（模式识别与智能系统专业论文）基于城市供水scada系统的管网泄漏检测及其定位研究.pdf

硕十学位论文 摘要 供水管网检漏技术一直是困扰供水行业的一项难题 目前 国内外很多企业及科研 机构都在进行管网检漏技术的研究 但都存在投资大 算法复杂 精度低 难见效益的 现象 本文首先介绍了现阶段国内外的供水管网泄漏检测现状及城市供水s q 缸 a 系统研 究发展的历史 指出目前供水s q 岫a 系统存在的不足之处 改进措施以及今后发展的 方向 并且详细阐述了城市供水s 蝴系统的功能 组成和建立 供水系统状态数据的正确采集对s g 蛾 系统的合理调度起着举足轻重的作用 它 不仅关系到s o a 系统能否正确实时地了解和监控供水系统的运行状态 而且在很大 程度上影响了s c a d a 系统的投资成本和运行的可靠性与正确性 因此 本文在第一部 分研究的是城市供水s o 蛾 系统中监测点的优化布置 主要是供水管网中压力监测点 优化布置 提出基于反映管段泄漏量变化的测压点的布置方法 并通过模拟的供水管网 予以论证 文章第二部分论述了城市供水s a 虹 a 系统消嗓的重要性 介绍了小波变换进行信 号消噪的特点和方法 对s c a d a 系统压力信号消噪的仿真实验表明 小波变换可以有 效地去除信号中的噪声 从而还原供水管网真实的水力状态 文章第三部分提出了城市给水管网故障实时诊断的 个快速 有效的方法 通过实 时监测供水管网中监测点的水压变化 利用人工神经网络技术来诊断故障的位置 最后 以一个小型供水管网为例子对方法进行了验证 并就实际应用中的几个问题进行了讨 论 文章最后指出 如果在泄漏管段两端安装有压力监测仪的情况下 可以利用负压波 法对泄漏点发生的位置进行精确的定位 整篇文章建立起一套关于供水管网泄漏点定位的研究构架 对城市供水管网检漏的 工程实践具有一定的理论指导意义 因而具有较为广泛的应用前景 关键词 给水管网 泄漏 s a 蛾 系统 信号处理 小波变换 人工神经网络 i i 基于城市供水s c a d a 系统的管网泄漏检测及茛定位研究 a b s t r a c t w a t e rs u p p l yp i p e1 i n e l e a kd e t e c t i o nh a sa l w a y sp u z z l e dw a t e rs u p p l yi l l d u s t r y a t p r e s e n t m a n ye n t e 叩r i s e sa n ds c i t e c hr e s e a r c hi i l s t i t u t e sa r es t u d y i n gp i p e l i n e1 e a kd e t e c t i o n t e c h n o l o g y w h e r e 硒e n c o u n t e rd i f f i c u l t i e so fh i g l li n v e s 仃1 1 e n t c o m p l e xc o m p u 廿n g l o w p r e c i s i o na n dl c i wb e n e f i t 1 l l es i t i l a t i o no fn o w a d a y sl e a k d e t e c t i n g t h eh i s t o 巧o fs c a d a s y s t e m sr e s e a r c ha i l d d e v e l 叩m e n t0 nt h e 帕r l da r e e v i e w e da tf i r s ti nt h i sp a p e r 锄dm es h o r t a g e i 1 1 p r o v e d m e a s u r e m e n t s 觚dd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n th e r e a f t e ra r ei l l d i c a t e d i i lt h i s p a p e r t l l e f u n c t i o n c 0 m p o s i t i o n s 锄db u i l do ft h eu r b a nw a t e rs u p p l ys a as y s t e ma r ee l a b o r a t e di i l f u l l i ti si m p o r t a n tt 0c o l l e c td a t aa c c u r a t e l yf r o mw a t e rs u p p l ys y s t e mf o rs c a d a s y s t e m a 位e m p e rc o r 咒c y w h i c hn o to i l l yr e i a t ew h e t l l e rw a t e rs u p p l ys y s t e m s1 1 l n n i i l ga t a t ea r e r e a l t i m ek n 佣 l la n dm o n i t o r e db ys c a d a b u ta l s 0a f f e c tac e n a i ne x t e n tt h ec a p i t a l 娩ec o s t a l l d 斑彻i n gr e l i a b i l i 锣a n dz a l i d j t yo fs c a d as y s t e m 1 1 l e r c f o r e 叩 i m 如d1 a 妒n go f m o i l i t o r i n gs t a t i o 璐i nu r b a n w a t e rs u p p l ys a d as y s t e mi sa ne m p h 勰i smm ef i r s tp a n0 f t h j sp a p e l1 1 1l h e 勰p e c to fo p 垃m i z e d1 0 c a d o n0 fw a t e rp r e s s u r em o n i t o r i n gs t a t i o n si i lm e w a t e rs u p p l yn e 咐o r k o n ew a yo fl a y i n gm e a s u r i n gs t a t i o n si sh o l d u p w h i c hb a s e do n r e f l e c t i i l gm ec h a n g eo fp i p e l i n el e a k a g ei i l t l l en e t w o r l a n dm e nv a l i d a t em ee f f e c t b y n e t o r ks i n l u l a t i o n i i lt h es e c o n dp a n0 fm i sp a p e r d i s c u s s i n gt h eh n p o n a n c eo fm eu r b a nw a t e r s u p p l y s 狐d as y s t e ma n di i l t r o d u c i n gt l l ec h a r a c t e r i s t i c 锄dm e t h o d so fm ew a v e i e tt r a n s f o n i l d e n o i s i n g t 1 l ee x p e 咖l e n t sw h i c hd e n o i s e df t o mt h eh y d r a u l i cp r e s s u r es i g n a l so fs c u a s y s t e mp r 0 e dt h a tw a v e l e tt r a n s f o 订1 1 a t i o ng o b e t e re f 艳c t 幻d e n o i s e m e nc o u 王dr e 丑e 砹t h e t n l eh y d r a u l i cs t a t e i l lt 1 1 et l l i r dp a n t h i sp a p e rp r 叩o s e dam e l h o d o l o g yf o rf a u l td i a g n o s i so faw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mb ym o n i t o r i n gt 1 1 ew a t e rp r e s s u r eo n 一1 i n ea tn o d e si nn l ew a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e m an e u r a ln e 伽o r k b a s e di i l v e r s ea i l a y l s i sm e t h o dw a se s t a b l i s h e dt od e t e c tt h el o c a t i o n a n de x t e n to ft l l ef a u l ta i l da 怕c t e da r e ab a s e do nt h ev a r i a t i o no fw a t e r p r e s s u r e a tm es 锄e 廿m e i tw a ss h o w nt l l r o u 曲a ne x a m p l et h a tt l l em e t h o d o l o g yi se f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l a tl 勰t i fp r e s s u r em o n i t o r sh a v eb e e ne q u i p p e da tb o t he n d so ft h ep i p eo nw h i c ht h e r e a r el e a k a g ep o i n t s n e g a t i v ep r e s s u r ew a v em e t l l o dc a nb eu s e dt om o r ep r e c i s e l yc o n f i m lt h e l e a k a 重r es t a t i o n 硕士学位论文 t 1 l ep a p e re s t a b l i s h e sas t m c t u r eo f1 0 c a t i n gt h el e a k a g en o d e s w h i c hi so fm eg u i d i n g s i 驴m c a n c e t 0p r a c t i c a lw o r k k e yw o r d s w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m l e a k a g e s 气d as y s t e m s i g n a lp r o c e s s i n g w 打e l e tt r a n s f b 咖 a n i f i c i a ln e u r a ln e 觚o r k 硕士学位论文 插图索引 图1 1 浴缸效应 2 图1 2 泄漏检测与定位方法 5 图2 1城市供水s c a d a 系统结构示意图 2 0 图3 1 模拟小型供水管网 2 5 图3 2 监测点布置选取的流程图 3 1 图4 1 频率固定信号石 f 3 4 图4 2 频率固定信号x f 的频谱 3 5 图4 3 非平稳信号x f 3 5 图4 4 非平稳信号x f 的频谱 3 6 图4 5 时间窗和频谱窗 3 7 图4 6 小波变换的粗略解释 3 9 图4 7 小波函数位移与伸缩 3 9 图4 8 小波函数的时一频分析特点 4 0 图4 9 三层小波的分解 4 5 图4 1 0 三层小波的重构 4 6 图4 1 1 软 硬阈值消噪结果的比较 5 0 图4 1 2 管网检测点的原始信号 5 1 图4 1 3 消噪后的重构信号 5 1 图4 1 4 信号奇异性检测的小波分解 5 2 图5 1 形式神经元模型 5 5 图5 2 常用的作用函数 5 5 图5 3 人工神经网络类型 5 6 图5 4 三层b p 神经网络的拓扑结构 6 0 图5 5b p 神经元 6 3 图5 6 单层b p 网络模型 6 3 图5 7 具有一个隐层的b p 网络 6 3 图5 8网络 数据管理器 n e t w o r k d a t am a n a g e r 6 6 图5 9 优化布置监测点后的模拟网络 6 6 图5 1 0 人工神经网络的训练曲线 7 3 图6 1 负压波法定位原理示意图 7 7 v 基于城市供水s c a d a 系统的管网泄漏检测及其定位研究 附表索引 表1 1 各种检测方法的性能对比 1 0 表3 1 管网的直径和长度 2 5 表3 2 管网正常运行情况下的自由水压 2 5 表4 1 小波 或小波系 的主要性质 4 3 表5 1b p 网络训练函数 6 5 表5 2 管网正常运行情况下的自由水压 6 7 表5 3 不同管段泄漏对各监测点水压的影响 泄漏量 0 0 2 m 3 s 6 9 表5 4 不同管段泄漏对各监测点水压的影响 泄漏量 0 0 0 5 m 3 s 7 0 表5 5 不同管段泄漏对各监测点影响的归一化处理 泄漏量 0 0 2 m 3 s 7 l 表5 6 不同管段泄漏对各监测点影响的归一化处理 泄漏量 o 0 0 5 m 3 s 7 2 表5 7 不同管段泄漏点距各监测点距离的归一化处理 7 3 表5 8 管网泄漏点预测结果 7 4 表6 1 不同温度下水的密度 k m 3 8 0 表6 2 不同温度下水的弹性系数七值 1 0 1 0 p a 8 1 表6 3 常用材料弹性模量e 和泊松系数 8 1 硕士学位论文 缩略词及符号说明 s u p e i s 0 r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n 数据采集与监视控制系统 g e o 掣a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m 地理信息系统 m a n a g e m e n ti n f o 加a t i o ns y s t e m 管理信息系统 d a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m 数据通信系统 r e m o v et e 咖i n a lu n i t 远程终端 p r o g r 锄m a b l el o 百cc o n 廿o u e f 可编程序逻辑控制器 i n f o 姗a 6 0 np r o c e s s i n gc e n t e r 信息处理中心 i u m a nm a c h i n ei i l t e r f a c e 人机界面 g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e 图形用户界面 f o u r i e r 仃a n s f o r i n 傅立叶变换 s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f 0 珊 短时傅立叶变换 w 打e l e t 仃如s f o 咖 小波变换 c b n t i n u o u s 7 i r a v e l e t 仃a 1 1 s f o 咖 连续小波变换 n e u r a ln e m o r kt o o l b o x 神经网络工具箱 x 雪 一眦 一弧m一 薹 一 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担 作者签名 系1 勉 日期 力活年f 月工2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密毗 请在以上相应方框内打 作者签名 孑0 牙乙 日期 m 孑年r 月儿日 导师签名 专钞埔 日期劫占年乡月池日 硕 学位论文 第1 章绪论 1 1 给水管网的漏失状况 由于供水管网的分布面广 距离长 材质要求高 因而它在给水系统中所占的投资 比例高 一般来说 给水管网占总投资的6 0 8 0 在投资决策中有着举足轻重的作用 据统计 2 0 0 4 年底全国7 5 m m 以上的给水管网总长度约为3 6 万公里 因而在输配水过程 中消耗大量的能量 供水企业的能耗9 0 用于一 二级泵站水力提升 这部分能耗占制 水成本的3 0 4 0 输配水系统中水的漏失 不仅增加了水处理方面的费用 而且还额外地增大了管网 及其构筑物的投资和运行费用 同时 水是都市生活及工业生产不可或缺的重要资源 随着社会的快速发展 水的供需矛盾日益突出 且供水的有效性是衡量一个供水企业管 理水平的关键要素 因此解决供水管网的漏水问题 切实减低供水企业产销差 保护水 资源己迫在眉睫 随着管线的增多 管龄的增长 由于施工缺陷和腐蚀等问题以及人为破坏的存在 管道事故频频发生 给人民的生命财产和生存环境造成了巨大的威胁 世界上管道工业 史大量的数据表明 管道同世界上其他事物一样 事故的发生都有称为 浴缸效应 的 一般规律 图1 1 的 浴缸效应 事故概率曲线表明 在整个管道寿命区内都有事故发生 事 故发生的概率可分为三个阶段 管道在运行第一阶段 初生期 和第三阶段 衰老期 事故发生的概率较高 第二阶段 稳定期 事故发生的概率较低 其原因是 初生期管 道在材质 防腐层 焊口等方面存在着未被检查发现的缺陷或由于铺管作业中造成的管 体损伤 以及由于管道周围的环境仍未达到稳定造成的事故 另外人为破坏及操作失误 也是重要的原因 因而失效率较高 但随着时间的延续 失效率逐渐降低 在稳定期 由于管道周围环境趋于稳定 在初期造成事故的管道本身的一些缺陷也通过维修得到了 弥补 事故率比初生期显著降低 管道处于平稳运行期 因此这一时期影响事故率的主 要因素是人为破坏或操作失误等 在管道运行的衰老期 由于腐蚀磨损 管道趋于老化 事故率上升 经过检测和维修的管道 低事故率部分能显著加宽 管道运行寿命延长 每条管线 由于设计水平 施工质量 介质腐蚀性 维护条件以及安全管理水平的差异 各自的浴 盆曲线也有所不同 但总的规律是相同的 老管道将不可避免地恶化或达到设计寿命极 限 基于城市供水s c a d a 系统的管网泄漏检测及其定位研究 情即 校 球 l 二至生一 三二生 生 一 时间 t 卜 o 1 叫 1 1 图1 1 浴缸效应 统计资料表明 目前世界上供水管网的5 0 已经使用了3 0 年甚至更长时间 2 l 由 于腐蚀 意外损坏等原因 管道事故发生的概率增大 泄漏事故时有发生 此问题在任 何国家都必须面对 而且会日趋严重 据统计 1 9 9 7 年德国供水系统中 进入输配水系统的水量为5 6 6 亿立方米 实际 销售4 9 6 5 亿立方米 自用水3 亿立方米 实际水量流失3 9 4 亿立方米 如以进入输配 水系统的水量为基数 则全德国实际平均漏失率为6 9 6 英国最古老的西北水务的统计数据显示 其日均供水量约为2 3 0 万立方米 向6 8 0 万户用户供水 而供水管网长度约达4 万公里 在9 6 年4 月到9 7 年3 月期间 共修漏 l 万5 千处 如把用户宅基管计算在内 则超过5 万6 千处 约有1 8 0 名员工从事检漏 工作 每周3 0 0 人次从事修漏工作 通过每年约7 0 0 公里的用塑料管代替维多利亚时代 的铸铁管及建立1 5 5 0 个计量区域 漏水水平呈现显著下降趋势 9 2 9 3 年度漏失水量为 9 4 8 万立方米 日 9 3 9 4 年度为8 9 9 万立方米 日 9 4 9 5 年度为8 7 7 万立方米 日 9 5 9 6 年度为7 8 9 万立方米 日 9 6 9 7 年度为6 6 6 万立方米 日 同样在英国 作为英格兰和威尔士最大的a n g i i a n 水务公司 其日供水量达到1 2 1 万立方米 而管网长度达到3 5 万公里 它的漏失水平是英国最低的 9 5 9 6 年度的漏 失率为2 1 3 目前的漏失水平控制在5 8 立方米 公里 日 而英国十大水务公司的均 值为1 1 2 立方米 公里 日 目前日内瓦的漏失率则仅为5 我国自1 8 9 7 年旅顺建成第一个供水设施 已有1 0 0 多年的历史 各地供水企业在 技术管理上积累了丰富的经验 改革开放以来 各地水司重视运用先进管理手段 加大 对管网管理投入 在提高供水效率上取得显著的成效 但由于城市基础设施欠账太多 供水设备的更新 技术水平提高缓慢 加之管理体制落后于不断发展的形势 使管网漏 损率均未达到 城市供水2 0 0 0 年技术进步发展规划 所规定的目标 大多数城市供水 漏失率多在2 5 3 0 与发达国家比较还有很大的差距 多年来 各地水司以管线事故 2 硕士学位论文 抢修为主 漏水调查为辅 多数单位管线处于被动检漏状况 效果不好 随着国内市场 环境的改善 国家有关用水节水政策措施的颁布 漏损控制逐步受到各水司的重视 相 继引进了不少先进的漏水检测设备 如美国 日本 英国 德国等国家的听漏仪 相关 检漏仪 探地雷达等 各大中型水司根据实际情况也成立了相应的检漏队伍 取得了一 定的效果 根据全国5 0 9 个城市的供水企业情况调查 供水管网平均漏失率 约在9 7 9 其 中8 以下是1 9 2 个 占3 7 7 2 8 1 0 是9 5 个 占1 8 6 6 1 0 以上是2 2 2 个 占4 3 6 2 在2 9 个省 市 中 有1 6 个省 市 漏失率超过8 占5 5 1 7 在4 个直辖市和2 5 个省会城市中 有1 4 个超过8 占4 8 3 由此可见 全国的供水企 业漏失率超过8 的城市有3 1 7 个 占6 2 2 8 在具有一定规模和管理水平的城市中 已有一半企业的漏失率超过国家标准 8 以下 日损失水量可达几百亿m 3 这是一个 惊人的数字 为此 必须加大对供水企业的管理力度 提高对漏损水量管理必要性和迫 切性的认识 使有效的 可利用的水资源得以充分的利用 随着经济的快速发展 我国必将成为一个管道大国 对管道泄漏检测系统的要求也 日益迫切 因而利用自动检测技术 研制开发一种适合我国管道现状的泄漏检测与定位 系统 对于促进我国经济发展 提高安全生产效率将具有重要意义 1 2 管道泄漏检测与定位方法的基本原理与性能分析 1 2 1 管道泄漏检测与定位系统的性能指标 一个高效可靠的管道泄漏检测与定位系统 必须在微小的泄漏发生时 在最短的时 间内 正确地报警 准确地指出泄漏位置 并较好地估计出泄漏量 而且对工况变化适 应性要强 也即泄漏检测与定位系统误报率 漏报率低 鲁棒性强 当然还应便于维护 目前国际上公认的管道泄漏检测与定位系统的性能指标1 3 归结起来可分为 1 灵敏性 1 e a l s e n s i t i v i t r 对微小泄漏量的敏感程度 2 定位精确 1 0 c a t i o na c c u r a c y 检测出的泄漏位置与实际泄漏位置的差异 3 响应时间 r e s p o n t i m e 从泄漏发生到被检测出并进行报警的时间间隔 4 误报率 f a l s ea l a 肌r a t e 由于工况变化等原因在未发生泄漏时而产生报警的 机率 5 评估能力 1 e a ke s t i m a t ec a p a b i l i t y 对泄漏量的准确估计能力 6 适应能力 o p e r a 如n a lc h a l l g e 对管道运行条件变化的适应性 7 有效性 a v a i l a b i l i t y 连续检测管道泄漏的能力 8 维护要求 m a 洫t e n 柚c er e q u i r e m e n t 系统使用和维护的简易性 9 费用 c o s t 固定投资及运行费用 3 基于城市供水s c a d a 系统的管网泄龋检测及其定位研究 1 2 2 管道泄漏检测与定位方法 由于管道泄漏检测与定位技术是多科学知识的综合 其检测手段差别很大 现有的 管道泄漏检测与定位的方法很多 其分类方法也很多 到目前为止 还没有一个统一的 分类方法 根据近十几年来国内外相关资料 比较公认的分类方法大致有四类 1 根据检测过程中所使用的测量手段不同 分为基于硬件和软件的方法 3 1 基于 硬件的方法 h a r d w a r e b a s e dm e t h o d s 利用由各种不同的物理原理设计的硬件装置 如 基于视觉的红外线温度传感器 基于听觉的超声波传感器 基于嗅觉的碳氧检测装置等 将其携带或铺设在管道线上 依次来检测管道的泄漏并定位 基于软件的方法 s o f 细a r e b a s e dm e t h o d s 则是根据计算机数据采集系统 如s q 蛾 系统 实时采集管道的流 量 压力 温度及其他数据 利用流量或压力的变化 物料或动量平衡 系统动态模型 压力梯度等原理 通过软件计算对泄漏进行检测和定位 2 根据测量分析的媒介不同可分为直接检测法与间接检测法 直接检测法是指 直接用测量装置对管线周围的介质进行测量 判断有无泄漏产生 间接检测法是指根据 泄漏引起的管道流量 压力等参数及声 光 电等方面变化进行泄漏检测 3 根据检测过程中检测装置所处位置不同可分为内部检测法与外部检测法 4 内 部检测法是指将检测装置置于管道内部 或行走或固定 通过测量管道的内部状况进行 泄漏的检测 外部检测法是指在管道外通过铺设敏感介质或暗装传感器等各种方法所进 行的泄漏检测 4 根据检测对象的不同可分为检测管壁状况和检测内部流体状态的方法 管壁 状况监测法是指直接用各种装置检测管壁是否有破损 以此进行泄漏检测与定位 内部 流体状况检测法是指将实时采集到的管线流体的压力 流量等信号进行分析处理 从而 确定是否有泄漏发生并定位 1 3 国内外管道泄漏检测技术发展状况 随着管道在国民经济中所处地位的不断加强 管道的安全运行受到了越来越高的重 视 作为管道运行监控重要组成部分的泄漏检测技术一直在不断发展中 由于管道泄漏 检测技术是多领域多学科知识的综合 目前已有多种管道泄漏检测方法 在检测方式和 技术手段方面差别较大 从最简单的人工分段沿管道巡检到复杂的软硬件相结合的实时 模型方法 甚至利用飞机或卫星遥感检测大范围管网等 5 1 早期的泄漏检测方法偏重于硬件方法 如磁力探伤法 管内探测球法 分段试压法 等 由于计算机技术在各个领域的应用以及现代控制理论的发展 近年来逐步发展起了 以软件为主 软硬件相结合的检漏新方法 如负压力波法 基于参数估计的方法 互相 关法 频率响应法等 4 坝士字位诧又 结合目前国内外惯用的方法 笔者根据近十几年来检测与定位方法的侧重点与介质 不同 按基于硬件和软件的分类方法 对其做一简要的介绍 见图1 2 潴滋锻溺2 j 宠侮惠渗薯i 一 一 赫 i i 搿虢t 两 赫尊i 女 黼 菇磊燃 睡 二馒释舔 霪壤鬟簦弘辍纷翰露毖麓 撬 泷箍疆磊蕊灞 二 一 巍 i 鑫 亥t 锄纛渤滋 圈圈 羞圈 图1 2 泄漏检测与定位方法 1 3 1 基于硬件的方法 基于硬件的方法主要有人工巡检法 便携式仪器仪表 铺设高聚物电缆 管内检测 器等 但由于这些方法或实时性差 或不能连续检测 或投资费用高 或影响物料正常 运输等 自身均存在较大的缺陷 随着计算机软硬件技术的发展 基于硬件的方法已不再是主流的检测技术 而基于 信息冗余的实时数据采集软件检测技术显示出良好的发展势头 基于此本文将重点介绍 基于软件的方法 并结合以上列出的性能指标对各种方法进行比较 1 3 2 基于软件的方法 8 0 年代以来 随着计算机 信号处理 模式识别等技术的迅速发展 基于s a 6 酬l s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n 系统的实时数据采集的泄漏检测技术受到了 人们越来越多的关注 并逐渐发展为检漏技术的主流和趋势 这类方法只要是对实时采 集的温度 流量 压力等信号进行实时分析和处理 以此来检测泄漏并定位 根据对信 号处理的方式不同 我们将其分为三类 基于残差分析的方法 基于信号分析的方法及 基于人工智能的方法 蚕躺o 隅叠 r u l f 女 a l lrl翘筵 警 藏蠖覆懋翳瀚缓强弱雹 丁 浔璃翟濯鋈图舞鎏阌 盈rl 0 0iiiifihh wn融灞缓叠习麓盛 基于城市供水s c a d a 系统的管网泄漏检测及其定位研究 1 3 2 1 基于残差分析的方法 该方法的基本思想是将含有一定泄漏信息的测量值与无泄漏状态下反应实际操作 的参考值进行对比 二者的残差即为分析泄漏存在与否的依据 由于该类方法大都需要 建立管线的数学模型 故有时也称为基于模型的方法 根据对残差分析方法的不同 又 可以分为以下几种 1 相关分析法 相关技术的实质是在时延域中考察两个信号的相似性 包括自相关和互相关两个内 容 流体管道一般为弹性体 当其发生泄漏时 受压力喷射而诱发弹性波 分析其相关 函数 利用相关时延技术即可判断是否发生泄漏及泄漏的位置 文献f 6 1 对此进行了详细 阐述 文献f 7 1 f 8 1 提出了采用互相关分析技术 通过对阀门输入信号与传感器接收信 号的比较 对管道系统的各种状态如阻塞 阀门开关等进行辨识 并对故障发生位置进 行定位 虽然论文中并未提到对泄漏状态的辨识 但它对区分正常操作 如水泵的启停 阀门的开闭 与泄漏状态的差别有很大的借鉴意义 该方法可以用单传感器进行监测 从而减少了设备成本 降低了安装和维护费用 2 频率响应法 该方法是将管道系统的模型转换到频域来进行管道泄漏检测和定位分析的 它利用 状态转移矩阵 将整个系统分为三部分 并分别由三个矩阵表示 利用稳定振动原理及 转移矩阵分析的方法 对泄漏进行检测并定位 文献 9 1 通过对单一管道系统的单点及多 点泄漏 串联管道 并联管道 分支管道等不同类型的管道系统的仿真实验 证明了该 方法的广泛适用性 该方法相比于时域分析 具有节约计算时间 提高检测速度的优点 3 状态估计法 为了能够使泄漏信息不致随时间而消失 并能够检测出工作条件差异很大的管道泄 漏 l b i l l m a n 和r i s e 咖锄 1 9 8 8 年 提出采用非线性模型的非线性状态观测器的 方法 a b e n l 1 1 e r o u f 1 9 8 8 年 提出卡尔曼滤波器方法i l o l 状态估计法是将被检测的管道分为n 1 段 并设每个分段点上有三个状态 压力 流量和泄漏量 建立包括泄漏在内的管线的动态数学模型 利用扩展的k a l m a n 滤波器 对系统进行状态估计 由估计到的泄漏量及对应点的位置进行泄漏的检测与定位 1 1 为 简化计算 提高系统响应速度 同时又不失该方法的有效性 文献 1 2 1 提出了一种基于 修正的扩展卡尔曼滤波器 m o d i f i e de x t e n d e dk a l m a n 蠡l t e r 的非线性多模型的状态估计 方法 文章采用4 个滤波器模型 每一个分别是对管道泄漏位置的不同估计 与泄漏条 件最相匹配的即为真实的系统响应 仿真实验表明 该方法能在较短的时间内有效的检 测并分离出微小泄漏 文献f 1 3 1 1 9 8 8 年 研究了基于状态估计的观测器的方法 并对开环观测和闭环观 测方法进行了探讨 实验只在常温水管道上进行了仿真模拟 文献 1 1 1 1 9 9 0 年 提出了采用时变噪声估计器的推广k a l m 姐滤波方法 对管道 6 硕士学位论文 的状态进行估计 并提出了一定的诊断机制 1 3 2 2 基于信号分析的方法 该方法是对直接采集的流量 压力等信号进行实时分析辨识 来获取故障信息 从 而判断是否发生泄漏及泄漏的位置 1 流量平衡法 这是一种较早的检漏方法 根据质量守恒定理 其原理是 一 绒破一 上既出刎 1 1 其中 瓯为分支管道的输入流量 既为分支管道的输出流量 饼为在幻 f 时间段 内管内液体质量 当无泄漏时 访 0 发生泄漏时 访 o 其数值即为泄漏量 该 方法原理简单 易于实现 但它的假设前提是管道处于稳态工况 而流体受压缩性质的 影响 实际的管道系统并非如此 故常产生误报警现象 并且该方法最大的缺点是不能 对泄漏点进行定位 故此方法目前已经很少单独使用 2 压力梯度法 t 0 s h i of u l u d a 1 9 7 9 年 提出了一种基于压力梯度时间序列分析的管道泄漏检测方 法 1 4 1 该方法通过自回归模型对变化的管道压力梯度序列使用统计的方法进行分析 用 以检测出管道的泄漏 此种方法建立起包含管道和流体模型的回归模型 对于仪表精度 要求不很高 但是这种方法的模型可能会受到工况条件的影响偏离管道实际状态 而且 对管道动态变化敏感 抗干扰能力较差 其原理是正常运行时站间管道的压力波降呈斜直线 发生泄漏时 漏点前的流量增 大 压力降变快 漏点后的流量变小 压力降变慢 坡度变平 整个沿线的压力波降成 折线状 折线交点即为泄漏点 该方法是假设压力沿管道线性分布的 这对于等温管道 或介质特性随温度变化较小的管道是适合的 但对于介质参数随温度变化很大的管道系 统 该方法存在很大的定位误差 有时甚至是不成立的 基于此 文献f 1 5 1 提出了一种 基于管道水力平衡的管道泄漏定位方法 并给出了非线性压力梯度用于非等温管道泄漏 定位的有关算法 在一定程度上提高了检测精度 该方法由于只需要在管道两端安装压 力测点 简单直观 但它受到仪表精度 工况扰动的影响比较大 同时改进算法的提出 增加了计算量 降低了系统的实时性 3 负压波法 文献 1 6 1 9 9 2 年 提出负压波法用于管道的泄漏检测 该方法原理简单 无需建 立管线的数学模型 适用性很强 但它要求泄漏的发生是快速的突发性的 对微小的缓 变泄漏还需采取其他的辅助措施 负压波法的原理是发生泄漏时在泄漏处会引起压力突降 形成一个负压波 该波以 一定的波速向管道两端传播 安装在两端的压力传感器根据检测到的压力变化即可判断 7 幂于城市供水s c a d a 系统的管网泄漏柃测及更定位研究 是否发生泄漏 并根据接受到该波的时间差及波在介质中的传播速度就可以进行定位 其定位公式如下 4 戈一三弛 心 1 2 其中 为站间管道长度 m z 为泄漏点距上端站点的距离 m v 为管道传输介质 中压力波的传播速度 灿 加为上下游传感器接受到压力波的时间差 s 该方法灵敏准确 无需建立管线的数学模型 原理简单 适应性很强 但它要求泄 漏的发生是快速突发性的 对微小缓慢泄漏不是很有效 该方法存在以下几个问题 负压波的传播速度 并非常数 它与管壁的弹性 液体的压缩性 管道的摩擦系数等因 素有关 由于噪声的影响 仅仅使用压力传感器很难精确的检测到负压波的突降点 即波的时间差出的计算精度还有待于提高 由于输水管道系统工况复杂 正常的操作 如泵的启停 阀门的调节都会引起负压波 因此 能否正确识别出这两种情况下的负压 波 对降低误报率 提高系统的诊断精度有重要意义 对于前两个问题 有研究表明 压力波的传播速度受液体的弹性 密度 管材弹性等因素的影响 是一个变化的物理量 提出了改进的算法 同时指出利用小波变换技术提取瞬态负压波的信号边缘 并对两端 的测点信号进行特征点的捕捉 获得了较好的效果 对于第三个问题 国外有研究提出 在管道两端各安装两个传感器 通过判定负压波的传播方向来判定泄漏 依据对不同波 形的机理分析 文献f 1 7 1 将小波变换用于检测泄漏引发的压力突降点并对其进行消噪 提高了 f 的精度和对微小泄漏的灵敏度 针对负压波法自身存在的一些问题 天津大学一科研小组分别采用模式识别 小波 分析等技术对此进行了很大程度的改进 1 9 9 7 年 1 9 9 8 年 1 4 1 8 1 9 1 4 小波变换法 i 仃l e s s 2 0 0 1 年 提出采用频域分析的频域响应法 9 其基本思想是将管道系统的 模型转换到频域进行泄漏检测和定位分析 通过对单一管道系统的单点及多点泄漏 串 联管道 并联管道 分支管道等不同类型的管道系统的仿真实验 证明了该方法的广泛 适用性 该方法相比于时域分析 具有节约计算时间 提高检测速度的优点 由于在由时域向频域转换的过程中一些有用的信息会丢失 为避免这一缺陷 m a r c 0 f e r r 孤t e 2 0 0 3 年 提出了采用小波分析的方法i 冽 利用小波技术对管道的压力信号进 行奇异性分析 由此来检测泄漏 小波变换即小波分析是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来新的数学理论和方法 被称为 数学分析的 显微镜 是一种良好的时频分析工具 文献f 2 1 1 介绍了小波分析在故障诊 断中的应用 指出利用小波分析可以检测信号的突变 去噪 提取系统波形特征 提取 故障特征进行故障分类和识别等 因此 可以利用小波变换技术对其进行消噪并检测泄 漏引发的压力突降点 以此检测泄漏并提高检测的精度 文献 1 7 就这两点进行了较为 详细的论述 小波变换的优点是不需要管线的数学模型 对输入信号的要求较低 计算 8 硕士学位论文 量也不大 可以进行在线实时泄漏检测 克服噪声能力强 是一种很有前途的泄漏检测 方法 但应注意 此方法很难区别信号的突变点是由工况变换引起的还是由泄漏所引起 的 故易于产生误报警 1 3 2 3 基于人工智能的方法 随着智能技术的发展 神经网络 模式识别等技术在管道泄漏检测中展现出良好的 发展前景 目前主要有以下几种方法 1 统计分析与模式识别法 此方法 3 勉 2 3 l 是由荷兰壳牌 s h e l l 公司研制的管道泄漏检测系统筒 m o s p 口e 软 件 已在多种管道上进行了实验并取得了良好的效果 它的原理是通过对管道发生泄漏 时产生的压力和流量间的变化关系进行分析 采用序列概率比 s p t r 和模式识别的 方法 构造两种模态的假设检验 通过统计分析技术对实测的压力 流量问的这种变化 进行分析 以此来检测泄漏 并采用最小二乘法对泄漏进行定位 该方法特点是不需要 复杂的数学模型 可连续进行检测 并且具有记忆功能 适应性强 误报率低 检测精 度高 灵敏 能检测出0 5 的微小泄漏 且安装方便 简单易于维护 尤其对已具备 计算机监控系统的管道运输系统 采用该技术对其进行嵌入所需要投入较小 2 基于神经网络和模式识别的方法 由于管道泄漏时未知因素很多 采用常规的数学模型存在一定的差异 而人工神经 网络具有逼近任意非线性函数和从样本学习的能力 故在管道泄漏检测中受到了越来越 高的重视 文献 1 8 1 f 2 4 1 提出了管道系统泄漏后形成多相端射流所引发的应力波信号构 造神经网络的输入矩阵 建立对管道运行状况进行分类的神经网络模型 并提出以波峰 波谷 水平线等模式基元抽取负压波波形特征 采用上下文无关文法对管道负压波进行 描述 进而建立了管道负压波波形结构模式的分类系统 用于区别管道正常状态和泄漏 状态 该方法的优点是能较为准确的预报管道的运行状况 适用于恶劣环境中对管道进 行连续在线监测 它还可以根据环境的变化及误报警自动纠正更新网络参数 但它的缺 点是不能进行定位 文献f 2 5 1 提出将管道运行条件及泄漏信息作为输入 分别建立了用 于检漏和定位的两套神经网络 其优点是抗噪声干扰能力强 灵敏 检测精度高 能检 测到1 的微小泄漏 且保持很低的误报警率 但该技术在定位时只能定位到段 而不 能进行更精确的定位 结合前面所给出的9 项性能指标 我们对以上介绍的各种方法进行了比较 如表1 1 所示 可以看出每种方法都有其优点和弊端 单纯地使用某一种方法将很难达到令人满 意的检测与定位性能指标 良好的检漏系统应是各种方法的综合与集成 同时 随着计 算机 信号处理 人工智能等技术的不断发展 基于信息的实时数据采集与处理软件的 泄漏检测与定位技术将是今后研究的热点和发展趋势 9 基于城市供水s c a d a 系统的管网亍 i 漏柃测及其定位研究 表1 1 各种检测方法的性能对比 灵敏性定位精度响应时间误报率评估能力适应能力有效性维护要求费用 1 4 课题的背景及研究内容 1 4 1 课题的背景 近些年来 s a 蛾 系统已经在我国大中城市给水系统得到了越来越广泛的应用 它可以对给水管网一些节点的水压和流量进行自动检测 并采用无线传送的方式实时将 水压和流量信号传回控制中心 以此来监控整个给水系统的工作状况 但是由于监测点 数目有限 同时缺乏有效的故障诊断方法 且供水管网大都分布在城市的大街小巷 s g 峨 系统的数据采集十分有限且含有很高的噪声 对于供水管道的泄漏检测产生了 很大的干扰 仅凭调度人员的经验根据s a 蛾气数据无法辨识管网是否发生泄漏 更难 以及时找出漏损的具体位置 本课题为湖南省科技攻关项目 0 7 s k 4 0 4 4 供水管网漏损关键技术及其应用研究 的子项目 就是在城市供水s a 峨 系统的基础上 对系统所采集的实时数据进行消噪 处理 还原数据的真实性 并建立管网泄漏模型来实现管网泄漏点的定位 在实际工程中 通过对供水管网中泄漏的控制 能够显著减少管网中由于漏损而造 成的大量水资源的浪费 对于中国这样一个具有十几亿人口的泱泱大国来说 无疑是具 有巨大的经济效益和社会效益 1 4 2 课题的研究内容 本课题研究的目的是 希望通过供水s g 蛾 系统收集回来的管网数据 监测管网 的运行情况 并在管网发生泄漏的情况下 能够及时的检测并确定出泄漏的位置 具体 1 0 硕十学位论文 研究内容如下 1 城市供水s a a 系统水压监测点的优化选址 由于实际中供水管网的规模一般都较大 在设置s o 蛾 系统监测点的时候必须做 到管网中每条管段的运行状态都能够被有效的监测 因此本文首先通过对模糊聚类方法 的学习 提出利用模糊聚类法确定管网中的水压监测点 实现s a 蛾 系统对整个管网 的有效监测 2 基于小波分析的城市供水s a 址 a 系统的信号消噪 由前面的介绍我们知道