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北京化工大学毕业设计 文献综述 1 文献综述文献综述 基于基于 SPRT 序贯概率比 的天然气管道泄漏检测 序贯概率比 的天然气管道泄漏检测 班级 测控 0303 学号 200342081 姓名 苟武侯 指导老师 王建林 摘要 摘要 基于序贯概率比检测 SPRT 的泄漏检测方法 不需要建立复杂的管道模 型 所需计算量相对于一般的基于软件的系统少的多 适用于液体 气体管道的 传输 能够适应多种方案的转换 并且安装和维护的费用相对常规的系统要低 基于 SPRT 的泄漏检测方法具有很广的应用前景 关键词 关键词 序贯概率比检测 SPRT 管道 泄漏检测 Abstract The gas leak detection system based on Sequential Probability Ratio Test SPRT does not need complicated pipeline model and the computational requirement is much lower than for software based systems The system is able to be applied to both gas and liquid pipelines it is also able to adapt to a variety of program conversion The installation and maintenance costs of the system are lower than conventional systems Keyword Sequential Probability Ratio Test SPRT Pipeline Leak detection 引言引言 使用管道运输流体是一种常见的运输方式 具有高效 经济 便于管理等多 项优点 因此在石油 天然气以及其他燃气运输中占有重要的地位 但是由于管 道设备老化 地理和气候条件的影响以及人为破坏等原因经常会造成泄漏事故的 发生 输气管道一旦泄漏 不仅会带来经济损失和环境污染 还会发生火灾和爆 炸 造成人员伤亡事故 因此对输气管道进行泄漏检测并对泄漏点进行定位 保 障其安全性和可靠性是十分必要的 使用序贯概率比检测 SPRT 的方法分析测量值 连续计算发生泄漏的概率 并利用最小二乘法进行泄漏点定位 该方法不需建立复杂的数学模型 计算量较 小 较好地解决实时模型法的误报 另外 还具有在线学习能力 可以适应管道 参数的变化 北京化工大学毕业设计 文献综述 2 1 管道研究历史及管道研究历史及 SPRT 方法方法 国外从 20 世纪 70 年代末开始对油气长输管道泄漏检测技术进行研究 到 80 年代末 相关的检测技术和设备已商品化 经过几十年时间的发展 管道泄漏检 测技术得到了充分地发展和完善 1 2 蔡正敏等 3 概述了管道泄漏的部位 主要分为为法兰泄漏 螺纹连接部位 泄漏填料连接部位泄漏 这些泄漏一般由安装 化学腐蚀 地壳结构变化 外力 影响造成的 管道的泄漏现象 分为定常流情况和非定常流情况 定常流情况 泄漏发生 时 管道进口处的流量有所增大 而出口处的流量减小 进出口处的压力相对减 小 但进出口处的压力差仍保持不变 而非定常流情况 由于受到管道距离以及 流速等其他原因的影响 管道进出口流量和压力的变化之间有一个时间滞后 这 个滞后时间是一个变化的值 它受到流速等因素的影响 在管道泄漏情况下 进 出口处的流量变化比较复杂在对非定常流进行监测时 构造一个 相对静态过程 即利用质量守恒原理 对进出口流量的差这个相对量 均衡流量 进行监测 此 时 必须考虑选取适当的相对滞后时间 4 泄漏检测的性能指标 分为性能检测指标 诊断性能指标 综合性能指标 性能检测指标包括泄漏检测的灵敏度 泄漏检测的及时性和泄漏的误报率和漏报 率 诊断性能指标包括正常工序操作和泄漏的分离能力和泄漏辨识的准确性 综 合性能指标包括鲁棒性和自适应能力 5 天然气管道检测技术可按照直接和间接的方法进行分类 也可以按硬件和软 件的方法进行分类 基于统计方法 SPRT 的天然气管道检验 有别于常规的基于 软件的检测系统 具有误报率低 计算量小 安装维护费用低等特点 具有很广 的应用前景 6 8 序贯概率比检验 Sequential Probability Ratio Test 即 SPRT 以下均简称 SPRT 是 Wald 在上世纪四十年代发展起来的 并总结在他的著作 Sequential Analysis J Whily 1947 中 9 SPRT 是相对固定样本大小的概率统计而提出的 它的采样样本数并不固定 设是随机变量的分布 若为连续型 则表示的密度函数 xfxx xfx 若为离散型 则表示取值的概率密度 是分布的未知参数 按预备假x xfx 设来检验零假设 于是 在成立时 的分布为 11 H 00 H 00 Hx 北京化工大学毕业设计 文献综述 3 而在成立时 的分布为 另外 用 来表示 0 xf 11 Hx 1 xf 21 xx 的观测值 那么 对于任何正整数 m 对立子样 的联合概率为 x 21 xx m x 1 当成立时 1 H 112111 mm xfxfxfP 2 当成立时 0 H 002010 mm xfxfxfP 按被选假设来检验零假设的序贯概率比检验是 11 H 00 H 1 如果比值满足 mm PP 01 1 BPP mm 01 则按被选假设来检验零假设 11 H 00 H 2 如果比值满足 mm PP 01 2 APP mm 01 则拒绝假设 而接受假设 00 H 11 H 3 如果比值满足 mm PP 01 3 APPB mm 01 则继续抽取第 m 1 个样本 并计算比值 而后重新检查是否满足 10 1 1 mm PP 1 或 2 或 3 如果满足 1 或 2 则实验终止 并作出接受或拒绝零 假设的决定 如拒绝 就接受 如果仍然是满足 3 就继续抽 00 H 0 H 1 H 取第 m 2 个子样 直至做出最终的决定为止 公式中 A B 由下列关系决定 1 1 BA 4 这里分别为第一种错误的概率和第二种错误的概率 文献 10 着重讲了具有已知方差的正态总体均值的序贯概率比检验 正态总 体方差假设的序贯概率比检验 提供了类似高斯分布的信号的判断方法 文献 11 介绍了 SPRT 的性质并结合一个经济性的例子说明了向管道性质 北京化工大学毕业设计 文献综述 4 详细描述了 SPRT 的效率问题 通过这两本书的介绍 对 SPRT 统计方法的概念 和应用有了初步了了解 2 SPRT 方法应用现状方法应用现状 基于 SPRT 的管道泄漏检测方法一般利用管道两端的流量和压力信号来对进 行向管道判断 比较单一的检测技术 大大缩短了泄漏检测的时间 崔谦等 12 利用卡尔曼滤波器对检测到的信号进行预处理 使信号近似为高斯 分布 然后利用序贯概率比检测法判断泄漏 现场实验表明 泄漏量大于总流量 的 0 5 时 SPRT 法检测时间较短 误报警较少 得出结论是 SPRT 法特别适合 于微小泄漏的检测 但要求泄漏时间足够长和使用精度较高的仪表 李炜等 13 首先分析了输油气管道的压力信号中掺杂有大量的噪声 常常引起 误报警 定位精度差等不良结果 其次提出应用序贯概率比检测 SPRT 的方法 对泄漏进行检测 并指出 SPRT 的最大优势在于可以使采样次数大大减少 同时 给出了具体的基于 SPRT 的方法 最后 通过实验证明 相对常规的基于硬件和 软件的检测系统 序贯概率比检测可以使检测时间缩短 50S Xue Jun Zhang 14 首先提出了 SPRT 的数学模型 其次描述了基于 SPRT 的泄 漏检测方法在两条丙烯管道 两条乙烯管道和一条多输入口多输出口的含硫气体 管道的实际应用 比较常规的基于软件的系统 突出了基于 SPRT 的泄漏检测方 法所需误报率低 计算量小 安装维护简单且费用低 适应性强的特点 3 结论结论 统计方法 SPRT 应用于管道检测中 可以大大的缩短检测的时间 同时并不 需要建立复杂的管道模型 同时能够保持很低的误报率 特别当频繁的阀门开关 动作频繁时 能够很好的区分而不产生误报 SPRT 检测面临的问题是 如何判断由于检测仪器的不准确引起的误报以及如 何缩短检测时间 SPRT 与信号处理技术等其他的技术结合 对于检测的综合性能 会有很大的提高 将在以后的管道泄漏检测中扮演很重要的角色 参考文献参考文献 1 杨杰 王桂增 输气管道泄漏诊断技术综述 J 化工自动化及仪表 2004 31 3 1 5 北京化工大学毕业设计 文献综述 5 2 袁朝庆 庞鑫峰 刘燕 管道泄漏检测技术现状及展望 J 大庆石油学院学 报 2006 30 2 6 79 3 蔡正敏 彭飞 易发新 等 长输管道泄漏故障诊断方法的研究 J 应用力 学学报 2002 19 2 38 43 4 王占山 陈钢 冯健 等 长输管道泄漏检测和定位技术 J 沈阳工业学院 学报 2003 22 2 32 36 5 杨向莲 天然气管道泄漏检测技术评价及预防措施 J 能源技术 2005 26 6 248 250 6 K HWANG S MANDAYAM S S UDPA L UDPA W LORD M ATZAL Charact erization of gas pipeline inspection signals using wavelet basis function neural networks J NDT E International 2000 33 531 545 7 YAQING TU DONGQIANG QIU AND DU ZHANG A revised statistical deduction approach to pipeline leak detection R Instrumentation and Measurement Technology Conference 2003 1639 1642 8 YUMEI WEN PING LI JIN YANG and ZHANGMIN ZHOU Adaptive leak detection and location in underground buried pipelines J International Journal of Information Acquisition 2004 269 277 9 H WALD AND J WOLFOWITZ Optimum character of the sequential probability ratio test Ann Math Statist M 19 326 329 10 利人 统计推断理论基础及其应用 M 北京 群众出版社 1982 324 341 11 李爱英 王凯全 邵辉 管道泄漏监测技术及其研究进展 J 江苏石油化工学院 学报 2002 14 4 14 17