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南京理工大学硕士学位论文基于负压波法的长输油管道泄漏监测与研究 摘要 管道运输在输送气体、流体、浆体等方面具有独特的优势，己成为继铁路、公路、 水路、航空运输之后的第五大运输工具。由于不可避免的老化、腐蚀及打孔盗油等原 因，管道泄漏时有发生，严重干扰了正常生产，造成了巨大的经济损失和环境污染。 所以，加强管道泄漏监测与定位技术的研究与应用，对于发现管道泄漏，打击盗油行 为，保护环境，减少企业经济损失，提高企业的自动化管理水平具有非常重要的现实 意义。 本文对国内外的多种泄漏监测技术进行了研究和对比，结合实际需要，提出了基 于负压波法的管道泄漏监测与定位技术。本文在对比了均值滤波、中值滤波、小波分 析方法对压力值进行去噪的效果的基础上，选取了一维小波分析来对压力值序列进行 信号去噪。在对压力信号去噪平滑后，本文深入分析了管道泄漏引发的瞬态负压波在 管道中的传播过程，用分段累计算法提取出了压力波形特征信息。然后，本文提出了 一种新的基于统计的瞬态负压波泄漏检测方法，并分析了其优缺点；最后本文在提取 了分层的波元特征基础上，提出了一种新的采用结构模式识别分析管道负压波检测管 道泄漏的方法。 关键字：管道泄漏，瞬态负压波，小波分析，分段累计算法，结构模式识别 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h eu n i q u ea d v a n t a g eo ft r a n s m i t t i n gg a s ，l i q u i da n ds l u r r y , p i p e f i n eh a sb e c o m e t h ef i f t hi m p o r t a n tc o n v e y a n c ea f t e rr a i l w a y , h i 曲w a y , w a t e r w a ya n dv o y a g e b e c a u s eo f i n e v i t a b l yp i p e l i n ea g i n g ，e r o d i b i l i t y , s t i l e t t os t e a la n ds oo n ，l e a k a g ea c d d e n th a p p e n d s f r e q u e n t l y i ti n t e r f e r e si nn a t u r a lp r o d u c t i o nb a d l y , b r i n g se n o r m o u se c o n o m i cl o s i n ga n d p o l l u t e st h ee n v i r o n m e n t s ot h er e s e a r c ha n da p p f i c a t i o no ft h el e a kd e t e c t i n ga n dl o c a t i n g s y s t e mo ft r a n s p o r t i n g - o i lp i p e l i n eb e c o m e sa nu r g e n tp r o b l e m a d v a n c e dr e s e a r c ho f l e a k a g ed e t e c t i o na n dl o c a t i o no fp i p e l i n ec a l lf i n dt h el e a k a g eo fp i t ) e l i n ea n dt a k ea c t i o n q u i c k l y i tm a y r e d u c et h eh a p p e n i n go fs t e a lc a s e ，a v o i dt h ep o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t ， r e d u c et h ei n t e r p r i s e se c o n o m i cl o s i n ga n di m p r o v et h el e v e lo fi n t e r p f i s e sa u t o m a t i c m a n a g e m e n t t h i sd i s s e r t a t i o nc o m p a r e sa n da n a l y z e ss o m ek i n d so fl e a kd e t e c t i n gt e c h n o l o g i e so f p i p e l i n e ，a n dt h e np r o p o s e ss o m e m e t h o d sb a s e dn e g a t i v ep r e s s u r ew a v et of i n i s hp i p e l i n e l e a kd e t e c t i o na n dl o c a t i o nd e p e n d i n go nr u n t i m es i t u a t i o n s i no r d e rt od e c r e a s en o i s ea t t h ew a v ec u r v e so fn e g a t i v ep r e s s u r e ，t h i sd i s s e r t a t i o n c o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s o fg l i d i n gw i n d o wa v e r a g ef i l t e r , m e d i u ma n dm e a nf i l t e ra n dw a v e l e t a n a l y s i sm e t h o d ，a n df i n a l l ys e l e c t so n e - d i m e n s i o nw a v e l e ta n y l i s i sm e t h o da st h em a i n d e c r e a s i n gn o i s ef i l t e r a f t e rf i l t e r i n gn o i s e ，t h i sd i s s e r t a t i o n s t u d i e st h ep r o p a g a t i o n p r o c e s so fi n s t a n t a n e o u sn e g a t i v ep r e s s u r ew a v ec a u s e db yl e a k o fc r u d ep e t r o l e u m t r a n s p o r t e dp i p e f i n ea n dt h e nu s e sap h a s e da c c u m u l a t i v ea l g o r i t h mt od i s t i n g u i s ht h e f e a t u r e so fp r e s s u r ew a v e t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e san e wi n s t a n t a n e o u sn e g a t i v e p r e s s u r ew a v ed e t e c t i n gm e t h o db a s e ds t a t i s t i c a lm e t h o d a f t e rd i s t i l l i n gl a y e r e dw a v e s c h a r a c t e r s t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e san e wm o t h o do fd e t e c t i n gp i p e l i n el e a k sw i m a p p l i c a t i o nt oa n a l y z i n gt h en e g a t i v ep r e s s u r ew a v eu s i n gs t r u c t u r a lp a t t e r nr e c o g n i t i o n k e y w o r d s ：p i p e l i n el e a k ，i n s t a n t a n e o u sn e g a t i v ep r e s s u r ew a v e ，w a v e l e ta n a l y s i s ， p h a s e da c c u m u l a t i v ea l g o r i t h m ，s t r u c t u r a lp a t t e r nr e c o g n i t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研冤成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历丽使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：至童鹭年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借闽或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名；三童渣年月日 南京理工大学硕士学位论文基于负压波法的长输油管道泄漏监测与研究 1 1 管道运输的发展状况 世界所需的能量每年增加2 6 ，其中增加最快的是中东和中国。而许多能量是 以原油形式存在的，这些原油通过管线传输的占了很大的比例。据报道，国外每年由 管线输送的原油、天然气和其它产品价值数十亿美元。石油经济学家预测在今后1 5 年内每年将增加5 0 条管线【1 。 管道在输送液体、气体、浆体等方面具有独特的优势，目前已成为继铁路、公路、 水路、和航空运输之后的第五大运输工具。与另外几种运输方式比较，管道运输具有 如下特点：第一，连续性好。它受自然条件影响小，可以一年四季昼夜均匀运输。第 二，运输量大。例如美国阿拉斯加原油管道口径为1 2 1 0 毫米，每年输送原油达l 亿 吨。第三，运价便宜。美国管道运输每吨公里的运输成本相当于铁路的2 1 和公路的 5 。第四，管理方便。英国管道运输货运量占总货运量的1 8 2 ，而从业人员只占 运输从业总人数的o 7 。由于管道输送在运送气体、液体等散装物品方面所具有的 独特优势，管道工业在国民经济中占有重要的位置【2 】。 在中国，大约5 0 0 0 年前就已利用粘土与石块构成的管道长距离供水。现代的管 道运输是伴随石油的开发利用发展起来的。现代管道运输起始于1 9 世纪中叶。1 8 6 5 年美国宾夕法尼亚泰特期绍尔油田内铺设了第一条输油管道，该管道的管径为 5 0 m m ，全长8 k m ，目输油量1 2 7 m 3 。管道运输真正作为商业性运输手段，并经历不 同恶劣环境考验的历史时期是2 0 世纪6 0 年代以后的事情了。目前全世界大型输油管 道总长超过2 3 0 万公里。 尽管我国是最早使用管子输送液体的国家，但直到解放初期我国尚无一条长距离 输油管道。1 9 5 7 年随着克拉玛依油田的开发诞生了我国第一条长距离输油管道，该 管道全长1 4 7 k m 管径1 5 0 m m 。7 0 年代开始随着大庆油田的开发，我国迫切需要解决 原油外输问题，因此在1 9 7 0 年8 月3 曰国家批准兴建东北地区输油管道，第一期工 程是大庆至抚顺，干线全长5 9 0 k m ，管径7 2 0 m m ，年输油能力2 0 0 0 万吨。此后，随着 大庆、辽河等油田的相继开发，长输管道建设进入了一个新的发展时期。 进入9 0 年代以后，我国的长输管道建设有了新的突破，并又相继建成了一批长 输管道，油气长输管道每年铺设长度超过4 0 0 公里。1 9 9 6 年底，我国己建成长输油、 气管道3 9 5 条，其中输油管道1 7 8 条( 原油管道8 1 条，成品油管道9 7 条) ，输气管 道2 1 7 条，总长度1 7 ，2 3 1 万公里。初步形成了东北、华北、中原、华东和西北广大 地区的地下管道运输管道。到2 0 0 0 年底，我国已拥有原油和天然气长输管道2 1 ，0 0 0 公里，年输量超过1 亿吨。我国石油、天然气产量的9 0 通过长输管道输向炼油厂、 第一章概述硕士论文 化工厂及海运码头【j j 。 虽然我国管道运输事业有了较大发展，长输管道建设己初具规模，但与一些发达 国家相比还存在一定的距离。到1 9 9 4 年底我国长距离管道是世界管道总长度的1 9 2 ， 美国的1 4 0 。美国的管道运输量占全国货运周转量的2 4 ，而我国仅占2 左右。以 上的这些分析表明，我国的管道运输工业处在一个既充满生机，又富有挑战的新时期， 必将随着国民经济的持续快速发展而大有可为。 1 2 管道泄漏监澜的意义 在我国随着西部沙漠油田和海上大陆架油气田的开发以及城市成品油、供水、煤 气等管道系统的扩展，管道输运还将得到更快地发展。但是随着管线的增多、管龄的 增长、以及不可避免的腐蚀、磨损等自然和人为损坏等原因，使管道事故频频发生， 给人们的生命财产和生存环境造成巨大的威胁。 国外输油管道管理先进的国家，如美国、英国、法国等，自2 0 世纪7 0 年代以来， 就在许多油气管道中安装了泄漏检测系统，效果显著。我国在2 0 世纪8 0 年代以来，数 家单位相继开展了流体管道泄漏检测的研究工作，对流体的性质、流体的流动、传热 及过程控制系统进行了试验和研究。虽然对管道泄漏检测和定位方法的研究已有几十 年的历史，但由于管道输送介质的多样性、管道所处环境的多样性、泄漏形式的多样 性及检测的复杂性，使得目前没有一种简单可靠、通用的方法解决管道泄漏检测和定 位问题，特别是小流量的泄漏检测和泄漏点定位问题。所以，加强管道泄漏检测与定位 技术的研究与应用，提高管道输送管理水平，减少经济损失和环境污染，具有重要的现 实意义。 大庆油田是我国年产原油5 ，0 0 0 多万吨的大型油田，拥有上百条输油管线。输油 管道是油田生产的生命线。大庆油田管线的特点是：管径大、输量大、压力高，而且 许多建设在文革期间。管线运行多年以后，管道防腐覆盖层逐渐老化变质，或者由于 土壤应力的变化、自然灾害、意外事故等原因，一旦发生泄漏，将导致原油损失、环 境污染、停产停输等一系列严重后果。抢险防堵还要动用大量人力物力，花费大量时 间，造成的损失是不言而喻的。近年不法分子频繁地打孔盗油，不但严重干扰了油田 的正常生产，也给国家造成了巨大的损失。单靠增加人力，加大巡线力度，仍然是盲 目而被动的。况且不法分子作案手段隐蔽，也难以发现盗油点。目前，全国各油田都 有很严重的输油气管道泄漏或被盗问题，给各油田造成了很大的损失。大庆油田问题 更严重，每年都要有近百万元的损失。如大庆至哈尔滨炼油厂输送管道1 9 9 9 年1 1 月1 0 日投产，现年输油量为2 0 0 万吨。在管线投产仅两年半时间内，几次发生管线 穿孔事故。2 0 0 2 年5 、6 两个月连续发生3 次穿孔，若能够依靠有效的技术手段及 时报警并准确判断泄漏位置，就能最大限度地减少损失，并给不法分子以有力打击， 2 南京理工大学硕士学位论文 基于负压波法的长输油管道泄漏监测与研究 其意义是显而易见的。 为确保管线的安全运行，对于特殊环境下的油气输送管道，传统的就地泄漏监测 方法显然无法实施，这就要求利用现代管道管理系统，发展基于现代分析和控制方法 的管道泄漏监测技术【3 】。输油管线泄漏自动检测系统能够及时发现泄漏，估算泄漏的 位置，可以及时采取措施，从而达到预防和降低损失的目的，减少巡线人力物力的浪 费。这对提高油田输油管线的管理，减少企业的经济损失，提高企业的自动化管理水 平有重大意义。 1 3 国内外管道泄漏监涮的研究现状 目前，国际上已有的检测和定位方法大体上分为基于硬件的方法和基于软件的方 法两大类【4 j 。基于硬件的方法是指对泄漏物直接进行检测，如直接观察法、检漏电缆 法【5 】、放射性示踪法 6 】、光纤检漏法 ”等。基于软件的方法是指利用现代控制理论、 信号处理和计算机技术等对因泄漏而造成的影响( 如压力、流量、流速、摩阻等管道 动态模型参数的变化及泄漏引起的声波传输特性等) 进行采集、处理和估计，从而对管 道的非线性、不确定性、随机性等因素引起的误差进行补偿，进而提高泄漏检测的灵 敏度和定位精度。也就是说，基于软件的方法是充分依靠计算机并采用某种或某些运 算策略，利用泄漏所引起的传输质在管道内或管壁上所产生的信息进行泄漏检测和定 位的方法。由于各类方法都有一定的适用范围，近年来随着计算机技术的迅速发展，出 现了以软件为主、软硬件相结合的检漏与定位方法的趋势，以实现多种检测方法的优 势互补。基于硬件的方法和管内探测球法都只能间断运行，实时性差，造价很高，而软件 检测法能连续实时运行，适应性广，安装简单，目前较为多用。本课题正是基于软件方法 进行研究的。 目前，基于软件的长输管道泄漏监测与定位方法均是基于在管道首末端安装若干 固定传感器的情况下进行检测和定位的，该方法主要有基于模型的方法、基于信号处 理的方法和基于知识的方法三种。 1 3 1 基于模型的泄漏检测方法 基于模型的方法是用模型在线观测管道的压力和流量，并与压力和流量的实测值 比较来进行泄漏故障诊断。该方法主要有状态观测器法嘲、实时模型法【9 、及瞬变流 检测法。叫等。 由于长输管道沿程环境条件( 如埋地敷设、横穿沙漠、海洋等) 变化很大，特别是温 度变化的影响，使得管道内的物理参数都受温度变化的影响，所以，管道动力系统属于 一类时变非线性系统，用状态观测器可较好处理上述问题。状态观测器法就是建立管 道内流体压力和流量的状态方程，以被检测的两站压力为输入，对两站流量的实测值和 第一章概述 硕士论文 观测值的偏差信号采用适当的算法进行检漏和定位。该方法假定两站的压力不受泄漏 量的影响，所以仅适于小泄漏量情形。系统辨识法就是辨识出管道模型，并与管道实际 值进行比较来进行判漏。该法需在管道上施加m 序列激励信号，并假设两站的压力不 受泄漏量的影响，也仅适于小泄漏量情形。k a l m a n 滤波器法 1 1 能建立包含泄漏量在内 的压力、流量状态空间离散模型，以管道首末端的压力和流量作为输入，将整个管道空 间定量划分为若干段，在每一个分段点上设定压力、流量、泄漏量等三个状态，并以各 分段点处的泄漏量作为输出，运用适当判别准则( 如k u l l b a c k 信息测度等) 就可进行泄 漏检测和定位。该法需要知道过程噪声的均值、方差等先验知识，且检测与定位精度 和等分段数有关。实时模型法利用流体的质量、动量、能量守恒方程等建立管内流体 动态模型，此模型与实际管道同步执行，定时采集管道上的一组实际值，如管道首末端 的压力和流量，运用这些测量值，由模型观测管道中流体的压力和流量值，然后将这些 观测值与实测量值作比较来检漏，若二者不一致，则说明管道发生泄漏。该法的检测精 度依赖于模型和硬件的精度，且泄漏点的定位机理大都是基于线性压力梯度法。瞬交 流检测法是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种新的泄漏检测技术，是目前输油管道泄漏 检测准确性、可靠性较高的一种方法。该检测系统由瞬变流数学模型，流量、压力和 温度检测装置，计算机和数据采集板组成。中心计算机中装有在线仿真软件，该软件主 要由实时模块、泄漏检测定位模块和报警模块等组成，实时模块是在线仿真软件的核 心模块，描述管道运行的数学模型就在此模块中。将管道中的瞬时流量、压力和温度 检测数据传输到监控微机中的通讯设备中，再通过无线发射器与中心计算机通讯。为 提高检测的准确性、灵敏度及精度，可在监测管道中间增加若干压力和温度传感器。 瞬变流检测系统的性能指标主要由定位精度、检测时间、报警闽值及检测管道长度等 来衡量。 1 3 2 基于信号的泄漏检测方法 基于信号处理方法无需建立管道的数学模型，主要有声学方法、压力点分析法等。 声学方法利用声音传感器检测沿管壁传播的泄漏点噪声( 或流质在泄漏后产生的 压力波信号) 利用相关信号处理技术( 如相关分析法，j 、波变换等) 进行泄漏检测和定 位。由于受检测对象和应用环境的限制，对长距离管道检漏，必须沿管道安装许多声音 传感器。该方法泄漏检测准确率高，定位精度高，但沿程安装大量传感器在许多场合是 不适宜的，限制了其应用。 基于压力点的方法主要有负压波法和压力梯度法等。负压波法【1 2 2 ”的工作原理 是：当管道上某处发生泄漏时，在泄漏处将产生瞬态压力突降，形成一个负压波，该负压 波以一定的速度自泄漏点向管道两端传播，利用管道首末端压力传感器检测到泄漏点 处传来的负压波突变拐点就可进行泄漏检测，并根据管道首末端压力传感器检测到的 4 南京理工大学硕士学位论文基于负压波法的长输油管道泄漏监测与研究 压力信号时间差和负压波波速已知的情况下就可以进行泄漏定位。负压波法要求泄漏 点产生突然的压降，对快速突变的泄漏和大泄漏敏感，对于缓慢发生的泄漏或已经发生 的泄漏则失效。压力梯度法 9 1 是基于管道压力沿管道是线性变化的前提下来进行泄 漏检测和定位的。当发生泄漏时，泄漏点前的流量变大，坡降变陡；泄漏点后流量变小， 坡降变平，这样，沿线的压力梯度成折线型，交点即为泄漏点，管道上下端的压力梯度在 泄漏点处有相同的边界条件，据此可计算出实际泄漏位置。但由于实际管道压力梯度 是非线性分布、我国原油的“三高”特点及该法易受仪表精度、工况扰动影响，使其 实际中应用精度受限。 1 ；3 3 基于知识的泄漏监错方法 基于知识的泄漏检测方法主要有统计学法、模式识别法、神经网络法、专家系统 法等。文献 1 0 1 提出了一种结合高级模式识别功能的统计管道泄漏检测技术，根据管道 出入口的压力和流量，连续计算压力和流量之间的变化关系，并应用最优序列分析技术 和模式识别来检测这种变化，当泄漏确定以后，用最小二乘法进行泄漏定位。统计法不 用计算复杂的管道模型，降低了计算的复杂性。同时，统计泄漏检测系统还可具有在线 学习功能，以适应管道参数的变化。但在多泄漏时检测性能变差。文献 1 1 1 采用结构模 式识别法分析管道负压波，根据泄漏引发的负压波和正常工况调节引发的负压波波形 特征的不同，通过对负压波波形分段符号化处理，采用上下文无关法表示波形结构模 式。标准压力波形模式集合形成的模式空间构成管道各种状态波形的模式库，数据采 集器将管道负压波形输入计算机中，经预处理后送入模式识别和分类系统，采用自上而 下的模式剖析算法识别与输入模式最相匹配的模式分类，从而判断泄漏发生。这种方 法增强了检测系统的抗干扰性，其定位方法同小波变换的定位方法。文献 1 2 1 用泄漏 信号特征指标构造神经网络输入矩阵，建立对管道运行状况进行分类的神经网络模型 来检测泄漏。由于所获得的训练数据难以包括所有故障模式，这样所能识别的故障就 有限。文献 1 3 1 对泄漏产生的瞬态负压波进行特征提取和结构模式识别，以此进行泄漏 检测，对单管道单泄漏情况检测与定位指标很高。文献 1 4 1 利用泄漏机理数学模型研制 了泄漏诊断专家系统，并采用深浅知识结合、广度优先和深度优先结合、时间推理和 实时推理结合的控制策略，实现泄漏检测和定位。总之，基于知识的方法在处理非线性 问题等方面具有广阔的发展前景【l 纠。 1 3 4 其他的方法 除上述方法外，还有传统的流量平衡法、温度监测法【”1 等泄漏检测方法。流量平 衡法基于管道流体流动的质量守恒关系，根据管道进出口的流量测量值，结合管道中 介质储量分析，确定管道中是否发生了泄漏。但这种方法无法确定泄漏的位置，且由 5 第一章概述硕士论文 于管道中的介质储量随着输送介质属性和管道运行情况变化较大，该方法对小泄漏的 敏感性较差，不能及时的发现泄漏。可见这些方法原理简单，但作用有限，不能定位； 而且检测灵敏度低，抗干扰能力差，只适合大泄漏量和快泄漏。因此基本上已被新的 方法所取代。 值得指出的是，这些方法仍在发展和应用中，各种研究工作仍在不断进行。随着 国内石油产品管道自动化水平的提高，管道泄漏监测的应用环境也愈趋成熟，如何充 分发挥自动控制系统的功能，尝试各种新的方法和手段，实现管输石油产品泄漏的自 动检测，提高泄漏检测的灵敏度和更加准确地判断泄漏位置，受到人们的普遍关注， 这方面的理论研究和应用都将不断发展。 1 4 本文的主要研究工作 由于本课题的特殊性，以及在做该项课题时所接触到的数据特点，本课题采用瞬 态负压波法来检测、定位管道泄漏。利用负压波法的一个关键就是必须能准确地把握 到数据突变的拐点。但实际上管道首末两个传感器所接收到的数据都带有明显的噪 声，有偶然的杂乱的背景噪声，还有周期性的强噪声，这给识别工作带来了很大的难 度。所以，能否有效的滤除噪声，但又尽可能的保存原来数据的特征就是能否完成本 课题的一个关键所在。本文在深入分析和研究负压波产生机理的基础上，主要进行了 以下几方面的工作： 在综合比较几种去噪方法之后，本文找到了一种比较合适的去噪方法，即小波去 噪。该方法既能有效地消除背景中杂乱无章的白噪声还原数据的总体趋势，又能够保 留比较多的细节信息。 本文提出了一种分段累计算法。与一般的积分算法不同，经此算法处理后的数据 序列，只对原始数据波形的上升沿和下降沿敏感，而对此前的数据序列不具有记忆功 能。 本文提出了一种波段的划分方法。它根据数据波段的不同特征把波段分成了几种 不同类型。 本文先提出了用权值法来进行泄漏定位的方法，并对这一方法进行了测试。针对 其弊端，本文又提出了基于结构模式识别的管道泄漏检测方法。 本文给出了输油管道泄漏点定位的公式，讨论了影响泄漏点定位精度的因素，提 出了在油流速度变化时一种快速的管道泄漏定位方法。 1 5 本文的内容安捧 6 本文共分7 章，内容安排如下： 第一章对本文的研究背景做了一个介绍，阐明了本文的工作重点和内容安排。 南京理工大学硕士学位论文基于负压波法的长输油管道泄漏监捌与研究 第二章讨论了消除噪声的几种方法。包括均值平滑、中值去噪、小波去噪等方 法。 第三章深入的分析了负压波的产生机理，给出了一种分段累计算法。 第四章对分段累计处理后的数据进行了波形特征统计，在此基础上提出了一种 分层的思想。对数据波进行了分层。 第五章讨论了基于权值法和结构模式识别方法的泄漏检测与定位方法，并分析 了试验结果。 第六章给出了管道泄漏定位原理及公式。讨论了影响管道泄漏的因素，给出了 一种更精确的管道泄漏定位方法。 第七章总结了本文的主要内容，讨论了负压波法的优缺点，并对以后的工作进 行了展望。 第二章输油管线的压力值的噪声预处理硕士论文 2 输油管线的压力值的噪声预处理 在输油管道泄漏监测系统中，管道的首末两端装有两个压力传感器，分别接收管 道首末端传过来的压力值。当管道发生突然泄漏时，会由泄漏部位产生一个分别向上 下游传播的减压波称之为负压波 1 7 o 只要管道两端的压力传感器能准确地捕捉到包含 泄漏信息的负压波，就可以定位出泄漏位置 i ”。但在实际的应用中往往存在着噪声。 噪声的种类繁多，包括强震、强磁噪声、周期性噪声、白噪声等等。泄漏引发的负压 波信息可能会湮没在这些噪声中，这给输油管线的泄漏监测与定位工作带来了很大困 难。因此，如何有效地去噪，就成了进行管线泄漏监测与定位前的首要任务。 一维数据的处理方法基本上可以分为时间域处理和频率域处理两大类。本章根据 管线噪声的特点，分别在时间域和频率域中对管线的压力值序列进行了去噪，实现了 对输油管线的压力值的噪声预处理。 2 1 时间域的压力值平滑 时间域的压力值平滑处理是直接对压力值进行的平滑处理。它包括均值滤波、中 值滤波等。本节研究了基于滑动窗1 ：3 的均值滤波和中值滤波的原理及滤波效果，提出 了中值滤波的改进方法。 2 1 1 基于滑动窗口的均值滤波 均值滤波属于一种线性的滤波技术。它用窗口中所有数据的均值来代替当前值， 每读进一个数据就移动窗口，直到对所有数据都处理完为止。假设数据总长度为l ， 窗口长度为w ，p 为原始的压力信号序列。y 为进行均值滤波后的压力信号。 f p ( i )i = 0 , 1 ，w 一2 d 2 协善w p ( i - k + 1 ) f 垠1 肌l - 1 1 d 图2 1 1 1 所示是现场采集到的一段压力数据序列。从图2 1 1 1 可以看出，原序 列中数据存在着比较大的噪声，使数据波动的比较厉害。对该数据序列用式( 2 1 1 1 ) 进行均值滤波，均值窗口长度为5 0 。均值滤波的结果如图2 1 1 2 。 从图2 1 1 2 中可以看出，均值滤波消去了明显的噪声干扰，使数据显得比较平 滑。但均值滤波也有明显的缺点：均值滤波的缺点在于它具有平均效应，它不考虑 噪声和真实值的差别，在滤噪时把噪声也计算在内了，在把坏数据变好的同时也把好 数据变坏了。当背景噪声比较大时，经过平均，噪声也包含到了处理后的数据之中。 8 南京理工大学硕士学位论文基于负压波法的长输油管道泄漏监铡与研究 这对消除比较强烈的噪声来说，是很失败的。基于均值滤波的这一缺点，引入了中值 滤波法。 图2 1 i 1 原始压力数据序列 图2 1 1 ，2 用基于滑动窗口平均值法平滑后的压力数据序列 2 1 2 中值滤故及其快速实现算法 中值滤波是一种非线性的滤波技术。它的原理是： 设有一个总点数为n 的数组： 五，工：，h ，滤波窗口长为n ( 般为奇数) ，则对第j 个数据点的滤波过程是： ( 1 ) 取以第j 个点为中心的n 个数据，( 2 ) 将这t 1 个数据按数值从小到大进行排序，0 ) 取排序后1 1 个数据中心位置数据点的数值作为第j 个点的输出。 中值滤波具有以下性质： 可以绝对消除噪音峰值，因为中值滤波只取中位数。 中值滤波允许阶梯醢数通过且不改变阶梯函数的值。 中值滤波对斜坡函数的作用与阶梯函数相似，斜坡中点前后r 1 个点的位置与幅 度不变，即斜坡函数的斜率不便。 中值滤波不改变压力波曲线的结构特征，能够保持曲线的拐点。这比采用平均值 滤波法更优越。少数特别大或者特别小的数据可引起平均僮的过大变化，而中位数却 9 第二章输油管线的压力值的噪声预处理硕士论文 保持不变，因而更趋向合理的最佳值。 对于一段现场采集到的压力序列，它的数据显示为 图2 1 2 1 原始压力数据序列 对该压力数据序列进行中值滤波，每次寻找中值时采用的是冒泡排序法进行排 序。其中冒泡排序时移动窗口长度为5 1 。经过中值滤波后的数据显示如下： 图2 1 2 2 经中值滤波后的压力数据序列 在寻找中值的时候，每当当前窗口中读进一个新的数值( 当然要把当前窗口内最 先进入的数据给剔除掉以给新数据腾出空间) ，就要对当前窗口内的所有数据进行冒 泡排序，寻找中值，这样当对整个数据文件进行中值滤波时，计算量是很大的。 本文在普通的刳 序算法基础上充分考虑了压力值前后的连贯性，提出了一种中值 滤波的快速实现方法。它在效果上与前面所述的中值滤波相同，但实现起来更快速。 设滤波窗口长度为n ( 一般为奇数) ，申请两个数组p r i m e d a t a a r r a y 【n 和 f i l t e r d a t a a r r a y n 分别用来存放滤波前的n 个值和滤波后的n 个值。用整形变量c o u n t 来作为计数器，即从文件读取的数据的个数。它的原理为： 数组的初始化。c o u n t 赋初值0 。每从文件中读取个数据，就把该数据存放 在p r i m e d a t a a r r a y c o u n t 秆1f i l t e r d a t a a r r a y c o u n t 中并把该数据写入新的文件中同时 c o u n t 抖。直到c o u n t 等于n 2 。从文件中读取第n 个数据，把该数据存放在 p r i m e d a t a a r r a y n 。1 1 和f i l t e r d a t a a r r a y n 1 】中同时c o u n h + ，此时完成了数组的初始化。 】0 南京理工大学硬士学位论文基于负压波法的长输油管道泄漏监铡与研究 p r i m e d a t a a r r a y n 1 存放当前读出的数值及该数值前的n 。1 个数值。对 f i l t e r d a t a a r r a y n 按普通的方法( 冒泡法) 进行中值排序。排序后f i l t e r d a t a a r r a y n ，2 】 就是p f i m e d a t a a r r a y n 的中值。把该中值写到新文件中。 从文件中读取下一个数据v 砸u e n e w ，同时c o u n t + + 。找出p r i m e d a t a a r r a y n 中爱被替换的数据v a l u e o l d ，它的值为p d m e d a t a a r r a y c o u n t n 。如果v 甜u e n e w 等 于v a l u e o l d 则中值不变，把中值写入新文件中同时转。否则把 p r i m e d a t a a r r a y c o u n t n 替换为v a l u e n e w 。在f i l t e r d a t a a r r a y n 中找出v a l u e o l d 所 在的位置，设其为l o c o f o l d ；在f i l t e r d a t a a r r a y n 找出v a l u e n e w 所在的位置，设 其为l o c o f n e w 。如果v a l u e o l d 大于v m u e n e w ，把从l o c o f o l d 1 到l o c o f n e w 之间 的数据都往数据v a l u e o l d 的方向移动一位，然后把v 甜u e n e w 赋给 f i l t e r d a t a a r r a y l o c o f n e w l 。如果v a l u e o l d 小于v a l u e n e w ，把从l o c o f o l d + l 到 l o c o f n e w 之间的数据都往数据数据l o c o f o l d 方向移动一位，然后把v 甜u e n e w 赋给 f i l t e r d a t a a r r a y l o c o f n e w j 。 r l t e r d a t a a r r a y r d 2 就是所要寻找的中值。把该中值写入新文件中。 如果文件没结束，读下一个数据，转。 经分析可知，改进的中值滤波方法与原来的中值滤波方法相比，实现起来仅仅增 加了一点辅助内存( 假设滑动窗口的长度为n ，则增加n * s i z e o f ( d o u b l e ) 个字节空间的内 存，用于保存排序的结果) 。图2 1 2 3 是对原始压力数据用普通的中值滤波和改进 后的中值滤波进行处理的结果。在两种方法中移动窗口的长度均为5 1 。 图2 1 2 3 两种中值滤波方法的实现效果 第二章输油管线的压力值的噪声预处理 硕士论文 从图2 1 2 - 3 中可以看出中值滤波的快速实现与普通的中值滤波相比视觉效果上 是相同的。但本文提出的中值滤波的快速实现方法的优越性体现在它有较低的时间复 杂度上。 按照普通中值滤波的方法，每从文件读一个数据就要对包括新读数据在内的最近 读取的n 个数据进行排序，本文在增加辅助内存的情况下，找到了一种改进的寻找中 值的方法。该方法仅在初始化时对1 3 个数据进行完全的排序。以后每从文件读一个数 值，就会在以前排序的基础上再进行新的排序，节省了时间。当移动窗口的长度n 等于文件中所有数据的个数时，快速的中值滤波就退化为普通的中值滤波；但移动窗 口的长度也不能太小，太小则去噪效果不好。因为当背景噪声比较多时，窗口太小， 往往不能有效的识别背景和噪声。下表是对一段较长的数据序列，在不同的移动窗口 长度下，采用冒泡排序的中值滤波方法与本文提出的快速中值滤波法所花费时间的对 比： 表2 1 2 两种中值滤噪方法时间复杂度对比 移动窗口长度采用冒泡排序的中值滤噪法本文快速中值滤噪所花 所花费的时间( m s )费的时n ( m s ) 1 11 5 0 21 2 4 1 5 12 2 5 31 2 6 1 1 0 15 0 3 7 1 3 8 1 1 5 19 3 7 31 4 4 2 2 0 1 1 5 3 3 2 1 4 0 2 试验采用的计算机处理器为p h l 8 0 0 ，内存2 5 6 m 。从上表可以看出当移动窗口的 长度很小( 比如为1 1 ) 时，可以发现用冒泡排序的中值滤波与本文提出的中值滤波 的时间花费相差不大，此时时间主要花费在数据的读出及写入上了。当移动窗口长度 增大时采用冒泡排序的中值滤波法所耗费的时间增长很快，变得很大；但此时本文提 出的中值滤波方法的时间复杂度增长不大，保持在一稳定值范围。由于总的数据长度 定，所以数据读出及写入的时间固定。所以当移动窗口长度不变时，采用不同算法 时计算机所花费的时间的不同能反映不同算法的优劣；当移动窗口的长度变化时，采 用同一算法计算机所花费的时间的变化能反映该算法的时间复杂度。通过分析可以得 出结论，本文提出的中值滤噪的快速实现方法比采用冒泡排序的中值滤噪要优越的 多。 虽然本文提出的中值滤噪的快速实现方法与普通的中值滤噪方法相比能节省大 量的时间，但从去噪的效果看，这两种方法是一样的。它们在保留中值滤波的优点的 同时还都有以下缺点：进行中值滤波需要选择移动窗口的长度，移动窗口的长度 1 2 南京理工大学硕士学位论文基于负压波法的长输油管道泄漏监测与研究 太小则中值滤波的效果不明显，如果移动窗口的长度过大，因为中值的寻找是在窗口 的范围内寻找中值，所以这时找到的中值与真实值可能就会有比较大的偏差，而且窗 口长度过大，它会对信号的边沿有比较显著的平滑作用，窗口长度越大，下降沿越平 缓。中值滤波后的数据不够平滑，波动比较大，这对于检测数据的趋势( 上升段、 下降段) 是很不利的。 鉴于均值滤波、中值滤波和中值滤波的快速实现方法的缺点，必须找一种更有效 的方法来对压力值数据序列进行平滑去噪。 2 , 2 频率域的压力值去噪 上一节在时间域内对信号进行了滤嗓处理，但效果不太理想，因此本文转而尝试 着在频率域内对信号进行消噪处理。在信号分析中，对信号的基本刻画往往采用时域 形式和频域形式。经典的f o u r i e r 变换能很好地描述其频域特性，这对分析平稳信号 是十分有效的。但这种基于f f r 的分析方法几乎不提供信号在时域上的任何信息，因 此对于突变性较强的非平稳信号，经典的f o u r i e r 变换就无法胜任了。而小波分析却 为刻划非平稳信号提供了有力的工具。小波分析方法是一种窗口大小( 即窗口面积) 固定但其形状可改变，即时问窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法。即在低频 部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率 和较低的频率分辨率，所以被誉为数学显微镜。正是这种特性，使小波变换具有对信 号的自适应性。原则上讲，传统上使用傅里叶分析的地方，都可以用小波分析取代。 小波分析优于傅里叶变换的地方是，它在时域和频域同时具有良好的局部化特性。 2 2 1 用小波对压力值：进行闲值去噪的基本思想 信噪分离与提取弱信号是小波应用于信号分析的重要方面1 8 】。 设有如下观测信号： ，( f ) = s ( t ) + n ( t ) ( 2 2 1 1 ) 其中，j ( f ) 为原始信号，n ( t ) 为方差是c r 2 的高斯白噪声，服从n ( o ，盯2 ) 。直接从观测 信号f ( t ) 中把有用信号s ( f ) 提取出来是十分困难的，必须借助于其他方法作为工具。 近年来兴起的小波变换理论为信号的去噪提供了强有力的工具，克服了传统方法处理 非平稳信号时存在的局限性【l9 1 。 对于一维信号厂( f ) 来说，本文首先对其进行离散采样，得到点离散信号 f ( n ) ，n = 0 , 1 ，n 一1 ，其小波变换为 第二章输油管线的压力值的噪声预处理硕士论文 一1 w f ( j ，t ) = 2 - j 2 ，( ，1 ) 似2 一忍一) ( 2 2 1 2 ) n = o w f u ，) 即为小波系数，在实际应用中直接利用式( 2 2 1 2 ) 计算是比较繁琐的，况 且缈( f ) 一般都没有显式表达式，因此要借助于双尺度方程，从而得到小波变换的递归 实现方法： 彤( j + 1 ，k ) = s f ( ，k ) h ( j ，k ) h 丁( j + 1 ，) = s f ( ，) 4g ( j ，) ( 2 2 1 3 ) ( 2 2 1 - 4 ， 其中，h 和g 分别是对应于尺度函数伊( 工) 和小波函数( z ) 的低通和高通滤波器， 矽( o ，尼) 为原始信号f ( k ) ，s f ( j ，k ) 为尺度系数，w f ( j ，七) 为小波系数。相应地，小波 变换重构公式为： s f ( j 一1 ，) = s f ( j ，t ) 石( ，) + 矸丁( ，) 。g ( j ，女)( 2 2 1 5 ) 为了方便起见，小波系数w ( y ，k ) 简记为w 。对观测信号f ( t ) = s ( f ) + n ( t ) 作离 散小波变换之后，由小波变换的线性性质可知，分解得n 创j d , 波系数w ，。仍然由两部 分组成：一部分是s (