基于管道空間數(shù)據(jù)的天然氣泄漏點定位方法研究

王澤鑫,周 恒,黃新剛,張皓翔,楊 璇

(克拉瑪依市富城能源集團有限公司,新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

管道天然氣泄漏定位系統(tǒng)需要多方面相互配合,可通過及時的泄漏定位令地面救援指揮部門了解現(xiàn)場情況,從而迅速制定合理的應(yīng)對方案[1-2]。因此,在救援指揮系統(tǒng)中,對天然氣泄漏點的具體位置進行精準定位尤為重要。文獻[3]以概率統(tǒng)計為依據(jù),對災(zāi)害中天然氣泄漏點的定位特征向量進行分析描述,以完成定位并應(yīng)用到救援指揮系統(tǒng)中。雖然這種方法在實際應(yīng)用中操作簡單,但在泄漏點定位方面存在一定的誤差,降低了天然氣泄漏定位系統(tǒng)的精準性。

文獻[4]首先利用坐標變換原理分析,對物體圖像的平面與世界兩坐標建立數(shù)學關(guān)系,并計算得到距離和信標的坐標以實現(xiàn)對觀察點的定位;然后采用稀疏自編碼器與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,將多個自定義Wi-Fi特征和11個距離類別分別作為輸入和標簽;最后通過節(jié)點間的距離識別定位坐標的有效值,完成整個定位流程,并應(yīng)用于救援指揮系統(tǒng)中。此方法實施時定位過程較復(fù)雜,且計算時間長,導(dǎo)致天然氣泄漏定位系統(tǒng)不能及時地實施人員救助。這主要是因為當前方法都是以明確的閾值特征判斷發(fā)生泄漏的位置,需要長時間積累才能明確診斷。多點安裝傳感器能解決這一問題,但是會產(chǎn)生巨大成本,同時大幅增加通信故障的可能性。

針對上述問題,本文設(shè)計基于管道空間數(shù)據(jù)的天然氣泄漏點定位方法。本文構(gòu)建天然氣泄漏檢測系統(tǒng),篩選出距離未知節(jié)點位置最近的基站節(jié)點,采用最小二乘法求解天然氣傳感節(jié)點位置,并通過加權(quán)融合算法實現(xiàn)節(jié)點坐標的定位。

1 天然氣泄漏特征空間數(shù)據(jù)關(guān)系分析

一般的天然氣泄漏檢測系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)實現(xiàn)。天然氣泄漏檢測系統(tǒng)主要由通信裝置、精準定位監(jiān)測站、發(fā)光信號指示牌、精準定位收發(fā)器、超聲波傳感器、通信信號裝置、傳感定位系統(tǒng)和紅外氣體泄漏傳感器等構(gòu)成[5-6]。天然氣泄漏檢測系統(tǒng)組成如圖1所示。

在天然氣泄漏檢測系統(tǒng)中,對天然氣泄漏的具體特征屬性進行監(jiān)測是重中之重。天然氣定位系統(tǒng)大部分采用三線邊定位法計算出泄漏點的具體位置[7-8],并運用假設(shè)法驗證檢測方法的可實施性以及準確率。

本文在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合管道空間數(shù)據(jù)關(guān)系,設(shè)3個已知的基站點位為圓心、待測區(qū)域到檢測點的距離為半徑。根據(jù)檢測可得,基于三線邊定位法的定位中,接收信號強度指標較大的節(jié)點基站對定位的精準度影響較大,而指標較小的則沒有太大影響[9-11]。因此,為了保證檢測質(zhì)量,必須選擇各指標都較為中和的空間節(jié)點參與定位。根據(jù)接收信號強度指示(received signal strength indicator,RSSI)的范圍和泄漏特征信號接收強度,本文篩選出3個符合要求且距離未知節(jié)點位置最近的基站節(jié)點,從而確保定位信息不受干擾。基站節(jié)點的優(yōu)先選取如圖2所示。

圖2 基站節(jié)點的優(yōu)先選取

由圖2可知:首先,通過篩選依據(jù)RSSI,將范圍從1#～10#空間節(jié)點縮小到待測區(qū)域周圍的1#～4#基站節(jié)點;然后,以接收空間信號的強度關(guān)系為依據(jù),對1#～4#基站節(jié)點進行降序組合排列;最后,選定1#～3#節(jié)點作為檢測節(jié)點參與計算。此操作處理在一定程度上保障了后續(xù)的定位檢測精準度。

2 定位算法設(shè)計

在坐標系全局下,本文將未知井下天然氣傳感節(jié)點的位置設(shè)為P(x,y)。選定的3個基站節(jié)點坐標分別為A(a1,b1)、B(a2,b2)、C(a3,b3)。天然氣傳感節(jié)點P的位置坐標可以通過距離方程來表達。具體計算式為:

(1)

式中:x為天然氣傳感節(jié)點P的橫坐標,m;a1、a2、a3分別為選定3個基站節(jié)點A、B、C的橫坐標,m;y為P的縱坐標,m;b1、b2、b3分別為A、B、C的縱坐標,m;d1、d2、d3分別為A、B、C到P的距離,m。

在實際應(yīng)用中,會發(fā)生因為測量誤差使式(1)出現(xiàn)無解的情況,所以在求解定位時要對式(1)進行轉(zhuǎn)換:

(2)

(3)

式中:Q為假定圓的位置。

θ=[xyx2+y2]T

(4)

式中:θ為節(jié)點向量。

(5)

式中:K為基站節(jié)點到天然氣傳感節(jié)點的距離。

式(3)～式(5)可化簡為Qθ=K。則運用最小二乘法計算可得:

θ=(QTQ)-1QTK

(6)

P(x,y)的估計值是θ中的元素。無論3個假定的圓是相交還是相離,用這種方法獲得的P(x,y)都可以得到相應(yīng)的實數(shù)解。但是這種方法會受外在環(huán)境因素的影響而降低定位精準度,從而出現(xiàn)較大的定位誤差。因此,采用加權(quán)融合算法[12],即將空間特征關(guān)系加權(quán)因子加到每組的定位坐標中,可以提高定位精度。具體操作如下。

本文通過A、B這2點得到P1(x1,y1),即P的坐標估計值。同理,通過A、C點與B、C點可分別得到P2(x2,y2)、P3(x3,y3)這2個點的坐標估計值。天然氣泄漏檢測的初始傳感節(jié)點與未知節(jié)點間的距離和與之相對應(yīng)的節(jié)點坐標呈反比。所以,當上述傳感節(jié)點與未知節(jié)點間的距離越遠時,與之相對應(yīng)的節(jié)點坐標空間關(guān)系比重就會越小。P的坐標(x,y)可通過加權(quán)值得到:

(7)

式中:x1、x2、x3分別為A和B、A和C、B和C所得到的P的坐標估計值的橫坐標,m;y1、y2、y3分別為A和B、A和C、B和C所得到的P的坐標估計值的縱坐標,m。

至此,本文運用較少的節(jié)點定位出天然氣泄漏點的具體位置。此環(huán)節(jié)為救援行動的重要環(huán)節(jié),可提高救援速度。

3 試驗

3.1 試驗環(huán)境的搭建

通過仿真試驗,對本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的天然氣泄漏點定位系統(tǒng)進行驗證分析。進行試驗的仿真模擬環(huán)境為45 m×45 m的空曠室內(nèi)。試驗所需要的輸氣管道泄漏試驗裝置包括管道、空氣壓縮機、緩沖罐。

在某一階段,用于軟件測試的真實管道系統(tǒng)的基本參數(shù)為:管道長度L=55 km;管道平均直徑D=0.529 m;管壁厚度e=0.007 m;管材彈性模量E=2.06×1011Pa;媒質(zhì)(天然氣)密度ρ=900 kg/m3;流體體積彈性系數(shù)K=1.32×109Pa。

管道內(nèi)媒質(zhì)的流速對負壓波波速有一定的影響。當管道內(nèi)媒質(zhì)流速增大時,負壓波的波速也會增加。因此,通過負壓波傳播速度,可計算得出負壓波的波速v=994.1 m/s。

3.2 傳感器的選擇與應(yīng)用結(jié)果測定

天然氣泄漏特征會被轉(zhuǎn)換為電渦流信號。電渦流傳感器的工作原理如圖3所示。

圖3 電渦流傳感器的工作原理

運用本文方法對傳感器進行布局,可以使天然氣濃度不斷增大。以閾值為基礎(chǔ)的電渦流傳感器靜態(tài)輸出與動態(tài)輸出如圖4所示。

圖4 電渦流傳感器靜態(tài)輸出與動態(tài)輸出示意圖

由圖4可知,本文方法利用空間關(guān)系,可以快速檢測出泄漏點。其不再單純依靠閾值,故優(yōu)勢明顯。

3.3 試驗結(jié)果對比分析

試驗步驟為確定區(qū)域內(nèi) 4條邊線及4個頂點的中心點,計算出該區(qū)域內(nèi)的大致中心點,并設(shè)置9個基站節(jié)點。試驗隨機選擇1個未知節(jié)點(8,8)進行測試,采用文獻[3]系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)及本文設(shè)計的定位系統(tǒng)共同對該節(jié)點進行定位。迭代次數(shù)為50次。3種系統(tǒng)定位誤差率對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 3種系統(tǒng)定位誤差率對比結(jié)果

由圖5可知,本文系統(tǒng)相對于其他2種系統(tǒng),定位誤差曲線較為平緩,誤差率明顯較低。通過誤差曲線的對比可推理,較為平緩的曲線趨勢就表示系統(tǒng)的運行穩(wěn)定,不會出現(xiàn)較大的波動誤差。為進一步驗證所提系統(tǒng)的可靠性,本文分別對3種系統(tǒng)定位的時效和精確度進行比較。系統(tǒng)定位時效對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)定位時效對比結(jié)果

由圖6可知,相對于其他2種系統(tǒng),本文系統(tǒng)的耗時最短,耗時穩(wěn)定維持在14～18 min。而其他2種系統(tǒng)的定位所耗時間均在20 min以上。使用文獻[4]定位方法的應(yīng)急定位指揮系統(tǒng)的定位耗時最長。

精準度對比結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,相對于其他2種系統(tǒng),本文系統(tǒng)的精準度最高,接近99%,且穩(wěn)定。文獻[3]系統(tǒng)精準度最低,且上下波動較大。文獻[4]系統(tǒng)的精準度比文獻[3]系統(tǒng)高、波動較小,精準度維持在75%～90%之間。

綜上所述,本文系統(tǒng)的性能好、定位誤差小、定位時間短,且精準度高。該系統(tǒng)能夠在較短的時間內(nèi)定位出天然氣泄漏位置,并且定位精度較高,為天然氣泄漏事故發(fā)生后的應(yīng)急救援工作節(jié)省一定的時間,有助于救援行動的及時進行。

4 結(jié)論

本文基于管道空間數(shù)據(jù),設(shè)計天然氣泄漏點定位方法,采用三線邊定位法篩選出基站節(jié)點,通過最小二乘法和加權(quán)融合算法,對節(jié)點坐標進行定位。該方法可在突發(fā)天然氣泄漏事故時迅速、精準定位泄漏點,為事故救援工作節(jié)省時間,以便決策單位及時通知救援小組對周圍人民群眾進行安全撤離。這將有效減少由災(zāi)害帶來的安全隱患,極大程度地保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全,具有較好的應(yīng)用性能。