基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)

王 輝

（東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)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(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 流體流動(dòng)的計(jì)算和模擬

通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)對(duì)泵站輸水管道進(jìn)行建模，以對(duì)其進(jìn)行流體流動(dòng)的計(jì)算和模擬[1]。在建模過(guò)程中基于逐步回歸法對(duì)各個(gè)最優(yōu)變量進(jìn)行引入：每個(gè)解釋變量被引入后都要對(duì)其實(shí)施F檢驗(yàn)，對(duì)于被選的解釋變量，則需要逐個(gè)對(duì)其實(shí)施t檢驗(yàn)。當(dāng)被選的解釋變量在后面繼續(xù)對(duì)解釋變量進(jìn)行引入的過(guò)程中變得不夠顯著則對(duì)其進(jìn)行刪除處理，確保對(duì)新變量進(jìn)行引入時(shí)回歸方程里只有顯著性變量[2]。反復(fù)實(shí)施該過(guò)程，直到回歸方程里沒(méi)有可選入的顯著解釋變量，也沒(méi)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(guò)該回歸方程在建模過(guò)程中對(duì)各個(gè)最優(yōu)變量進(jìn)行引入。計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具備高效分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配的功能，并且在建模網(wǎng)格的后處理與預(yù)處理方面靈活性很強(qiáng)[3]。計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)共包括3個(gè)模塊，各模塊功能見(jiàn)表1。

利用計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行泵站輸水管道流體流動(dòng)計(jì)算和模擬，過(guò)程見(jiàn)表2[4]。

表1 各模塊具體功能

表2 流體流動(dòng)計(jì)算和模擬過(guò)程

1.2 數(shù)據(jù)采集與分析

通過(guò)輸水管道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行泵站輸水管道數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)的具體構(gòu)成包括連接電纜、計(jì)算機(jī)、水聽(tīng)器分析儀、水聽(tīng)器，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3[5]。

表3 技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)多道信號(hào)與光纖水聽(tīng)器的相關(guān)分析軟件實(shí)施采集數(shù)據(jù)分析，該軟件具備振動(dòng)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、勘探功能，能夠進(jìn)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(guò)傅里葉變換對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)施濾波處理。

1.3 實(shí)現(xiàn)輸水管道壓力監(jiān)測(cè)

通過(guò)光時(shí)域相敏反射計(jì)的布設(shè)對(duì)由外界振動(dòng)而引起的光纖折射率變化進(jìn)行檢測(cè)，布設(shè)的光時(shí)域相敏反射計(jì)與其他結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成一個(gè)Φ-OTDR 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)，其中對(duì)光時(shí)域相敏反射計(jì)進(jìn)行布設(shè)需要根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行[7]。光時(shí)域相敏反射計(jì)是一種頻移低、線寬窄的激光器，線寬處于幾個(gè)千赫之內(nèi)。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(cè)原理見(jiàn)圖1[8]。

圖1 壓力監(jiān)測(cè)原理

Φ-OTDR 系統(tǒng)具體構(gòu)成包括光時(shí)域相敏反射計(jì)、環(huán)形器、信號(hào)處理器、解調(diào)器。Φ-OTDR 系統(tǒng)主要通過(guò)光時(shí)域相敏反射計(jì)對(duì)連續(xù)光進(jìn)行輸出，接著利用解調(diào)器實(shí)施調(diào)制，把連續(xù)光變成脈沖探測(cè)光并向環(huán)形器輸入，經(jīng)過(guò)環(huán)形器后脈沖探測(cè)光最終進(jìn)入待測(cè)光纖[9]。此時(shí)由于被測(cè)光纖在各處存在不同的折射率，會(huì)發(fā)生瑞利散射情況。后向瑞利散射光會(huì)通過(guò)環(huán)形器流向信號(hào)處理器。通過(guò)信號(hào)處理器能夠把時(shí)域光信號(hào)變?yōu)闀r(shí)域電信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行輸出[10]。只需最后進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)就能夠?qū)崿F(xiàn)泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)[11]。通過(guò)Φ-OT?DR 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)輸水管道壓力監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)儀的參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)儀的參數(shù)

Φ-OTDR 系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)見(jiàn)圖2[12]。

圖2 Φ-OTDR系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)

在利用Φ-OTDR 系統(tǒng)進(jìn)行泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，Φ-OTDR 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算公式為：

式中：R 為Φ-OTDR 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍；g 為傳輸損耗；Ps(0)為信號(hào)處理的對(duì)應(yīng)信噪比；Pn為接收靈敏度[13]。

壓力監(jiān)測(cè)過(guò)程中Φ-OTDR 系統(tǒng)的空間分辨率計(jì)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(cè)脈沖的具體寬度；ηs為群折射率[14]。

2 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

2.1 方法設(shè)計(jì)

為證明基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的性能，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。搭建實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)，對(duì)其實(shí)施壓力監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)輸水管道的數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 實(shí)驗(yàn)輸水管道的數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)在不同工況下流量與壓力的變化情況見(jiàn)表6。

表6 實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)在不同工況下流量與壓力的變化情況

實(shí)驗(yàn)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(jì)、雙閘板單作用氣動(dòng)閘閥、化工石油流程泵、蓄水池構(gòu)成（見(jiàn)圖3）。

圖3 實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表7。

表7 實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)具體數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)的安裝圖見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)的安裝圖

利用設(shè)計(jì)的基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)進(jìn)行輸水管道壓力監(jiān)測(cè)。以采集點(diǎn)為300～500個(gè)范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)幅度數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為避免本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果過(guò)于單一、缺乏對(duì)比性，將原有的兩種技術(shù)（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(cè)技術(shù)）作為實(shí)驗(yàn)中的對(duì)比方法，比較幾種實(shí)驗(yàn)技術(shù)的監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)幅度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)果研究

在采集點(diǎn)為300～400 個(gè)的范圍內(nèi)，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)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(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)幅度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)幅度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果（采集點(diǎn)為300～400個(gè)）

由圖5 可知，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)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(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)幅度，能夠更迅速地對(duì)泄漏處進(jìn)行定位。

在采集點(diǎn)為400～500個(gè)的范圍內(nèi)，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)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(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)幅度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)幅度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果（采集點(diǎn)為400～500個(gè)）

由圖6可知，基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)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(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)幅度，同樣能夠更迅速地對(duì)泄漏處進(jìn)行定位。

3 結(jié)語(yǔ)

基于逐步回歸法的泵站輸水管道壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)差分幅值波動(dòng)幅度的提升，對(duì)于供水系統(tǒng)安全性的提升有較大意義。