天然氣長距離輸送管道多泄漏點快速定位模型

劉 暢，張引弟

(長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

1 引言

管道運輸是近幾年發展起來的一種新型且低成本的運輸方式[1，2]，在油氣運輸過程中主要具有連續平穩、損失偏低和質量可靠等優勢。憑借上述優勢管道運輸被認定為天然氣生產和運輸的主要方式，已經成為第五大運輸工具。隨著人類對清潔能源的需求越來越高，高質量和高傳輸能力的管道傳輸已經成為各大天然氣項目的迫切需求。但是，隨著天然氣輸送管道使用時間的不斷增加，管道泄漏成為一個十分棘手的問題。如果無法及時定位泄漏點位置，長時間的氣體釋放會危害人類的身體健康，同時也會給生態環境帶來一定程度的威脅。

為了有效解決上述問題，相關專家針對天然氣管道泄漏定位方面的內容進行了大量的研究，例如李睿[3]通過龍格—庫塔法構建天然氣管道泄露定位模型，通過該模型對天然氣管道泄漏進行模擬，經過計算獲取泄漏點位置，實現定位。李鳳等人[4]主要采用負壓波—聲波對天然氣管道泄漏進行檢測和定位。在上述兩種方法的基礎上，本文提出一種天然氣長距離輸送管道多泄漏點定位方法。經實驗測試證明，所提方法能夠獲取更加精準的定位結果，同時還能夠有效減少定位響應時間。

2 天然氣長距離輸送管道多泄漏點定位方法

2.1 天然氣長距離輸送管道泄漏點特征提取

噪聲的消除過程就是增強信號初始階段有利用價值的部分，抑制無用的部分，實現去噪作用[5，6]。具體的操作流程如圖1所示。

圖1 小波去噪流程圖

1)選取最佳小波，以此確定小波分解層次，同時依次對其進行分解。

2)設定約束條件，將滿足條件的高頻系數依次進行量化處理。

3)通過小波分解獲取不同層次下的高低頻系數，進而實現一維小波重構。

結合上述分析，優先通過LabVIEW軟件和采集板卡對天然氣長距離輸送管道泄漏數據進行采集，同時采用小波變換方法進行去噪處理。

設定實測信號為x(t)，則對應的希爾伯特變換H[x(t)]可以表示為

(1)

希爾伯特變換即進行90°的相移，其中對應的幅頻特性H(w)如式(2)所示

(2)

式中，-jsgn(w)代表一個全通濾波器；j代表濾波器的總數；w代表權值。

在傳統的傅里葉分析過程中，主要通過頻率來描述信號的正弦和余弦波。對于任意一個實測信號x(t)而言，均可以對其進行Hibert變換，具體的表達形式如下

(3)

式中，y(t)代表信號經過Hibert變換后得到的結果。

采用x(t)和y(t)同時組建解析函數z(t)，具體的表達形式如下

z(t)=x(t)+iy(t)=a(t)ej?

(4)

式中，i代表時間序列的總數；a(t)代表相位函數；ej?代表幅值函數。

Hilbert-Huang變換在實際操作的過程中將瞬時頻率設定為表征信號突變的基本量。分析Hilbert-Huang變換原理可知[7，8]，在基本模式分量的基礎上，獲取對應的經驗模態分解方法，具體的操作步驟如下所示：

1)獲取x(t)上全部局部極值點，將最大和最小點兩者進行連接，獲取x(t)對應的上下包絡線fmax(t)和fmin(t)，兩者的平均值表示為m(t)。

2)將x(t)和m(t)兩者的差值記為h1(t)，具體的計算式如下

h1(t)=x(t)-m(t)

(5)

在理想狀態下，h1(t)是一個基本模態分量。需要將h1(t)視為x(t)，重復上述操作步驟，直至h1(t)滿足要求形成基本模式分量c1(t)為止，具體的表達形式為

c1(t)=h1(t)

(6)

3)當分解出一個基本模態分量c1(t)之后，通過x(t)減去c1(t)，即可得到剩余信號x1(t)，具體的計算式如下

x1(t)=x(t)-c1(t)

(7)

4)將x1(t)設定為全新的x(t)，同時重復上述操作過程，經過一一分解，得到如下形式的分解結果

(8)

經過分解獲取不同信號的基本模式分量集后，需要對其進行Hilbert-Huang變換，進而獲取瞬時頻率和信號的內在頻率變化特征。根據得到的變化特征，對各個模式分量進行Hilbert-Huang變換[9，10]，最終得到變換結果。

通過上述分析可知，小波變換是進行信號處理的第一步，采用小波變換進行信號處理的主要目的是重新劃分信號所在頻帶，同時存儲頻段內的有效信息，對管道泄漏信號進行特征提取。結合實際需求，進一步確定信號的分解層數，選取最佳的小波類型，有效實現信號的小波分解。

在設定的約束條件下，對信號f(t)進行小波分解，根據分解結果能夠全面反映信號f(t)的各種信息。經過小波變換之后，能夠獲取新的高頻系數，采用matlab仿真軟件對信號的高低頻分量進行繪制，進而獲取信號的變化規律。

使用小波變換對信號進行分解的過程中，獲取信號的變化規律和運行狀態，根據得到的結果設定閾值門限，同時實時調整小波系數，以完成信號去噪。其中，信號分解的具體過程如下所示：

1)根據相關需求選擇最佳小波系數，以此為依據確定小波分解層數。同時使用Mallat算法對天然氣長距離輸送管道泄露信號進行分解，最終獲取對應的尺度信號和高低頻系數。

2)優先設定閾值的取值范圍，然后根據設定的范圍對細節系數依次進行調整。

3)將高低頻兩個部分的小波系數進行分解，通過分解結果完成一維小波重構，最終提取天然氣長距離輸送管道泄露特征。

2.2 天然氣長距離輸送管道多泄漏點定位

神經網絡是對信息進行分布式存儲和并行處理的網絡，是由多個不同神經元共同組成的，各個神經元都是通過變換函數確定的。神經元的本質是針對輸入和輸出構建一個黑箱模型，全面反映各個函數之間的對應關系，模型的應用效果主要取決于網絡結構和激活函數。

人工神經網絡的應用領域十分廣泛，同時獲取了十分顯著的研究成果。其具有智能分析和控制等功能，本文以廣義神經網絡為基礎，對天然氣長距離輸送管道多泄漏點進行定位，廣義神經網絡主要由輸入層、隱含層和輸出層幾個部分組成，其核心為：優先由徑向基函數來構建隱含層節點，將輸入向量在網絡輸入空間中直接映射已經建立好的隱含層，有效實現向量從低維到高維的轉換，同時滿足不同線性問題求解。

選擇最佳的激活函數能夠有效降低神經網絡訓練時間，構建穩定性和可靠性比較高的網絡模型，同時將各個類型的函數設定為激活函數。本文選擇非線性函數f(x)，具體的表達形式如式(9)所示

(9)

式中，k代表大于0的常數。

一般情況下，選擇高斯函數設定為廣義神經網絡的基函數。其中，廣義神經網絡中輸出值和輸入值兩者間的關系如式(10)所示

(10)

式中，p代表網絡中全部節點數量；m代表傳輸管道中的異常信號；n代表天然氣傳輸管道中的壓縮因子；wij代表氣體的流動速度；σ代表管道內的最高溫度；ci代表氣體常數。

多層感知器和徑向基神經網絡均是通過網絡輸入和輸出獲取對應的非線性關系，以更好完成非線性函數的逼近。由于描述天然氣長距離輸送管道多泄漏信號傳輸的過程中，采用數學模型進行計算獲取的結果較為精準。所以利用數學模型獲取實際傳輸時間差和理論時間差兩者的差值。其中，模型輸入為理論時間，輸出則為管道不同點的坐標位置。以此為依據，構建基于廣義神經網絡的天然氣長距離輸送管道多泄漏點定位模型。當管道出現泄漏點時，可以通過計算得到實際時間差，同時將其輸入到已經建立好的模型中，獲取泄漏點位置。

在上述分析的基礎上，以下結合廣義神經網絡構建天然氣長距離輸送管道多泄漏點定位模型，通過模型實現定位[11，12]，具體的操作流程如圖2所示：

圖2 天然氣長距離輸送管道多泄漏點定位流程

1)設定天然氣管道發生泄漏的位置在上游測點的xL處，將step作為步長，從泄漏位置開始依次進行遞增。step的取值越小，說明定位結果越準確；反之，則說明定位結果不準確。組建模擬泄漏位置序列xL[0，step，2*step，L]，同時將其設定為神經網絡輸入。

2)根據實際對象選擇對應的定位模型，如果是輸氣管道，直接使用輸氣管道定位模型PH，具體計算過程如式(11)所示

(11)

如果是輸油管道，直接使用輸油管道定位模型，通過計算得到泄漏聲波的傳播速度?p(P，T)和管道沿線的分布情況R，具體如式(12)所示

(12)

式中，Z(P，T)代表天然氣傳輸過程中管道產生的壓強；P代表天然氣密度；RM代表通用氣體的常數；M代表氣體的質量。

3)在上述操作步驟的基礎上，通過理論時間差計算公式獲取和模擬泄漏位置所對應的理論時間序列，將其設定為網絡的輸入。

4)將理論時間差序列作為網絡的輸入，xL代表輸出，建立理論時間差和泄露位置之間的關系。

5)當然氣長距離輸送管道多泄漏點發生泄漏時，計算實際泄漏信號被上下游捕捉到的實際時間差，構建天然氣長距離輸送管道多泄漏點定位模型，將實際時間差輸入到模型中完成泄漏點定位。

3 仿真研究

為了證明所提天然氣長距離輸送管道多泄漏點定位方法的有效性，進行實驗漏測試。優先利用瞬時模擬計算模型獲取泄漏點在不同泄漏量條件下運輸管道起點和終點流量之間的關系，具體實驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 不同泄漏點對起點流量的影響

圖4 不同泄漏點對終點流量的影響

分析圖3和圖4中的實驗數據可知，隨著泄漏量的持續增加，管道起始點的流量呈上升趨勢；而終點流向呈直線下降趨勢。

為了驗證所提方法的有效性，將文獻[3]方法和文獻[4]方法作為對比方法，將三種方法的定位響應時間設定為測試指標，具體的實驗結果如表1所示：

表1 不同方法的泄漏點定位響應時間對比結果

分析表1中的實驗數據可知，采用所提方法進行泄漏點定位的時間比較短，且明顯優于另外兩種方法。主要是因為所提方法在進行多泄漏點定位的過程中，對泄漏點的特征進行提取，有效地簡化了定位流程，進而達到縮短定位響應時間的目的。

為了驗證所提方法的定位性能，以下實驗測試重點對比三種不同方法的定位誤差和定位相對誤差。其中，兩項測試指標的取值越小，說明定位結果越準確。利用圖5給出詳細的實驗對比結果。

圖5 不同方法的定位結果對比

分析圖5中的實驗數據可知，所提方法能夠更加精準地定位天然氣長距離輸送管道發生泄漏的位置，避免重大事故的發生。而另外兩種方法的定位結果不是十分理想，由此驗證了所提方法的應用效果。

4 結束語

針對已有方法存在的不足，提出一種天然氣長距離輸送管道多泄漏點定位方法。經實驗測試證明，所提方法能夠有效降低定位響應時間，同時還能夠獲取精準的天然氣長距離輸送管道多泄漏點定位結果。管道泄漏定位技術在管道安全領域占據十分重要的地位，是一項十分復雜的工作，現階段所提方法仍然存在不足，后續將對其進一步進行完善。