成品油管道泄漏监测与定位系统的研制

成品油管道泄漏监测与定位系统的研制
李敏;张博;赵利强;王建林
【摘要】研制一套有效的成品油管道泄漏监测与定位系统,对于输油管道的安全运行及环境保护,减少企业经济损失具有重要的意义.根据现场实际工况,提出一种与SCADA系统相结合的成品油管道泄漏监测与定位系统方案,给出了系统的组成与工作原理.基于GPS授时与中断技术的异地同步采集保证了异地数据采集设备的精确同步.系统使用基于负压波的分段斜率法准确判断泄漏；采用小波变换精确检测负压波传到首末站的时间差,并给出了小波基函数的选取原则及定位方法.实际应用表明:系统报警响应时间短、误报率低、泄漏定位精度高.
【期刊名称】《管道技术与设备》
【年(卷),期】2012(000)001
【总页数】4页(P23-26)
【关键词】成品油管道;负压波;小波变换;泄漏定位
【作者】李敏;张博;赵利强;王建林
【作者单位】北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029;中核集团中国核电工程有限公司,北京100840;北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029;北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029
【正文语种】中文
【中图分类】TE83
0 引言
石油的管道输送过程中，经常发生管线自然腐蚀泄漏，不仅干扰了正常的生产运输，而且易导致局部的环境污染，造成了严重经济损失[1-2]。

与原油管道相比较，成
品油管道泄漏多在输送压力较高的情况下发生，有泄漏量大、污染严重、易燃易爆等特点。

因此，对成品油管道泄漏监测与定位系统的研究有着重要意义。

在目前众多的检测方法中，基于现代控制理论、信息处理的负压波检测方法具有良好的发展前景[3]。

要实现负压波法管道泄漏检测与定位，关键在于消除噪声，捕
捉压力波形的奇异点。

小波变换能较好地解决时域和频域分辨率的矛盾，是检测突变信号的强有力工具，并在管道泄漏检测领域得到了很好的应用[4]。

基于负压波检测理论，设计了一套与SCADA系统相结合的成品油管道泄漏监测与定位系统，使用GPS与中断技术进行首末站时间校准，采用分段斜率法判断泄漏
是否发生，并使用小波变换检测负压波信号的奇异点，对泄漏进行定位。

1 系统构成
1.1 系统组成及工作原理
图1所示为系统组成及工作原理示意图。

梁鸿生等[5]提到了在现场安装传感器的
方法，但一般来说，现场负责管道输送的SCADA系统已经在管道首末两站装有压力、温度、流量等传感器。

该系统直接利用这些传感器，实现了与SCADA系统的有机结合。

调度中心计算机直接从SCADA系统中心站交换机读出上述数据以及管道中阀、泵的开关变化情况。

但因负压波法所需的压力数据频率远远高于SCADA 系统的更新频率，所以压力数据要单独采集。

系统使用一入两出的隔离安全栅将压力传感器的信号分为两路，一路接回SCADA系统，另一路经信号调理后由数据采集卡高速采集，采集到的压力数据打上GPS时间标签后向调度中心实时传输。

调
度中心实时监测全线运行，联合首末站数据进行分析判断。

图1 系统组成及工作原理示意图
1.2 基于GPS的异地同步数据采集
GPS全球定位系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统，GPS卫星上有准确时钟，可以同时用于定时和时间同步。

GPS接收机输出的GPGGA和GPRMC字符串中有准确的时间信息。

此外，接收机还提供PPS(pulse per second)秒脉冲，即周期为1 s的脉冲信号。

在基于负压波的管道泄漏检测方法中，如果两端计算机采样时刻不同步，以此计算出的时间差就毫无意义，更谈不上精确定位。

冯健等[6]提到了基于GPS技术进行时间校准的方法，但由于Windows不是实时操作系统，消息队列机制在不同的计算机将导致未知的延时，因此文献中的方法只能实现首末站工控机时间一定程度上的校准，如果首末站压力数据时间标签有1 s的误差，则导致约1 km左右的定位误差，这将严重影响系统最终的定位精度。

文中设计了一种基于中断技术与PPS脉冲信号的同步方法，可将首末站工控机时间精确同步。

数据采集卡在进行高速采集的同时，以计数器模式采集GPS接收机提供的PPS脉冲信号，每当PPS脉冲信号上升沿来临时，硬件中断，操作系统暂停执行所有任务，从串口中读取GPS时间信息并立即为系统授时，授时完成后结束中断，操作系统继续执行其他任务，流程如图2所示。

图2 GPS时间校准流程图
1.3 分段斜率法判断泄漏
管道正常输送时，首末站压力值保持恒定，当发生泄漏时，压力曲线突然下降，如果压力曲线斜率超过设定的阈值，则认为已经发生泄漏。

考虑到负压波的传播速度和管道首末站的距离，系统以2 min为单位进行判断，每次判断使用首末站最近4 min的数据。

将4 min数据按时间顺序分为两部分，即前2 min的数据为第一部分，后2 min的数据为第二部分。

文中提出的判漏方法为
(1)将第一部分数据均分为10段，每段取均值，记为a[1]～a[10]。

(2)将第二部分数据均分为10段，每段取均值，记为b[1]～b[10]。

(3)每部分的相应索引所对应的值依次求差值后除以第一部分相应索引对应的值，
得到相对变化c[i]。

即c[1]=(a[1]-b[1])/a[1]，c[2]=(a[2]-b[2])/a[2]……。

(4)c[1]至c[10]分别与设定阈值A相比较，计算出超过阈值的个数count.
(5)视管线具体情况，决定阈值B，count如果大于阈值B则认为发生泄漏。

由于系统能够读取SCADA系统中流量信息，系统在上述分段斜率法认为有泄漏发生后进入综合判断环节。

如果此时进出站流量数据没有变化或出站流量减少、进站流量变大则判断为误报；如果出站流量增大，进站流量减少则判断为泄漏，系统发出报警并立即进入定位模块。

由于有流量判漏环节，分段斜率法的阈值可以设定得较低，尽量避免漏报的发生。

2 小波分析确定负压波奇异点
输油管线现场的大量电磁干扰，输油泵开关、振动等因素，使采集到的压力波夹杂着大量噪声，要实现负压波法管道泄漏监测与定位，关键在于消除噪声，捕捉信号瞬态，即压力波形的奇异点。

小波变换具有时频局部化特性，能够有效地分析信号的奇异性，确定奇异点的位置与奇异度大小，同时小波分析具有灵活的多尺度特征，因而擅长分析信号细节信息，进行噪声的滤除和边缘的保留。

二进制小波变换是连续小波变换和离散小波变换的折中，其具有平移不变性，因而适用于信号奇异点检测。

因此，系统采用了二进制小波变换去除信号中的噪声并查找压力信号的下降奇异点。

2.1 二进制小波变换
对于尺度及位移均离散变化的小波序列，若取离散栅格的a0=2，Δb=0，即相当
于连续小波只在尺度上进行了二进制离散，而位移仍取连续变化，这类小波称为二进小波，表示为
WTf(m，b) =〈f(t)，Ψm，b(t)〉
(1)
式中：WTf(m，b)为小波系数；Ψm，b(t)为二进小波函数；b为平移因子；2m
为尺度因子；m为小波分解的尺度数；f(t)为时域信号，f(t)∈L2(R)；Ψ*为二进小波函数的共轭；t为不同时刻。

Lip指数是衡量函数奇异性的标志，Lip指数越接近0，表明小波对某种奇异性的
检测效果越好。

在对阶跃信号的检测中，二次B样条小波的Lip指数最小[7]。

因此，系统选用二次B样条小波。

2.2 B样条小波定位原理
小波变换可以直接采用滤波器组来实现，该算法就是著名的Mallat算法[8]。

但Mallat算法存在1个问题：由于二抽样的缘故，每经一级小波分解数据量减少一半。

因此，随着分辨率的变小，低频分量的数据量越来越少，以致难以看清波形全貌。

在基于负压波的管道泄漏检测中，逐点计算出小波变换才能够进行定位，逐点计算即加大时间轴方向的栅格密度。

在Mallat算法基础上采用多孔算法，以解决Mallat算法不能准确定位的问题。

系统所采用的小波变换实现算法原理如图3所示，H(z2j)表示在滤波器{hn}的相邻两点间插入dj-1个零值后所得到的滤波器的z变换，所以，非抽样小波变换是把
滤波器相邻点间插入dj-1 个零后再与低频信号做卷积。

图3中，为待分析的信号，为各层低频分量，为各层小波系数，i=1…N.
采用Mallat算法和多孔算法对泄漏报警段首末站压力波信号进行二次B样条小波变换，得到的高频分量模极大值所对应位置即为泄漏点的索引，小波变换求得首、末站泄漏点的索引，通过索引差值求出上下游压力波的时间差，最后通过负压波定位公式[2]确定泄漏发生的具体位置。

图3 小波变换实现算法示意图
3 实验测试
设计的系统已成功应用于某成品油管线，管线有高程落差大、跨越山区多、地形地貌复杂、管道设计压力大等特点。

目前系统运行稳定，已检测出多次泄漏并准确定位。

图4、图5为管线某段首末站发生泄漏数据。

(a)出站压力原始数据
(b)二次B样条小波变换高频分量
(c)DB小波变换高频分量图4 首站压力数据及小波变换波形
(a)出站压力原始数据
(b)二次B样条小波变换高频分量
(c)DB小波变换高频分量图5 末站压力数据及小波变换波形
为便于比较，2种小波阶数均为9阶。

原始压力波形下降极为缓慢，无法判断压力信号下降沿，但从小波变换后的高频细节图中可以准确地检测出压力信号的突变点。

系统采样率为100 Hz，经现场调泵调阀信号测得该管段负压波波速为1 232 m/s，该管段长度为97.316 6 km.二次B样条小波变换定位结果与DB小波定位结果对
比如表1所示。

表1 二次B样条小波与DB小波定位结果对比小波类型首站时间/s末站时间/s定
位距离/km实际泄漏位置/km相对误差/%绝对误差/km二次B样条小波57 3373 2438 8639 100 250 24DB小波45 8245 8239 5639 100 470 46
图4、图5与表1综合对比表明，所给出的采用二次B样条小波算法进行泄漏定
位的算法区分度大，且定位精度较高。

4 结束语
研制的与SCADA系统相结合的成品油管道泄漏监测与定位系统经实践证明正确可行。

系统采用的GPS与中断技术进行时钟异地同步的方法保证了首末站时间的精
确一致，采用的分段斜率法判漏准确，系统所使用的二次B样条小波提高了泄漏
点的定位精度。

现场应用表明：系统报警迅速，定位准确，并且对于缓慢泄漏的检测也具有较好效果。

参考文献：
[1] 靳世久，唐秀家，王立宁，等.原油管道泄漏检测与定位.仪器仪表学报，1997，18(4)： 343-348.
[2] 王长建，叶伟文，肖超波，等.负压波在管道泄漏检测与定位中的应用.管道技
术与设备，2009(6)：27-28；38.
[3] 王占山，张化光，冯健，等.长距离流体输送管道泄漏检测与定位技术的现状与展望.化工自动化及仪表，2003，30(5)：5-10.
[4] 任伟建，康朝海，于镝.小波奇异性分析在输油管道泄漏检测中的应用.计算机
测量与控制，2006，14(7)：855-857.
[5] 梁鸿生，周军伟，李玉军，等.基于虚拟仪器的输油管道泄漏监测定位系统的实现.计算机测量与控制，2005，13(5)：415-417；433.
[6] 冯健，张化光，伦淑娴，等.输油管道泄漏检测与定位系统的研制.东北大学学
报(自然科学版)，2003，24(8)：731-734.
[7] 赵学智，林颖，陈文戈，等.奇异性信号检测时小波基的选择.华南理工大学学
报(自然科学版)，2000，28(10)：75-80.
[8] MALLAT S，HWANG W L.Singularity detection and processing with wavelets.IEEE Transactions on Information Theory，1992，38(2)：617-643.。