李鳳濱

(遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局， 遼寧 沈陽(yáng)　110166)

長(zhǎng)距離輸水管道滲漏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理研究

李鳳濱

(遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局， 遼寧 沈陽(yáng)110166)

【摘要】長(zhǎng)距離輸水工程中,日常壓力流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是滲漏診斷及定位的依據(jù)和基礎(chǔ)，提高其精度是非常重要的。本文編制出日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理程序，用于去除噪聲波，從而得到高精度的數(shù)據(jù)，結(jié)合滲漏發(fā)生的變化規(guī)律，能夠準(zhǔn)確地診斷滲漏情況。這些處理后的數(shù)據(jù)能夠反映0.01kPa的變化趨勢(shì)，利于趨勢(shì)性分析，容易判別小流量滲漏節(jié)點(diǎn)，供類似工程參考。

【關(guān)鍵詞】輸水管道； 滲漏； 監(jiān)測(cè)； 噪聲波

1引言

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程管線長(zhǎng)度約為154.4km，一步工程輸水規(guī)模為327萬(wàn)m3/d，承擔(dān)遼寧中部六大城市撫順、沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)口、盤(pán)錦的供水任務(wù)，供水保證率95%，具有輸水距離長(zhǎng)、供水目標(biāo)多、供水量大的特點(diǎn)。全線布設(shè)30個(gè)流量計(jì)、58個(gè)壓力傳感器，自動(dòng)化采集及傳輸?shù)娇刂浦行?。自?dòng)化采集的水力參數(shù)在工程中具有重大意義：監(jiān)視全線壓力穩(wěn)定、流量平衡；調(diào)整各城市的供水量，確保及時(shí)充足供水；監(jiān)視全線及時(shí)發(fā)現(xiàn)爆管、泄漏等威脅到全線安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況。工作中發(fā)生泄漏、滲漏是對(duì)水資源的極大浪費(fèi)。

由于輸水距離長(zhǎng)并且管道埋深幾米到十幾米，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，不容易用肉眼觀察到。這時(shí)，日常所監(jiān)測(cè)的壓力、流量數(shù)據(jù)是管道滲漏狀態(tài)診斷及定位的有效依據(jù)和基礎(chǔ)。而日常壓力和流量檢測(cè)數(shù)據(jù)是一種時(shí)域信號(hào)[1]，這種時(shí)域信號(hào)的特點(diǎn)是頻率固定，振幅不固定，這就造成信號(hào)數(shù)據(jù)的波動(dòng)，數(shù)據(jù)精度不高[2]。波動(dòng)的數(shù)據(jù)容易掩蓋滲漏等造成的變化，不利于管道滲漏狀態(tài)診斷。而引進(jìn)高精度脈沖儀，并不能避免這種波動(dòng)，并且經(jīng)濟(jì)上不可行。

本文將對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋找數(shù)據(jù)分析方法，得到不具有波動(dòng)性的數(shù)據(jù)，并用于管道滲漏診斷。

2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波解決方案

在我國(guó)目前能夠適用在液體輸送管道的滲漏檢測(cè)技術(shù)主要有壓力分布法[3]、負(fù)壓波檢測(cè)法[4]、聲波檢測(cè)法、壓力點(diǎn)分析法[3]、壓力波陣面檢測(cè)法[5]、小波分析法[6]等。這些方法原理往往比較復(fù)雜，管道滲漏產(chǎn)生原因較為復(fù)雜(可能是由于施工或者腐蝕等原因引起)[7-8]，導(dǎo)致關(guān)鍵參數(shù)的確定也十分困難，因此在工程中的實(shí)用化程度不高。

本文將編制出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲的程序，以便處理日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到高精度的壓力流量數(shù)據(jù)，再結(jié)合滲漏發(fā)生時(shí)管道內(nèi)水壓力、流量的變化規(guī)律，從而直觀、準(zhǔn)確地診斷滲漏情況。下文以壓力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行分析。

日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有頻率固定、振幅不固定的特征，從波動(dòng)學(xué)角度講，日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線包含噪聲波動(dòng)和非噪聲波動(dòng)。噪聲波動(dòng)產(chǎn)生的原因是自動(dòng)化系統(tǒng)中電流變化等復(fù)雜情況引起的，并且不可避免，但是這部分噪聲波動(dòng)對(duì)于診斷滲漏以及日常調(diào)度工作都是不起作用的、無(wú)貢獻(xiàn)的。因此本文需要編制程序?qū)⒃肼暡▌?dòng)去掉，剩下非噪聲波動(dòng)部分，從而得到較高精度數(shù)據(jù)。

所編程序的宗旨在于：?能夠過(guò)濾噪聲波動(dòng)；?只過(guò)濾噪聲波動(dòng)，其他波動(dòng)保留，使得整體趨勢(shì)和細(xì)小變化能夠被準(zhǔn)確捕捉；?孤立的尖銳值(極大值或極小值)對(duì)總體趨勢(shì)無(wú)貢獻(xiàn)，可過(guò)濾掉。理想的數(shù)據(jù)處理結(jié)果應(yīng)當(dāng)是局部無(wú)波動(dòng)的。

2.1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波基本原理

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波的基本原理有兩種：局部平均和逼近局部平均。

第一種基本原理是局部平均。若整個(gè)時(shí)間段中求取平均值，則會(huì)反映不出整體趨勢(shì)，此方法不可用。此處采用本時(shí)、前一分鐘、后一分鐘的數(shù)據(jù)平均，局部平均計(jì)算公式為：

(1)

式中t——當(dāng)前點(diǎn)時(shí)間；

t-1——前一點(diǎn)的時(shí)間;

t+1——后一點(diǎn)的時(shí)間;

P——處理后的壓力數(shù)據(jù);

p——日常監(jiān)測(cè)的壓力數(shù)據(jù)。

每隔一分鐘采集一次數(shù)據(jù)。對(duì)日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，波動(dòng)基本上以6個(gè)點(diǎn)為單元進(jìn)行變化，具有代表性數(shù)據(jù)組可以只有6個(gè)點(diǎn)。選取具有代表性的一組數(shù)據(jù)，采用局部平均方法處理，處理后的結(jié)果如圖1所示。圖 1表明采用局部平均方法處理的數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠減弱波動(dòng)，減小波動(dòng)振幅。其缺點(diǎn)也比較明顯：容易改變波動(dòng)形式，引入其他波動(dòng)形態(tài)，將逐漸變大的趨勢(shì)處理后變成無(wú)變化，或?qū)⒅饾u變小的趨勢(shì)處理后變成無(wú)變化，這將不利于管網(wǎng)漏損狀態(tài)評(píng)價(jià)與滲漏診斷。

圖1　求平均值方法處理后的曲線

第二種基本原理是逼近局部平均。日常監(jiān)測(cè)壓力曲線的特點(diǎn)是頻率固定(1min采集1次)，振幅變動(dòng)。另外當(dāng)電流變化時(shí)可能引起突然很大或很小的值，形成孤立的尖銳點(diǎn)，這對(duì)準(zhǔn)確判斷壓力數(shù)據(jù)無(wú)貢獻(xiàn)。此處可以將無(wú)貢獻(xiàn)的最大值或最小值削弱成與其他峰值或谷值差不多大小即可。逼近局部平均方法的思想是在局部單位范圍內(nèi)查找出峰值、谷值，將它們向平均值方向調(diào)整。如此循環(huán)多次后，壓力曲線將向局部平均逼近。選取具有代表性的一組數(shù)據(jù)，采用逼近局部平均方法處理后的結(jié)果如圖2所示。圖2說(shuō)明采用逼近局部平均方法處理后的曲線，能保持以局部平均值為中心變化，并且不改變波動(dòng)形式，不引入其他波動(dòng)。

圖2　逼近局部平均方法處理后的曲線

2.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波程序的編制

日常說(shuō)觀測(cè)壓力數(shù)據(jù)曲線，每天數(shù)據(jù)有1440個(gè)(頻率為1min 1次)，可以將它們分成240次六個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組(簡(jiǎn)稱六點(diǎn))。六個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組形成局部數(shù)值，可以進(jìn)行局部平滑處理，如此處理的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)損失整體趨勢(shì)及細(xì)微變化(不包括獨(dú)立尖銳點(diǎn))。局部數(shù)值的平滑處理選擇逼近局部平均原理，這是因?yàn)樵诰植糠秶鷥?nèi)盡量保持原波動(dòng)形狀不變，不引入新波動(dòng)，又能夠盡量減小局部波動(dòng)。本文編制出曲線平滑程序，用以對(duì)日常所觀測(cè)壓力曲線進(jìn)行平滑處理，程序流程如圖3所示。

3滲漏診斷算例

以大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程中某段管道為例，此管道安裝有調(diào)流閥，調(diào)流閥前、后安裝有壓力傳感器，以便自動(dòng)化系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。以某日觀測(cè)的日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)處理采用本文編制的“監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波程序”，以下為分析數(shù)據(jù)處理效果。

圖3　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波程序的計(jì)算流程

a.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波程序循環(huán)次數(shù)越多，噪聲波過(guò)濾效果越好。

圖4　調(diào)流閥上游壓力(日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))

圖5　調(diào)流閥上游壓力(日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理第二次后的曲線)

圖6　調(diào)流閥上游壓力(日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理第四次后的曲線)

圖7　調(diào)流閥上游壓力(日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理后的曲線)

圖4是該日調(diào)流閥上游的日常觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線，觀測(cè)壓力在124.6～124.8kPa之間變化，有些尖銳點(diǎn)，這個(gè)數(shù)據(jù)曲線過(guò)于復(fù)雜不利于滲漏診斷。圖5、圖6給出“監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波程序”處理過(guò)程的一些示意圖，圖7是處理結(jié)果，它們的波動(dòng)范圍由在124.64～124.72kPa之間變化逐漸減小到在124.67～124.68kPa之間變化，數(shù)據(jù)曲線趨于穩(wěn)定，去噪聲波效果較好。b.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波程序處理后數(shù)據(jù)精度很高，能夠發(fā)現(xiàn)0.01kPa量級(jí)的逐漸下降趨勢(shì)。圖7說(shuō)明，調(diào)流閥上游在600min左右有下降趨勢(shì)，這點(diǎn)圖4看不出來(lái)。

c.經(jīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波程序處理后的數(shù)據(jù)，保留上升、下降趨勢(shì)，并且不引入其他波動(dòng)。

圖8是該日調(diào)流閥上游壓力下降段，日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)勉強(qiáng)能看出下降趨勢(shì)，處理后數(shù)據(jù)曲線能夠看出0.01kPa的梯級(jí)下降趨勢(shì)，共下降0.04kPa。圖9是該日調(diào)流閥下游壓力上升段，日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)勉強(qiáng)能看出上升趨勢(shì)，處理后數(shù)據(jù)曲線能夠看出0.01kPa的梯級(jí)上升趨勢(shì)，共上升0.07kPa。

d.經(jīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波程序處理后的數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確診斷出滲漏情況。

圖10是該日調(diào)流閥下游壓力日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖11是其處理后的數(shù)據(jù)曲線。圖12是該日調(diào)流閥的降壓曲線(即：上游壓力減去下游壓力)，表明調(diào)流閥在時(shí)間566、638、1086min左右有低于0.1kPa的壓降變小過(guò)程，此段時(shí)間可能發(fā)生泄漏(短時(shí)間的滲漏視為泄漏)。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工作人員在這些時(shí)間內(nèi)從調(diào)流閥中放水，用以采集水樣分析水質(zhì)。

圖8　調(diào)流閥上游壓力下降段

圖9　調(diào)流閥下游壓力上升段

圖10　調(diào)流閥下游壓力(日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))

圖11　調(diào)流閥下游壓力(處理后)

圖12　調(diào)流閥消能降壓曲線

以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為背景更能反映工程實(shí)際情況。另外，因工程中輸水距離長(zhǎng)，管道埋深幾米至十幾米，不容易詳細(xì)地反映滲漏情況，因此，以調(diào)流閥的泄漏實(shí)例為例，能夠更經(jīng)濟(jì)、更具體地描繪滲漏情況。

4結(jié)論

針對(duì)大型輸水工程中日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度低、噪聲波影響大的情況，提出逼近局部平均方法原理；基于此原理，編制出“監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪聲波程序”，從而得到高精度的數(shù)據(jù)；結(jié)合滲漏理論，能夠準(zhǔn)確地診斷滲漏情況。此種診斷滲漏的方法相對(duì)于前人工作，易于實(shí)現(xiàn)且貼近工程實(shí)際，相比于引進(jìn)高精度脈沖儀的方法更節(jié)省成本，意義重大。

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Research on monitoring data processing of long-distance water

conveyance pipeline

LI Fengbin

(LiaoningDahuofangReservoirWaterConveyanceProjectConstructionBureau,Shenyang110166,China)

Abstract：In long-distance water conveyance project, daily pressure flow monitoring data is the basis and foundation of seepage diagnosis and positioning. It is very important to improve its precision. In the paper, daily monitoring data processing procedures is prepared for removing noise waves, thereby obtaining high precision data. Changing rule of leakage occurrence is combined for accurately diagnosing seepage condition. The processed data can reflect changing trend of 0.01 kPa, which is beneficial for trend analysis. Small flow seepage nodes can be easily distinguished as reference for similar projects.

Key words：water conveyance pipeline; seepage; monitoring; noise wave

中圖分類號(hào)：TV672

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-4774(2015)12-0058-05

DOI:10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2015.12.016