基于全域監(jiān)測的儲罐底板腐蝕多聲源辨識方法研究

邱 楓，李明駿，屈定榮，黃賢濱，許述劍

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266000)

大型原油儲罐底板腐蝕是影響和決定儲罐服役壽命的關(guān)鍵問題。據(jù)統(tǒng)計，儲罐泄漏爆炸的事故中，底板腐蝕狀態(tài)是影響儲罐安全運行的主要因素之一。儲罐底板腐蝕往往不是呈現(xiàn)均勻腐蝕，而是局部區(qū)域出現(xiàn)腐蝕坑。一個腐蝕坑形成一個大的聲發(fā)射源，儲罐底板則存在多個這樣的聲發(fā)射源，表現(xiàn)為多源化。因此，聲源識別前需進行多源信號的分組，即判別哪些傳感器收到的信號需來自同一聲源，且為同一事件，否則可能會出現(xiàn)事件缺失或重復(fù)計算事件的現(xiàn)象，不能準(zhǔn)確地識別聲發(fā)射源。本文基于儲罐底板腐蝕聲發(fā)射全域監(jiān)測方法，提出儲罐底板腐蝕聲源短基線網(wǎng)格識別方法。

1 基于相關(guān)分析的同源信號聚類

聚類的原理是把數(shù)據(jù)集合中相似的對象分成不同的組別或者更多的子集，這樣讓在同一個子集中的成員對象都有相似的一些屬性。各傳感器接收到的同一聲發(fā)射源信號應(yīng)該具有比較高的相似性。根據(jù)這一特點，可以利用聚類分析將傳感器接收到的信號按相似性進行分類，每一類信號對應(yīng)著一個聲發(fā)射事件。即要準(zhǔn)確的識別聲發(fā)射源，需要判斷哪些信號來自同一事件，屬于同一聲源。互相關(guān)系數(shù)法可以實現(xiàn)對同一聲源信號進行聚類分析。設(shè)x=(x1，x2，…，xN)，y=(y1，y2，…，yN)為被判定的兩個信號序列，其相關(guān)函數(shù)為

(1)

互相關(guān)函數(shù)是兩個不同信號x(n)和y(n)之間的乘積，兩個信號的互相關(guān)運算能夠?qū)⑵涔残圆糠痔崛〕鰜聿⒁种频舴枪残圆糠?，互相關(guān)函數(shù)的最大值反映了兩個信號之間的相似性的程度。由于互相關(guān)函數(shù)的最大值是絕對量值，與信號幅值有關(guān)，不便于統(tǒng)一度量。因此，對x、y的最大值進行歸一化處理，得到兩個信號的互相關(guān)系數(shù)。

(2)

互相關(guān)系數(shù)的值越接近1表明兩信號之間相似程度越高，來自同一個聲源的可能性越大。在聚類融合過程中，根據(jù)兩個信號之間的互相關(guān)系數(shù)是否超過閾值來確定其是否屬于同一個聚類。屬于同一聚類的信號則被判定來自同一聲源，為一個聲發(fā)射事件。這樣用相關(guān)系數(shù)法可以判斷兩個信號是否來自同一聲源。平均相關(guān)系數(shù)

(3)

式中：n′——聚類C中的信號數(shù)量。

ρ(x，C1)的意義在于判斷目標(biāo)信號與已知聚類的相關(guān)性。設(shè)在事件定義時間內(nèi)i號傳感器接收到的撞擊信號集合為Hi={hi1，hi2，…，hin}，n=3，4，5，…，H中的信號按時間順序排列，信號類別數(shù)量未知。選取h11信號為基準(zhǔn)，分別與h21，h22，…，h2n中的信號做相關(guān)系數(shù)計算，取相似度最大的那個信號(假定為h2k)與h11信號共同構(gòu)成C1聚類。接著將信號h31，h32，…，h3n與C1進行平均相關(guān)系數(shù)運算，取平均相關(guān)系數(shù)最大的那個(假定為h3m)，可判定h3m屬于聚類C1。這樣h11、h2k、h3m屬于聚類C1。依次類推，可知以h12信號為基準(zhǔn)的聚類C2。最終可以得到C1，C2，…，Cn，這樣就得到了所有聚類集合。

2 基于全域監(jiān)測的儲罐底板腐蝕多聲源識別方法

2.1 短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵?/h3>

對于一個聲發(fā)射源，其強度不同發(fā)出的聲波觸發(fā)傳感器數(shù)量也不同。聲波按照由近及遠(yuǎn)的順序，依次觸發(fā)聲發(fā)射傳感器。并且距離越近的傳感器接收到的信號幅值越大，距離越遠(yuǎn)的傳感器接收到的信號幅值越小。直到距離達(dá)到一定程度，聲波的幅度無法越過門檻。這種觸發(fā)時間和信號參數(shù)的差異性即可提供有關(guān)聲源歸屬區(qū)域、強度、活度的信息。

依據(jù)聲波相位陣列原理，與一聲源距離相等的傳感器接收到同一事件聲信號的時間相同，強度相等。如圖1所示，若聲源在兩傳感器的中垂線上，即r1=r2處，由于聲波到達(dá)兩傳感器的距離相同，到達(dá)兩傳感器的時間相同，信號強度相同；當(dāng)聲源與兩傳感器距離r1r2，聲波先觸發(fā)2號傳感器，且信號強度更高。因此，對同一聲源發(fā)生的同一聲發(fā)射事件，若1號傳感器先接收信號到且強度更高，則該聲源離1號傳感器更近；反之，離2號傳感器更近。可以兩傳感器連線中垂線為網(wǎng)格拓?fù)涞囊罁?jù)。值得注意的是，如果只有1號傳感器收到信號，而2號傳感器未收到信號，則該聲發(fā)射源應(yīng)處于以1號傳感器所在位置為圓心，以a為半徑的圓形區(qū)域；若僅有2號傳感器收到信號，則該聲發(fā)射源應(yīng)處于以2號傳感器所在位置為圓心，以a為半徑的圓形區(qū)域。

圖1 聲源與兩傳感器相位陣列

采用更為靈活的短基線陣列系統(tǒng)，每個基陣由包括一個以上的傳感器構(gòu)成。將接收到同一聲源發(fā)生的同一聲發(fā)射事件信號的傳感器劃分為一個基陣中的基元，可見基元的歸屬是由聲發(fā)射事件決定的，同一個聲發(fā)射傳感器在不同事件中可能屬于不同基陣。對一個基陣中傳感器接收到的信號觸發(fā)時間和參數(shù)特征進行兩兩比較，任意兩個傳感連線的中垂線所劃分形成的區(qū)域即為聲源判別歸屬區(qū)域，進而形成儲罐底板短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵?簡稱“網(wǎng)格陣列”)。通過對基陣中多組傳感器接收到的同一聲發(fā)射事件的信號的判別，可以縮小該聲發(fā)射事件的所屬區(qū)域，更加準(zhǔn)確的識別聲源的歸屬網(wǎng)格，識別聲發(fā)射源。儲罐內(nèi)部放置不同傳感器數(shù)量，將形成不同的網(wǎng)格陣列，例如罐外布置6個傳感器，罐內(nèi)中心布置1個傳感器，即形成1-6陣列如圖2所示；也可形成其他傳感器陣列方式，對幾種典型的陣列傳感器進行坐標(biāo)表示，見表1，底板半徑設(shè)為R0，由外至內(nèi)進行編號，第一層傳感器總數(shù)為n1，第二層傳感器總數(shù)為n2，第三層傳感器總數(shù)為n3，傳感器編號為i(i=1,2,3…n)，中心坐標(biāo)為(0,0)。

圖2 1-6儲罐底板短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵?/p>

2.2 基于全域監(jiān)測的儲罐底板多聲源識別

針對時差定位方法的應(yīng)用情況，即一個聲發(fā)射事件需3個及3個以上傳感器收到聲發(fā)射信號，才可以形成定位，沒有形成定位的聲發(fā)射源事件便被丟失，而腐蝕信號較弱，聲發(fā)射波僅觸發(fā)一個傳感器的情況較多。并且由于聲波傳播的復(fù)雜性，定位點不能準(zhǔn)確反映聲源位置，僅是對于儲罐底板腐蝕狀態(tài)的評估具有參考意義。以及區(qū)域定位對于同一聲發(fā)射源事件的重復(fù)定位問題?；谌虮O(jiān)測的短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵新暟l(fā)射源識別方法，綜合多聲源信號辨識方法，考慮腐蝕聲發(fā)射信號特性，鑒于聲源強度不同導(dǎo)致的聲波觸發(fā)傳感器的幾種情況，實現(xiàn)聲發(fā)射源的全面識別。

表1 傳感器坐標(biāo)

2.2.1聲波觸發(fā)1個傳感器

若某一聲發(fā)射源強度較低，發(fā)出的聲波僅觸發(fā)7號傳感器，則該聲發(fā)射源與其他1-6號傳感器的距離均較7號傳感器遠(yuǎn)，則該聲發(fā)射源屬于AHIJKE區(qū)域；同理，若某一聲波僅觸發(fā)1號傳感器，說明該聲發(fā)射源與2-7號傳感器的距離較1號傳感器遠(yuǎn)，則該聲發(fā)射源屬于GAEF區(qū)域。

2.2.2聲波觸發(fā)2個傳感器

若某一聲源強度稍低，發(fā)出的聲波僅觸發(fā)1號和7號傳感器，說明該聲發(fā)射源與2-6號傳感器的距離較1號和7號傳感器遠(yuǎn)，應(yīng)在被觸發(fā)傳感器之間的區(qū)域。則當(dāng)1>7時，該聲發(fā)射源屬于AED區(qū)域；當(dāng)7>1時，該聲發(fā)射源屬于ABE區(qū)域。同理，若某一聲波僅觸發(fā)1號和2號傳感器，說明該聲發(fā)射源與3-7號傳感器的距離較1號和2號傳感器遠(yuǎn)，應(yīng)在被觸發(fā)傳感器之間的區(qū)域。則當(dāng)1>2時，該聲發(fā)射源屬于ADG區(qū)域；當(dāng)2>1時，該聲發(fā)射源屬于AGL區(qū)域。由兩個傳感器判別形成的聲源識別區(qū)域較一個傳感器的范圍縮小了，因此當(dāng)聲發(fā)射波觸發(fā)n個傳感器，組成多組判別時，聲發(fā)射源的所在區(qū)域?qū)⒈幌薅ㄔ诟〉姆秶?，實現(xiàn)更精細(xì)的識別。

2.2.3聲波觸發(fā)n個傳感器

對于強度較高的聲發(fā)射源，發(fā)出的聲發(fā)射波會觸發(fā)n個傳感器，通過判別，可以將聲發(fā)射源識別在某一網(wǎng)格。儲罐底板腐蝕全域監(jiān)測的傳感器陣列方式不同，基陣中基元對網(wǎng)格內(nèi)聲源的識別邏輯不同，平面網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的識別能力也不同。一個網(wǎng)格的判別由圍成該網(wǎng)格的中垂線的傳感器所接收的信號決定。對平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵械淖R別能力進行分析，識別比例P=S網(wǎng)格/S儲罐底板，識別比例越小，能夠識別的網(wǎng)格區(qū)域面積越小，識別精度越高，所達(dá)到的識別效果越好；反之，識別比例越大，所識別的網(wǎng)格區(qū)域面積越大，識別精度越低。由于網(wǎng)格由傳感器的中垂線圍城，識別邏輯即為這些傳感器接收到的信號強度的判別。根據(jù)傳感器坐標(biāo)，儲罐底板半徑R0，可以求出所識別網(wǎng)格面積為關(guān)于R0的表達(dá)式，從而求出識別比例。最大識別比例與最小識別比例的比為該陣列的識別不均勻系數(shù)k，k=Pmax/Pmin。

可以通過適量增加傳感器數(shù)量來提高識別效果。但并不是越多越好，數(shù)量的增加可能會導(dǎo)致不均勻系數(shù)變大。同時，對于不同聲源，接收到信號的傳感器數(shù)目增加，會導(dǎo)致多聲源辨識的難度增大?？筛鶕?jù)實際情況選擇陣列。首先要進行儲罐底板腐蝕多聲源辨識，對同源信號聚類，再利用短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵校瑢薜装鍎澐殖扇舾删W(wǎng)格，從而基于全域監(jiān)測的儲罐底板腐蝕聲源識別方法，對同源同事件聲發(fā)射信號進行判別，可為儲罐底板的腐蝕聲源找到歸屬網(wǎng)格，實現(xiàn)聲發(fā)射源的識別。

該方法解決了儲罐底板腐蝕聲發(fā)射信號較弱，聲發(fā)射信號難以獲取，聲源所在位置難以確定的問題。不會存在聲源的漏識別現(xiàn)象，針對聲發(fā)射波觸發(fā)傳感器數(shù)量的不同情況，實現(xiàn)聲源所屬區(qū)域的判別，為儲罐底板維修決策提供更可靠的依據(jù)。

3 模擬儲罐底板多聲源辨識實驗

3.1 實驗對象和實驗系統(tǒng)

采用常壓立式儲罐底板常用材料Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼所制成的圓形鋼板，其直徑為900 mm，厚度為8 mm；選用美國PAC公司生產(chǎn)的DP3I型傳感器，以及集成化更高、更適用于壓力容器檢測的第3代全數(shù)字化系統(tǒng)。結(jié)合本文實驗所采用的材料及結(jié)構(gòu)尺寸，經(jīng)過多次實驗測試，最終設(shè)定系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)PDT為300 μs，HDT為600 μs，HLT為1 000 μs。由于本實驗的定位聲源來自于2H(0.5)斷鉛模擬聲源，因此檢測門檻設(shè)為中靈敏度范圍的40dB。

按圖2的傳感器陣列方式，采用1-6陣列，將6個傳感器均勻耦合在圓板外圍，在圓板中心耦合1個傳感器，實驗中各傳感器坐標(biāo)見表2。在儲罐底板上表面隨機斷鉛3次，記錄并保存各次斷鉛位置及各傳感器接收到的信號幅度，如表3所示。

表2 實驗中的各傳感器坐標(biāo)

表3 3次斷鉛位置及各通道接收信號幅度

3.2 實驗結(jié)果與分析

同源信號聚類。設(shè)3次斷鉛聲源信號最先收到信號、第二收到信號、第三收到信號的前3個傳感器接收信號集合分別依次為{aa，ab，ac}、{ba，bb，bc}、{ca，cb，cc}、利用相關(guān)系數(shù)法進行相關(guān)分析，其相關(guān)性如圖3和4所示。

通過對信號進行譜分析發(fā)現(xiàn)，斷鉛信號在30 kHz處功率譜密度最大。由圖3(a)～(c)可知aa，ba信號在30 kHz處相關(guān)系數(shù)最大，即相關(guān)性更大，故把aa和ba信號歸于同一聚類C1，即aa、ba∈C1。

圖3 3個不同聲源信號相關(guān)性

圖4 2個不同聲源信號相關(guān)性

同理，由圖4(a)、(b)可知ab，bb信號相關(guān)性更大，故把ab和bb信號歸于同一聚類C2，即ab、bb∈C2。顯然ac和bc信號歸于聚類C3，即ac、bc∈C3。然后再進行3通道信號集合{ca，cb，cc}的判別，經(jīng)分析{aa、ba、ca}∈C1，{ab、bb、cb}∈C2，{ac、bc、cc}∈C3。

應(yīng)用相關(guān)分析將3組斷鉛信號成功分離，表明該方法可以將同一聲源發(fā)出的同一聲發(fā)射波形成的聲發(fā)射信號劃分為一類，實現(xiàn)儲罐底板腐蝕同源聲發(fā)射信號的同源聚類。對采集到的聲發(fā)射信號進行相關(guān)分析，根據(jù)功率譜密度，將相關(guān)系數(shù)最大的即相關(guān)性最大的信號劃分為一類，即可將特定時間內(nèi)的同一聲源信號聚為一類，形成一個事件。多聲源信號聚類的完成表明該方法可以實現(xiàn)多聲源的辨識，這為聲源的識別和評估提供了基礎(chǔ)。

再應(yīng)用短基線平面網(wǎng)格聲源識別方法，確定每個事件發(fā)生于哪個網(wǎng)格。對分成3組的信號進行網(wǎng)格歸屬判別，依據(jù)網(wǎng)格識別方法，對照圖2中的網(wǎng)格陣列，1#聲源歸屬于網(wǎng)格ABC，2#聲源歸屬于網(wǎng)格DEF，3#聲源歸屬于網(wǎng)格BCE。表現(xiàn)為與聲源位置一致。

4 結(jié)語

儲罐底板腐蝕聲發(fā)射信號屬于弱信號，針對底板中央?yún)^(qū)域腐蝕聲源信號難以獲取、聲源識別漏判或誤判的問題，提出基于全域監(jiān)測方法儲罐底板腐蝕多聲源信號辨識方法、聲源識別方法，得到如下結(jié)論：

a)建立基于相關(guān)分析的同源信號聚類方法，該方法可以實現(xiàn)儲罐底板腐蝕多聲源信號的辨識，即判斷哪些信號來自同一聲源，為基于聲發(fā)射全域監(jiān)測的儲罐底板腐蝕短基線平面網(wǎng)格聲源識別提供依據(jù)。

b)建立短基線平面網(wǎng)格拓?fù)潢嚵?，基于聲波相位陣列原理，綜合多聲源信號辨識方法，形成基于全域監(jiān)測的儲罐底板腐蝕聲源網(wǎng)格識別方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對儲罐底板不同強度聲源(強度不同的聲源，發(fā)出的聲波觸發(fā)傳感器數(shù)量不同)的有效識別，可對儲罐底板進行更為精細(xì)的網(wǎng)格化管理，對判斷聲源集中度具有一定意義，為儲罐底板腐蝕嚴(yán)重度評估提供依據(jù)。