3.2.1 小波变换信号处理
以表1中第3次测试中门站3采集的次声波信号时域特征与频域特征(图4)为例,开展小波变换信号处理分析。受管道沿线干扰、监测管段距离较长及开关阀门模拟泄漏信号操作方式等因素影响,对比图2中的实验结果可见,图4a的RSN明显降低,因此选择合适的信号处理技术增强信噪比尤为必要。
图4 某成品油管道门站3第3次泄漏次声波信号时域特征与频域特征图Fig. 4 Time-domain and frequency-domain characteristics of infrasound signals in the 3rd round of leakage at gate station 3 of a product oil pipeline
计算不同分解层数下不同小波基函数的处理结果,可以确定合适的小波基函数与分解层数。为方便计算与展示,将图4a信号幅值均缩小10 000倍,由式(4)、式(5)分别计算得到RSN、ERM(S 图5)。由图5可见,在相同的分解层数下,不同小波基计算所得的ERMS相差不大,但经db2与sym2小波基降噪后信号的RSN表现出明显优势。因此,针对此类信号,通过db2或sym2小波基进行降噪可以得到较为理想的效果,且二者的降噪效果基本一致。选择sym2小波基进一步确定合适的分解层数,可见随着分解层数增加,RSN、ERMS均表现出增大趋势。在8层分解之后,继续增加分解层数对RSN的提升并不显著,但对计算资源的需求会明显增大。因此,最终选择使用sym2小波基的8层分解对成品油管道泄漏次声波信号进行处理。与原始信号的信噪比RSN=22.71相比,处理后的信号信噪比增幅为32.86%,泄漏特征更加明显。由小波变换降噪前、后的信号对比(图6)可见,在保留泄漏特征的前提下,背景噪声幅值大幅度降低。
图5 不同小波基与分解层数下某成品油管道泄漏次声波信号RSN、ERMS计算结果对比图Fig. 5 Comparison of RSN and ERMS calculation results for infrasound signals from leakage of a product oil pipeline under different wavelet bases and decomposition layers
图6 某成品油管道门站3第3次泄漏次声波信号小波变换处理前后对比图Fig. 6 Comparison before and after wavelet transform processing of infrasound signals for the 3rd round of leakage at gate station 3 of a product oil pipeline
3.2.2 泄漏工况识别及最小可检测泄漏量
根据GPS时间数据同步采集信号的时间序列,选取门站1与门站3部分信号(图7~图9)进行分析。可见,在传感器监测过程中,门站1泄漏信号幅值小于门站3,且均远远小于实验室采集的信号幅值(图2),这是由于次声波传播距离增加造成了更大程度的信号衰减。以图7~图9中红色虚线框内波形为例,经过小波变换增强处理后,泄漏信号的特征明显。利用随机森林泄漏识别模型对信号进行判别,并用式(2)对识别为泄漏的信号进行计算,即可得到泄漏位置信息(表2)。
图7 某成品油管道门站1与门站3第3次泄漏次声波信号处理图Fig. 7 Infrasound signal processing in the 3rd round of leakage at gate stations 1 and 3 of a product oil pipeline
图8 某成品油管道门站1与门站3第4次泄漏次声波信号处理图Fig. 8 Infrasound signal processing in the 4th round leakage at gate stations 1 and 3 of a product oil pipeline
图9 某成品油管道门站1与门站3第5次泄漏次声波信号处理图Fig. 9 Infrasound signal processing in the 5th round leakage at gate stations 1 and 3 of a product oil pipeline
根据第3~5次测试数据,结合式(1)得到次声波传播速度为1 070 m/s。2022年10月9日15:20:00—16:10:00在门站2进行模拟泄漏测试,并监测门站1、门站3的传感器信号,监测时间约50 min,共获取异常信号19次(图 10)。对照表2中开阀状态与门站3监测时刻可见,泄漏识别漏报率为0,但误报率极高。注:定位距离以门站1为起点沿流动方向计算,时差为门站3与门站1监测到次声波信号的时间差。
表2 某成品油管道泄漏监测次声波信号识别结果表Table 2 Identification results of infrasound signals for leakage monitoring of a product oil pipeline
图 10 基于次声波的某成品油管道监测异常信号识别定位图Fig. 10 Identification and positioning of abnormal signals in infrasonic monitoring of a product oil pipeline
利用式(1)对异常信号定位信息进行计算,发现异常信号的定位距离可分为3类(图 10),即分别距离首站3.5 km、54.2 km、86.6 km左右,具有明显的规律性。其中两类异常报警信号是受门站1与门站3内工艺操作影响所产生的。除此之外,在监测周期内,不存在其他异常报警工况。针对门站内工艺操作对次声波传感器异常报警的影响问题,可以通过隔离器与传感器采集信号比对确定异常信号的方向,从而将其排除。但由于门站1、门站3内的管道上已无安装隔离器的位置,且为避免影响管道正常生产运行,未能安装隔离器,导致门站内工艺操作的干扰未被排除。对当前监测结果进行深入分析,并结合定位距离,对异常报警信号进行排除,最终本次测试的误报率、漏报率均为0。对表1中第3~12次测试结果的定位精度进行分析,计算得到定位距离均值为54.192 km、标准差为0.048 4 km、定位偏差为0.8 km左右,参考两个传感器之间的监测距离,计算得到泄漏点的相对定位误差为8.80%。
泄漏油品作业由门站2内操作员手动操作完成,每次开阀、关阀时间均为2 s(即阀门动作耗时4 s)。考虑阀门的线性特性,每次油品泄漏速率遵循图 11(其中,v为油品稳定泄漏速率,vmin为油品最小可检测泄漏速率)的规律,其中t0、t1、t2、t3、t4、t5分别代表开阀时刻、上升达到最小可检测泄漏速率时刻、开阀结束时刻、关阀时刻、下降达到最小可检测泄漏速率时刻、关阀结束时刻。
图 11 某成品油管道油品泄漏速率变化示意图Fig. 11 Variations in oil leakage rates in a product oil pipeline
图 11中曲线所围成的面积即为一次泄漏的油品量,整个测试过程油品泄漏总量Q可按式(6)计算:
式中:j为油品泄漏次数;t'1为开阀阶段持续的时间(即t'1=t2-t0),s;t'2为稳定泄漏持续的时间(即t'2=t3-t2),s;t'3为关阀阶段持续的时间(即t'3=t5-t3),s;Q1、Q2、Q3分别为开阀阶段、稳定泄漏阶段、关阀阶段油品泄漏量,m3。
由此,将开阀阶段的持续时间2 s、关阀阶段的持续时间2 s以及油品泄漏总量Q(0.143 m3)代入式(6),可计算得v=0.001 6 m3/s。
通过对次声波信号波形特征进行分析,计算由于泄漏引起信号波动的持续时间,将其作为计算泄漏时间tc,并与测试过程中的实际泄漏时间t(a 图 12)进行对比。可见,计算时间均少于实际时间,其原因主要是阀门开启后需要达到泄漏速率阈值(即vmin),次声波传感器才能获取携带泄漏特征的信号。同时,通过(ta-tc)/ta×100%计算发现,油品泄漏时间的计算误差小于28%,其中最大误差出现在第7次无稳定泄漏的工况下,其他工况的误差均小于20%。
图 12 某成品油管道油品泄漏计算时间与实际时间对比图Fig. 12 Comparison between calculated and actual durations of oil leakage in a product oil pipeline
考虑阀门开启与关闭过程的对称性,引入最小可检测泄漏速率修正系数α=vmin/v,则油品泄漏时间应满足:
由此,建立油品泄漏时间求解模型为:
式中:tc,j、ta,j分别为第j次油品泄漏的计算时间、实际时间,s ;αj为第j次油品泄漏的最小可检测泄漏速率修正系数;t'2,c,j、t'2,a,j分别为第j次油品泄漏的稳定泄漏阶段持续时间的计算值、实际值,s。
根据每次模拟泄漏测试持续时间的实际值与计算值,求解得到第3~12次(表1中第1次与第2次测试无计算意义,因此从第3次测试结果开始分析)测试数据的修正系数(图 13)。取均值α=0.287 3进行计算,得到该成品油管道此次测试的vmin为0.000 46 m3/s,从而得到其最小可检测泄漏率为4.3%。
图 13 某成品油管道最小可检测泄漏速率修正系数计算结果图Fig. 13 Calculation results for correction coefficient of minimum detectable leakage rate of a product oil pipeline