1、概述

　　隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，能源需求倍增。管道運(yùn)輸因運(yùn)量大、耗能低、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為石油、天然氣的主要運(yùn)輸方式，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來越重要的位置。

　　由于管道運(yùn)輸固有的高壓、易燃、易爆特性，長(zhǎng)輸管道的安全管理極為重要。泄漏是長(zhǎng)輸管道運(yùn)行中最主要的安全威脅之一。氣體管道泄漏往往造成中毒、火災(zāi)和爆炸等嚴(yán)重事故。近年來，犯罪分子在原油成品油管道打孔盜油，導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失。

　　管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的運(yùn)行情況，當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定泄漏發(fā)生的位置。從而可以及時(shí)有效地進(jìn)行應(yīng)急處理，控制和減少因管道泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　智能音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的信號(hào)處理、模式識(shí)別和人工智能技術(shù)，提高了管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性，降低了誤報(bào)率，是目前最為先進(jìn)的第四代管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)。

　　2、DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　北京寰宇聲望智能科技有限公司與自動(dòng)化行業(yè)中創(chuàng)新與科技的領(lǐng)先者奧地利貝加萊工業(yè)自動(dòng)化有限公司合作，在國(guó)內(nèi)推廣貝加萊管道泄漏監(jiān)測(cè)解決方案--DOLPHIN智能音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是貝加萊公司在音波智能管道泄漏監(jiān)測(cè)領(lǐng)域唯一系統(tǒng)集成商。

　　DOLPHIN系統(tǒng)在管道兩端安裝音波傳感器，24小時(shí)實(shí)時(shí)接收并監(jiān)控管道內(nèi)音波信號(hào)。DOLPHIN系統(tǒng)通過音波信號(hào)處理，消除管道的背景噪聲并抑制管道操作過程中產(chǎn)生的干擾；然后利用模式識(shí)別和人工智能技術(shù)，實(shí)時(shí)識(shí)別甄別和分析音波信號(hào)，確定是否發(fā)生泄漏；最后根據(jù)音波信號(hào)到達(dá)管道兩端的時(shí)間差，計(jì)算出發(fā)生泄漏的位置。

　　DOLPHIN智能音波管道泄漏監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集處理終端、泄漏監(jiān)測(cè)定位服務(wù)器以及人機(jī)接口界面。同時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行需要通訊網(wǎng)絡(luò)支持，比如GPRS路由器和VPN服務(wù)器等。如圖1所示：

圖1 DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)采集處理處理終端的主要功能是把傳感器采集到的音波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理與放大，轉(zhuǎn)換為數(shù)字域的多通道音波信號(hào)。通過維納濾波、自適應(yīng)濾波等多種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，利用GPS信號(hào)進(jìn)行精確時(shí)間同步，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)叫孤┍O(jiān)測(cè)定位服務(wù)器。

　　泄漏檢測(cè)定位服務(wù)器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收各個(gè)數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)，并對(duì)管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。其主要功能是：

通訊：建立并維護(hù)各數(shù)據(jù)采集終端的通訊信道；
數(shù)據(jù)采集同步：采集并同步各數(shù)據(jù)處理終端的原始數(shù)據(jù)；
實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測(cè)：對(duì)音波數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)泄漏監(jiān)測(cè)，并判斷是否發(fā)生泄漏；
泄漏位置計(jì)算：估計(jì)音波信號(hào)到達(dá)各數(shù)據(jù)處理終端的時(shí)間差，并計(jì)算泄漏位置；
系統(tǒng)狀態(tài)服務(wù)：維護(hù)系統(tǒng)工作狀態(tài)，并傳送給狀態(tài)監(jiān)控主機(jī)；
數(shù)據(jù)備份：保存原始數(shù)據(jù)；
泄漏狀態(tài)日志：把泄漏發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)等關(guān)鍵信息保存到數(shù)據(jù)庫；

運(yùn)行在各監(jiān)控終端的人機(jī)界面負(fù)責(zé)提供操作界面以控制系統(tǒng)運(yùn)行的各種參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示管道運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生管道泄漏，及時(shí)發(fā)出報(bào)警并啟動(dòng)應(yīng)急處理。

　　3、DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心技術(shù)

　　音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要解決的核心難點(diǎn)是既需要靈敏的檢測(cè)到由于微小泄漏引起的微弱音波信號(hào)，同時(shí)也需要區(qū)分泄漏引起的音波和管道日常運(yùn)行中的背景噪聲以及操作干擾，避免干擾信號(hào)引起的誤報(bào)警。因此，管道泄漏監(jiān)測(cè)問題可以歸結(jié)為模式識(shí)別問題：如何有效的建立泄漏音波信號(hào)及各種干擾信號(hào)的模型？如何從實(shí)時(shí)識(shí)別出泄漏音波？

　　為了提高系統(tǒng)靈敏度，降低由于干擾噪聲引起的誤報(bào)，DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)及前端處理技術(shù)以獲取高質(zhì)量的音波信號(hào)、領(lǐng)先的信號(hào)處理技術(shù)抑制背景噪聲和操作干擾、先進(jìn)的人工智能技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)以準(zhǔn)確的識(shí)別微小泄漏音波同時(shí)拒絕各種干擾音波信號(hào)。DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于HMM（Hidden Markov Model）模型的識(shí)別器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道運(yùn)行狀況。

傳感器及前端處理模塊

　　主要作用是實(shí)時(shí)將管道中的音波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)，并傳輸?shù)紻OLPHIN系統(tǒng)信號(hào)采集處理終端。在微小泄漏孔徑的情況下，DOLPHIN系統(tǒng)信號(hào)采集處理終端采用定制的傳感器，有效的解決了微弱信號(hào)的捕捉、放大和噪聲抑制問題。

音波信號(hào)處理：

　　管道背景噪聲影響泄漏音波信號(hào)質(zhì)量。在嚴(yán)重的情況下，管道泄漏音波信號(hào)將完全被噪聲淹沒。DOLPHIN泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的背景噪聲功率譜估計(jì)算法，有效地估計(jì)管道運(yùn)行過程中的平穩(wěn)和非平穩(wěn)背景噪聲，然后利用維納濾波器抑制背景噪聲。

　　管道分輸?shù)炔僮鞲蓴_噪聲特點(diǎn)接近泄漏音波信號(hào)，DOLPHIN系統(tǒng)采用主傳感器獲取主信號(hào)，同時(shí)采用多個(gè)傳感器采集參考干擾信號(hào)，利用自適應(yīng)濾波器濾除干擾噪聲。

基于HMM模型的實(shí)時(shí)識(shí)別器及快速自適應(yīng)訓(xùn)練

　　DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇不同頻帶的低頻音波能量作為特征向量。波形特征向量經(jīng)過能量壓縮、信息壓縮之后，作為實(shí)時(shí)識(shí)別器的輸入。

　　DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了基于HMM（Hidden Markov Model）模型的識(shí)別器實(shí)時(shí)處理并甄別管道的運(yùn)行狀態(tài)。采用HMM模型來描述泄漏音波及各種干擾信號(hào)模型，解決了HMM模型建立、模型訓(xùn)練、實(shí)時(shí)識(shí)別以及在嵌入式系統(tǒng)上的識(shí)別器優(yōu)化等一系列問題，從而有效地識(shí)別出泄漏音波信號(hào)及干擾信號(hào)。

　　實(shí)際管道的運(yùn)行狀況千差萬別，壓力、溫度、流體特性以及背景噪聲都各不相同，準(zhǔn)確快速地適應(yīng)調(diào)整識(shí)別模型將進(jìn)一步提高識(shí)別系統(tǒng)的性能。DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的快速適應(yīng)性訓(xùn)練技術(shù)對(duì)原始模型進(jìn)行訓(xùn)練。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)快速適應(yīng)訓(xùn)練之后，實(shí)時(shí)識(shí)別器的HMM模型能夠更好的適應(yīng)管道的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況，從而進(jìn)一步提高識(shí)別精度。

開放式、模塊化軟硬件架構(gòu)

　　與一些采用專用軟硬件管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用貝加萊開放式的軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)。同時(shí)，軟硬件系統(tǒng)都采用模塊化的結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)，也有利于DOLPHIN音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。

　　4、DOLPHIN智能音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　目前，DOLPHIN智能音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在延長(zhǎng)集團(tuán)延煉-西安成品油管道、中海油中捷石化-黃驊港原油成品油管道、中海油海底原油/天然氣管道等多個(gè)項(xiàng)目得到成功應(yīng)用。本文以延煉-西安成品油管道為例，介紹智能音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)輸管道的應(yīng)用。

　　延煉-西安成品油管道起點(diǎn)為延安市黃陵縣延煉惠家河油庫，終點(diǎn)為西安市臨潼區(qū)斜口鎮(zhèn)，管道全長(zhǎng)200.9km。整體走勢(shì)為北南走向，起點(diǎn)高程為789m，終點(diǎn)高程為443m，全線最低點(diǎn)高程為360m，最高點(diǎn)高程為1590m。設(shè)計(jì)年輸油能力500萬噸，設(shè)計(jì)最大輸量820m3/h，輸送油品主要包括：93#汽油、90#汽油、5#柴油、0#柴油等。采用順序輸送，管線首站出站設(shè)計(jì)壓力16MPa，末站進(jìn)站設(shè)計(jì)壓力10MPa。

圖2 延煉－西安成品油管道音波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

延煉-西安成品油管道智能音波泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝6個(gè)數(shù)據(jù)采集處理終端（延煉首站、3#截?cái)嚅y室、5#截?cái)嚅y室、銅川清管站、7#截?cái)嚅y室、西安輸油末站）、1套泄漏監(jiān)測(cè)定位服務(wù)器（西安輸油末站的中心控制室）和1套泄漏監(jiān)控終端（西安輸油末站的中心控制室）。采集終端和服務(wù)器之間通過沿管道鋪設(shè)的光纖通訊。

　　在西安輸油末站站控室安裝1臺(tái)服務(wù)器，運(yùn)行DOLPHIN智能音波測(cè)漏系統(tǒng)服務(wù)程序。同樣在站控室安裝1臺(tái)監(jiān)控終端，運(yùn)行遠(yuǎn)程OPC程序和人機(jī)界面程序。監(jiān)控終端和服務(wù)器之間通過局域網(wǎng)通訊。

　　該項(xiàng)目2009年6月中旬到7月中旬進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，完成了下列工作：

管道開孔安裝傳感器；
安裝GPS；
安裝采集終端主機(jī)，采集終端接線；
安裝服務(wù)器；
安裝監(jiān)控終端；

8月初系統(tǒng)初步調(diào)試完成，開始工作，剩下進(jìn)行實(shí)際放油試驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 DOLPHIN音波測(cè)漏系統(tǒng)施工簡(jiǎn)圖

圖3 DOLPHIN音波測(cè)漏系統(tǒng)服務(wù)器和監(jiān)控終端

2009年9月，北京寰宇聲望公司配合業(yè)主進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)泄漏實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)管道選擇7#閥室到西安輸油末站管段，長(zhǎng)度為49.9公里。輸送介質(zhì)為汽油；工作壓力為6~8 MPa。放油點(diǎn)選擇8#截?cái)嚅y室，通過啟動(dòng)泄放閥門，使管道內(nèi)的汽油通過不同孔徑的流孔板高速流出。流孔板泄漏孔徑分別為：3 mm, 6 mm, 9 mm，12 mm。

　　圖4 DOLPHIN音波測(cè)漏系統(tǒng)放油實(shí)驗(yàn)流孔板及安裝現(xiàn)場(chǎng)

　　經(jīng)過兩周的實(shí)驗(yàn)，先后進(jìn)行了27次放油試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下：

靈敏度：DOLPHIN系統(tǒng)檢測(cè)到所有管道泄漏，最小泄漏孔徑為3mm，對(duì)應(yīng)泄漏率0.2%；
定位精度：DOLPHIN系統(tǒng)泄漏點(diǎn)平均定位精度小于50米；
誤報(bào)率：在試驗(yàn)過程中，DOLPHIN系統(tǒng)沒有發(fā)生誤報(bào)；
反應(yīng)速度：所有管道泄漏實(shí)驗(yàn)DOLPHIN系統(tǒng)泄漏報(bào)警時(shí)間小于60s。

　　5、結(jié)論

　　DOLPHIN音波智能管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用貝加萊先進(jìn)的軟硬件系統(tǒng)，具有靈敏度高、誤報(bào)率低、穩(wěn)定性好、支持節(jié)點(diǎn)眾多等優(yōu)點(diǎn)。DOLPHIN系統(tǒng)在中國(guó)的實(shí)施與推廣，對(duì)于保障管道安全運(yùn)營(yíng)，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展具有重要意義。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 郝寶垠，朱煥勤等. 油庫實(shí)用堵漏技術(shù). 北京. 中國(guó)石化出版社，2004;

　　[2] 萬洪杰，孫凌云，張興武，DOLPHIN智能音波管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)化博覽，2009,4；

　　[3] Alaska. Industry Preparedness and Pipeline Program, “Technical Review of Leak Detection Technologies”, 1999;

　　[4] Fuchs H, V.Riehle R, Ten years of experience with leak detection by acoustic signal analysis, Applied Acoustic，1999,33: 1−19;