管道安全监测与预警方法与流程

本发明涉及燃气管道监测技术领域，具体涉及一种管道安全监测与预警方法。

背景技术：

燃气管网是城市重要的公共基础设施，城市的生命线之一。我国城市燃气管线使用时长大多处在10～30年，进入管道事故高发的阶段。而且由于城市市政施工建设、车辆碾压、地质沉降以及土壤腐蚀等原因，燃气管网管道容易发生泄漏事故，泄漏事故一旦发生，将会造成巨大的经济损失和人员伤亡。如何有效实时监测重点区域管道安全状态并对危险状态及时预警是预防城市管线事故发生的关键，是制定应急处置预案的依据。

导致城市埋地燃气管网管线发生泄漏事故的因素有很多，其中地面沉降是重要的因素之一。当管道支撑发生沉降时，管道应力发生变化，从而引起管道变形，具体体现为轴向伸缩、切向弯曲和弧向扭转等三种基本形式。管道变形程度同时也受管道材质、服役年限、管径、内压、温度等燃气管道自身属性的影响。

目前，尚未形成完备的、精确的适用于城市重点区域内对地面沉降造成埋地燃气管线安全风险进行预测和评估的系统和方法。典型的针对地面沉降监测埋地管道安全的方法主要是通过多传感器数据捕获及数值分析模型仿真来预测管道的安全状态，存在以下缺点：

1、重点监测区域的管道服役年限一般都较长，无预先同沟埋设传感器，如果后期要同沟埋设大量的传感器，施工量大，且会对管道造成一定程度的耗损，成本较高；

2、埋地传感器拓扑网络构造复杂，数据回传难度大，且与地面沉降的具体位置和地质环境有关，实测数据无效冗余量大，仿真数据准确率低，因此难以形成稳定的预测模型和精确的监测方法。

因此，需要提供一种实施简单的针对重点区域地面沉降对埋地管道造成的安全风险进行有效预测和评估的方法，从而实时准确地监测管道的安全状态，并对危险状态实时预警。

技术实现要素：

本发明为至少在一定程度上解决上述技术问题，提供了一种管道安全监测与预警方法，能够实时准确地监测管道的安全状态，并对危险状态实时预警，整个过程施工简单，硬件成本低。

本发明采用的技术方案如下：

一种管道安全监测与预警方法，包括以下步骤：构建管道多方向应变-应力模型；构建单点地面沉降管道等效应变模型；根据所述管道多方向应变-应力模型和所述单点地面沉降管道等效应变模型构建单点地面沉降管道综合应力模型；根据所述单点地面沉降管道综合应力模型构建单点地面沉降管道安全监测与预警模型；通过所述单点地面沉降管道安全监测与预警模型进行管道的安全状态监测与预警。

构建管道多方向应变-应力模型，具体包括：定义管道单方向应变-应力模型，其中，所述管道单方向应变-应力模型包含应力与应变的关系参数；获取多方向的应变-应力实验值；根据所述多方向的应变-应力实验值计算所述关系参数；根据所述关系参数和所述单方向应变-应力模型得到所述管道多方向应变-应力模型。

所述管道单方向应变-应力模型为：

其中，σ表示应力，ε表示应变，e表示弹性系数，εe、εy、εs分别为弹性极限应变、屈服极限应变、强度极限应变，a、t、b、p、u、w为所述关系参数；

所述管道多方向应变-应力模型为：

其中，下标h、v、r分别表示横向、纵向、旋向，下标e、y、s分别表示弹性、屈服、强度，σh、σv、σr为管道在横向、纵向、旋向三个方向上的应力，eh、ev、er为管道在横向、纵向、旋向三个方向上的弹性系数，εhe、εve、εre为管道在横向、纵向、旋向三个方向上的弹性极限应变，εhy、εvy、εry为管道在横向、纵向、旋向三个方向上的屈服极限应变，εhs、εvs、εrs为管道在横向、纵向、旋向三个方向上的强度极限应变。

构建单点地面沉降管道等效应变模型，具体包括：在管道上均匀地选取l个点位粘贴应变片，并在管道上方安装位移传感器，构建单点地面沉降-多点管道应变监测实验网络；构建三层多点应变传动模型；通过所述单点地面沉降-多点管道应变监测实验网络，利用机器学习的方法对所述三层多点应变传动模型进行训练，得到所述单点地面沉降管道等效应变模型。

所述三层多点应变传动模型中的第一层为单点地面沉降相对位移向多点管道应变分量的传动：

{εl}l，{εa}l＝g1(ds)＝p1*[dsx，dsy，dsz]^t

其中，g1()为第一层传动模型，p1为第一层传动系数矩阵，为2l行3列，ds为单点地面沉降的相对位移向量，dsx、dsy、dsz分别为空间三维方向上的相对位移分量，符号t表示向量转置，{εl}l和{εa}l分别表示管道上l个点的线应变分量序列和角应变分量序列；

所述三层多点应变传动模型中的第二层为多点管道应变分量向多点管道应变的传动：

{ε}l＝g2({εl}l，{εa}l)＝p2*[{εl}l，{εa}l]

其中，g2()为第二层传动模型，p2为第二层传动系数矩阵，为l行2l列，{ε}l表示管道上l个点的应变组成的序列；

所述三层多点应变传动模型中的第三层为多点管道应变向管道横向、纵向、旋向三方向等效应变的传动：

(εh，εv，εr)＝g3({ε}l)＝[p3*[{ε}l]]^t

其中，g3()为第三层传动模型，p3为第三层传动系数矩阵，为3行l列，符号t表示向量转置，εh、εv、εr分别为管道在横向、纵向、旋向三个方向上的等效应变分量。

所述单点地面沉降管道等效应变模型为：

(εh，εv，εr)＝g((dsx，dsy，dsz))＝τ·[p3*[p2*[p1*[dsx，dsy，dsz]^t]]]^t

其中，g()表示单点地面沉降管道等效应变模型，τ为等效保险系数。

构建单点地面沉降管道综合应力模型，具体包括：确定管道在横向、纵向、旋向三个方向上的应力权重；根据所述管道多方向应变-应力模型、所述单点地面沉降管道等效应变模型和所述应力权重得到所述单点地面沉降管道综合应力模型。

所述单点地面沉降管道综合应力模型为：

σc＝μ.*σ＝μ.*(σh，σv，σr)＝μ.*f((εh，εv，εr))

＝μ.*f(g((dsx，dsy，dsz)))＝h(ds)

其中，h()表示单点地面沉降管道综合应力模型，μ＝(μh，μv，μr)，μh、μv、μr分别为横向、纵向、旋向的应力权重。

所述单点地面沉降管道安全监测与预警模型为：

其中，j()表示单点地面沉降管道安全监测与预警模型，||为向量的模，α、β为预警保险系数，σc＝h(ds)。

通过所述单点地面沉降管道安全监测与预警模型进行管道的安全状态监测与预警，具体包括：通过在待监测区域的埋地管道上方单点埋设的位移传感器获取单点地面沉降的相对位移向量；根据获取的单点地面沉降的相对位移向量和所述单点地面沉降管道安全监测与预警模型预测所述待监测区域管道的安全状态并对危险情况进行实时预警。

本发明的有益效果：

本发明通过构建管道多方向应变-应力模型、单点地面沉降管道等效应变模型，并进一步构建单点地面沉降管道综合应力模型、单点地面沉降管道安全监测与预警模型，然后通过单点地面沉降管道安全监测与预警模型进行管道的安全状态监测与预警，由此，通过单点浅埋位移传感器，即可通过构建的单点地面沉降管道安全监测与预警模型实时准确地监测管道的安全状态，并对危险状态实时预警，整个过程施工简单，硬件成本低。此外，本发明中模型的构建与优化不受具体地理环境的限制，并且随着大数据量的获取可更加精细地训练已有模型，便于逐步提升管道安全监测与预警的效率和准确度。

附图说明

图1为本发明实施例的管道安全监测与预警方法的流程图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

如图1所示，本发明实施例的管道安全监测与预警方法，包括以下步骤：

s1，构建管道多方向应变-应力模型。

在本发明的一个实施例中，针对待监测区域的埋地管道，可选取同质管道样品作为实验对象，构建管道多方向应变-应力模型。

具体地，可定义管道单方向应变-应力模型，其中，管道单方向应变-应力模型包含应力与应变的关系参数，再获取多方向的应变-应力实验值，并根据多方向的应变-应力实验值计算关系参数，然后根据关系参数和单方向应变-应力模型得到管道多方向应变-应力模型。

假设管道在横向、纵向、旋向三个主要方向上的应变分别为εh、εv、εr，对应的在横向、纵向、旋向三个方向上的应力，即伸缩、弯曲、扭转应力分别为σh、σv、σr，定义单方向应变-应力模型为σ＝f(ε)，有

上式为对应管道的比例应变、弹性应变、屈服应变三段式模型，其中，σ表示应力，ε表示应变，e表示弹性系数，εe、εy、εs分别为弹性极限应变、屈服极限应变、强度极限应变，a、t、b、p、u、w为关系参数。

已知管道在横向、纵向、旋向三个方向上的弹性系数分别为eh、ev、er，弹性极限应变分别为εhe、εve、εre，屈服极限应变分别为εhy、εvy、εry，强度极限应变分别为εhs、εvs、εrs，相应地，弹性极限分别为σhe、σve、、σre，屈服极限分别为σhy、σvy、σry，强度极限分别为σhs、σvs、σrs。分别在横向、纵向、旋向三个方向上，选取m个弹性应变阶段的(ε，σ)e实验值和n个屈服应变阶段的(ε，σ)y实验值，并将σe＝f(εe)、σy＝f(εy)、σs＝f(εs)代入单方向应变-应力模型，求得m组参数(a，t，b)和n组参数(p，u，w)。应当理解的是，将σe＝f(εe)、σy＝f(εy)和一个(ε，σ)e实验值代入单方向应变-应力模型中的第二个方程可得到3个方程，即为3个未知数3个方程，故而可求解得到一组参数(a，t，b)，因此由m个(ε，σ)e实验值可求解得到m组参数(a，t，b)；同理，将σy＝f(εy)、σs＝f(εs)和一个(ε，σ)y实验值带入单方向应变-应力模型中的第三个方程可得到3个方程，即为3个未知数3个方程，故而可求解得到一组参数(p，u，w)，因此由n个(ε，σ)y实验值可求解得到n组参数(p，u，w)。

分别将在三个方向上求得的m组参数(a，t，b)和n组参数(p，u，w)取中值，得到三方向应变-应力关系参数为：

其中，median()表示取中值函数。由此可得，管道多方向应变-应力模型为：

也即

(σh，σv，σr)＝f((εh，εv，εr))＝(fh(εh)，fv(εv)，fr(εr))

其中，f()表示管道多方向应变-应力模型，下标h、v、r分别表示横向、纵向、旋向，下标e、y、s分别表示弹性、屈服、强度。该管道多方向应变-应力模型的输入为三方向应变(εh，εv，εr)，输出为三方向应力(σh，σv，σr)。

在本发明的一个具体实施例中，可取m＝n＝11。

s2，构建单点地面沉降管道等效应变模型。

具体地，可在管道上均匀地选取l个点位粘贴应变片，并在管道上方安装位移传感器，构建单点地面沉降-多点管道应变监测实验网络，然后构建三层多点应变传动模型，最后通过单点地面沉降-多点管道应变监测实验网络，利用机器学习的方法对三层多点应变传动模型进行训练，得到单点地面沉降管道等效应变模型。

设单点地面沉降的相对位移向量为ds＝(dsx，dsy，dsz)，其中dsx、dsy、dsz分别为空间三维方向上的相对位移分量；定义单点管道应变为ε＝(εl，εa)，其中εl、εa分别为线应变分量和角应变分量。

三层多点应变传动模型中的第一层为单点地面沉降相对位移向多点管道应变分量的传动：

{εl}l，{εa}l＝g1(ds)＝p1*[dsx，dsy，dsz]^t

其中，g1()为第一层传动模型，p1为第一层传动系数矩阵，为2l行3列，符号t表示向量转置，{εl}l和{εa}l分别表示管道上l个点的线应变分量序列和角应变分量序列。该第一层传动模型的输入为单点地面沉降ds＝(dsx，dsy，dsz)，输出为管道上l个点的应变分量{εl}l和{εa}l。

三层多点应变传动模型中的第二层为多点管道应变分量向多点管道应变的传动：

{ε}l＝g2({εl}l，{εa}l)＝p2*[{εl}l，{εa}l]

其中，g2()为第二层传动模型，p2为第二层传动系数矩阵，为l行2l列，{ε}l表示管道上l个点的应变组成的序列。该第二层传动模型的输入为管道上l个点的应变分量{εl}l和{εa}l，输出为管道上l个点的应变{ε}l。

三层多点应变传动模型中的第三层为多点管道应变向管道横向、纵向、旋向三方向等效应变的传动：

(εh，εv，εr)＝g3({ε}l)＝[p3*[{ε}l]]^t

其中，g3()为第三层传动模型，p3为第三层传动系数矩阵，为3行l列，符号t表示向量转置。该第三层传动模型的输入为管道上l个点的应变{ε}l，输出为管道横向、纵向、旋向三方向等效应变(εh，εv，εr)。

通过已构建的单点地面沉降-多点管道应变监测实验网络，获取m组{(dsx，dsy，dsz)，(εh，εv，εr)}m实验值作为训练集，利用机器学习的方法训练调试上述三层多点应变传动模型，得到训练后的三层传动系数矩阵p1、p2、p3，再采样n组{(dsx，dsy，dsz)，(εh，εv，εr)}n实验值作为测试集，利用机器学习的方法测试优化上述三层多点应变传动模型，得到优化后的三层传动系数矩阵p1、p2、p3。最终，得到单点地面沉降管道等效应变模型为：

(εh，εv，εr)＝g((dsx，dsy，dsz))＝τ·[p3*[p2*[p1*[dsx，dsy，dsz]^t]]]^t

其中，g()表示单点地面沉降管道等效应变模型，由g1()、g2()、g3()联合构成，τ为等效保险系数。该单点地面沉降管道等效应变模型的输入为单点地面沉降的相对位移向量(dsx，dsy，dsz)，输出为管道的等效应变向量(εh，εv，εr)。

在本发明的一个具体实施例中，可取l＝33，m＝1000，n＝200，τ＝(-0.15～+0.15)×(εh+εv+εr)。

s3，根据管道多方向应变-应力模型和单点地面沉降管道等效应变模型构建单点地面沉降管道综合应力模型。

具体地，可确定管道在横向、纵向、旋向三个方向上的应力权重，并根据管道多方向应变-应力模型、单点地面沉降管道等效应变模型和应力权重得到单点地面沉降管道综合应力模型。

定义管道综合应力为σc＝(μhσh，μvσv，μrσr)，其中，μh、μv、μr分别为横向、纵向、旋向的应力权重。根据应力分量大小确定其对应的权重，有

结合步骤s1和步骤s2分别得到的管道多方向应变-应力模型和单点地面沉降管道等效应变模型以及应力权重，得到的单点地面沉降管道综合应力模型为：

σc＝μ.*σ＝μ.*(σh，σv，σr)＝μ.*f((εh，εv，εr))

＝μ.*f(g((dsx，dsy，dsz)))＝h(ds)

其中，h()表示单点地面沉降管道综合应力模型，μ＝(μh，μv，μr)。该单点地面沉降管道综合应力模型的输入为单点地面沉降的相对位移向量ds＝(dsx，dsy，dsz)，输出为管道的综合应力向量σc＝(σhc，σvc，σrc)，计算过程为：输入(dsx，dsy，dsz)，由步骤s2得到的g()求得(εh，εv，εr)，再由步骤s1得到的f()求得(σh，σv，σr)，最后由步骤s3得到的h()求得(σhc，σvc，σrc)。

s4，根据单点地面沉降管道综合应力模型构建单点地面沉降管道安全监测与预警模型。

已知管道的弹性极限为σe＝(σhe，σve，σre)，屈服极限为σy＝(σhy，σvy，σry)，有|σy|＞|σe|＞0。将管道安全状态分为安全、警惕、危险三级，根据单点地面沉降管道综合应力模型h()定义单点地面沉降管道安全监测与预警模型j()，有

其中，j()表示单点地面沉降管道安全监测与预警模型，||为向量的模，α、β为预警保险系数，σc＝h(ds)。

也就是说，可将由步骤s3求得的综合应力σc与判决门限|σe|+α和|σy|+β进行对比，将管道的安全状态分为安全、警惕、危险三级。

在本发明的一个具体实施例中，取α＝0.2|σe|，β＝-0.1|σy|。

s5，通过单点地面沉降管道安全监测与预警模型进行管道的安全状态监测与预警。

具体地，通过在待监测区域的埋地管道上方单点埋设的位移传感器获取单点地面沉降的相对位移向量，然后根据获取的单点地面沉降的相对位移向量和单点地面沉降管道安全监测与预警模型预测待监测区域管道的安全状态并对危险情况进行实时预警。

一旦监测到有地面沉降发生，根据沉降量ds和单点地面沉降管道综合应力模型σc＝h(ds)预测管道的综合应力σc，如果|σc|＜|σe|+α，表明管道状态安全，可适量增大管道状态监测的周期；如果|σe|+α≤|σc|＜|σy|+β，表明管道安全状态需要警惕，需频繁密切监测管道的状态；如果|σc|≥|σy|+β，表明管道状态有危险，应及时发出警报，表明管道亟待维修。

根据本发明实施例的管道安全监测与预警方法，通过构建管道多方向应变-应力模型、单点地面沉降管道等效应变模型，并进一步构建单点地面沉降管道综合应力模型、单点地面沉降管道安全监测与预警模型，然后通过单点地面沉降管道安全监测与预警模型进行管道的安全状态监测与预警，由此，通过单点浅埋位移传感器，即可通过构建的单点地面沉降管道安全监测与预警模型实时准确地监测管道的安全状态，并对危险状态实时预警，整个过程施工简单，硬件成本低。此外，本发明中模型的构建与优化不受具体地理环境的限制，并且随着大数据量的获取可更加精细地训练已有模型，便于逐步提升管道安全监测与预警的效率和准确度。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。