蓋秋敏

摘 ?要：城市是人們聚集的重要地區(qū)，如果將城市看作一個(gè)“人”的話，供水管道就可以看作“人”體內(nèi)的血管，為城市的發(fā)展提供所需要的“養(yǎng)分（水）”。借助于供水管道能夠方便快捷的將水輸送至城市內(nèi)的各個(gè)區(qū)域，但是在長期的使用中供水管道因老化、腐蝕或是破壞等因素的影響所發(fā)生的泄漏事故時(shí)有發(fā)生，從而嚴(yán)重影響了供水安全。為保障供水安全需要對供水管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行快速定位，并在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。文章在分析供水管道泄漏特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了一種基于供水管道壓力衰減的定位算法。

關(guān)鍵詞：壓力衰減;供水管道泄漏;定位

中圖分類號(hào)：TU991.61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0165-02

Abstract： The city is an important area where people gather. If the city is regarded as a "human being"， the water supply pipeline can be regarded as the blood vessel in the "human" body， providing "nutrients （water）" for the development of the city.

With the help of the water supply pipeline， the water can be transported to all areas of the city conveniently and quickly， but in the long-term use， the leakage accidents of the water supply pipeline occur from time to time due to aging， corrosion or damage and other factors， thus seriously affecting the safety of water supply. In order to ensure the safety of water supply， it is necessary to quickly locate the leakage point of the water supply pipeline， and on this basis， take corresponding remedial measures. Based on the analysis of the leakage characteristics of water supply pipeline， a location algorithm based on pressure attenuation of water supply pipeline is proposed in this paper.

Keywords： pressure attenuation; leakage of water supply pipeline; location

前言

供水保障是城市供水體系建設(shè)中的重要目標(biāo)，城市內(nèi)的供水管道在長期的使用過程中將會(huì)因各種原因而發(fā)生泄漏，為保障供水安全需要能夠就供水管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)的定位以便采取相應(yīng)的救援措施。本文所介紹的基于供水管道壓力衰減的泄漏點(diǎn)定位法能夠有效的應(yīng)用于長管道泄漏點(diǎn)的定位，避免了以往供水管道兩端所采用的壓力傳感器所存在的泄漏檢測盲區(qū)問題，能夠更靈敏、更精確的對供水管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。

1 基于壓力衰減所提出的供水管道泄漏點(diǎn)定位算法特點(diǎn)

城市供水管道在實(shí)際的鋪設(shè)中受地形、成本等因素的影響存在著一些較長的供水管道，傳統(tǒng)的供水管道泄漏點(diǎn)檢測定位依靠的是負(fù)壓波檢測法，其重要依靠的是分布于供水管道兩端的壓力傳感器，通過對壓力傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，并結(jié)合負(fù)壓波波速和自來水流速來計(jì)算出相應(yīng)的泄漏點(diǎn)。此種方法在短距離的供水管道泄漏點(diǎn)定位時(shí)能夠發(fā)揮出良好的效果，但是在較長的供水管道中位于兩端的壓力傳感器已經(jīng)無法監(jiān)測整個(gè)供水管道，從而使得監(jiān)測存在一定的盲區(qū)，加之負(fù)壓波傳輸和噪聲的影響導(dǎo)致傳統(tǒng)定位算法存在一定的誤差和局限性。針對傳統(tǒng)定位算法所存在的問題本文提出了基于供水管道壓力衰減的供水管道泄漏點(diǎn)定位算法，該算法重要通過對泄漏供水管道前后端壓差進(jìn)行分析，并借助于ANPW算法實(shí)現(xiàn)了對于長供水管道泄漏點(diǎn)的精確定位，同時(shí)該算法還具有較強(qiáng)的抗干擾特性，即使不采用消噪處理仍能夠較為精確的對供水管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。

2 負(fù)壓波法算法

負(fù)壓波法是一種各方面性能都沒有短板的算法，因其良好的均衡性被廣泛應(yīng)用于管道泄漏定位中。負(fù)壓波法的原理如下：在供水管道完好時(shí)，其內(nèi)部的介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)且內(nèi)部的壓力表現(xiàn)為滿載壓力，而當(dāng)供水管道泄漏時(shí)其內(nèi)部的介質(zhì)將會(huì)在壓力的作用下快速的滲漏從而造成泄漏點(diǎn)處表現(xiàn)為壓力降低、介質(zhì)量減少，供水管道內(nèi)的介質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)處于流動(dòng)連續(xù)性狀態(tài)，從而變現(xiàn)為供水管道泄漏點(diǎn)處的壓力要小于泄漏點(diǎn)兩端的壓力，供水管道泄漏點(diǎn)處的低壓狀態(tài)與供水管道兩端的壓力差狀態(tài)呈現(xiàn)出壓力波，也被成為負(fù)壓波。負(fù)壓波在供水管道內(nèi)是沿著管道方向船舶，其特性與聲波在管道內(nèi)傳播所表現(xiàn)出的特性相一致，但是受材料、介質(zhì)以及橫截面等因素的影響其傳輸速度也會(huì)有所差異。

流通于管道內(nèi)部的介質(zhì)主要呈現(xiàn)為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種狀態(tài)，其中穩(wěn)定狀態(tài)指的是管道中介質(zhì)其壓力參數(shù)保持穩(wěn)定，其僅與介質(zhì)所處的位置相關(guān)。但是流經(jīng)管道內(nèi)的介質(zhì)多呈現(xiàn)為相對穩(wěn)定狀態(tài)，基于上述特性可以建立起供水管道的模型。截取管道內(nèi)任意位置的介質(zhì)作為研究對象，受管道的影響所研究介質(zhì)的速度和時(shí)間和位置因素密切相關(guān)。在不同的時(shí)刻、不同位置的液體流速也有所差異。結(jié)合上述參數(shù)可以建立起管道介質(zhì)連續(xù)方程。在所建立模型的基礎(chǔ)上研究負(fù)壓波沿管道衰減的方程。通過對衰減方程進(jìn)行分析，當(dāng)泄漏發(fā)生在供水管道的某一處時(shí)，泄漏將會(huì)在供水管道產(chǎn)生負(fù)壓波，且分布于供水管道內(nèi)的負(fù)壓波將在整個(gè)管道內(nèi)呈現(xiàn)為衰減特性，其在供水管道兩端衰減的最為厲害。供水管道內(nèi)的壓力變化與衰減程度與供水管道泄漏點(diǎn)的位置及管道參數(shù)所決定。

傳統(tǒng)的供水管道泄漏定位采用的是負(fù)壓波定位算法，位于供水管道兩端的壓力傳感器將所采集到的負(fù)壓波用于泄漏點(diǎn)的計(jì)算，根據(jù)供水管道內(nèi)負(fù)壓波的速度和兩端的時(shí)間差即可完成相應(yīng)位置的定位。負(fù)壓波算法在短供水管道內(nèi)能夠獲得較高的精確性但是由于管道內(nèi)的負(fù)壓波傳播的速度較快，利用兩端壓力傳感器來確定負(fù)壓波的時(shí)間差難度較大且這一差值也很小，加之負(fù)壓波在傳播的過程中受干擾因素的影響將會(huì)對供水管道泄漏點(diǎn)的精確定位產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。

3 ANPW算法

ANPW算法是基于傳統(tǒng)負(fù)壓波特性的基礎(chǔ)上所推演出來的，通過對負(fù)壓波的傳輸衰減特性（圖1所示）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)負(fù)壓波的衰減幅值與其傳輸?shù)木嚯x有著極大的關(guān)系。相較于傳統(tǒng)管道泄漏點(diǎn)定位法， ANPW算法僅僅需要利用對所采集到的信號(hào)進(jìn)行去噪求平均值即可得到供水管道在泄漏前和泄漏后穩(wěn)定狀態(tài)的壓力差，并借助于相應(yīng)的公式即可對供水管道泄漏點(diǎn)的位置進(jìn)行確定。傳統(tǒng)定位法所使用的壓力信號(hào)去噪算法容易造成原始信號(hào)的失真，而ANPW算法則主要利用泄漏前和泄漏后的穩(wěn)定狀態(tài)平均值作為計(jì)算點(diǎn)，有效的解決了傳統(tǒng)算法所存在的失真問題，提高了泄漏點(diǎn)定位的精準(zhǔn)度。ANPW算法去噪克服了壓力信號(hào)時(shí)域峰值濾波法所帶來的信號(hào)邊界效應(yīng)與信號(hào)曲線不平滑的問題，但是對平穩(wěn)段的去噪效果明顯的得到了加強(qiáng)，并優(yōu)于其他的算法.小波變換去噪算法是ANPW算法所主要采用的算法. 小波變換去噪算法的應(yīng)用主要分為三個(gè)階段：（1）對所采集到的壓力信號(hào)進(jìn)行分解，通過多級(jí)分解獲得各尺度上的低頻信號(hào)與細(xì)節(jié)信號(hào);（2）對細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行閾值處理;（3）在完成了對于信號(hào)的閾值處理后再根據(jù)各尺度上的尺度系數(shù)和經(jīng)過閾值處理的細(xì)節(jié)系數(shù)重新對壓力信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)對于壓力信號(hào)的去噪。除了應(yīng)用小波變換去噪算法外，EMD算法和時(shí)域峰值濾波算法也能夠在壓力信號(hào)去噪方面發(fā)揮出良好的效果，其中EMD算法采用的是將原始信號(hào)分解為多為本征模態(tài)函數(shù)的方式，通過信號(hào)的分解并獲取本征模態(tài)函數(shù)用以獲知壓力信號(hào)的特性。時(shí)域峰值濾波法采用的是大量噪聲信號(hào)的重構(gòu)調(diào)制，并計(jì)算出噪聲信號(hào)的峰值從而在此基礎(chǔ)上估算出該信號(hào)的瞬時(shí)頻率，用以獲取所需要的去噪后的壓力信號(hào)。

4 基于供水管道壓力衰減的泄漏點(diǎn)定位算法模擬

在完成了ANPW算法的建立與確定后，需要對所建立的ANPW算法進(jìn)行模擬驗(yàn)證，通過搭建模擬管道，管道總長約200m，水箱總體積為1m3，蓄水高度為1.2m，管道兩端采用MIK-P300型壓力傳感器（量程為0-0.6MPa，精度為0.1%全量程），在管道兩端的壓差大于檢測值時(shí)傳感器將會(huì)發(fā)出報(bào)警。模擬供水管道中將位于傳感器28m、98m和158m的位置設(shè)置三個(gè)泄漏點(diǎn)，管道直徑50cm，壁厚6mm，管道入口水壓為0.35MPa，管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)速度為1m/s，壓力傳感器所采集到的數(shù)據(jù)接入到示波器上并使用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行處理。應(yīng)用模擬在每個(gè)泄漏點(diǎn)重復(fù)兩次相同的泄漏，并將ANPW算法與傳統(tǒng)算法等進(jìn)行試驗(yàn)對比驗(yàn)證其定位精度。通過模擬測試的結(jié)果可以看出ANPW算法和傳統(tǒng)算法在不同的情況下均可以檢測出泄漏并對泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位，并未發(fā)生誤報(bào)或是漏報(bào)，但是在定位精度方面ANPW算法的誤差在1.591%以內(nèi)，而傳統(tǒng)算法的誤差則在1.672%-3.1%之間，通過比較可以看出傳統(tǒng)算法的誤差更大。通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證了這一準(zhǔn)確性。此外，在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)了算法誤差隨著泄漏點(diǎn)孔徑的增大而減小，即泄漏孔徑越大算法的定位準(zhǔn)確性也越高。

5 結(jié)束語

供水管道密布與城市內(nèi)，其深埋地下從而對供水管道泄漏點(diǎn)的查找?guī)砹藰O大的不便，為保障供水安全需要積極做好供水管道泄漏點(diǎn)的定位研究。本文在分析供水管道定位算法的基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)的基于時(shí)間差的負(fù)壓波算法進(jìn)行了分析介紹，并對負(fù)壓波算法所存在的不足進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了基于壓力差衰減的ANPW算法，ANPW算法是基于負(fù)壓波特性的基礎(chǔ)上所發(fā)展出的一種新算法，其主要利用的是負(fù)壓波的衰減特性并通過良好的去噪處理有效的提高了ANPW算法在泄漏點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性。從而使得ANPW算法能夠在供水管道定位中發(fā)揮出良好的效果。

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