王晓兰WANG Xiao-lan

（杭州宸诺投资有限公司，杭州 310057）

0 引言

燃气管网泄漏除了会给燃气公司带来经济损失，还会因为天然气本身具有易燃易爆的特性，带来严重的安全隐患，威胁社会公共安全和群众生命财产安全。由于城市燃气管网覆盖范围广，并且经常与其他市政管网相互交错，在发生泄漏之后如何实现即时告警、准确定位，就成为燃气管网公司必须要考虑的问题。本文介绍了一种基于声发射传感器的燃气泄漏检测装置，可准确识别泄漏信号，实现了燃气管网泄漏故障的即时告警。同时还能基于单点定位算法，实现对泄漏位置的精确定位，为泄漏问题的及时处理、有效降低燃气浪费损失起到了积极帮助。

1 城市智慧燃气管网泄漏信号检测系统

1.1 燃气泄漏检测系统中传感器的选择

在燃气泄漏检测系统中，传感器主要用于采集管网实时运行的状态信号，然后利用通信装置将该信号反馈给计算机，通过计算机的比对、分析，判断燃气管网的运行状态。因此，传感器的选择将直接决定泄漏信号的检测结果是否精确。本设计中选择基于振动量检测的传感器，具体又分为2 种类型。其中加速度传感器适用于振动频率在0.1-5000Hz 且加速度较大的情况；而速度传感器应用于振动频率在1-100Hz，加速度较小的情况。根据以往的经验，燃气管道发生局部泄漏时，由于气体逸出引起的管壁振动频率既有小于16Hz 的次声波，也有超过2000Hz 的超声波，因此本设计中选择适用范围更广的加速度传感器。

1.2 燃气泄漏检测系统的结构组成

该系统的核心装置有声发射传感器、示波器、试验管道、压力表等，如图1 所示。

图1 燃气泄漏检测系统实验装置示意图

如图1 所示，在泄漏孔的左右两侧各布置了1 台声发射传感器，用于检测泄漏信号，检测到信号后有示波器记录并存储。在靠近管道出口的位置安装了1 部压力表，可用于实时监测管道内天然气的气体压力。泄漏孔的开度可调。在靠近管道入口的位置使用自动气泵向管道内打气，保证供气均匀、压力稳定。一段时间后，观察示波器上呈现出来的两个波形信号，可以发现根据泄漏孔前方声发射传感器采集到的数据，转化成的原始波形比较规律；而根据泄漏孔后方声发射传感器采集到的数据，转化成的波形杂乱无章。据此可以识别出该管道上某处发生了泄漏。进一步的，可以判断泄漏点位于两台声发射传感器之间，按照此方法不断缩小两台传感器的间隔距离，最终可以准确找出泄漏点的具体位置。

1.3 燃气泄漏检测的基本流程

由于该系统在实际应用中，并不确定待测泄漏信号的频率，为了避免出现漏检的情况，需要将检测频率范围设置的较广，无形中增加了数据处理量，从前端信号采集到计算机完成统计处理，需要花费较长的时间，难以突出泄漏检测的实时性特点。针对此类问题，应付了混沌算法处理模块，主要实现信号预制和混沌振子两个功能。所谓信号预制，就是将任意泄漏信号的频率范围压缩至1-10Hz的区间范围内，之后再将经过压缩处理后的泄漏信号，按照设计好的预制公比（Q=1.013）输入到混沌振子阵列中。观察相邻振子之间是否出现了间歇混沌现象。如果有，则计算出信号频率，再将该频率乘以10-n，计算出被测泄漏信号的实际频率。该处理可以借助于特定的应用软件来完成：即假设某泄漏信号的速度为v，则以10nv（n 为整数）的速度将记录的信号重新读取。此时必然存在唯一的一个n，能够让重新读取的信号频率处于[1，10]Hz 的区间范围内。经过混沌算法处理后的泄漏信号检测图像如图2所示。

图2 燃气泄漏检测系统实验结果

结合图2 可知，由燃气管网泄漏信号检测系统检测到的原始信号为混沌状态（图2 左）。而经过阵子阵列的处理后，检测信号从混沌状态转变为大周期状态（图2 右）。这样就能通过阵列扫描更加准确地检测泄漏信号，提高了系统响应速度和检测效率。

2 城市智慧燃气管网泄漏定位实验

在检测到燃气管网有泄漏故障后，还应对泄漏点的位置进行精确定位，以便于技术人员尽快完成故障处理，防止出现燃爆事故。通过上文分析可知，当燃气管道某处发生泄漏后，从泄漏点出会产生振动，并且从泄漏点沿着管壁向两端传播。因此，位于泄漏点两侧的声发射传感器可以捕捉振动信号，进而判断是否发生了泄漏，并对泄漏位置进行精确定位。现阶段常用的定位方法有互相关法（GCC）、互双谱法（CBM）等。

2.1 单点定位模型

随着燃气管网泄漏检测技术的日益成熟，可用于泄漏定位的数学模型也越来越多。其中应用较为广泛的是单点泄漏定位模型，该模型的检测原理是假定两套检测系统或两台检测装置之间，有且只有一个泄漏点，其中1#声发射传感器与泄漏点之间的距离为L1，2#声发射传感器与泄漏点之间的距离为L2，两台传感器之间的距离为L，存在L=L1+L2 的关系。假设两台传感器接收到的泄漏信号分别为x1（n）、x2（n），则有以下公式：

式（1）中，s（n）表示零均值、平稳、非高斯信号；N1（n）、N2（n）均表示零均值、平稳的高斯噪声，并且两者之间相互独立；D 表示时间延迟，可通过时延估计方法求得。现在假设该泄漏信号在燃气管道中的传播速度为v，采样率为f0，则有以下公式：

根据式（2），分别得到L1和L2的表达式：

根据式（3）计算出L1和L2的值，即可找到燃气管道上泄漏点的具体位置。

2.2 单点泄漏定位的基本原理

2.2.1 互相关定位方法

基于互相关理论的泄漏定位方法，是通过引入前置滤波优化时延估计性能，广义上的互相关定位原理如图3所示。

图3 互相关法原理图

图3 中，H1和H2代表引入的前值滤波器，通过傅里叶变换可以得到功率谱密度，其表达式为：

式（4）中，Rx1x2（τ）为功率谱密度，Sx1x2（ω）为输入信号x1（t）和x2（t）的互功率谱密度。分别使用H1和H2对信号x1（t）和x2（t）进行滤波处理，得到滤波后的互功率谱密度，其计算公式为：

根据式（5）求得理想状态下的互功率谱密度，但是在泄漏定位的实际操作中还存在外界干扰，因此只能得到互功率谱密度的估计值，由此可得x1（t）和x2（t）的互相关结果：

在式（6）中，由于引入了频率加权函数Ψg（ω），能够有效抑制噪声高的、有可能引起时延估计误差的频带，从而时互相关定位精度得到提升。总结来说，互相关时延估计法泄漏信号定位，就是利用x1（t）和x2（t）两个输入信号，分别获取其信号功率谱、噪声功率谱，在此基础上推算出泄漏点的位置坐标，但是考虑到泄漏源信号的频率特征受到诸多因素（如埋设环境、管道材质、管内压力等）的影响呈现出不确定特性，因此在实际应用中也受到限制。

2.2.2 互双谱定位方法

互双谱定位法可以有效弥补互相关定位法存在的一些不足，是目前适用范围较广、定位精度较高的一种泄漏定位方法。根据频率计算方式的不同，又可分为常规的互双谱法（CBM）、改进的互双谱法（MCBM），以及参数互双谱法（PBM）等几种。以CBM 为例，首先进行互双谱定义，其表达式为：

假设该信号为实信号，则式（7）中互双谱在（fm，fn）组成的平面中存在2 条对称线，即fm+fn=0，fm-fn=0。则符合采样频率的两个主值区间T1和T2分别表示为：

在上述区间范围内，自双谱B111（fm，fn）与互双谱B112（fm，fn）可用下式表示：

观察上述两式可以发现B111（fm，fn）与B112（fm，fn）之间存在关系，经过两式合并、化简后，两者关系式可表示为：

上式中D 即为两步传感器检测到的信号延迟。根据D可以求得互双谱的时延估计结果。该结果的精度越高，则表明泄漏定位越精确。

2.3 燃气管网泄漏定位实验

为验证单点定位模型在燃气管道泄漏定位中的实用效果，使用独立分布、均值为零的单边指数信号模拟传感器，收集燃气管道中的泄漏信号。所得数据共有10 组，每组数据为256×4 个。设有2 台传感器，1#测量高斯噪声，2#测量随机噪声。分别测量信噪比为10、20、30 时的时域波形。在此基础上分别使用互相关定位法、互双谱定位法，计算出时延估计结果，如图4 所示。

图4 燃气管网泄漏定位实验结果

根据图4 可知，基于互相关定位法得出的时延估计结果为12，基于参数互双谱法得到的时延估计结果为11.9978，后者的精度明显更高。此外，大量的实验也证明参数互双谱法能够在强噪声环境下准确进行信号时延估计，保证定位结果精度。

3 结语

实现燃气管网泄漏故障的自动检测和精准定位，是智慧城市建设下的一种必然趋势。由于天然气在泄漏时会产生振动，并沿着管道进行传播，基于此可以构建燃气管网泄漏信号检测系统，利用声发射传感器收集振动信号，将其作为输入量并用混沌振子阵列处理，可以得到具有特征频率的泄漏信号，并且保证信号检测结果具有较高精度。在泄漏定位方面，则使用单点定位模型，实验表明基于互双谱定位的模型，定位精度要优于互相关定位模型，为泄漏故障的排查处理提供了必要的依据。