萬洪杰1 孫凌云2 張興武3
( 1、北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2、上海貝加萊工業(yè)自動(dòng)化有限公司；3、北京寰宇聲望智能科技有限公司)
1、前言
管道運(yùn)輸是運(yùn)輸量大、安全性高、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的油氣輸送方式。近期我國將建成多條油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫”，超過10萬公里的油氣管輸格局。
由于管道運(yùn)輸固有的高壓、易燃、易爆特性，長輸管道的安全管理極為重要。泄漏是長輸管道運(yùn)行中最主要的安全隱患之一，氣體管道的泄漏往往會(huì)造成中毒、火災(zāi)和爆炸等嚴(yán)重事故。近年來，犯罪分子在原油、成品油管道打孔盜油，給國家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測管道的運(yùn)行情況。當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定泄漏發(fā)生的位置，從而可以及時(shí)有效地進(jìn)行應(yīng)急處理，控制和減少因管道泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
智能音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)引入了先進(jìn)的信號(hào)處理、模式識(shí)別和人工智能技術(shù)，提高了管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性，降低了誤報(bào)率，是目前最為先進(jìn)的第四代管道泄漏監(jiān)測技術(shù)。
2、Dolphin音波智能管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)簡介
北京寰宇聲望智能科技有限公司與自動(dòng)化行業(yè)中創(chuàng)新與科技的領(lǐng)先者--貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司合作，引進(jìn)貝加萊先進(jìn)的自動(dòng)化平臺(tái)技術(shù)，吸收貝加萊公司在管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，在國內(nèi)推廣貝加萊管道泄漏監(jiān)測方案—Dolphin智能音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，是貝加萊公司在音波智能管道泄漏監(jiān)測領(lǐng)域唯一的系統(tǒng)集成商。
Dolphin系統(tǒng)在管道兩端安裝音波傳感器，24小時(shí)實(shí)時(shí)接收并監(jiān)控管道內(nèi)音波信號(hào)。Dolphin系統(tǒng)通過音波信號(hào)處理，消除管道的背景噪聲并抑制管道操作過程中產(chǎn)生的干擾；然后利用模式識(shí)別和人工智能技術(shù)，實(shí)時(shí)識(shí)別甄別和分析音波信號(hào)，確定是否發(fā)生泄漏；最后根據(jù)音波信號(hào)到達(dá)管道兩端的時(shí)間差，進(jìn)一步計(jì)算出發(fā)生泄漏的位置。
Dolphin智能音波管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集處理終端、泄漏監(jiān)測定位服務(wù)器以及人機(jī)接口界面。同時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行需要通訊網(wǎng)絡(luò)支持，比如GPRS路由器和VPN服務(wù)器等。如圖1所示：
圖1 DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測定位系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集處理終端的主要功能是把傳感器采集到的音波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理與放大，轉(zhuǎn)換為數(shù)字域的多通道音波信號(hào)。通過維納濾波、自適應(yīng)濾波等多種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，利用GPS信號(hào)進(jìn)行精確時(shí)間同步，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)叫孤┍O(jiān)測定位服務(wù)器。
泄漏檢測定位服務(wù)器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收各個(gè)數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)，并對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。其主要功能是：
? 通訊：建立并維護(hù)各數(shù)據(jù)采集終端的通訊信道；
? 數(shù)據(jù)采集同步：采集并同步各數(shù)據(jù)處理終端的原始數(shù)據(jù)；
? 實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測：對(duì)音波數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測，并判斷是否發(fā)生泄漏；
? 泄漏位置計(jì)算：估計(jì)音波信號(hào)到達(dá)各數(shù)據(jù)處理終端的時(shí)間差，并計(jì)算泄漏位置；
? 系統(tǒng)狀態(tài)服務(wù)：維護(hù)系統(tǒng)工作狀態(tài)，并傳送給狀態(tài)監(jiān)控主機(jī)；
? 數(shù)據(jù)備份：保存原始數(shù)據(jù)；
? 泄漏狀態(tài)日志：把泄漏發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)等關(guān)鍵信息保存到數(shù)據(jù)庫；
運(yùn)行在各監(jiān)控終端的人機(jī)界面負(fù)責(zé)提供操作界面以控制系統(tǒng)運(yùn)行的各種參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示管道運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生管道泄漏，及時(shí)發(fā)出報(bào)警和啟動(dòng)應(yīng)急處理。
3、DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)核心技術(shù)
音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)需要解決的核心難點(diǎn)是既需要靈敏的檢測到由于微小泄漏引起的微弱音波信號(hào)，同時(shí)也需要區(qū)分泄漏引起的音波和管道日常運(yùn)行中的背景噪聲以及操作干擾，避免干擾信號(hào)引起的誤報(bào)警。
泄漏監(jiān)測的目的是從管道中實(shí)時(shí)發(fā)生的各種音波信號(hào)中準(zhǔn)確地識(shí)別出由于泄漏產(chǎn)生的音波信號(hào)，同時(shí)拒絕各種可能的干擾。因此管道泄漏監(jiān)測問題可以歸結(jié)為一個(gè)模式識(shí)別問題：如何有效的建立泄漏音波信號(hào)及各種干擾信號(hào)的模型？如何從實(shí)時(shí)的多個(gè)音波模型中識(shí)別出泄漏音波？
為了提高系統(tǒng)靈敏度，降低由于干擾噪聲引起的誤報(bào)，DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)及前端處理技術(shù)以獲取高質(zhì)量的音波信號(hào)、領(lǐng)先的信號(hào)處理技術(shù)抑制背景噪聲和操作干擾、先進(jìn)的人工智能技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)以準(zhǔn)確的識(shí)別微小泄漏音波同時(shí)拒絕各種干擾音波信號(hào)。DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用基于HMM（Hidden Markov Model）模型的識(shí)別器，實(shí)時(shí)監(jiān)測管道運(yùn)行狀況。DOLPHIN系統(tǒng)內(nèi)核包括音波信號(hào)處理、泄漏波形特征提取、實(shí)時(shí)識(shí)別器優(yōu)化及模型適應(yīng)性訓(xùn)練優(yōu)化等先進(jìn)的核心技術(shù)。
l 傳感器及前端處理模塊
主要作用是實(shí)時(shí)將管道中的音波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)，并傳輸?shù)?/font>DOLPHIN系統(tǒng)信號(hào)采集處理終端。在微小泄漏孔徑的情況下，泄漏產(chǎn)生的微弱音波信號(hào)，經(jīng)過長距離傳輸進(jìn)一步衰減，使信號(hào)的捕捉變得更加困難。微弱信號(hào)的捕捉、放大和噪聲的抑制是傳感器及前端處理模塊的關(guān)鍵。DOLPHIN系統(tǒng)信號(hào)采集處理終端采用定制化的傳感器和前端處理模塊，有效的解決了微弱信號(hào)的捕捉、放大和噪聲抑制的問題。
l 音波信號(hào)處理：
環(huán)境噪聲會(huì)影響音波信號(hào)質(zhì)量。在嚴(yán)重的情況下，由于管道泄漏產(chǎn)生的音波信號(hào)將完全淹沒在噪聲中，無法分辨。音波信號(hào)處理的目的是為了有效的去除管道背景噪聲，抑制管道日常操作引起的各種干擾信號(hào)，提取盡可能干凈的音波信號(hào)，從而有效地提高了泄漏監(jiān)測的靈敏度，同時(shí)降低了由于干擾和噪聲引起的誤報(bào)。
管道中存在的噪聲信號(hào)分為兩種：管道運(yùn)行過程中的背景噪聲和管道操作過程中產(chǎn)生的各種干擾噪聲。在有效的獲取微弱音波信號(hào)的基礎(chǔ)上，DOLPHIN泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用維納濾波和自適應(yīng)濾波等多種方法進(jìn)行噪聲抑制。
圖2 維納濾波濾除背景噪聲
背景噪聲的特點(diǎn)是變化比較緩慢的寬頻信號(hào)。DOLPHIN泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用先進(jìn)的背景噪聲功率譜估計(jì)算法，可以有效地估計(jì)管道運(yùn)行過程中的平穩(wěn)和非平穩(wěn)背景噪聲。維納濾波是最小均方誤差意義下的最優(yōu)估計(jì)器，在噪聲消除方面得到了廣泛的應(yīng)用。在有效估計(jì)到噪聲功率譜的情況下，DOLPHIN系統(tǒng)采用維納濾波對(duì)背景噪聲進(jìn)行最優(yōu)化噪聲抑制。利用維納濾波濾除背景噪聲的處理框圖參見圖2。
圖3 自適應(yīng)濾波濾除干擾信號(hào)
管道分輸?shù)炔僮鞲蓴_噪聲的特點(diǎn)比較接近泄漏音波信號(hào)，因此，不能通過普通濾波器簡單的過濾。DOLPHIN系統(tǒng)采用主傳感器獲取音波信號(hào)，同時(shí)采用多個(gè)傳感器采集參考信號(hào)。由于參考信號(hào)的干擾信號(hào)強(qiáng)度高于主傳感器，因此，主傳感器的干擾信號(hào)可以通過自適應(yīng)濾波有效地濾除。利用自適應(yīng)濾波器濾除參考干擾信號(hào)的處理框圖參見圖3。
l 波形特征提取
包含各種噪聲和干擾信號(hào)的原始音波信號(hào)經(jīng)過維納濾波去除背景噪聲，自適應(yīng)濾波去除干擾之后，將提取泄漏波形特征。DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)選擇不同頻帶的低頻音波能量作為特征向量。波形特征向量經(jīng)過能量壓縮、信息壓縮之后，作為實(shí)時(shí)識(shí)別器的輸入。
l 基于HMM模型的實(shí)時(shí)識(shí)別器
HMM（Hidden Markov Model）模型是強(qiáng)大而靈活的統(tǒng)計(jì)模型，能有效地描述復(fù)雜的信號(hào)模型，在語音識(shí)別、話者識(shí)別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用了基于HMM模型的識(shí)別器實(shí)時(shí)處理并甄別管道的運(yùn)行狀態(tài)。DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用HMM模型來描述泄漏音波及各種干擾信號(hào)模型，解決了HMM模型建立、模型訓(xùn)練、實(shí)時(shí)識(shí)別以及在嵌入式系統(tǒng)上的識(shí)別器優(yōu)化等一系列問題，從而能有效地區(qū)分泄漏音波信號(hào)及干擾信號(hào)，提高了系統(tǒng)識(shí)別微弱信號(hào)的靈敏度，降低了誤報(bào)率。
l 基于HMM模型的快速自適應(yīng)訓(xùn)練
由于實(shí)際管道的運(yùn)行狀況千差萬別，壓力、溫度、流體特性以及背景噪聲都各不相同，準(zhǔn)確快速地適應(yīng)調(diào)整識(shí)別模型將進(jìn)一步提高識(shí)別系統(tǒng)的性能。DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用先進(jìn)的快速適應(yīng)性訓(xùn)練技術(shù)對(duì)原始模型進(jìn)行訓(xùn)練。經(jīng)過實(shí)際管道數(shù)據(jù)現(xiàn)場快速適應(yīng)訓(xùn)練之后，實(shí)時(shí)識(shí)別器的HMM模型能夠更好的適應(yīng)管道的現(xiàn)場運(yùn)行狀況和操作干擾，從而，進(jìn)一步了提高識(shí)別器的識(shí)別精度。
l 開放式、模塊化軟硬件架構(gòu)
與一些采用專用軟硬件管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)相比，DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)采用開放式的軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)，軟硬件系統(tǒng)都采用模塊化的結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)，也有利于DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。
采用了多種先進(jìn)技術(shù)的DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)具有卓越的泄漏監(jiān)測性能：
? 靈敏度高 泄漏監(jiān)測孔徑小。對(duì)于液體管道、氣體管道和多相流管道，可以檢測到的 最小泄漏率可以達(dá)到小于0.1%~0.5%的精度；
? 可信度高 系統(tǒng)誤報(bào)率低，系統(tǒng)誤報(bào)率一年少于一次；
? 準(zhǔn)確度高 泄漏定位精度高，可以達(dá)到30米的定位精度；
? 快速 泄漏監(jiān)測速度通常在60秒內(nèi)；
4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為測量Dolphin系統(tǒng)的性能，北京寰宇聲望智能科技有限公司在北京市海淀區(qū)建設(shè)了Dolphin管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)測試中心。
實(shí)驗(yàn)管道基本數(shù)據(jù)為：管道長度約300米，是目前國內(nèi)最長的管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)管線，管徑100mm，設(shè)計(jì)壓力2 M Pa ，運(yùn)行壓力不高于1.2 M Pa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，可以進(jìn)行液體（水、成品油等液體）或氣體（空氣、天然氣等氣體）的管道泄漏監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。
從2008年7月到12月，北京寰宇聲望智能科技有限公司在試驗(yàn)管道進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為：管道輸送介質(zhì)為氣體（介質(zhì)為空氣）；工作壓力為0.1~0.8 MPa （1~8公斤）。
為進(jìn)行泄漏實(shí)驗(yàn)，沿管道以60米為間距，設(shè)置多個(gè)泄漏點(diǎn)。啟動(dòng)泄放閥門，管道內(nèi)的氣體將從泄漏點(diǎn)通過不同孔徑的流孔板高速流出，流孔板的泄漏孔徑可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整，分別為：1mm, 2mm, 3mm, 6mm, 9mm。在半年多的實(shí)驗(yàn)中，先后進(jìn)行了100次以上的放氣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下：
靈敏度：Dolphin系統(tǒng)檢測到所有100次管道泄漏，最小泄漏孔徑為1mm；
定位精度：Dolphin系統(tǒng)泄漏點(diǎn)平均定位精度小于10米，最大定位誤差小于20米；
誤報(bào)率：在持續(xù)半年的試驗(yàn)過程中，Dolphin系統(tǒng)沒有發(fā)生一次誤報(bào)；
反應(yīng)速度：在所有100次管道泄漏實(shí)驗(yàn)中，Dolphin系統(tǒng)泄漏報(bào)警時(shí)間小于10s。
5、結(jié)論
貝加萊DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)是全球唯一的第四代智能音波管道泄漏監(jiān)測產(chǎn)品。DOLPHIN系統(tǒng)采用貝加萊先進(jìn)的軟硬件產(chǎn)品，靈敏度高、誤報(bào)率低、穩(wěn)定性好、支持節(jié)點(diǎn)眾多，為油氣管道泄漏監(jiān)測提供了可靠的技術(shù)支持和保障。