基于大數(shù)據(jù)的輸油管網(wǎng)泄漏智能自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于大數(shù)據(jù)的石油管網(wǎng)泄漏智能自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)及方法，屬于管道組網(wǎng)內(nèi)部檢測方法【技術(shù)領(lǐng)域】，可以將現(xiàn)場采集到大量數(shù)據(jù)在合理的時間內(nèi)進(jìn)行有效的分析，利用智能自適應(yīng)的方法來獲取管網(wǎng)的狀態(tài)，從而得到管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體采用流量平衡法，結(jié)合信息一致性理論來分析管網(wǎng)是否發(fā)生泄漏，方法直觀、簡單，且靈敏度高、誤報率低；并且可以很好的對小泄漏量和緩慢泄漏的檢測進(jìn)行精確的報警；采用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行管網(wǎng)的泄漏定位，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，本發(fā)明采用基于大數(shù)據(jù)的策略和智能自適應(yīng)的方法來解決管道組網(wǎng)的泄漏檢測與定位，可以同時達(dá)到高精度和高準(zhǔn)確性的目標(biāo)。
【專利說明】基于大數(shù)據(jù)的輸油管網(wǎng)泄漏智能自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及管道組網(wǎng)內(nèi)部檢測方法【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于大數(shù)據(jù)的石油管網(wǎng)泄漏智能自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]管道運(yùn)輸是一種經(jīng)濟(jì)、方便的運(yùn)輸方式，和其它運(yùn)輸方式相比，它具有高效、安全、經(jīng)濟(jì)、便于控制和管理等優(yōu)點(diǎn)，因此在流體輸送中占有重要的地位。根據(jù)“十二五”規(guī)劃，到2015年末我國油氣輸送管總長度將達(dá)到15萬公里左右，其中:新增石油管道2.5萬公里，天然氣管道4.4萬公里。但是由于管道設(shè)備老化，地理條件的變化以及人為破壞原因，管道泄漏事故經(jīng)常發(fā)生。當(dāng)管道發(fā)生泄漏事故時，不僅會帶來爆炸和引起火災(zāi)，甚至還會造成人員傷亡。因此，及時對流體輸送管道的監(jiān)測，采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，防止泄漏事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會效益。
[0003]流體輸送管道的泄漏檢測方法很多，主要包括外部環(huán)境檢測、管壁狀況檢測和管內(nèi)流動狀態(tài)檢測，其中管內(nèi)流動狀態(tài)檢測是目前泄漏檢測和定位的主要方法，它又包括狀態(tài)模型法、基于聲波的方法，壓力點(diǎn)分析法，負(fù)壓波方法等等。基于壓力信號的管道泄漏檢測系統(tǒng)已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，但目前這類系統(tǒng)還存在一些共性的問題:一是對小泄漏量和緩慢泄漏的檢測漏報多，二是系統(tǒng)抗工況擾動能力不強(qiáng)，系統(tǒng)誤報多。
[0004]目前，對于單條管道的泄漏檢測與定位方法的研究已經(jīng)比較成熟，但在工程實(shí)際中存在很多帶有一條或者多條支路的輸油管線，即管網(wǎng)，從石油管網(wǎng)得到的信息具有信息量大，數(shù)據(jù)量多的特點(diǎn)，對壓力、流量等信號的采集都是毫秒級的數(shù)據(jù)，這充分體現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，另外石油管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更增加了對石油管網(wǎng)檢測泄漏的難度，而當(dāng)前對管網(wǎng)運(yùn)輸?shù)难芯窟€基本停留在單條管線運(yùn)輸上，不能很好地從整體把握分析，對管網(wǎng)進(jìn)行檢測，并且在管網(wǎng)運(yùn)輸中，壓力波在傳播過程中受到工況擾動和系統(tǒng)噪聲的影響更大，壓力信號的衰減也會更劇烈，使得泄漏檢測的靈敏度和定位精度大大降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)以及石油管網(wǎng)的具體特點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種基于大數(shù)據(jù)的石油管網(wǎng)泄漏智能自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)和方法，以達(dá)到提高定位精度的準(zhǔn)確性、降低在實(shí)際應(yīng)用中的誤報率的目的。
[0006]一種基于大數(shù)據(jù)的輸油管網(wǎng)泄漏智能自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)；下位機(jī)包括數(shù)據(jù)采集器、濾波電路、放大電路、PLC中央處理單元，其中，
[0007]數(shù)據(jù)采集器:用于采集管道進(jìn)口和出口處的毫秒級壓力、毫秒級流量、溫度和密度，并對采集的各類信號進(jìn)行多源一致處理，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，并發(fā)送至濾波電路中；
[0008]濾波電路:用于將采集的信號進(jìn)行噪聲濾波，并將濾波后的信號發(fā)送至放大電路中；[0009]放大電路:用于將采集到的信號進(jìn)行放大處理，并將放大后的信號發(fā)送至PLC中央處理單元中；
[0010]PLC中央處理單元:用于對采集的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對每段管道進(jìn)口和出口的數(shù)據(jù)進(jìn)行校時處理，并將校時處理后的信號發(fā)送至上位機(jī)中；
[0011]上位機(jī):
[0012]用于根據(jù)閥門和泵的狀態(tài)，采用智能自適應(yīng)的方法獲得管網(wǎng)的初始狀態(tài)，從而得到整個管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0013]用于通過判斷采集的入口流量與出口流量之間的差值是否超過閾值，確定管網(wǎng)區(qū)域的優(yōu)先檢測范圍；
[0014]用于通過檢查此時所有閥門和泵的狀態(tài)是否與初始狀態(tài)相同和判斷流量差值與人工放油量或人工加油量是否相等，確定導(dǎo)致采集的信號變化是否由于人為導(dǎo)致；
[0015]用于對采集的流量值進(jìn)行一致性測試，確定采集的流量數(shù)據(jù)是否有效；
[0016]用于確定理論預(yù)置泄漏點(diǎn)所產(chǎn)生的壓力波到達(dá)上游傳感器和下游傳感器的理論時間差，并將理論時間差的序列和每段管道長度的序列作為廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，將每個預(yù)置泄漏點(diǎn)與所在管道入口之間距離的序列作為期望輸出，進(jìn)行訓(xùn)練獲得非線性模型，將泄漏點(diǎn)所產(chǎn)生的壓力波到達(dá)上游傳感器和下游傳感器的實(shí)際時間差帶入訓(xùn)練獲得的非線性模型中獲得實(shí)際泄漏點(diǎn)所在位置。
[0017]采用基于大數(shù)據(jù)的輸油管網(wǎng)泄漏智能自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行的監(jiān)控方法，包括以下步驟:
[0018]步驟1、確定管網(wǎng)中每個閥門和泵的初始狀態(tài)，即開啟狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)，并根據(jù)閥門和泵的狀態(tài)，采用智能自適應(yīng)的方法獲得管網(wǎng)的初始狀態(tài)，從而得到整個管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0019]步驟2、采用數(shù)據(jù)采集器采集管道進(jìn)口和出口處的毫秒級壓力、毫秒級流量、溫度和密度，并對采集的各類信號進(jìn)行多源一致處理，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，并發(fā)送至濾波電路中；
[0020]步驟3、采用PLC單元對采集的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對每段管道進(jìn)口和出口的數(shù)據(jù)進(jìn)行校時處理，發(fā)送至上位機(jī)中進(jìn)行存儲；
[0021]步驟4、判斷采集的入口流量與出口流量之間的差值是否超過閾值，若超過該閾值，則調(diào)查管網(wǎng)歷史工況情況，確定與該流量最接近的歷史流量所對應(yīng)的泄漏點(diǎn)監(jiān)控站，將該監(jiān)控站負(fù)責(zé)的管網(wǎng)區(qū)域作為優(yōu)先檢測范圍，若未超過返回執(zhí)行步驟2 ；
[0022]步驟5、檢查此時所有閥門和泵的狀態(tài)是否與初始狀態(tài)相同，若相同，則執(zhí)行步驟7 ;若不同，則確定狀態(tài)變化的閥門和泵的人工放油量或人工加油量，并確定管網(wǎng)進(jìn)口和出口的流量差值，并執(zhí)行步驟6;
[0023]步驟6、判斷流量差值與人工放油量或人工加油量是否相等，若不等，則執(zhí)行步驟7，若相等則返回執(zhí)行步驟2;
[0024]步驟7、對采集的流量值進(jìn)行一致性測試，確定采集的流量數(shù)據(jù)是否有效，具體如下:
[0025]判斷F >M+2/2R是否成立，若成立，則執(zhí)行步驟7，否則返回執(zhí)行步驟2 ;[0026]其中，M表示傳感器總數(shù)；R表示每個監(jiān)控站安裝的流量傳感器個數(shù)；F表示采集到變化數(shù)據(jù)的流量傳感器個數(shù)；
[0027]步驟8、確定泄漏點(diǎn)所產(chǎn)生的壓力波到達(dá)上游傳感器和下游傳感器的實(shí)際時間差;
[0028]上游端采集到的壓力信號值與下游端采集到的壓力信號值之間互相關(guān)系數(shù)計算公式如下:
[
【權(quán)利要求】
1.一種基于大數(shù)據(jù)的輸油管網(wǎng)泄漏智能自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，包括上位機(jī)和下位機(jī)；下位機(jī)包括數(shù)據(jù)采集器、濾波電路、放大電路、PLC中央處理單元，其中， 數(shù)據(jù)采集器:用于采集管道進(jìn)口和出口處的毫秒級壓力、毫秒級流量、溫度和密度，并對采集的各類信號進(jìn)行多源一致處理，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，并發(fā)送至濾波電路中； 濾波電路:用于將采集的信號進(jìn)行噪聲濾波，并將濾波后的信號發(fā)送至放大電路中； 放大電路:用于將采集到的信號進(jìn)行放大處理，并將放大后的信號發(fā)送至PLC中央處理單元中； PLC中央處理單元:用于對采集的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對每段管道進(jìn)口和出口的數(shù)據(jù)進(jìn)行校時處理，并將校時處理后的信號發(fā)送至上位機(jī)中； 上位機(jī): 用于根據(jù)閥門和泵的狀態(tài)，采用智能自適應(yīng)的方法獲得管網(wǎng)的初始狀態(tài)，從而得到整個管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 用于通過判斷采集的入口流量與出口流量之間的差值是否超過閾值，確定管網(wǎng)區(qū)域的優(yōu)先檢測范圍； 用于通過檢查此時所有閥門和泵的狀態(tài)是否與初始狀態(tài)相同和判斷流量差值與人工放油量或人工加油量是否相等，確定導(dǎo)致采集的信號變化是否由于人為導(dǎo)致； 用于對采集的流量值進(jìn)行一致性測試，確定采集的流量數(shù)據(jù)是否有效； 用于確定理論預(yù)置泄漏點(diǎn)所產(chǎn)生的壓力波到達(dá)上游傳感器和下游傳感器的理論時間差，并將理論時間差的序列和每段管道長度的序列作為廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，將每個預(yù)置泄漏點(diǎn)與所在管道入口之間距離的序列作為期望輸出，進(jìn)行訓(xùn)練獲得非線性模型，將泄漏點(diǎn)所產(chǎn)生的壓力波到達(dá)上游傳感器和下游傳感器的實(shí)際時間差帶入訓(xùn)練獲得的非線性模型中獲得實(shí)際泄漏點(diǎn)所在位置。
2.采用權(quán)利要求1所述的基于大數(shù)據(jù)的輸油管網(wǎng)泄漏智能自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行的監(jiān)控方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、確定管網(wǎng)中每個閥門和泵的初始狀態(tài)，即開啟狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)，并根據(jù)閥門和泵的狀態(tài)，采用智能自適應(yīng)的方法獲得管網(wǎng)的初始狀態(tài)，從而得到整個管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；步驟2、采用數(shù)據(jù)采集器采集管道進(jìn)口和出口處的毫秒級壓力、毫秒級流量、溫度和密度，并對采集的各類信號進(jìn)行多源一致處理，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，并發(fā)送至濾波電路中； 步驟3、采用PLC單元對采集的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對每段管道進(jìn)口和出口的數(shù)據(jù)進(jìn)行校時處理，發(fā)送至上位機(jī)中進(jìn)行存儲； 步驟4、判斷采集的入口流量與出口流量之間的差值是否超過閾值，若超過該閾值，則調(diào)查管網(wǎng)歷史工況情況，確定與該流量最接近的歷史流量所對應(yīng)的泄漏點(diǎn)監(jiān)控站，將該監(jiān)控站負(fù)責(zé)的管網(wǎng)區(qū)域作為優(yōu)先檢測范圍，若未超過返回執(zhí)行步驟2 ； 步驟5、檢查此時所有閥門和泵的狀態(tài)是否與初始狀態(tài)相同，若相同，則執(zhí)行步驟7;若不同，則確定狀態(tài)變化的閥門和泵的人工放油量或人工加油量，并確定管網(wǎng)進(jìn)口和出口的流量差值，并執(zhí)行步驟6; 步驟6、判斷流量差值與人工放油量或人工加油量是否相等，若不等，則執(zhí)行步驟7，若相等則返回執(zhí)行步驟2; 步驟7、對采集的流量值進(jìn)行一致性測試，確定采集的流量數(shù)據(jù)是否有效，具體如下:
判斷F＞M+2/2R是否成立，若成立，則執(zhí)行步驟7，否則返回執(zhí)行步驟2 ；
其中，M表示傳感器總數(shù)；R表示每個監(jiān)控站安裝的流量傳感器個數(shù)^表示采集到變化數(shù)據(jù)的流量傳感器個數(shù)； 步驟8、確定泄漏點(diǎn)所產(chǎn)生的壓力波到達(dá)上游傳感器和下游傳感器的實(shí)際時間差；上游端采集到的壓力信號值與下游端采集到的壓力信號值之間互相關(guān)系數(shù)計算公式如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的監(jiān)控方法，其特征在于，步驟4所述的判斷采集的每個流量值的變化值通過計算獲得或根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)獲得，其中，流量值的變化值計算公式如下: AQi = EiQin-Qout-QJ ⑷ 其中，AQi表示考慮熱動態(tài)效應(yīng)時的入口流量與出口流量之間的差值；Qin表示管段上游段的入口流量Wtjut表示管段下游段的出口流量；E{.}表示數(shù)學(xué)期望表示考慮熱動態(tài)效應(yīng)引起的管道流體變化量的計算值，
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的監(jiān)控方法，其特征在于，步驟4中所述的閾值采用智能自適應(yīng)的方法進(jìn)行確定:在輸油管網(wǎng)正常狀態(tài)下，在時間t內(nèi)采集多組管道進(jìn)出口流量值，求出前1/2時間內(nèi)的流量平均值和后*時間內(nèi)的流量平均值，計算獲得上述兩個平均值的差值，若該差值在0.0Ol到0.01之間，則該閾值為所獲得差值；否則，則分別去掉前i時間內(nèi)和后I的最大流量值和最小流量值，重新求得前i時間內(nèi)的流量平均值和后I時間內(nèi)的流量平均值，直至得到閾值。
【文檔編號】F17D5/06GK103939749SQ201410175170
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】張化光, 馬大中, 馮健, 劉金海, 汪剛, 吳振寧, 孫秋野, 李曉瑜 申請人:東北大學(xué)