基于虛擬聲波的艦艇管網(wǎng)泄漏檢測(cè)方法研究

林偉國(guó)，吳 震，王 芳

(北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

0 引 言

艦艇的消防系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等都是影響艦艇可靠性、生命力的重要系統(tǒng)。由于艦艇終年航行漂泊于水上，加上腐蝕、焊縫、顛簸等因素，艦艇管道的泄漏難以避免。特別是在戰(zhàn)時(shí)環(huán)境下，受損管段若得不到迅速修復(fù)或者隔離，可能造成艦艇內(nèi)相關(guān)設(shè)備面臨癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)，威脅艦艇運(yùn)行安全。因此，艦艇管網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生泄漏事故后對(duì)泄漏位置及時(shí)、準(zhǔn)確的探測(cè)定位對(duì)于保障艦艇生命力來(lái)說(shuō)具有重大意義。

艦艇管網(wǎng)控制的核心問(wèn)題是管網(wǎng)泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及泄漏點(diǎn)的精確定位。目前，對(duì)管網(wǎng)泄漏監(jiān)測(cè)定位的研究主要是針對(duì)城市供水管網(wǎng)，已有大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做了不少研究，大體可以分為基于模型的方法和基于量測(cè)的方法。在基于模型的方法中，Mashford等[1]提出了一種基于SVM的管網(wǎng)泄漏辨識(shí)方法，通過(guò)判別管網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)的壓力值實(shí)現(xiàn)泄漏量的計(jì)算和定位；Myrna V.Casillas等[2]利用時(shí)域擴(kuò)展分析方法對(duì)管網(wǎng)實(shí)測(cè)壓力與管網(wǎng)水利模型的預(yù)估壓力的差值進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)的泄漏檢測(cè)；Jung等[3]提出一種基于流體模型和卡爾曼濾波的泄漏檢測(cè)方法，通過(guò)比較實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量的差異實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)泄漏的診斷。然而，隨著管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、傳感器安裝位置、實(shí)際流量或者壓力的改變，流體模型也會(huì)隨之發(fā)生改變，因此該類方法通用性不強(qiáng)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，Loureiro等[4]提出一種基于實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)的管網(wǎng)故障診斷方法；Misiunas等[5]提出一種基于壓力數(shù)據(jù)累加和（CUSUM）的管網(wǎng)泄漏診斷方法；Srirangarajan等[6]提出基于壓力數(shù)據(jù)多尺度小波分析的管網(wǎng)泄漏檢測(cè)方法。其中，基于流量計(jì)量的管網(wǎng)泄漏檢測(cè)方法中由于流量表的安裝和維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壓力表，流量測(cè)量精度又難以保證, 且無(wú)法實(shí)現(xiàn)泄漏點(diǎn)定位，因此在實(shí)際應(yīng)用中大多采用基于壓力信號(hào)的管網(wǎng)泄漏診斷。

艦艇管網(wǎng)的泄漏檢測(cè)與定位與單一管道有很大的不同。艦艇管網(wǎng)通常存在管道長(zhǎng)度短、閉環(huán)管路多、定位精度和泄漏檢測(cè)靈敏度要求更高等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的負(fù)壓波法由于泄漏檢測(cè)靈敏度低、壓力跳變點(diǎn)難以精確確定等原因，已經(jīng)難以適用。針對(duì)艦艇管網(wǎng)泄漏檢測(cè)中這些特點(diǎn)，本文提出一種基于虛擬聲波的管網(wǎng)泄漏檢測(cè)與定位方法，通過(guò)在管網(wǎng)的各分支節(jié)點(diǎn)安裝壓力變送器，借助壓力-聲波轉(zhuǎn)換模型（聲波信號(hào)變送器數(shù)學(xué)模型）獲得虛擬聲波，實(shí)現(xiàn)泄漏的高靈敏度檢測(cè)；通過(guò)判斷泄漏聲波通過(guò)分支節(jié)點(diǎn)上各個(gè)傳感器的先后順序關(guān)系[7]，實(shí)現(xiàn)泄漏信號(hào)傳播方向的判別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)泄漏管段及漏孔的準(zhǔn)確定位。

1 艦艇管網(wǎng)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

一個(gè)艦艇管網(wǎng)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于圖1所示的管網(wǎng)，分別在其節(jié)點(diǎn)分支管段上安裝一個(gè)同一精度、同一型號(hào)的壓力變送器。同一節(jié)點(diǎn)的相鄰2個(gè)壓力變送器之間的安裝距離取決于泄漏信號(hào)的傳播速度和采樣頻率。然后按照從1開(kāi)始的自然數(shù)給管網(wǎng)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)、各分支管段以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)分支管道上安裝的壓力變送器進(jìn)行順序編號(hào)，并把各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力變送器編號(hào)順序與數(shù)據(jù)采集通道序號(hào)一一對(duì)應(yīng)。

安裝在管道各個(gè)節(jié)點(diǎn)分支管道上的壓力變送器感測(cè)管道內(nèi)部的壓力，然后通過(guò)電纜把4～20 mA壓力信號(hào)傳輸?shù)礁咚俨⑿袛?shù)據(jù)采集模塊，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線傳輸給泄漏監(jiān)測(cè)服務(wù)器，由泄漏監(jiān)測(cè)服務(wù)器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力-聲波轉(zhuǎn)換、異常信號(hào)檢測(cè)、報(bào)警和定位。

2 管網(wǎng)泄漏虛擬聲波檢測(cè)和定位方法

2.1 虛擬聲波泄漏檢測(cè)原理

首先建立聲波信號(hào)變送器的數(shù)學(xué)模型H（z），以實(shí)時(shí)采集的壓力信號(hào)P（z）為模型的輸入，則模型H（z）的輸出即為虛擬聲波信號(hào)Y（z）。虛擬聲波泄漏檢測(cè)原理如圖2所示。

2.2 異常信號(hào)診斷

把干擾信號(hào)和泄漏信號(hào)都定義為異常信號(hào)，管網(wǎng)泄漏檢測(cè)問(wèn)題首先轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)的異常信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題。引入節(jié)點(diǎn)異常信號(hào)判別矩陣的概念，假設(shè)當(dāng)前所監(jiān)測(cè)管網(wǎng)中共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，且該管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中最大分支數(shù)為d，則節(jié)點(diǎn)異常信號(hào)判別矩陣A可用n×（d+1）階矩陣A=（ai,j）表示，如圖3（a）所示。其中行號(hào)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)序號(hào)，每行的第1～d列對(duì)應(yīng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力變送器序號(hào)（即高速同步采樣模塊的采樣通道序號(hào)）。當(dāng)?shù)趇行第j列配置了壓力變送器時(shí), ai,j=1（1＜j≤d），反之為0。ai,d+1是節(jié)點(diǎn)i的“異常信號(hào)標(biāo)志位”。對(duì)于實(shí)時(shí)采集的各路壓力信號(hào), 通過(guò)公式Y(jié)（z）=P（z）*H（z）獲得虛擬聲波信號(hào)，然后采用基于迭代計(jì)算的異常信號(hào)無(wú)模型提取方法[8]對(duì)各路虛擬聲波信號(hào)進(jìn)行異常信號(hào)判斷。當(dāng)與節(jié)點(diǎn)i相關(guān)聯(lián)的所有分支管道上壓力變送器對(duì)應(yīng)的虛擬聲波信號(hào)中都檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到了異常信號(hào)，其值為1；否則為0。在每次對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)異常信號(hào)診斷之前，“異常信號(hào)標(biāo)志位”都會(huì)被初始化為0。只有當(dāng)2個(gè)及以上相鄰節(jié)點(diǎn)都檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)，才需要進(jìn)行泄漏定位和報(bào)警。對(duì)應(yīng)圖1所示的管網(wǎng)，其初始的節(jié)點(diǎn)異常信號(hào)判別矩陣A如圖3（b）所示。

2.3 異常信號(hào)傳播方向判別與泄漏定位

為了達(dá)到識(shí)別干擾信號(hào)和確定泄漏管段的目的，當(dāng)有大于等于2個(gè)以上相鄰節(jié)點(diǎn)都檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)，就需要確定異常信號(hào)的傳播方向，只有當(dāng)確定異常信號(hào)是從相鄰節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)管段的中間位置傳入節(jié)點(diǎn)時(shí)，才能確定泄漏發(fā)生于當(dāng)前管段, 為此引入異常信號(hào)傳播方向判別矩陣的概念。

假設(shè)所監(jiān)測(cè)管網(wǎng)中共有m條分支管段，則該管段相關(guān)節(jié)點(diǎn)的異常信號(hào)傳播方向判別矩陣B則可以用階矩陣B=（bi,j）表示，其中2*m為行數(shù)，d為節(jié)點(diǎn)最大分支數(shù)。如圖4（a）所示。矩陣B是一個(gè)關(guān)聯(lián)矩陣，它將所監(jiān)測(cè)管網(wǎng)中的各管段、各節(jié)點(diǎn)以及各采集通道對(duì)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。其中矩陣B的第1列（bi,1）為管段序號(hào)，第2列（bi,2）為bi,1管段對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)序號(hào)，由于每條管段對(duì)應(yīng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此連續(xù)2行對(duì)應(yīng)同一管段；第3列為所述節(jié)點(diǎn)分支管段上安裝的壓力變送器個(gè)數(shù)bi,3。

其后的bi,4～bi,2d+1為用于判斷異常信號(hào)傳播方向的采樣通道序號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)共需bi,3-1個(gè)“采樣通道對(duì)”用于異常信號(hào)傳播方向判斷。如第4列bi,4與第5列bi,5為所述節(jié)點(diǎn)異常信號(hào)傳播方向判斷所需的2個(gè)壓力變送器對(duì)應(yīng)的一對(duì)采樣通道序號(hào)；并且bi,4, bi,6,…bi,2d為相同的采樣通道序號(hào)，對(duì)應(yīng)于當(dāng)前行中與bi,2節(jié)點(diǎn)序號(hào)相連管段上的壓力變送器。bi,5, bi,7, …bi,2d+1分別為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)其他分支管段上安裝的壓力變送器對(duì)應(yīng)的采樣通道序號(hào)。對(duì)于管段分支數(shù)小于d的節(jié)點(diǎn)，其對(duì)應(yīng) bi,（2dd+2）, …, bi,（2d+1）位置以 0 賦值, 其中dd=bi,3為對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)相鄰的分支管段數(shù)。

其后的bi,2d+2～bi,3d對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)的是由該（bi,3–1）個(gè)“采樣通道對(duì)”對(duì)應(yīng)信號(hào)計(jì)算得到的異常信號(hào)傳播方向判別結(jié)果；bi,2d+2～bi,3d在每次異常信號(hào)傳播方向判別前，其值均會(huì)被初始化為0；當(dāng)由相應(yīng)采樣通道的“信號(hào)對(duì)”得出異常信號(hào)傳播方向是由當(dāng)前行中bi,1管段中間傳播進(jìn)入節(jié)點(diǎn)方向時(shí)（即流入節(jié)點(diǎn)方向時(shí)），定義異常信號(hào)傳播方向?yàn)楱C1；反之，則為+1。對(duì)于bi,6～bi,2d+1中不對(duì)應(yīng)實(shí)際信號(hào)采樣通道的列位置（對(duì)應(yīng)管段分支數(shù)小于d的中間節(jié)點(diǎn)），其相應(yīng)的異常信號(hào)傳播方向判斷結(jié)果賦值為0。在bi,3d+1中存儲(chǔ)所有異常信號(hào)傳播方向判別結(jié)果值的累加和；對(duì)于管段分支數(shù)小于d的中間節(jié)點(diǎn)，其方向判別結(jié)果累加和值bi,3d+1需要乘上一個(gè)系數(shù)值：（d–1）/（bi,3–1）。

矩陣B中各元素值取值范圍如下：bi,1∈[1, m], bi,2∈[1, n], bi,3∈[2, d], bi,4～bi,2d+1的取值范圍為[1,n*d）。矩陣B形式如圖4（a）所示, 對(duì)應(yīng)圖1所示管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其相應(yīng)的初始狀態(tài)下異常信號(hào)傳播方向判斷矩陣B如圖4（b）所示。

在矩陣B中，按照管段序號(hào)（bi,1）進(jìn)行索引，若同一管段序號(hào)所關(guān)聯(lián)的2個(gè)節(jié)點(diǎn)，其方向判別結(jié)果的累加和值bi,（3*d+1）均為“-（d-1）”，則認(rèn)為該管段（即管段序號(hào)bi,1）發(fā)生泄漏。應(yīng)用相關(guān)計(jì)算方法計(jì)算出該（bi,1）管段所對(duì)應(yīng)的2個(gè)信號(hào)采樣通道（序號(hào)為bi,4和b（i+1）,4）所對(duì)應(yīng)的虛擬聲波信號(hào)的時(shí)間差，應(yīng)用直管段定位公式即可定位泄漏位置。

3 管網(wǎng)泄漏檢測(cè)及定位實(shí)驗(yàn)

基于虛擬聲波的管網(wǎng)泄漏檢測(cè)及定位實(shí)驗(yàn)在圖1所示的管網(wǎng)平臺(tái)上進(jìn)行，該管網(wǎng)管道全長(zhǎng)98 m，管徑為DN65的鍍鋅管，以水作為測(cè)試介質(zhì)。在圖1所示CH1-CH14位置共安裝14只精度等級(jí)為0.065%的霍尼韋爾STG74 L壓力變送器；并在L1～L7位置設(shè)置了7個(gè)球閥用于產(chǎn)生模擬泄漏。以16位A/D、1 000 Hz采樣率實(shí)時(shí)、同步采集各通道壓力信號(hào)，圖5所示為L(zhǎng)7位置模擬產(chǎn)生3 mm孔徑泄漏時(shí)各個(gè)通道采集到的經(jīng)過(guò)適當(dāng)濾波后的壓力信號(hào)。由于管道長(zhǎng)度較短，各個(gè)壓力變送器都感測(cè)到了泄漏信號(hào)。

根據(jù)圖2所示的管道泄漏虛擬聲波檢測(cè)方法中聲波信號(hào)變送器的組成結(jié)構(gòu)，以聲波傳感器的靈敏度Ks=53 480 pC/105Pa代替聲波傳感器數(shù)學(xué)模型；當(dāng)電壓一級(jí)放大、電壓二級(jí)放大和V/I轉(zhuǎn)換電路的總增益為K=6；通帶頻率為0.03～20.4 Hz；離散化采樣頻率fs=1 000 Hz時(shí)，得到對(duì)應(yīng)的聲波信號(hào)變送器的離散化數(shù)學(xué)模型為：

把濾波后的各通道壓力信號(hào)輸入到式（1）所示的聲波泄漏監(jiān)測(cè)儀數(shù)學(xué)模型，得到對(duì)應(yīng)各個(gè)通道的虛擬聲波如圖6所示。

對(duì)圖6所示各路虛擬聲波信號(hào)采用文獻(xiàn)[8]所述異常信號(hào)無(wú)模型檢測(cè)方法依次檢測(cè)各路虛擬聲波中是否存在異常信號(hào)。根據(jù)異常信號(hào)判別矩陣A中各壓力信號(hào)采樣通道與各節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)同一節(jié)點(diǎn)上的各路虛擬聲波信號(hào)，清除非異常信號(hào)或在時(shí)間上沒(méi)有重疊的異常信號(hào)，最終得到各路異常信號(hào)如圖6的曲線所示，同時(shí)將矩陣A中該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的“異常信號(hào)標(biāo)志位”置1，其對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)異常信號(hào)判別結(jié)果如式（2）矩陣中第4列所示。

遍歷矩陣A中的“異常信號(hào)標(biāo)志位”為1的列，以其所在行號(hào)（對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)序號(hào)i）為索引，在矩陣B中找到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的“采樣通道對(duì)”，計(jì)算該節(jié)點(diǎn)的異常信號(hào)傳播方向及其累加和值bi,（3*d+1），結(jié)果如式（3）矩陣中第8～10列所示。

圖7所示為L(zhǎng)7位置發(fā)生模擬泄漏時(shí)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]所述方法獲得的異常信號(hào)通過(guò)節(jié)點(diǎn)2中三路壓力變送器的先后順序關(guān)系。遍歷矩陣B（式（3））中第10列可以發(fā)現(xiàn)：第7管段的節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)5其對(duì)應(yīng)的異常信號(hào)傳播方向結(jié)果的累加和值均為-2，從而可以確定，管段7發(fā)生了泄漏。

運(yùn)用上述方法，在0.25～0.35 MPa的管道壓力下，以2～3 mm的泄漏孔徑模擬泄漏，在圖1所示7個(gè)模擬泄漏位置各重復(fù)了20次實(shí)驗(yàn)，異常信號(hào)傳播方向和泄漏管道定位100%準(zhǔn)確。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用本文提出的基于虛擬聲波的管網(wǎng)泄漏檢測(cè)定位方法切實(shí)可行。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于虛擬聲波的管網(wǎng)泄漏檢測(cè)和定位的新方法，以實(shí)測(cè)壓力為輸入，通過(guò)壓力-聲波轉(zhuǎn)換模型后，獲得相應(yīng)的虛擬聲波信號(hào)。然后通過(guò)異常信號(hào)提取及異常信號(hào)傳播方向判別實(shí)現(xiàn)泄漏管段的定位，最后通過(guò)相關(guān)定位實(shí)現(xiàn)泄漏孔的定位。本文提出的管網(wǎng)泄漏檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了壓力傳感器和聲波傳感器的有效融合，既克服了負(fù)壓波法泄漏檢測(cè)靈敏度低、定位誤差大的缺點(diǎn)，又克服了實(shí)際聲波信號(hào)變送器由于電氣參數(shù)無(wú)法保證完全一致導(dǎo)致異常信號(hào)傳播方向判斷準(zhǔn)確性差的缺點(diǎn)。模擬實(shí)驗(yàn)表明本文提出的基于虛擬聲波的管網(wǎng)泄漏檢測(cè)方法穩(wěn)定可行。限于篇幅的關(guān)系，本文沒(méi)有涉及多漏點(diǎn)和更小泄漏量條件下的泄漏檢測(cè)和定位問(wèn)題，這些問(wèn)題有待后續(xù)進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]MASHFORD J, DE SILVA D, MARNEY D, et al. An approach to leak detection in pipe networks using analysis of Monitored pressure values by support vector machine[C]// International Conference on Network and System Security. IEEE, 2009:534-539.

[2]CASILLAS M V, GARZA-CASTANON L E, PUIG V.Extended-horizon analysis of pressure sensitivities for leak detection in water distribution networks: Application to the Barcelona network[C]//8th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes.2012:401-409.

[3]JUNG D, LANSEY K. Burst detection in water distribution system using the extended Kalman filter[J]. Procedia Engineering, 2014, 70(2):902-906.

[4]VITORINO D. Water distribution systems flow monitoring and anomalous event detection: A practical approach[J]. Urban Water Journal, 2015, 13(3):1-11.

[5]MISIUNAS D, VíTKOVSKY J, OLSSON G, et al. Failure monitoring in water distribution networks.[J]. Water Science &Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 2006, 53(4-5):503-11.

[6]SRIRANGARAJAN S, ALLEN M, PREIS A, et al. Waveletbased burst event detection and localization in water distribution systems[J]. Journal of Signal Processing Systems, 2013,72(1):1-16.

[7]林偉國(guó), 王曉東, 戚元華,等. 管道泄漏信號(hào)和干擾信號(hào)的數(shù)字化判別方法[J]. 石油學(xué)報(bào), 2014, 35(6):1197-1203.

[8]WANG F, LIN W, HE Z, et al. Adaptive abnormal signal extraction based on iterative computations[C]// Chinese Control and Decision Conference. IEEE, 2016:6994-6999.