一种基于北斗的管道破坏检测及准确定位的方法和系统 |
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申请号 | CN202311125343.6 | 申请日 | 2023-09-01 | 公开(公告)号 | CN117169891A | 公开(公告)日 | 2023-12-05 |
申请人 | 北京航空航天大学; | 发明人 | 施闯; 薛宇; | ||||
摘要 | 本 发明 属于管道运输检测领域,并公开了一种基于北斗的管道破坏检测及准确 定位 的方法和系统,包括: 油气管道 ,油气管道上安装有若干监控终端;各个监控终端中均集成有 声波 检测模 块 、 数据处理 模块和定位模块;检测识别模块,包括通信连接的解码模块和 服务器 ,解码模块还与监控终端通信连接;显示设备,显示设备与检测识别模块通信连接,显示设备用于实时显示区域内油气管道的运行状态以及服务器的分析定位结果。本发明技术方案能够在任何地方都可以为油气管道监控终端提供高 精度 的时间同步服务,具有较高的识别成功率。 | ||||||
权利要求 | 1.一种基于北斗的管道破坏检测及准确定位的系统,其特征在于,包括: |
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说明书全文 | 一种基于北斗的管道破坏检测及准确定位的方法和系统技术领域[0001] 本发明属于管道运输检测领域,特别是涉及一种基于北斗的管道破坏检测及准确定位的方法和系统。 背景技术[0002] 与公路、铁路、水路、航空等运输方式相比,管道运输具有成本低、损耗少、油气运输量大、安全性能高等优势,是我国油气资源输送的重要手段。截至2022年底,我国的长输油气管道总里程达到约18万公里。作为重要的国家基础设施,以中俄东线天然气管道为代表的油气管道项目,对维护我国的能源安全有着重要意义。随着国家“双碳”目标下能源转型的推进,未来我国油气管道建设仍然具有巨大的发展空间。 [0003] 然而由于线路多里程长,周围人文地质环境十分复杂,油气管道非常容易遭到第三方破坏。第三方破坏行为是油气管道安全运营面临的主要风险之一,据统计,我国2001年至2020年由第三方破坏引起的管道事故占事故总量的30%~40%。油气管道破坏不仅会造成油气资源的直接损失,清理和修复管道引发的油气供应中断还会对能源供应链和相关产业生产造成影响,引发更大的经济损失。此外,油气泄漏也会造成环境污染并危及周边居民的生命财产安全。因此,对油气管道破环行为的检测以及准确定位对维护油气管道安全稳定运营具有重要作用。 [0004] 第三方破坏行为具有极强的随机性与不确定性,使得对破坏行为的防范工作非常困难。目前主要的油气管道破坏行为检测及定位方法包括人工/无人机巡线法,压力和流量监测法、分布式光纤传感器检测法等。然而,这些方法仍存在一些不足之处: [0005] 1)误报率高:部分监测方法存在大量误报,导致需要额外的人力和资源来验证和处理这些误报情况; [0007] 3)局限性大:部分检测方法只能检测特定类型的破坏行为,对其他类型的破坏缺乏敏感性; 发明内容[0009] 本发明的目的是提供一种基于北斗的管道破坏检测及准确定位的方法和系统,以解决上述现有技术存在的问题。 [0010] 一方面为实现上述目的,本发明提供了一种基于北斗的管道破坏检测及准确定位的系统,包括: [0011] 油气管道,所述油气管道上安装有若干监控终端; [0013] 所述声波检测模块用于对所述油气管道周围的声波数据进行检测,所述数据处理模块用于对所述声波检测模块的声波数据以及所述声波数据的对应检测时间数据进行结合打包,得到检测数据包; [0014] 检测识别模块,包括通信连接的解码模块和服务器,所述解码模块还与所述监控终端通信连接;所述解码模块用于对各个所述检测数据包进行解码并发送至所述服务器中,所述服务器用于对解码后的检测数据包进行分析定位并生成报警信息; [0015] 显示设备,所述显示设备与所述检测识别模块通信连接,所述显示设备用于实时显示区域内油气管道的运行状态以及所述服务器的分析定位结果。 [0016] 可选的,所述声波检测模块采用声音传感器。 [0017] 可选的,所述定位模块采用北斗定位模块。 [0018] 可选的,所述解码模块与各个所述监控终端之间均通过蜂窝网络或以太网进行通信连接。 [0019] 可选的,若干所述监控终端等间距安装于所述油气管道的管壁上。 [0020] 另一方面为实现上述目的,本发明提供了管道破坏检测及准确定位的方法,包括: [0021] 步骤一:通过各个监控终端中的声音传感器对所述油气管道周围进行声波检测,得到各段油气管道周围的声波数据; [0022] 步骤二:对所述声波数据以及所述声波数据的对应检测时间数据进行结合打包,得到各段管道检测数据包; [0023] 步骤三:通过蜂窝网络\以太网将各段管道的检测数据包传输到检测识别模块,通过所述检测识别模块中的解码模块对所述检测数据包进行解码; [0024] 步骤四:解码后通过服务器对相邻监控终端解码后的检测数据包组进行破坏分析判断,若当前检测数据包组的判断结果为未发生破坏,则进行下一组检测数据包的判断;若当前检测数据包组的判断结果为发生破坏,则对判断结果为发生破坏的检测数据包组进行定位以及破坏类型分析,进一步将定位结果和破坏类型分析结果发送至显示设备,并生成报警信息发送至用户。 [0026] 可选的,解码后通过服务器对相邻监控终端解码后的检测数据包组进行破坏分析判断,具体包括: [0027] 获取互相关函数峰值的阈值数据,通过互相关函数对检测数据包组中的各个声波信号进行相关性\相似性分析,分析完成后通过所述阈值数据对分析结果进行对比判断,若所述阈值数据大于所述分析结果,则当前检测数据包组的判断结果为未发生破坏,并进行下一组检测数据包的判断;若所述阈值数据小于所述分析结果,则当前检测数据包组的判断结果为发生破坏,进一步对判断结果为发生破坏的检测数据包组进行定位以及破坏类型分析, [0028] 其中,对检测数据包组中的各个声波信号进行相关性\相似性分析的计算公式为: [0029] [0030] 式中,x1(t)和x2(t)由同一声源发出两个声波信号;R12(τ)为信号x1(t)和x2(t)的相关系数,τ为两信号的传播时间差,dt为时间t的微分。 [0031] 可选的,对判断结果为发生破坏的检测数据包组进行定位以及破坏类型分析,具体包括: [0032] 对超过所述阈值数据的分析结果进行精细划分,基于划分结果对所述当前数据包组的破坏类型进行判断; [0033] 对判断结果为发生破坏的检测数据包组进行定位的计算公式为: [0034] [0035] [0036] [0037] 式中,v为声波信号在管道中传播速度,t1为信号x1(t)的传播时间,t2为信号x2(t)的传播时间,S为两监控终端之间的距离,S1为破坏行为发生点距离上游监控终端的距离,τ0为破坏信号的传播时间差,E为杨氏模量,ρ为钢的密度。 [0038] 本发明的技术效果为: [0039] 本发明提供的一种基于北斗的管道破坏检测及准确定位的方法和系统基于声学原理,油气管道遭遇第三方破坏时,在破坏发生处形成声源,声波沿管道向两端传播;声波被位于管道两端的贴附在管壁上的声音传感器捕捉,得到两个声波特性相同而传播时间不同的信号,通过对两个信号进行相关性分析,即可得到两个信号的传播时间差,从而定位破坏行为发生位置。破坏点的定位精度与传感器之间的时间同步精度密切相关,本发明将北斗授时模块与声音传感器集成于监控终端中,通过北斗卫星导航系统实现了监控终端之间高精度的时间同步,解决了网络授时时间同步精度不足的问题,达到了对油气管道破坏行为准确定位的目标。 [0040] 本发明识别成功率高:本发明使用相关分析法对监控终端采集的声波信号进行分析,相关分析法可以快捷、高效地发现两声波信号之间的相关性,反映声源的幅度、频率等信息,从而判断声源处是否有破坏行为发生,具有较高的识别成功率; [0041] 本发明破坏点定位精度高:破坏点定位精度与监控终端之间的时间同步精度密切相关,本发明将北斗授时模块集成到监控终端中,将监控终端的时间同步精度提高到了20ns左右,从而大大提高了破坏点的定位精度; [0043] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0044] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中: [0045] 图1为本发明实施例中的流程图; [0046] 图2为本发明实施例中的系统结构示意图。 具体实施方式[0047] 现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。 [0048] 应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。 [0049] 除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。 [0050] 在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。 [0051] 关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。 [0052] 需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。 [0053] 实施例一 [0054] 如图1‑图2所示,本实施例中提供了一种基于北斗的管道破坏检测及准确定位的系统,包括: [0055] 油气管道,所述油气管道上安装有若干监控终端; [0056] 各个监控终端中均集成有声波检测模块、数据处理模块和定位模块; [0057] 所述声波检测模块用于对所述油气管道周围的声波数据进行检测,所述数据处理模块用于对所述声波检测模块的声波数据以及所述声波数据的对应检测时间数据进行结合打包,得到检测数据包; [0058] 检测识别模块,包括通信连接的解码模块和服务器,所述解码模块还与所述监控终端通信连接;所述解码模块用于对各个所述检测数据包进行解码并发送至所述服务器中,所述服务器用于对解码后的检测数据包进行分析定位并生成报警信息; [0059] 显示设备,所述显示设备与所述检测识别模块通信连接,所述显示设备用于实时显示区域内油气管道的运行状态以及所述服务器的分析定位结果。 [0060] 管道破坏检测及准确定位的方法,包括: [0061] 通过各个监控终端中的声音传感器对所述油气管道周围进行声波检测,得到各段油气管道周围的声波数据; [0062] 对所述声波数据以及所述声波数据的对应检测时间数据进行结合打包,得到各段管道检测数据包; [0063] 通过蜂窝网络\以太网将各段管道的检测数据包传输到检测识别模块,通过所述检测识别模块中的解码模块对所述检测数据包进行解码; [0064] 解码后通过服务器对相邻监控终端解码后的检测数据包组进行破坏分析判断,若当前检测数据包组的判断结果为未发生破坏,则进行下一组检测数据包的判断;若当前检测数据包组的判断结果为发生破坏,则对判断结果为发生破坏的检测数据包组进行定位以及破坏类型分析,进一步将定位结果和破坏类型分析结果发送至显示设备,并生成报警信息发送至用户。 [0065] 第一步:油气管道破坏行为检测及准确定位系统安装与部署:基于北斗的油气管道破坏行为检测及准确定位系统如附图2所示,由沿油气管道以一定间隔放置的监控终端和位于区域油气管道控制中心的集中处理设备组成;监控终端由声音传感器、北斗授时模块和无线通信模块集成得到,声音传感器附着在管壁上,实时采集管道上的声波信号,北斗授时模块为监控终端提供高精度的时间服务,无线通信模块将监控终端采集到的声波信息经无线蜂窝网络发送给集中处理设备;集中处理设备由无线通信模块、服务器和显示设备组成,无线通信模块持续监听来自整个区域内所有监控终端的声波信息,并将其解码后传递给服务器,服务器运行基于北斗的油气管道破坏行为检测与准确定位系统软件,依据声波信息进行破坏行为检测与准确定位,显示设备实时展示区域内管道运行状态。 [0066] 第二步:监控终端声波信号采集与播发:监控终端以一定间隔沿油气管道线路安装,对管壁上的声波信号持续进行采集。当第三方破坏行为发生时,如个人或施工单位在管道上层土地进行挖掘活动、对管道打孔盗采等,在破坏点出会形成声源,并向管道两端传播。破坏点两端的监控终端对声音进行捕捉,分别得到两个声波信号,记为x1(t)和x2(t)。x1(t)和x2(t)由同一声源发出,具有相同的频率和相位,但由于声源距离管道两端的监控终端的距离不同,因此两声波信号的传播时间不同。此外,声波振幅随着传播距离的增加而逐渐减小,二者传播距离不同,因此振幅也存在一定差异。声波信号的振幅和相位信息由声音传感器采集,北斗授时模块则提供高精度的声波信号时间频率信息。监控终端采集到的声波信号数据经打包编码调制后,由无线通信模块经过无线蜂窝网络向集中处理设备进行播发。 [0067] 第三步:集中处理设备破坏行为检测与识别:集中处理设备通过无线网络持续接收来自区域内所有监控终端的数据,对所有相邻监控终端的声波信号进行相关分析。互相关函数是信号处理中相关分析常用的数学工具,用来衡量两个信号之间的相似性或相关性。声波信号x1(t)和x2(t)的互相关函数R12(τ)如公式所示。互相关函数的峰值大小表征两监控终端之间声波信号的强度,若互相关函数峰值超过提前设定好的阈值,即可认为该段管道线路内正在发生破坏行为。通常来说,不同的破坏行为产生的声波信号强度不同,如直接对管壁破坏产生的声波强度要大于在管道上方土地进行挖掘活动时产的声波强度,因此,对互相关函数峰值阈值精细划分可以帮助我们进一步识别出第三方破坏行为的类型。 [0068] 根据相关函数的峰值的大小,判断破坏行为是对管道周围环境的破坏还是已经对管道造成损害,是人供盗挖还是由施工机器破坏等; [0069] 进行相关性\相似性分析的计算公式为: [0070] [0071] 式中,x1(t)和x2(t)由同一声源发出两个声波信号;R12(τ)为信号x1(t)和x2(t)的相关系数,τ为两信号的传播时间差,dt为时间τ的微分。 [0072] 第四步:集中处理设备破坏点准确定位:若确定两相邻监控终端之间有破坏行为发生,则进行破坏点定位。互相关函数R12(τ)的峰值所对应的时间τ0,即为声波信号x1(t)和x2(t)的传播时间差。已知条件如公式所示,可以解出破坏点与上游管道监控终端的之间的距离S1,如公式所示。计算出破坏点准确位置之后,集中处理设备的服务器将第三方破坏行为的类型与发生地点迅速发送给显示设备。 [0073] [0074] 其中,v为声波信号在管道中传播速度,t1为信号x1(t)的传播时间,t2为信号x2(t)的传播时间,S为两监控终端之间的距离。 [0075] [0076] 声波信号在管道中传播速度与管道的材质有关,其经验公式如公式所示。典型钢3 材的杨氏模量约为200Gpa,密度约为7850kg/m ,因此声波信号在钢管中的传播速度约为 5082m/s。 [0077] [0078] 其中,E为杨氏模量(Pa),ρ为钢的密度(kg/m3)。 [0079] 第五步:油气管道破坏行为检测系统告警与响应:集中处理设备的显示设备发出告警信息,告知管理维护人员第三方破坏行为的类型与地点,管理维护人员根据不同的破坏类型进行相应的准备,快速赶赴现场制止破坏行为,并采取补救措施,从而保障油气管道的安全稳定运行。 [0080] 根据方差传播律,由公式计算的破坏点与上游监控终端之间距离S1的精度与两监控终端的时间同步精度有关,如公式所示。通常,声波在油气管道中的传播速度约为5082m/s。传统声波检测法采用网络授时,其时间同步精度在10ms左右,故S1的精度约为35.9m;本发明采用北斗授时,其时间同步精度约为20ns,因此S1的精度提升到了约71.9μm。 [0081] [0082] 其中,σS1代表破坏点与上游监控终端之间距离S1的方差,v代表应力波传播速度,σt代表监控终端的时间同步方差。 [0083] 本实施例提出的基于北斗的油气管道破坏行为检测及准确定位方法通过将北斗授时模块集成到监控终端中,将监控终端的时间同步精度从网络授时的10ms提升到了20ns左右,从而大大提高了对第三方破坏行为的定位精度,使运维人员可以更快地到达破坏现场,制止正在发生的破坏行为,从而更好地保护和管理油气管道系统。 [0084] 以上所述,仅为本申请较佳的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 |