基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術

王 輝

（東莞市水利勘測設計院有限公司，廣東 東莞 523115）

1 基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術設計

1.1 流體流動的計算和模擬

通過計算結構動力學系統(tǒng)對泵站輸水管道進行建模，以對其進行流體流動的計算和模擬[1]。在建模過程中基于逐步回歸法對各個最優(yōu)變量進行引入：每個解釋變量被引入后都要對其實施F檢驗，對于被選的解釋變量，則需要逐個對其實施t檢驗。當被選的解釋變量在后面繼續(xù)對解釋變量進行引入的過程中變得不夠顯著則對其進行刪除處理，確保對新變量進行引入時回歸方程里只有顯著性變量[2]。反復實施該過程，直到回歸方程里沒有可選入的顯著解釋變量，也沒有可剔除的不夠顯著的解釋變量，獲取擁有最優(yōu)解釋變量集的回歸方程，通過該回歸方程在建模過程中對各個最優(yōu)變量進行引入。計算結構動力學系統(tǒng)具備高效分析數(shù)據(jù)結構與內存動態(tài)分配的功能，并且在建模網(wǎng)格的后處理與預處理方面靈活性很強[3]。計算結構動力學系統(tǒng)共包括3個模塊，各模塊功能見表1。

利用計算結構動力學系統(tǒng)進行泵站輸水管道流體流動計算和模擬，過程見表2[4]。

表1 各模塊具體功能

表2 流體流動計算和模擬過程

1.2 數(shù)據(jù)采集與分析

通過輸水管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行泵站輸水管道數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)的具體構成包括連接電纜、計算機、水聽器分析儀、水聽器，技術指標見表3[5]。

表3 技術指標

通過多道信號與光纖水聽器的相關分析軟件實施采集數(shù)據(jù)分析，該軟件具備振動監(jiān)測、檢測、勘探功能，能夠進行濾波處理、振幅分析處理、頻譜分析處理、波形分析處理[6]。通過傅里葉變換對采集數(shù)據(jù)實施濾波處理。

1.3 實現(xiàn)輸水管道壓力監(jiān)測

通過光時域相敏反射計的布設對由外界振動而引起的光纖折射率變化進行檢測，布設的光時域相敏反射計與其他結構共同構成一個Φ-OTDR 系統(tǒng)，實現(xiàn)泵站輸水管道壓力監(jiān)測，其中對光時域相敏反射計進行布設需要根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來進行[7]。光時域相敏反射計是一種頻移低、線寬窄的激光器，線寬處于幾個千赫之內。Φ-OTDR系統(tǒng)的光纖傳感光源為脈沖窄帶光源，其壓力監(jiān)測原理見圖1[8]。

圖1 壓力監(jiān)測原理

Φ-OTDR 系統(tǒng)具體構成包括光時域相敏反射計、環(huán)形器、信號處理器、解調器。Φ-OTDR 系統(tǒng)主要通過光時域相敏反射計對連續(xù)光進行輸出，接著利用解調器實施調制，把連續(xù)光變成脈沖探測光并向環(huán)形器輸入，經(jīng)過環(huán)形器后脈沖探測光最終進入待測光纖[9]。此時由于被測光纖在各處存在不同的折射率，會發(fā)生瑞利散射情況。后向瑞利散射光會通過環(huán)形器流向信號處理器。通過信號處理器能夠把時域光信號變?yōu)闀r域電信號，然后通過計算機對數(shù)據(jù)文件進行輸出[10]。只需最后進行數(shù)據(jù)監(jiān)測就能夠實現(xiàn)泵站輸水管道壓力監(jiān)測[11]。通過Φ-OT?DR 系統(tǒng)監(jiān)測儀實現(xiàn)輸水管道壓力監(jiān)測，該監(jiān)測儀的參數(shù)見表4。

表4 監(jiān)測儀的參數(shù)

Φ-OTDR 系統(tǒng)的測量信號見圖2[12]。

圖2 Φ-OTDR系統(tǒng)的測量信號

在利用Φ-OTDR 系統(tǒng)進行泵站輸水管道壓力監(jiān)測的過程中，Φ-OTDR 系統(tǒng)的動態(tài)范圍的計算公式為：

式中：R 為Φ-OTDR 系統(tǒng)的動態(tài)范圍；g 為傳輸損耗；Ps(0)為信號處理的對應信噪比；Pn為接收靈敏度[13]。

壓力監(jiān)測過程中Φ-OTDR 系統(tǒng)的空間分辨率計算公式為：式中:Δz為Φ-OTDR 系統(tǒng)的空間分辨率；c為真空中光的速度；Tp為探測脈沖的具體寬度；ηs為群折射率[14]。

2 監(jiān)測實驗

2.1 方法設計

為證明基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術的性能，對其進行實驗驗證。搭建實驗管道系統(tǒng)，對其實施壓力監(jiān)測實驗。實驗輸水管道的數(shù)據(jù)見表5。

表5 實驗輸水管道的數(shù)據(jù)

實驗管道系統(tǒng)在不同工況下流量與壓力的變化情況見表6。

表6 實驗管道系統(tǒng)在不同工況下流量與壓力的變化情況

實驗管道系統(tǒng)由溫度傳感器、數(shù)字壓力高精度傳感器、一體式智能電磁流量計、雙閘板單作用氣動閘閥、化工石油流程泵、蓄水池構成（見圖3）。

圖3 實驗管道系統(tǒng)構成示意圖

實驗管道系統(tǒng)相關指標見表7。

表7 實驗管道系統(tǒng)具體數(shù)據(jù)

實驗管道系統(tǒng)的安裝圖見圖4。

圖4 實驗管道系統(tǒng)的安裝圖

利用設計的基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術對實驗管道系統(tǒng)進行輸水管道壓力監(jiān)測。以采集點為300～500個范圍內的監(jiān)測差分幅值波動幅度數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)。為避免本次實驗結果過于單一、缺乏對比性，將原有的兩種技術（分別為基于數(shù)值模擬方法、基于卡爾曼濾波器的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術）作為實驗中的對比方法，比較幾種實驗技術的監(jiān)測差分幅值波動幅度實驗數(shù)據(jù)。

2.2 結果研究

在采集點為300～400 個的范圍內，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術與基于數(shù)值模擬方法、基于卡爾曼濾波器的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術的監(jiān)測差分幅值波動幅度實驗數(shù)據(jù)對比結果見圖5。

圖5 監(jiān)測差分幅值波動幅度實驗數(shù)據(jù)對比結果（采集點為300～400個）

由圖5 可知，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術的監(jiān)測差分幅值波動幅度均高于基于數(shù)值模擬方法、基于卡爾曼濾波器的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術的監(jiān)測差分幅值波動幅度，能夠更迅速地對泄漏處進行定位。

在采集點為400～500個的范圍內，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術與基于數(shù)值模擬方法、基于卡爾曼濾波器的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術的監(jiān)測差分幅值波動幅度實驗數(shù)據(jù)對比結果見圖6。

圖6 監(jiān)測差分幅值波動幅度實驗數(shù)據(jù)對比結果（采集點為400～500個）

由圖6可知，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術的監(jiān)測差分幅值波動幅度均高于基于數(shù)值模擬方法、基于卡爾曼濾波器的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術的監(jiān)測差分幅值波動幅度，同樣能夠更迅速地對泄漏處進行定位。

3 結語

基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測技術實現(xiàn)了監(jiān)測差分幅值波動幅度的提升，對于供水系統(tǒng)安全性的提升有較大意義。