供水管道泄漏检测与定位技术应用研究

３８８化工自动化及仪表第３８卷供水管道泄漏检测与定位技术应用研究李忠虎郭卓芳（内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头０１４０１０）摘要基于瞬时压力监测的负压波法，应用相关分析理论对供水管道进行泄漏检测与定位。以ＭＡＴ·ＬＡＢ和组态王为软件开发平台，对信号进行时域互相关分析，由组态王生成友好的人机交互界面，ＭＡＴ－ＬＡＢ完成复杂算法运算，二者采用ＤＤＥ方式进行通信。对于检测到的泄漏信号中含有的大量噪声，采用滑动平均或小波分析等方法进行去噪处理。根据具体情况选择相应的去噪方法，并合理设置相关参数，可有效提高泄漏检测与定位精度。关键词泄漏检测定位相关分析滑动平均法小波法中图分类号ＴＰ２７４文献标识码Ａ文章编号１０００－３９３２（２０１１）０４－０３８８－０４

因各种人为或不可抗拒因素的影响，供水管道泄漏事故时有发生，这不仅会浪费宝贵的水资源，同时，也会影响到供水管网的安全，会使供水管道、管道基础、地下公用设施及地上建筑物遭到破坏。为此，如何及时检测管道泄漏微弱信号，并尽可能提高管道泄漏检测与定位精度，就成为笔者研究的重要课题。管道泄漏检测与定位可采用多种方法和技术，其中基于现代控制理论和信号处理的负压波法颇受重视，引起了业界的高度关注。它利用管道突然泄漏时在液体中引发并按一定速度传播的瞬态负压波进行检漏，并通过计算负压波传播到首、末端的时间差来进行定位。笔者采用相关分析法对供水管道进行泄漏检测和定位。相关分析法是将首、末端的两个含有原始泄漏信息的信号进行比较，判别其互相关程度，并得到两个信号的时间差。泄漏压力波信号基本是随机性的，相关处理结果为单脉冲，故可采用相关分析法对供水管道进行泄漏检测与定位‘¨。１基本理论当流体输送管道因机械、人为或材料失效等原因而使某处突然发生泄漏时，在泄漏处将产生瞬态压力突降，由于流体流动的连续性，管道中的流体不会立即改变流速，而流体在泄漏点和相邻的两边区域之间的压力差会导致流体从上、下游区域向泄漏区填充，并依次向上、下游扩散，这就形成负压波。该负压波以一定的速度ｔ，自泄漏点向管道两端传播，经过时间ｔ。、ｔ：后分别传播到首、末端并被相应的压力变送器捕捉，根据这两个压力降信号的传播时间差和负压波的传播速度，就可以进行漏点定位‘２１。泄漏检测与定位原理如图１所示。

管道首段管道

末端

图１泄漏检测与定位示意图由于负压波波速比流体流速快得多，因此流体流速可忽略不计，漏点定位公式可简化为：卜÷（ｚ＋心）（１）

式中Ｚ．——漏点距首端的距离；Ｚ——首、末端两个变送器间的管线总长度；ｔ，——压力波传播速度；Ａｔ－－负压波传播到首、末端变送器的时

间差，Ａｔ＝ｔ１一ｔ２。相关分析法的基本思想是对管道首、末端的压力信号去除均值并求取差分信号，实时计算其相关函数。当没有泄漏时，相关函数值在零附近；发生泄漏后，相关函数值将显著变化，根据相关函数值的大小和极值点位置即可进行泄露检测与定位。设首、末端两个变送器所检测到的信号分别

收穑日期：２０１１－０２—１０（修改稿）基金项目：内蒙古科技大学科技创新基金资助项目（２００９ＮＣ０７７）

万方数据第４期李忠虎等．供水管道泄漏检测与定位技术应用研究为省（Ｉ）和ｙ（ｔ），其数学模型为：石（Ｉ）＝ｓ（Ｉ）＋乃。（‘）（２）ｙ（‘）＝∞（Ｉ一，．）＋ｎ２（Ｉ）（３）式中ｓ（Ｉ）——泄漏点信号，在管内压力和漏口

大小等不变的条件下，可认为是平稳过程；ａ——衰减因子；ｆ——延迟时间；ｎ。（ｔ），ｎ：（ｔ）——环境噪声。假设泄漏信号和噪声都是零均值、高斯分布和互不相关的随机信号，并认为噪声信号，ｌ。（ｔ）和ｎ：（ｔ）完全不相关，则有：，Ｒ”（ｆ）２恕寺ｌ，ｘ（ｔ）ｙ（ｔ一．ｒ）ｍ

＝鲤寺Ｉ，哪（Ｉ）ｓ（Ｉ—ｒ）ｄＨ舰寺』，ｎｔ（Ｉ）玑（ｔ）ｄｔ１ｉｍ＃Ｉ，∞（‘）ｓ（１一ｒ）ｄｔ＇－Ｅ（一ｌ／ｖ，ｌ／ｖ）（４）实际运算是在有限的积分时间ｒ内计算相关函数的估计值，即：

Ｒｗ（．ｒ）２寺上伽（ｔ）ｓ（Ｉ—ｒ）ｄｔ（５）

这样，Ｒ；，（下）的变化量达到一定数值即可认为已发生泄漏，根据相关函数峰值位置确定出漏点延迟时间即可进行漏点定位。对于两个离散时间信号茹（ｎ）和Ｙ（ｎ），对ｙ（ｎ）延时ｍ个采样间隔，则有：～（ｍ）２亩磊∥（ｎ）ｙ（ｎ＋ｍ）（６）式中Ⅳ——数组长度。假设ｍ＝ｍ。时式（６）达到最大值。则泄漏信号延迟时间为：ｒ＝ｒ（ｎ一，珏ｏ）（７）式中卜采样时间间隔。

由于ｒ＝Ａｔ，从而利用式（１）即可进行漏点定位‘１－２１。２实验系统结构及原理针对课题研究目的，设计并组建了管道实验系统，其原理如图２所示。系统主管道为直径３７ｍｒａ、壁厚２ｍｍ、长５ｍ的钢管；两个泄漏孔均为直径１０ｍｍ的圆孔，用阀门控制泄漏量大小；主管道与水箱和水泵之间采用ＰＰＲ软管连接，以尽量减小水泵噪声对泄漏募筹篆臻Ｈ美票雾岳ＨＰ景星爱笔节ＨＡＤＡ端Ｍ３ｆ９６板８接线ＰＤＳ压力图２管道实验系统原理信号的干扰；水箱材料为不锈钢，它的容积为０．０７ｍ’；水泵型号为Ｃ０２０—１２，流量为５０ｍ３／ｈ，扬程为１２ｍ；压力变送器型号为ＰＤＳ４０３Ｈ一１ＣＳ０一Ａ１ＤＡ，测量范围为０—０．１ＭＰａ，输出信号为４～２０ｍＡ；数据采集选用研华公司的ＰＣＩ．１７１０Ｌ型板卡，利用ＭＡＴＬＡＢ和组态王软件为开发平台，对信号进行时域互相关分析，由组态王生成友好的人机交互界面（ＨＭＩ），ＭＡＴＬＡＢ完成复杂算法的运算，二者采用ＤＤＥ方式进行通信。３仿真研究。一３．１仿真实验在泄漏检测实验中，通过安装在管道首、末两端的变送器来获取泄漏信号。为了对比验证算法的准确程度，利用ＭＡＴＬＡＢ平台产生具有准确时延的模拟信号，并加入低信噪比的高斯噪声来模拟两台变送器检测到的信号。对实际延迟时间ｍ＝１０５的两路信号（采样时间间隔Ｔ＝２ｓ，数组长度Ｎ＝５００），用滑动平均滤波法去噪后进行相关处理。图３和图４分别是首、末端两路原始信号、叠加高斯噪声的信号和滤波后信号的对比图。滑动平均滤波对有用信号的提取很有效。鄯阵丽丽两甄。ｏ｝—苗—吲｝１苗—盎厂丐｝—苗—刍广吲守１葑—刍

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时间，８ｃ．滤波后信号

图３上游信号用滑动平均滤波法滤除噪声效果

擎蝴娜瑚蜘如号瑚瓣翘山∞∞∞

万方数据３９０化工自动化及仪表第３８卷

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时间，ｓａ．原始信号

∞期３∞伽４∞铷时间，ｓｂ．叠加高斯噪声的信号

∞１卯２００２５０铷３∞４卯时ｌ可／ｓｃ．滤波后信号图４下游信号用滑动平均滤波法滤除噪声效果

采用直接求互相关函数和根据时域相关定理求互相关函数两种方法进行相关运算，结果如图５所示。图５ａ和图５ｂ分别为两路信号采用滑动平均滤波前、后直接求互相关函数的仿真结果，图５ｃ为两路信号采用滑动平均滤波后，根据时域相关定理求互相关函数的仿真结果。蠢ＳＯＯｔ）曩罂．锄１口１

理骚圜斗Ｋ罂州邋妪圜：｝Ｋ罂Ｈ二Ｅ三互三。砌卜—高—杀广高ｒ１占—盎＿＿茜ｒ１占—寂ｒ茜ｒ１南相关时间ｂ．ｘｃｏｍ结果相关时间ｃ．１ｉｆｔ计算结果图５平均滑动滤波后相关运算结果对比ｍ，，Ｉ，Ｔ等参数不变，用小波法滤波后进行相关分析处理。图６和图７分别是首、末端两路信号滤波前后的波形图。对经小波法滤波后的两路信号进行相关运算，结果如图８所示。这种方法中，门限值的选取很重要，因门限值选取的好坏直接关系到去噪效果。实践表明，通常情况下，软门限法比硬门限法效果要好。垂．ｉ匝巫巫亚巫羽样本序号ｎ≤，。．．！：．竖竺竺兰罂．侣亡三＝∑：三！！∑（＝！！＝蚓囊加卜—者—高—茜广盎ｒ｛—％｝１占＿击—磊—晶样本序号ｎｂ．强制消噪后的信号型．侣匕竺＝∑：＝垒￡∑￡竺￡竺２∑型囊加卜１扩］苗—志—盎ｒ茜Ｆ；ｒ｛ｒ≮矿亏ｉ—刍样本序号ｎｃ．默认阈值消噪后的信号载区至雯匹五四样本序号ｎｄ．给定的软阈值消噪后的信号图６上游信号用小波法滤除噪声效果垂一：ｉＩ巨硒巫巫亚卿样本序号ｎａ．原始信号型．，：Ｅ：二＝：二土！＝王１２１＝蚓重加｝—亩—｛矿１卣—；ｒ—占—盎广｛扩ｊ苗—右广茜样本序号ｎｂ．强制消噪后的信号≤１０器．侣匕＝＝＝三＝土兰＝监１２Ｚ兰！型馨‘１０｝—茜—≮手—高ｒ；矿—盘—；矿１卣二茄Ｆ１；ｉ—品样本序号ｎｃ．默认阈值消噪后的信号墨．三Ｅ＝！竺∑竺垒垒必样本序号ｎ

ｄ．给定的软闽值消噪后的信号

测籁闭耳｛＜翼蚓

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图７下游信号用小波法滤除噪声效果

啪

相关时间ｃ．ｉｍ计算结果

图８小波滤波后相关运算结果对比

万方数据第４期李忠虎等．供水管道泄漏检测与定位技术应用研究３９ｌ３．２结果分析由以上实验研究可得出如下结论：ａ．滑动平均和小波分析两种滤波方法都保留了原始信号的低频部分，而对于高频部分的处理，滑动平均法将高频部分完全除掉（因泄漏信号通常在２ｋＨｚ以下），小波法则是对高频部分用数学估计法估计出噪声的大小，然后用阈值的方法把实际信号中的高频部分提取出来再进行相加，这样可得到更精确的结果＂１。ｂ．滑动平均法是互相关检测的一种特例Ｍ。，其运算较为简单，可有效提高运算速度，特别适合于象管道泄漏检测这种实时性要求较高的场合，但它对低频噪声的抑制能力较弱。通过合理设置窗口宽度，滑动平均法可有效提高脉冲信号的信噪比，但其效果是有限的，如果背景噪声强度超过有用信号强度，则会明显降低测量精度。而对于强噪声背景下的微弱信号去噪处理，小波分析法则具有更为明显的优势。４结束语主要介绍基于瞬时压力监测的负压波法在供水管道泄漏检测与定位中的应用，具体采用相关分析法对供水管道进行泄漏检测和定位。用相关分析法估计时延，方法简单、易于实现。将已在输油管道泄漏检测中成功应用的相关分析法研究应用于供水管道泄漏检测，可在一定程度上减少因供水管道泄漏而造成的资源浪费和经济损失。参考文献［１］刘燕．基于声波原理检测供水管道泄漏［Ｊ］．无损检测，２００８，３０（６）：３５５—３５６．［２］韩建，牟海维，王永涛等．相关分析法在输油管道泄漏检测和定位中的应用研究［Ｊ］．核电子学与探测技术，２００７，２７（１）：１５４～１５６．

［３］刘明亮，孙晓军．基于负压波的输油管道泄露检测去噪处理［Ｊ］．科学技术与工程，２００９，９（１３）：３６９—３７２．［４］胡松，江小炜，杨光等．滑动平均滤波在微弱脉冲信号检测中的应用［Ｊ］．计算机与数字工程，２００７，３５（１０）：１６９—１７１．

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＬｅａｋａｇｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＬｏｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏＷａｔｅｒＳｕｐｐｌｙＰｉｐｅｓＬＩＺｈｏｎｇ－ｈｕ，ＧＵＯＺｈｕｏ－ｆａｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ）