模块的结构框图；

图15为本发明第三实施例提供的管道泄漏检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图1示出了一种可应用于本申请实施例中的电子设备100的结构框图。如图1所示，电子设备100可以包括存储器110、存储控制器120、处理器130、显示屏幕140和管道泄漏检测装置。例如，该电子设备100可以为个人电脑(personalcomputer，pc)、平板电脑、智能手机、个人数字助理(personaldigitalassistant，pda)等。

存储器110、存储控制器120、处理器130、显示屏幕140各元件之间直接或间接地电连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件之间可以通过一条或多条通讯总线或信号总线实现电连接。所述管道泄漏检测方法分别包括至少一个可以以软件或固件(firmware)的形式存储于存储器110中的软件功能模块，例如所述管道泄漏检测装置包括的软件功能模块或计算机程序。

存储器110可以存储各种软件程序以及模块，如本申请实施例提供的管道泄漏检测方法及装置对应的程序指令/模块。处理器130通过运行存储在存储器110中的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本申请实施例中的管道泄漏检测方法。存储器110可以包括但不限于随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)，只读存储器(readonlymemory，rom)，可编程只读存储器(programmableread-onlymemory，prom)，可擦除只读存储器(erasableprogrammableread-onlymemory，eprom)，电可擦除只读存储器(electricerasableprogrammableread-onlymemory，eeprom)等。

处理器130可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。其可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

本发明实施例中所应用的电子设备100为实现管道泄漏检测方法，还可以具备自显示功能，其中的显示屏幕140可以在所述电子设备100与用户之间提供一个交互界面(例如用户操作界面)或用于显示图像数据给用户参考。例如，可以显示管道泄漏检测装置采集的负压波信号图像等数据。

在介绍本发明的具体实施例之前首先需要说明的是，本发明是计算机技术在管道泄漏监测领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明，凡本发明申请文件提及的软件功能模块均属此范畴，申请人不再一一列举。

第一实施例

请参照图2，本实施例提供了一种管道泄漏检测方法，所述方法包括：

步骤s200：获取由管道泄漏引起的负压波信号；

本实施例中，所述管道的待测区间内间隔设置有多个传感器，每个传感器可以用于获取该待测区间内的压力信号。可以理解的是，当所述管道的待测区间内发生泄漏时，由于管道泄漏会造成管道泄漏点位置的压力骤降，即产生负压波信号，通过传感器检测获取该负压波信号，即可根据该负压波信号进行后续泄漏点位置的分析。

本实施例中，所述传感器可以是电子传感器或光纤传感器或其他能够进行管道压力检测的传感器，每个所述传感器都可以将采集到的负压波信号通过有线或无线的方式进行数据传输。

步骤s210：对所述负压波信号进行预处理，获得所述管道沿线压力的动态变化序列；

本实施例中，通过对所述负压波信号进行预处理，可以降低管道内其他噪声对有效负压波信号的干扰，最终获取有效的管道沿线压力动态变化序列。

步骤s220：基于所述管道沿线压力的动态变化序列，确定泄漏点所在区间；

本实施例中，通过分析所述管道沿线压力的动态变化序列与管道内位置的关系，可以找到所述管道内压力变化最明显的区域，并以此来确定泄漏点所在的大致区间。例如，可以通过计算所述管道内每两个相邻传感器的压力动态变化序列的互相关系数，通过该互相关系数来表征该区间内的压力变化明显程度，并以互相关系数最大的两个相邻传感器之间的区域作为泄漏点所在区间。

步骤s230：基于所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列，获取所述泄漏点的位置。

本实施例中，通过分析所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列，可以获取所述泄漏点产生的负压波信号到达所述泄漏点所在区间两端传感器的时间差，并依据该时间差和负压波信号传播速度计算出泄漏点的具体位置，即实现泄漏点的精确定位。

请参照图3，本实施例中，进一步的，所述步骤s210可以包括如下子步骤：

步骤s300：对所述负压波信号进行小波变换，获取小波变换后的负压波信号序列；

本实施例中，例以实验室管道泄漏监测实验平台为基础，管道材料为碳钢管道，管道总长112米，内径100毫米，压力范围0～0.4mpa，数据采样频率1khz。在管道首尾两端分别安装a、b、c、d、e压力传感器，通过阀门开闭模拟管道泄漏传感器监测负压波信号序列。

每个传感器实时监测的泄漏负压波信号分别为一组离散序列，如图6所示。

本实施例中，通过对该负压波信号进行小波变换处理，可以降低噪声对有效负压波信号的干扰。

所述小波变换后的负压波信号序列包含负压波拐点以及拐点压力稳定前后完整的负压波信号，其中，所述负压波拐点的选取可以采用固定阈值法。例如，选取固定阈值k，当xn-1-xn﹥k时，n点即为所选择的负压波信号拐点。

对图6中包含有拐点的负压波信号进行小波变换后得到的信号曲线如图7所示。

步骤s310：对所述小波变换后的负压波信号序列进行差值运算，获得所述管道沿线压力的动态变化序列。

本实施例中，对所述小波变换后的负压波信号序列进行差值运算具体可以是，先设处于管道两侧端点处的两个传感器采集的负压波信号序列分别为a(x)、b(x)，其经过小波变换后的压力序列为pa(i)、pb(i)，其中i为数据序列1、2……l+1任意数据，l+1为数据序列的长度，则对pa(i)、pb(i)采用差值运算后得到的管道两端的动态压力变化序列x(i)、y(i)分别为：

x(i)＝pa(i+1)-pa(i)i＝1,2,3……l

y(i)＝pb(i+1)-pb(i)i＝1,2,3……l

经过上述差值运算后，得到的曲线如图8所示。

请参照图4，本实施例中，进一步的，所述步骤s220可以包括如下子步骤：

步骤s400：基于所述管道沿线压力的动态变化序列，获取所述管道中多组相邻两个监测点的压力动态变化序列；

本实施例中，通过与上述相同的方法获取所述管道中每两个相邻传感器的压力动态变化序列。可以理解的是，所述监测点即为每个传感器对应的位置，每个所述监测点都对应于一个传感器。

步骤s410：计算多组所述相邻两个监测点的压力动态变化序列的互相关系数，并从中筛选出最大互相关系数对应的相邻两个监测点，将所述最大互相关系数对应的相邻两个监测点之间的区域作为泄漏点所在区间。

本实施例中，所述互相关系数的计算具体可以是，设所述管道内相邻的两个传感器监测的压力动态变化序列分别为x(i)、y(i)，其中i为数据序列1、2……l任意数据，l为数据序列的长度，则相关系数ρxy可以根据下式进行计算：

其中，分别为序列x(i)与y(i)的均值。

对于实验中的传感器阵列监测的管道动态压力变化序列，分别应用上述公式计算相邻两个传感器的互相关系数ρab＝0.76、ρbc＝0.52、ρcd＝0.65、ρde＝0.44，此时取最大互相关系数所在的传感器区间为泄漏点所在区间，即将传感器a和传感器b之间作为泄漏点所在区间。

请参照图5，本实施例中，进一步的，所述步骤s230可以包括如下子步骤：

步骤s500：获取所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列；

本实施例中，通过上一步骤筛选出的最大互相关系数对应的相邻两个传感器的压力动态变化序列，即为所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列。

步骤s510：基于互相关算法，计算所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列的相关函数极值；

本实施例中，所述互相关算法具体可以是，设所述泄漏点所在区间两端的压力动态变化序列分别为x(i)、y(i)，其中i为数据序列1、2……l任意数据，l为数据序列的长度，其中x(i)与y(i)长度可以相同也可以不同，两者长度不同时，在短的序列后补零直到两者长度相等。计算两序列的互相关函数rxy可以为：

之后再计算互相关函数rxy的极值以及该函数极值所对应的横坐标m。对本实施例的实验中动态压力变化序列x(i)与y(i)应用上述互相关算法得到的相关函数曲线如图9所示。图9中的纵坐标为互相关函数rxy的值，横坐标为采样点m，具体的，可以通过将互相关函数上的极值点前后邻近的两点与该极值点进行拟合，获取一个拟合函数，再获取该拟合函数的最大值对应的采样点m，并将该拟合函数的最大值对应的采样点m与两个离散序列x(i)与y(i)的采样频率时间间隔δ相乘，即可获得所述泄漏点产生的负压波信号到达所述泄漏点所在区间两端的时间差。

为对上述互相关算法作进一步举例说明，现设序列x(i)为{1,2,4,2,1}，序列y(i)为{2,2,1}，计算两序列的互相关函数rxy。由于序列y(i)的长度小于x(i)，首先对y(i)进行补齐，转化为y(i)为{2,2,1,0,0}，因此取l＝4，m＝0,±1,±2,±3，采用上述互相关函数rxy的计算公式的计算结果如表1所示。

表1

由表1可知，当m＝1时，互相关函数rxy取最大值14。

步骤s520：选取所述相关函数极值上邻近的三点进行抛物线插值获取抛物线函数，并将所述抛物线函数的最大值对应的横坐标作为所述泄漏点产生的负压波信号到达所述泄漏点所在区间两端的时间差；

本实施例中，所述差值算法具体可以是，设上述经过互相关算法求得的互相关函数极值k＝14，则取距离所述极值k邻近的两点(0,10)，(2,13)与(1,14)进行二次曲线拟合，获得拟合函数：

f(m)＝-2.5m²+6.5m+10

计算函数f(m)的最大值以及该最大值对应的横坐标τ＝1.30，设两个离散序列x(i)与y(i)的采样频率时间间隔为δ，则两个信号x(i)与y(i)的时移量为δt＝δτ，如图10所示。

步骤s530：基于所述泄漏点产生的负压波信号到达所述泄漏点所在区间两端的时间差，获取所述泄漏点的位置。

本实施例中，可以通过负压波定位算法对所述泄漏点进行精确定位。所述负压波定位算法具体可以是，设泄漏点所在区间两端的两传感器之间管道间距l，负压波传播速度为v，采用本实施例中的相关算法计算两传感器监测负压波信号时间差为δt，则泄漏点距离其中一传感器的距离为：

此时即实现了对管道泄漏点位置的精确获取。

本实施例提供的方法通过采用小波变换、负压波信号差值运算、相关函数分析以及二次拟合处理，实现了对负压波信号拐点及时间差的精确获取，提高了系统定位精度，其定位精度高、现场可操作性强，可以广泛应用于长输油气管道及城市供水供热管道的泄漏监测中。

第二实施例

请参照图11，本实施例提供了一种管道泄漏检测装置600，其包括：

采集模块610，用于获取由管道泄漏引起的负压波信号；

预处理模块620，用于对所述负压波信号进行预处理，获得所述管道沿线压力的动态变化序列；

区间模块630，用于基于所述管道沿线压力的动态变化序列，确定泄漏点所在区间；

位置模块640，用于基于所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列，获取所述泄漏点的位置。

请参照图12，本实施例中，进一步的，所述预处理模块620还可以包括如下单元：

小波变换单元621，用于对所述负压波信号进行小波变换，获取小波变换后的负压波信号序列；

差值单元622，用于对所述小波变换后的负压波信号序列进行差值运算，获得所述管道沿线压力的动态变化序列。

请参照图13，本实施例中，进一步的，所述区间模块630还可以包括如下单元：

分区单元631，用于基于所述管道沿线压力的动态变化序列，获取所述管道中多组相邻两个监测点的压力动态变化序列；

筛选单元632，用于计算多组所述相邻两个监测点的压力动态变化序列的互相关系数，并从中筛选出最大互相关系数对应的相邻两个监测点，将所述最大互相关系数对应的相邻两个监测点之间的区域作为泄漏点所在区间。

请参照图14，本实施例中，进一步的，所述位置模块640还可以包括如下单元：

获取单元641，用于获取所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列；

互相关单元642，用于基于互相关算法，计算所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列的相关函数极值；

插值单元643，用于选取所述相关函数极值上邻近的三点进行抛物线插值获取抛物线函数，并将所述抛物线函数的最大值对应的横坐标与数据序列采样间隔的乘积作为所述泄漏点产生的负压波信号到达所述泄漏点所在区间两端的时间差；

定位单元644，用于基于所述泄漏点产生的负压波信号到达所述泄漏点所在区间两端的时间差，获取所述泄漏点的位置。

第三实施例

请参照图15，本实施例提供了一种管道泄漏检测装置1000，其包括多个传感器800，所述多个传感器800沿待测管道900的轴线间隔设置在所述待测管道900上。

本实施例中，所述多个传感器800之间的间距可调，所述传感器800用于检测由所述待测管道900泄漏产生的负压波信号。优选的，所述多个传感器800之间的间距相同。可以理解的是，所述多个传感器800之间的间距也可以是不完全相同的。

本实施例中，所述传感器800可以是电子传感器或光纤传感器或其他能够进行管道压力检测的传感器，每个所述传感器800都可以将采集到的负压波信号通过有线或无线的方式进行数据传输。

综上所述，本发明实施例提供的管道泄漏检测方法及装置，首先获取由管道泄漏引起的负压波信号；然后对所述负压波信号进行预处理，以降低噪声对有效负压波信号的干扰，获得所述管道沿线压力的动态变化序列；再基于所述管道沿线压力的动态变化序列，确定泄漏点所在区间，以缩小计算范围，使计算结果更精确；最后基于所述泄漏点所在区间两端压力的动态变化序列，获取所述泄漏点的位置，即实现对所述泄漏点的精确定位。相对于现有技术，本发明实施例提供的方法及装置通过管道内设置的多个传感器将管道检测进行分段，以确定泄漏点所在区间，再基于所述泄漏点所在区间对泄漏点进行定位，可实现对负压波信号拐点及时间差的精确获取，其定位精度高、现场可操作性强，可以广泛应用于长输油气管道及城市供水供热管道的泄漏监测。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。