船舶管路泄漏時信號組成分析及預(yù)處理研究＊

陽子軒 范世東 熊 庭

（武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢 430063）

目前國內(nèi)對于管道的泄漏檢測主要是采用負(fù)壓波聯(lián)合流量檢測方法［1］，對于管道泄漏以后得到的負(fù)壓波信號進(jìn)行泄漏點判定時，采用的常見處理方式有直接判斷、小波變換法［2］、相關(guān)分析法［3］以及模式識別［4］的方法.但這些處理方式都是針對運行工況穩(wěn)定的管道來進(jìn)行的，而對于復(fù)雜管道的泄漏檢測展開的工作不多，對信號的預(yù)處理研究也較為少見.

1 復(fù)雜環(huán)境下的信號分析

1）高斯白噪聲 在船舶運營過程中，船舶管路會一直處在主機振動環(huán)境下工作，在實際測量過程中，壓力傳感器捕捉到的信號表現(xiàn)為很多的“毛刺”.

2）脈沖噪聲 由于敲擊、突發(fā)振動等一些不可預(yù)知的突發(fā)因素的影響，船舶管路實測信號會看到一些突然變尖銳的“尖峰”信號，也就是所謂的脈沖噪聲.

3）壓力脈動 管道內(nèi)的流體在流過管道過程中，由于管路的彎頭、直徑變化等因素，不可避免的有流速、壓頭的變化，同時管道輸液需通過壓縮機或泵加壓作為動力，這種加壓方式是間歇性的，由于間歇加壓，管道內(nèi)的壓力在平均值的上、下脈動（或波動），促使管流的壓力、速度、密度等參數(shù)隨時間呈周期性變化，這種變化稱“管流脈動”，也叫“壓力脈動”.壓力脈動曲線如圖1所示，文獻(xiàn)［5］中進(jìn)行了壓力脈動的測試與分析，由于壓力脈動引起的壓力波動Δp達(dá)到了8.1×104Pa，最高排氣壓力為7.0×105Pa，滿負(fù)荷下壓力不均勻度（見圖1）.

圖1 壓力脈動曲線圖

4）風(fēng)、浪引起的壓力波動 船舶在運營過程中，難免會受到風(fēng)、浪等自然因素的影響.在風(fēng)、浪的干擾下，船舶會左右搖晃，這時候管內(nèi)液體的重力方向會發(fā)生變化，從而使壓力傳感器測得的信號產(chǎn)生波動.

圖2為考慮重力和速度2種因素影響的管道內(nèi)橫截面上的壓力分布圖，在ANSYS中對某管道建模，設(shè)液體初速度為2m／s，管徑為0.048m，管內(nèi)介質(zhì)為水.若壓力傳感器安裝在管道側(cè)面，船舶橫向搖晃的角度為±15°，則壓力傳感器測到的信號表現(xiàn)為三角波，幅度變化在0.8～1kPa.這個值會隨著管徑和流速的變大而增大.

圖2 考慮重力和速度的管壓分布

5）碰撞引起的壓力波動 船舶發(fā)生碰撞時，船體發(fā)生傾斜，這時管道內(nèi)液體的重力方向也會發(fā)生變化.以圖2所示的情況為例，設(shè)船體傾斜的角度也是15°，這樣壓力傳感器得到的信號將會是一個方波信號，其幅值大約為1kPa.同樣這個值也會隨著管徑和流速的變大而增大.

6）負(fù)壓波信號 當(dāng)管路發(fā)生泄漏時，流體在管線內(nèi)外壓差的作用下從泄漏點迅速流失，泄漏部位的物質(zhì)損失使該處的流體密度減小，進(jìn)而引起泄漏點處流體壓力降低.由于流體的連續(xù)性，管線中的流體速度不會立刻發(fā)生變化，而流體在泄漏點和其相鄰區(qū)域之間的壓力產(chǎn)生差異，這種差異導(dǎo)致泄漏點兩邊區(qū)域的高壓流體流向泄漏點處的低壓區(qū)域，從而又引起與泄漏點相鄰區(qū)域流體的密度減小和壓力降低.這一現(xiàn)象依次向管線上、下游方向傳遞，相當(dāng)于泄漏點處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負(fù)壓波.負(fù)壓波沿管線向上下游傳播，瞬時的壓力降具有幾乎垂直的邊沿［6］.

依據(jù)一般的能量傳播的損失過程，在泄漏點處根據(jù)負(fù)壓波幅值沿管線近似以指數(shù)形式衰減，即管道內(nèi)壓力波變化表達(dá)式為

式中：p為由負(fù)壓波引起的壓力損失，Pa；px為泄漏點處負(fù)壓波壓力值，Pa；x為測點和泄漏點之間的距離，m；其中：α為負(fù)壓波衰減系數(shù)［7］，定義為

在文獻(xiàn)［7］中所搭建的實驗臺進(jìn)行實驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開啟一個泵時，管道內(nèi)穩(wěn)態(tài)壓力約為0.37 MPa，穩(wěn)態(tài)流量為3.8m3／h.當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，負(fù)壓波引起的壓力變化幅值約為0.03MPa.管道的基本參數(shù)中，管道內(nèi)徑為0.048m，管壁厚度為0.003 5m，這樣在20℃進(jìn)行實驗時，根據(jù)負(fù)壓波波速公式可計算出a＝1 345.75m／s.由于管道內(nèi)是水流，處于流態(tài)的紊流粗糙區(qū)，因而水力摩阻系數(shù)f＝1／（1.74－2lgε）2＝0.012.式中：ε為管壁相對粗糙度.根據(jù)以上條件，可以算出負(fù)壓波衰減系數(shù)α＝0.018.

從以上分析，高斯噪聲、脈沖噪聲、壓力脈動、風(fēng)、浪、碰撞等因素引起的壓力波動都會對管道內(nèi)壓力測量帶來影響，而當(dāng)測點與泄漏點之間的距離x達(dá)到某一個比較大的值時，負(fù)壓波引起的壓力變化幅值將變的比較小.如果上述壓力波動的某一個或某幾個值疊加后再與負(fù)壓波信號疊加在一起，將會給負(fù)壓波拐點的判定造成困難，進(jìn)而影響泄漏點的定位.圖3是在Matlab中對上述幾種信號進(jìn)行模擬，得到的復(fù)雜環(huán)境下船舶管路泄漏信號模型.

圖3 復(fù)雜工況下船舶管路泄漏信號模型

圖3中，“毛刺”即為模擬的高斯白噪聲；尖峰信號為模擬的脈沖噪聲；信號的大體趨勢呈現(xiàn)一個倒三角，這是模擬的風(fēng)、浪等自然因素引起的船體搖晃得到的信號；信號的1 100～1 200點之間有一個疊加的方波信號，模擬的是碰撞以后船體發(fā)生傾斜而得到的方波噪聲；而壓力脈動由于模擬不便，在圖3中沒有體現(xiàn).

2 信號預(yù)處理

上述信號的組成形式各不相同，因而進(jìn)行預(yù)處理時的方法也不同.對于高斯白噪聲和脈沖噪聲，可以采用中位數(shù)濾波的方法進(jìn)行處理；對于壓力脈動，這屬于管道振動學(xué)的范疇，應(yīng)該在管道的設(shè)計之初就要進(jìn)行考慮，另外還可以通過一些輔助手段進(jìn)行消除；對于風(fēng)、浪引起的三角信號，由于其頻率較低，只會對信號的整體趨勢上產(chǎn)生一定的影響，對于泄漏發(fā)生后的負(fù)壓波信號拐點確定影響不大，因而可以不作考慮；對于碰撞引起的方波噪聲，可以用尋找時間序列的突變點方法將它從所測信號中進(jìn)行分離.

2.1 壓力脈動的消減

壓力脈動的控制比較復(fù)雜，除反復(fù)計算、合理調(diào)整外，尚須在系統(tǒng)中適當(dāng)位置正確配置緩沖器、孔板、集管器等元件，或者在某些部位設(shè)置諸如液流消振器、消振簧、儲能器等裝置，以消減或者抑制壓力脈動.比較常見的消振設(shè)備有：消振器、孔板消振、衰減器消振、集管器消振、穿膛式液流脈動消振器等.

2.2 中位數(shù)濾波

在信號的實時處理中，為了除去夾雜在信號中的噪聲，常采用滑動平滑法進(jìn)行濾波［8］.這種方法的原則是：設(shè)定數(shù)據(jù)窗口含L個順序采樣數(shù)據(jù)，即窗口寬度為L，對窗口中的這L個數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求平均，此“加權(quán)平均”作為一個平滑值輸出.然后將窗口中最前面的一個數(shù)據(jù)移出，而最后面移入一個新數(shù)據(jù)，再對此滑動后的窗口中的數(shù)據(jù)進(jìn)行新的一次平滑.這樣得到的平滑值序列就是原信號的濾波信號.其表達(dá)式為

式中：n為信號總長度；L為滑動窗口的寬度.

L點滑動平均濾波器的頻率響應(yīng)是

這種方法雖有一定的濾波效果，但容易使信號產(chǎn)生畸變，而且不能消除那些大大偏離正常值的異常數(shù)據(jù)，只是將這些異常值加權(quán)地分散到L個平滑數(shù)據(jù)中，使平滑結(jié)果受到嚴(yán)重的影響.為克服上述加權(quán)平均方法的缺點，本文取滑動窗口中數(shù)據(jù)的中位數(shù)作為濾波值.

設(shè)窗口的寬度n＝2m＋1，窗口中的數(shù)據(jù)從小到大排列后，有m個數(shù)小于中位數(shù)，另有m個數(shù)大于中位數(shù).當(dāng)k≤m時，由于排列后所得中位數(shù)是基線數(shù)據(jù)d0，故這k個峰數(shù)據(jù)將被濾去.當(dāng)k＞m時，整個峰頂點左右的m個數(shù)據(jù)稱為峰頂區(qū)數(shù)據(jù)，大于周圍的其它峰數(shù)據(jù).這樣會在濾波結(jié)果中形成一種平臺形畸變.但在本文中，由于上述疊加信號的特殊性，不會產(chǎn)生這種平臺形畸變，因而不予考慮.采用本文的中位數(shù)濾波方法也能對原始信號中的高斯白噪聲進(jìn)行平滑處理.負(fù)壓波信號的處理方式只需要尋找信號中的突變點，因而通過中位數(shù)濾波后，可以認(rèn)為高斯噪聲和脈沖噪聲都已經(jīng)濾除.

需要指出的是，由于窗口的寬度為2m＋1，濾波后會在波形的初始端和末尾端產(chǎn)生一個寬度為m的空白區(qū)，因而需要對這2m個數(shù)據(jù)進(jìn)行補充，本文采用的方法是新序列的第1點到m點用原序列的第1點到m點的數(shù)據(jù)進(jìn)行補充，新序列的n－m點到n點用原序列的n－m點到n點的數(shù)據(jù)進(jìn)行補充.

2.3 負(fù)壓波信號和方波噪聲分離

圖4所示為負(fù)壓波信號和方波信號的疊加波形圖.

圖4 負(fù)壓波信號和方波噪聲疊加模型

對上述波形的負(fù)壓波信號和方波信號從疊加信號中分離，采用時間序列轉(zhuǎn)折突變檢測方法［9］，其步驟為：（1）在變量t的取值區(qū)間［1，n］中插入n－1個分點.于是，將時間變量t分為n小區(qū)間，記為（1，2］，（2，3］，…，（n－1，n］；（2）用最小二乘法計算分割成的n－1段直線的斜率.需要指出的是，由于每次都選取了2個數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，因而得到的新的數(shù)據(jù)序列將會少一個點，需要對第一個點進(jìn)行數(shù)據(jù)補充，本文采用的方法是讓第一個點和第二個點的數(shù)據(jù)相等；（3）在n－1個斜率中，尋找其中最大的二個斜率，并對這二個斜率進(jìn)行排序.設(shè)這兩個斜率為a1，a2，那么這兩個值對應(yīng)的橫坐標(biāo)就是濾波后信號中的兩個突變點；（4）上述3個點將原始信號分為3段，分別為0－a1段、a1－a2段、a2－n段.求這3段每段的均值，也就是求各段的統(tǒng)計平均.設(shè)4個值分別為s1，s2，s3；（5）s1的值是未發(fā)生泄漏時的管內(nèi)壓力值，s3的值是發(fā)生泄漏后達(dá)到穩(wěn)定管內(nèi)的壓力值，s2是由于疊加的方波信號引起壓力波動值，這樣方波信號的幅值s＝s2－s1；（6）突變點的時刻和突變幅值大小都已知的情況下，可以還原方波噪聲，將經(jīng)過中位數(shù)濾波的信號減去方波噪聲，就能得到對泄漏點定位有用的負(fù)壓波信號.

3 預(yù)處理實例

圖5為復(fù)雜工況下的信號處理實例，在圖5a）中，壓力傳感器得到的信號混有大量的噪聲，經(jīng)過中位數(shù)濾波后，得到圖5b）.從圖5b）看出，經(jīng)過中位數(shù)濾波后，脈沖噪聲完全濾除，高斯噪聲也得到了一定的平滑.圖5c）為采用時間序列的突變點檢測模型對經(jīng)過中位數(shù)濾波后的信號處理得到的信號圖，從圖中可以明顯的看到2個突變點.圖5d）為用經(jīng)中位數(shù)濾波后的信號減去方波噪聲而得到的信號，也就是最后得到的還原信號.

從圖5d）可以看出，還原后的信號已經(jīng)是具有幾乎垂直的下降沿，這個信號經(jīng)過相關(guān)分析法、小波變換法處理以后，就可以得到發(fā)生泄漏的時刻，從而對管道中的泄漏點進(jìn)行精準(zhǔn)定位.

圖5 復(fù)雜工況特殊信號處理實例

4 結(jié)束語

本文探討了復(fù)雜環(huán)境下船舶管路泄漏信號的組成及預(yù)處理方式，有以下幾點體會：（1）復(fù)雜環(huán)境下船舶管路基于負(fù)壓波檢測方法得到的信號中包含了大量的噪聲，需要選擇合適的濾波方法和信號預(yù)處理方法來對有用信號和噪聲信號進(jìn)行分離；（2）中位數(shù)濾波方法對濾除脈沖噪聲非常有效，對高斯噪聲也有一定的平滑作用.但要注意對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行補充，否則會造成突變點漂移現(xiàn)象，影響定位精度；（3）尋找時間序列的轉(zhuǎn)折突變點后將方波噪聲從負(fù)壓波信號中進(jìn)行分離，在突變點檢測時也要注意數(shù)據(jù)補充，否則也一樣引起突變點漂移.

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