一种基于声波频移反演的燃气管道泄漏点定位方法与流程

本发明涉及一种燃气管道泄漏点定位方法，具体是一种基于声波频移反演的燃气管道泄漏点定位方法。

背景技术：

燃气管网作为城市必不可少的基础设施之一，近年来在很多城市有了飞速的发展，其对净化城市空气环境、提高人民生活水平做出了很大的贡献。在城市燃气输配系统中，无论是埋地敷设还是架空敷设燃气管道，均存在泄漏的隐患。由于燃气管道在运行过程中会受到多种内外因素的干扰，如管道腐蚀、材料缺陷等，从而导致管道发生孔口泄漏或断裂。并且城市燃气具有易燃、易爆和有毒的特性，其一旦发生泄漏且达到一定浓度，极易造成中毒、火灾、爆炸等恶性事故，最终造成人员及财产损失。

目前针对油气管道泄漏可以采用多种多样的监测方法。常用的方法有质量/体积平衡法、应用统计法、负压波法、瞬态模型法、分布式光纤法和声波法等。这些方法各有优势和缺点，其中声波法具备突出的综合优势；该方法探测效果好，适用广泛，具备较好的发展潜力。

声泄漏检测的基本原理是基于泄漏产生的声波以弹性波的形式传播到上游和下游，并被声波检波器接收，进而对泄漏信号进行检测和定位。利用声波进行定位，需对声波的传播特征进行研究。现有的学者基于模拟实验对声波传播的时、频域衰减特征进行研究，得到输气管道中泄漏声波的衰减遵从指数规律。但声源定位的准确性仍依赖于对声波到达的时间差异预测的精确性，由于实际情况中噪音的存在严重影响声波到达时间的确定，从而导致现有的声波检测方法在部分噪音干扰的环境中探测精度较低。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于声波频移反演的燃气管道泄漏点定位方法，利用燃气泄漏声波质心频率的衰减特征，进行泄漏点的定位，有效提高泄漏点的定位精度，同时其抗干扰能力强。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于声波频移反演的燃气管道泄漏点定位方法，该方法的具体步骤为：

a、沿地下燃气管道走向，在对应的地表呈一排布置十二个检波器作为接收排列，各个检波器之间的间距为0.5m，十二个检波器均与地震记录仪连接；所述检波器为电压式纵向灵敏度检波器；

b、当燃气管道发生燃气泄漏时，燃气冲击周围岩体产生地震波，该泄漏点作为震源，十二个检波器分别将检测到的地震波反馈给地震记录仪，然后将各个地震波信号进行互相关处理后，获取各个检波器接收的燃气管道泄漏点产生的直达波信号；

c、分别对各个检波器所接收到的直达波信号进行频谱分析，并求取各个直达波信号的质心频率得到质心频率-距离拟合曲线具体过程为：

r(f)为直达波信号的振幅谱；i＝1,2，…，12；从而得出各个检波器的质心频率值；

以地面水平方向为x轴、地面垂直方向为h轴建立二维坐标系，设各个检波器在该坐标系下x轴坐标为xi，i＝1,2，…，12；震源点在该坐标系下的坐标为(xs，hs)；将各个检波器的x轴位置与对应的质心频率标注在x-fr二维图中，并拟合成曲线

d、根据步骤c得到的质心频率-距离拟合曲线，确定燃气管道泄漏点的横向及深度位置。

进一步，所述步骤d中确定燃气管道泄漏点的横向位置过程为：

若质心频率-距离曲线中，随着xi的增加而增大，表示接收排列位于泄漏点左上方；此时将接收排列整体向右移动一段距离，并重复步骤b和c，再次得到一组质心频率-距离曲线若该曲线中随着xi的增加先增大后减小，则表示接收排列位于泄漏点正上方，则将该曲线中fr最大值对应的xi值确定为泄漏点的横向坐标xs值；若该曲线中随着xi的增加而增大，则重复上述过程再次向右移动一段距离，直至曲线中随着xi的增加先增大后减小时停止；

若质心频率-距离曲线中，随着xi的增加而减小，表示接收排列位于泄漏点右上方；此时将接收排列整体向左移动一段距离，并重复步骤b和c，再次得到一组质心频率-距离曲线若该曲线中随着xi的增加先增大后减小，则表示接收排列位于泄漏点正上方，则将该曲线中fr最大值对应的xi值确定为泄漏点的横向坐标xs值；若该曲线中随着xi的增加而减小，则重复上述过程再次向左移动一段距离，直至曲线中随着xi的增加先增大后减小时停止。因为当xi＝xs时(即接收排列其中一个检波器的横向位置与泄漏点的横向位置一致)，此时信号频率的衰减最小，即fr最大，因此通过求取接收信号中质心频率的最大值所对应的最大，即能确定泄漏点横向的xs位置。

进一步，所述步骤d中确定燃气管道泄漏点的深度位置过程为：

当接收排列在泄漏点的正上方时，由于直达波信号质心频率和接收排列位置(xi-xs)已知，且震源信号频率fs为给定的经验值(该经验值是根据之前相同介质中发生泄漏时测得的频率及在实验室通过实验得出该介质中泄漏点频率确定的平均值)，则各个直达波信号的质心频率检波器位置与震源位置之间的关系表示为：

其中hs为泄漏点深度，为介质的频率衰减系数；在震源信号的频率不变，地下介质均匀条件下，则fs和不变；采用遗传算法进行模型反演，该算法采用变异、交叉、选择的遗传操作,使数据优胜劣汰、重复迭代，最终找出最优解，具体步骤为：

a、构建二维反演模型，选定和为反演变量，其中m，n为种群个数；

b、由上述公式可以求取第一轮的m×n个质心频率-距离曲线与实测数据曲线进行比对，得出均方差δε¹；

c、采用随机普遍选择法对上一步结果进行筛选，其中方差小的被选中概率大；然后进行交叉、变异处理，其中交换概率0.9，均匀变异概率0.02，更新为第二轮的模型参数和

d、求取更新模型的m×n个质心频率-距离曲线与实测数据曲线进行比对，求得误差δε²；

e、通过多轮的迭代计算，不断更新数据群体，误差不断缩小并达到设定的阈值p，即δε≤p，结束计算；选择此轮中最小误差δεmin对应的即为燃气泄漏点的深度hs。

由于声波在均匀岩土介质中的粘滞衰减规律为指数衰减，衰减系数与信号的频率相关，声波质心频率的衰减与地层品质因子和传播距离成正比。本发明采用地面被动源声波检测手段，利用燃气泄漏声波质心频率的衰减特征，进行泄漏点的定位。声波质心频率的求取基于信号频率的统计结果，有利于在频率域压制噪声干扰以提高信噪比，且具备良好的稳定性，因此其在噪音环境中受到噪音干扰较小；同时该方法计算快速、方便和成本低，且填补地面声波探测煤气管道泄漏点定位方法的空白，对城市安全保障提供可靠指导。

附图说明

图1是本发明的接收排列及泄漏点在x-h坐标系下的位置示意图；

图2是接收排列处于泄漏点左上方的质心频率-距离拟合曲线图；

图3是接收排列处于泄漏点正上方的质心频率-距离拟合曲线图；

图4是接收排列处于泄漏点右上方的质心频率-距离拟合曲线图。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步说明。

如图所示，以图1的左方为左方、上方为上方进行专利描述，本发明的具体步骤为：

a、沿地下燃气管道走向，在对应的地表呈一排布置十二个检波器作为接收排列，各个检波器之间的间距为0.5m，十二个检波器均与地震记录仪连接；所述检波器为电压式纵向灵敏度检波器；

b、当燃气管道发生燃气泄漏时，燃气冲击周围岩体产生地震波，该泄漏点作为震源，十二个检波器分别将检测到的地震波反馈给地震记录仪，然后将各个地震波信号进行互相关处理后，获取各个检波器接收的燃气管道泄漏点产生的直达波信号；

c、分别对各个检波器所接收到的直达波信号进行频谱分析，并求取各个直达波信号的质心频率得到质心频率-距离拟合曲线具体过程为：

r(f)为直达波信号的振幅谱；i＝1,2，…，12；从而得出各个检波器的质心频率值；

以地面水平方向为x轴、地面垂直方向为h轴建立二维坐标系，设各个检波器在该坐标系下x轴坐标为xi，i＝1,2，…，12；震源点在该坐标系下的坐标为(xs，hs)；将各个检波器的x轴位置与对应的质心频率标注在x-fr二维图中，并拟合成曲线

d、根据步骤c得到的质心频率-距离拟合曲线，确定燃气管道泄漏点的横向及深度位置。

进一步，所述步骤d中确定燃气管道泄漏点的横向位置过程为：

若质心频率-距离曲线中，随着xi的增加而增大，表示接收排列位于泄漏点左上方(如图2所示)；此时将接收排列整体向右移动一段距离，并重复步骤b和c，再次得到一组质心频率-距离曲线若该曲线中随着xi的增加先增大后减小，则表示接收排列位于泄漏点正上方(如图3所示)，则将该曲线中fr最大值对应的xi值确定为泄漏点的横向坐标xs值；若该曲线中随着xi的增加而增大，则重复上述过程再次向右移动一段距离，直至曲线中随着xi的增加先增大后减小时停止；

若质心频率-距离曲线中，随着xi的增加而减小，表示接收排列位于泄漏点右上方(如图4所示)；此时将接收排列整体向左移动一段距离，并重复步骤b和c，再次得到一组质心频率-距离曲线若该曲线中随着xi的增加先增大后减小，则表示接收排列位于泄漏点正上方，则将该曲线中fr最大值对应的xi值确定为泄漏点的横向坐标xs值；若该曲线中随着xi的增加而减小，则重复上述过程再次向左移动一段距离，直至曲线中随着xi的增加先增大后减小时停止。因为当xi＝xs时(即接收排列其中一个检波器的横向位置与泄漏点的横向位置一致)，此时信号频率的衰减最小，即fr最大，因此通过求取接收信号中质心频率的最大值所对应的最大，即能确定泄漏点横向的xs位置。

进一步，所述步骤d中确定燃气管道泄漏点的深度位置过程为：

当接收排列在泄漏点的正上方时，由于直达波信号质心频率和接收排列位置(xi-xs)已知，且震源信号频率fs为给定的经验值(该经验值是根据之前相同介质中发生泄漏时测得的频率及在实验室通过实验得出该介质中泄漏点频率确定的平均值)，则各个直达波信号的质心频率检波器位置与震源位置之间的关系表示为：

其中hs为泄漏点深度，为介质的频率衰减系数；在震源信号的频率不变，地下介质均匀条件下，则fs和不变；通过上式可知，该曲线与震源的深度hs和水平相对位置(xi-xs)相关；的值计算过程为：q为已知的地层品质因子，v为已知的地震波在地层中的传播速度；为直达波信号频谱的方差，其能被各个直达波信号的方差均值代替；

采用遗传算法进行模型反演，该算法采用变异、交叉、选择的遗传操作,使数据优胜劣汰、重复迭代，最终找出最优解，具体步骤为：

a、构建二维反演模型，选定和为反演变量，其中m，n为种群个数；

b、由上述公式可以求取第一轮的m×n个质心频率-距离曲线与实测数据曲线进行比对，得出均方差δε¹；

c、采用随机普遍选择法对上一步结果进行筛选，其中方差小的被选中概率大；然后进行交叉、变异处理，其中交换概率0.9，均匀变异概率0.02，更新为第二轮的模型参数和

d、求取更新模型的m×n个质心频率-距离曲线与实测数据曲线进行比对，求得误差δε²；

e、通过多轮的迭代计算，不断更新数据群体，误差不断缩小并达到设定的阈值p，即δε≤p，结束计算；选择此轮中最小误差δεmin对应的即为燃气泄漏点的深度hs。