结合三维图形技术的综合法泄漏检测系统在中低压输水管道上的应用研究

朱智伟

（河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州450000）

0 引 言

在输水管道运行过程中，由于管道老化、地质条件变化以及第三方破坏等原因，管道泄漏事故经常发生，造成停工停产、资源浪费、财产损失［1］，目前我国长距离输水管道泄漏检测应用及技术水准均不高。因此，管道运营单位迫切需要行之有效的技术手段，实时监控管道运行状态，并在泄漏发生时第一时间发现并定位。

对管道泄漏检测技术的研究已有几十年的历时，考虑到检测的可靠性、可行性和经济性大致可分为两大类，一类是直接探测法，包含直接观察法［2］、电缆法、管内检测法、光缆法［3］、声波法［4］等；一类是水力参数检测法，包含水击波法［5］、瞬态模型法［6］、质量平衡法［7］和压力法［8］等。直接探测法基于物理方法（非软件算法），通过现场探测器或传感器探测并发送泄漏报警信号至调度室，显示并报警。此类方法消耗人力、物力大，泄漏报警时间长，灵敏度差。水力参数检测法是基于传感器、数据采集系统、仿真软件为一体的检测方法是漏损检测及管控的发展方向。

然而大部分长距离输水管道运行压力一般不高，当利用传统的参数法作为检测方法时，当管道发生泄漏时所产生的负压波波动不易被安装在管道上的压力传感器所捕捉到，易造成负压波法泄漏检测系统漏报。结合三维图形技术的综合法泄漏检测系统是一种结合了多种方法于一体的系统，通过三维角度对压力波动分析，以及基于模拟仿真的流量算法相结合，对泄漏进行判断和定位。

通过对结合三维图形技术的综合法泄漏检测系统在低压输水管道上的运用研究，对比分析了多种检测方法，特别是传统负压波法、基于三维图形的负压波法及流量平衡法的区别。

1 水力参数泄漏检测方法

水力参数检测法是基于内部的泄漏检测系统利用现场传感器数据监测管道内部参数。输入到泄漏检测系统中的数据如：压力、流量、黏度、密度、温度等通过模型计算可推断出是否存在输送介质的泄漏。

（1）管道（流量）平衡法。流量平衡法是以计算一段时间内仪表测量的差值，当该差值持续一段时间的情况下，并与所设定的门限值长时间存在差值［9］。这种不平衡主要由一系列的时间周期或窗口来监视，从而检测不同大小的管输物的泄漏。

（2）实时瞬态模型法。简称为RTTM，泄漏检测时通过水力学模型，实时模拟管道内流量、压力和温度。该模型基于质量、动量以及能量守恒定律。模型需要依据管道参数（长度、直径、壁厚、拓扑线路、管道粗糙度、泵、阀门、设备位置等）以及所输送介质的属性（体积模量、黏度、密度）进行配置。经过不断的测试表明，当现场情况达到准确的情况下，RTTM 泄漏检测系统可以检测到小至1%的泄漏。但问题在于是如何保证模型计算的准确性，以使其运算结果与管道内部正在发生的情况保持一致。

（3）压力/流量监控法。压力/流量监控法是最基础的内部检测法，该方法主要通过分析压力和流量的变化，并辅助以设定的阈值，来确定管道是否发生泄漏。当管道发生泄漏时，管道压力和流量都将发生改变，即管道压力下降，流量差变大。压力/流量监控法就是通过检测管道的压力和流量的综合变化，再通过和设定的阈值进行比较，来确定管道是否发生泄漏。

（4）声波/负压波法。声波/负压波技术是利用管道内液体外泄后，与泄漏点位置发生振动撞击而形成稀疏波的原理。泄漏造成管道泄漏点压力下降，因而产生负压波或稀疏波，分别向管道两端传播。基于此原理的泄漏检测系统，需配置有高频、高分辨率的检测仪表检测泄漏所产生的负压波，并需具有较强大分析能力的软件，以从含有噪音的信号中，提取出负压波对泄漏进行判定和定位。

（5）统计分析法。统计分析系统是将校正后的体积平衡与序贯概率比检验SPRT结合使用以提供可靠的泄漏检测。SPRT是一种计算概率的假设测试方法，用于确定泄漏（H1）和无泄漏（H0）的概率。SPRT 计算发生泄漏概率与无泄漏概率之比，并确定校正后的体积平衡是否以预定的概率增加。

统计分析系统将SPRT 应用到检测管道出口和入口整体流量和压力的变化。虽然每条管道的控制以及操作不尽相同，但当管道发生泄漏后，管道压力和流量之间的关系将始终发生改变。例如，泄漏通常会导致管道压力降低，并导致管道入口和出口的流量差变大。统计分析法泄漏检测系统旨在识别这样的变化模式，确定泄漏是基于对固定周期采样的概率计算。虽然操作改变会导致管道中的流量和压力发生波动，但从总体上来说，管网入口和出口的总流量差异可通过管网内部的管存变化修正后达到平衡状态。如管网中发生泄漏，且SPRT 检测到该泄漏引起的偏差，则系统无法保持平衡，SPRT 与模式识别相结合的统计分析法泄漏检测系统可提供较高的系统可靠性，即最低的误报警数量。

2 三维图形技术的综合法泄漏检测

自20 世纪80年代开始，负压波在管道泄漏检测行业内已有应用，其原理是对管道输送过程中，因泄漏所引起的压力波动变化进行分析，而对泄漏以及泄漏位置做出判断和定位；随着近年来对系统所涉及的软件分析能力以及硬件性能的不断提高，负压波法在使用过程中，也在不断地更新和发展。

常用的水力参数检测法各有优缺点，没有一种技术适用于所有管道，使用一种以上技术的泄漏检测系统能够更广泛地适用于管道的各种运行工况。［10］

2.1 传统负压波法

传统负压波法泄漏检测系统，通过传感器或自动控制系统提取管道入口和出口的压力信号，通过检测泄漏所产生的压降波，并通过压降波分别到达管道两端的时间差以及波速，可计算出泄漏发生的位置。

负压波检测法在管道发生泄漏时，泄漏点的压力将会下降并产生负压波，该负压波将沿管道向两端传播并最终由安装在管道两端的压力传感器检测到该压降波［11］。通过负压波到达管道两端的时间，可对发生的泄漏进行定位［12］。

传统负压波法泄漏检测系统对发生迅速的即时泄漏有着较好的检测效果；尤其是在中高压的液体管道上；但针对低压管道，由于管道整体运行压力较小，泄漏所造成的瞬间压降不明显，很大可能性将掩盖于管道运行的各种噪声中；系统若无法在第一时间捕捉到泄漏特征，则将无法对该泄漏进行报警和定位。

由于判断机制的原因，传统负压波在判断管道是否发生泄漏时，通常使用的是对系统所检测灵敏度的值进行手动设置，当管道内所发生的波动值大于所设的门限值时，系统即认定管道发生了泄漏并提供泄漏信息；即便是当管道处于瞬态情况下而带来的压力波动，当其波动值大于门限值时，传统负压波法依然会提供泄漏报警。

传统负压波法是通过负压波的传播速度、波传播至管道两端的时间差以及管长之间的关系，对所发生的泄漏进行定位；但基于传统负压波法对波动强度分析的不足，在较为复杂的低压管道上，无法准确从包含大量噪音的原始信号中，分离出泄漏信号，将会导致系统产生大量误报警的同时，也会对泄漏定位带来较为明显的误差。

综上所述，传统负压波法泄漏检测系统存在如下几个问题：①无法判断管道运行状态而导致系统在管道处于瞬态状态下无法正常工作；②由于噪音以及信号的衰减，系统漏报可能性较大；③管道压力较低，影响泄漏报警及定位。

2.2 基于三维图形的负压波法

结合三维图形处理技术的综合法泄漏检测系统是从压力、流量以及水力学变化多角度对管道运行状态进行分析和判断，是结合了多种方法于一体的泄漏检测系统，可有效的适用于管道上的各种工况并检测发生在其中的泄漏。

2.2.1 瞬态检测

传统负压波法无法查看和分析整体动态压力变化，忽略了管道全局的重要变化信息；综合法泄漏检测系统将实时监测管道压力、流量的变化，监测压力波在管道上传播的整个过程以及管道上每一点的压力变化情况，经过3 种综合算法过滤掉数据中的噪音，生成以压力强度、管长和时间为轴的三维图形。通过对管道整体动态压力变化进行分析，同时综合泄漏点压力变化的分析，全局化分析因泄漏引起的压力波动，使得三维图形处理技术可有效清晰的捕捉到发生在低压管道上因泄漏所引起的微小压力波动，从而对泄漏进行报警和定位。

图1所示为基于三维图形的负压波法对泄漏判断的运算过程。当管道处于瞬态下，压力波动较为明显且剧烈，综合法泄漏检测系统通过三维图形法对比管道每一点的压力波动与整条管道压力波动的比率；当某一点的压力波动比例大于整条管道压力波动比例一定值时，系统即判断管道发生变化。

图1 三维图形法运算过程Fig.1 Operation process of 3D graphics method

因此，系统将在管道所有状态下工作，针对压力波动进行分析，以此保证系统性能不受管道状态的影响。图2 所示为管道处于瞬态时系统检测到泄漏所带来的压力波动原始数据。

图2 管道处于瞬态系统检测到泄漏（原始数据）Fig.2 The pipeline is in transient state and the system detects leakage（raw data）

图3 为经过降噪滤波后检测到泄漏，该图标中分别展示了三类数据图形，第一类为原始数据图形，X轴为时间，Y轴为压力强度；第二类为经过降噪滤波以及数学计算后的数据图形，在该图形中，X轴为时间，Y轴为对压力波动进行二次求导处理后的波动值；第三类数据图形，为系统依据所有管道信息生成的三维图形，X轴为管长，Y轴为时间，Z轴为压力波动强度，亮度越高压力波动越强。

图3 系统检测到泄漏Fig.3 The system has detected leaks

2.2.2 降噪滤波保证数据的完整性

只有准确地捕捉到泄漏引发的压力突降特征点，才能准确的检测到泄漏并精确地判断出压力波传播到上下游的时间差，从而提高泄漏检测定位的精度。但由于在输送过程中，例如电磁干扰以及泵所带来的噪音等因素，使得系统所采集到的数据包含在大量的噪音之中，因此如何从噪音中进行有效准确的降噪滤波，对系统提供准确定位起着至关重要的作用。

对所采集数据的降噪滤波将直接影响系统的检测性能以及使用感受。因此使用小波变换原理对数据进行降噪滤波。

（1）小波降噪原理［13］。在实际运行过程中，泄漏信号通常表现为低频信号，而因瞬态所引起的信号或噪音信号，通常表现为高频信号，小波降噪滤波的基本意义为：利用噪音与泄漏信号在各个坐标轴上的小波（变换模量极大值）谱具有不同的表现这一特征，将噪音波谱分量去除，然后利用小波变换重构算法，重构出原信号。如图4 所示分别为对泄漏信号进行小波降噪滤波前后的对比趋势图，其数据坐标轴分别为X轴表示波动频率，Y轴表示不同频段下的压力强度。

图4 出入口压力频率分布图Fig.4 The diagram of distribution between pressure and frequency of inlet and outlet

（2）小波变换原理［14］。小波变换由小波变换和小波级数两部分组成。其中，小波变换的定义为：

式中：f(t)为平方可积的信号；ψ(t)为震荡衰减且具有紧支集的函数称为基本小波；基本小波中参数b起着平移作用，而参数a使得窗口函数的大小发生变化。

对于一个模拟信号f(t)，更主要的是把它展示成为小波级数，即

式中：Cj，k为小波变换系数；ψj，k(t)为由基本小波函数经平移和收缩得到的函数。

小波变换实质上是把函数f(t)展开为满足一定条件的基本小波函数的线形组合。

2.3 流量平衡法泄漏检测

流量平衡法是目前泄漏检测方法中使用历史最悠久，稳定性最高的方法；该方法对硬件的要求较为严格，传统检测方法的性能受硬件条件的制约，不能达到较好的效果；通过对管道输送过程的了解和研究，针对性地提出多角度解决方案可有效地提高其可靠性和灵敏性。

2.3.1 传统流量平衡法

依据泄漏发生时，管道流量差将变大的原理；传统流量平衡法在于计算管道入口和出口的流量差，并对系统进行检测阈值的设置；当流量差值大于所设阈值时，系统即提供泄漏报警以及相关信息。

传统流量平衡法存在以下问题：

（1）误报警。由于传统流量平衡在判断泄漏时，所采用的传统的计算模式，因此所有数值皆为“绝对值”，无法将管道因瞬态或工况改变所带来的异常变化考虑在内，造成误报警。

（2）非独立引擎。传统流量平衡法需与压力法配合使用，才可以检测并对泄漏进行定位；无法作为一个独立的引擎独立对管道泄漏进行检测。

（3）硬件制约。传统流量平衡法在计算过程中，受硬件制约较大；即现场所提供信号的精度将大大影响系统的所检测泄漏的大小。

2.3.2 智能流量平衡法

泄漏检测系统中所使用的流量平衡法，属于算法流量平衡，而非计算绝对值的流量平衡。在检测过程中，系统对所采集的数据和管道状态进行分析和判断，并依据变化进行准确的泄漏检测和定位［15］。

智能流量平衡法在计算管道流量差的同时，引入了SPRT运算技术和模式识别技术；系统根据所检测管道提取现场数据，并实时计算管道发生泄漏的概率，SPRT计算公式为：

式中：τ(t)为泄漏检测量；σi(t)为出口流量；σ0(t)为入口流量；Δσp(t)管存变化量。

通过假设检验算法判断管道流量差是否增加，如下所示：

图5 中如果大部分数据落在阴影区，H0大概率为真（无泄漏），如果平均值为1，假设检验无法判断哪一个假定为真，因为H0的假定和H1的假定相等，如果平均值等于2，H1大概率为真（泄漏）。以时间间隔为t，概率计算还可表达为：

图5 SPRT概率计算Fig.5 SPRT probability calculation

式中：λ(t)为管道在t秒时泄漏概率值；p1(t)为管道未发生泄漏的概率；p0(t)管道发生泄漏的概率。

式（4）也可表达为：

式中：λ(t- 1)为管道在t-1 秒时泄漏概率值；为管道常数；τ(t)为t秒时管道的流量差；m为管存修正量；Δm为系统可检测的最小泄漏量。

通过系统中的概率统计分析法和模拟仿真法实时对管道管存的模拟计算，结合公式实时对所采集的数据进行计算，可准确计算出扫描周期内，管道是否发生泄漏。

3 综合法泄漏检测系统提高定位精度

3.1 提高定位精度

传统泄漏检测定位方法，即计算压力波传播至管道两端的时间差与波速之间的关系，即可对泄漏位置进行定位，其公式表示为：

即：

式中：L1为泄漏点距离管道入口距离；L2为泄漏点距离管道出口距离；c为波速；t1为压力波从泄漏点传至管道入口所需的时间；t2为压力波从泄漏点传至管道出口所需的时间。

管道总长L=L1+L2，则泄漏定位计算公式为：

以上计算公式为传统计算方法，在计算过程中，不可避免地存在着一定的盲目性和较大的计算量。特别是波速c事实上并非常数，而是随外界条件发生变化，会加大计算过程中的误差值而导致系统对定位误差偏大。

如将压力波在水中传播的速度看作位置的函数c(x)，则压力波从泄漏点传播至管道两端计量点的时间分别为：

由上式可得出：

式中：x0为泄漏点距离上游压力传感器的管道长度。

在式（11）中只有Δt是已知量，而x0和c(x)均为未知量，因此x是不可解得的。可通过Gauss Legendre公式［16］进行计算：

式中：n为节点数；Ak、xk为系数。

使用Gauss Legendre公式对式（11）进行处理，可得出：

通过以上公式的计算，可很大程度上减小计算量和盲目性，以此从数学的角度提高了计算的精确性。

3.2 减小误报警

误报警通常指不是由于直接发生的管输物漏失、其他紧急工况或异常运行工况所引起的报警。为保障系统在正常运行过程中，不受操作影响而带来更多的误报警，使用负压波方向判断法，可区分出压力波的传播方向，如图6所示。

图6 方向判断法Fig.6 Direction judgment method

通过系统算法以及数据分析可在低压管道运行时提供较好检测灵敏度；综合法泄漏检测系统中的方向判断算法，可对管道内部的压力波动进行甄别，区分出非泄漏引起的压力波动，使得系统具有较好的可靠性。

通过方向判断法，对不同原因造成的压力波动进行判断，区分出非泄漏造成的压力波动，使系统在管道瞬态（启停泵，阀门开关）过程中，不会出现误报警且系统正常对发生在该瞬态下的泄漏进行有效的判断。

4 结 论

水力参数泄漏检测方法是输水管道泄漏检测发展的方向，结合三维图形处理技术的综合法泄漏检测系统结合多种方法和算法，对于长距离中低压输水管道能够有效、快速检出泄漏并对泄漏点精确定位，是未来泄漏检测的发展方向。

（1）由于中低压管道，泄漏所造成的负压波压力较小以及衰减和噪音的影响，不易被传感器所捕捉到，而存在漏报的可能性，因此传统负压波法检测泄漏对于中低压输水管道适用性不强。

（2）经过本工程输水管道验证，结合了三维图形的综合法泄漏检测系统可对中低压管道进行有效的泄漏检测并可提供稳定有效的泄漏报警。

（3）智能流量平衡法可修正弥补了传统流量平衡无法定位，运算简单的弊端，使得泄漏检测系统具有灵敏度高、可靠性高的特征。

（4）基于三维图形的负压波法与智能流量平衡法相结合的综合法泄漏检测系统，可有效对管道上发生的大、小泄漏进行检测，并提供准确的定位，是未来泄漏检测主要选择方向。 □