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1、概述
隨著中國經濟迅猛發展，能源需求倍增。管道運輸因運量大、耗能低、經濟環保等優點，迅速成為石油、天然氣的主要運輸方式，在國民經濟中占據越來越重要的位置。
由于管道運輸固有的高壓、易燃、易爆特性，長輸管道的安全管理極為重要。泄漏是長輸管道運行中最主要的安全威脅之一。氣體管道泄漏往往造成中毒、火災和爆炸等嚴重事故。近年來，犯罪分子在原油成品油管道打孔盜油，導致巨大經濟損失。
管道泄漏監測系統實時監測管道的運行情況，當管道發生泄漏時，能夠及時發現并確定泄漏發生的位置。從而可以及時有效地進行應急處理，控制和減少因管道泄漏造成的經濟損失，具有明顯的經濟效益和社會效益。
智能音波管道泄漏監測系統采用先進的信號處理、模式識別和人工智能技術，提高了管道泄漏監測系統的靈敏度、可靠性和穩定性，降低了誤報率，是目前最為先進的第四代管道泄漏監測技術。
2、DOLPHIN音波智能管道泄漏監測系統簡介
北京寰宇聲望智能科技有限公司與自動化行業中創新與科技的領先者奧地利貝加萊工業自動化有限公司合作，在國內推廣貝加萊管道泄漏監測解決方案--DOLPHIN智能音波管道泄漏監測系統，是貝加萊公司在音波智能管道泄漏監測領域唯一系統集成商。
DOLPHIN系統在管道兩端安裝音波傳感器，24小時實時接收并監控管道內音波信號。DOLPHIN系統通過音波信號處理，消除管道的背景噪聲并抑制管道操作過程中產生的干擾；然后利用模式識別和人工智能技術，實時識別甄別和分析音波信號，確定是否發生泄漏；最后根據音波信號到達管道兩端的時間差，計算出發生泄漏的位置。
DOLPHIN智能音波管道泄漏監測定位系統主要包括數據采集處理終端、泄漏監測定位服務器以及人機接口界面。同時，系統正常運行需要通訊網絡支持，比如GPRS路由器和VPN服務器等。如圖1所示：
圖1 DOLPHIN音波智能管道泄漏監測定位系統
數據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進行預處理與放大，轉換為數字域的多通道音波信號。通過維納濾波、自適應濾波等多種方法對信號進行預處理，利用GPS信號進行精確時間同步，并通過通訊網絡，實時傳輸到泄漏監測定位服務器。
泄漏檢測定位服務器負責實時接收各個數據采集終端節點傳送來的數據，并對管道進行實時監控。其主要功能是：
通訊：建立并維護各數據采集終端的通訊信道；
數據采集同步：采集并同步各數據處理終端的原始數據；
實時泄漏監測：對音波數據進行實時泄漏監測，并判斷是否發生泄漏；
泄漏位置計算：估計音波信號到達各數據處理終端的時間差，并計算泄漏位置；
系統狀態服務：維護系統工作狀態，并傳送給狀態監控主機；
數據備份：保存原始數據；
泄漏狀態日志：把泄漏發生的時間、地點等關鍵信息保存到數據庫；
運行在各監控終端的人機界面負責提供操作界面以控制系統運行的各種參數，并實時顯示管道運行狀態，當發生管道泄漏，及時發出報警并啟動應急處理。
3、DOLPHIN音波智能管道泄漏監測系統核心技術
音波管道泄漏監測系統需要解決的核心難點是既需要靈敏的檢測到由于微小泄漏引起的微弱音波信號，同時也需要區分泄漏引起的音波和管道日常運行中的背景噪聲以及操作干擾，避免干擾信號引起的誤報警。因此，管道泄漏監測問題可以歸結為模式識別問題：如何有效的建立泄漏音波信號及各種干擾信號的模型？如何從實時識別出泄漏音波？
為了提高系統靈敏度，降低由于干擾噪聲引起的誤報，DOLPHIN音波智能管道泄漏監測系統采用先進的傳感器技術及前端處理技術以獲取高質量的音波信號、領先的信號處理技術抑制背景噪聲和操作干擾、先進的人工智能技術和模式識別技術以準確的識別微小泄漏音波同時拒絕各種干擾音波信號。DOLPHIN音波管道泄漏監測系統采用基于HMM（Hidden Markov Model）模型的識別器實時監測管道運行狀況。
傳感器及前端處理模塊
主要作用是實時將管道中的音波信號轉換為電訊號，并傳輸到DOLPHIN系統信號采集處理終端。在微小泄漏孔徑的情況下，DOLPHIN系統信號采集處理終端采用定制的傳感器，有效的解決了微弱信號的捕捉、放大和噪聲抑制問題。
音波信號處理：
管道背景噪聲影響泄漏音波信號質量。在嚴重的情況下，管道泄漏音波信號將完全被噪聲淹沒。DOLPHIN泄漏監測系統采用先進的背景噪聲功率譜估計算法，有效地估計管道運行過程中的平穩和非平穩背景噪聲，然后利用維納濾波器抑制背景噪聲。
管道分輸等操作干擾噪聲特點接近泄漏音波信號，DOLPHIN系統采用主傳感器獲取主信號，同時采用多個傳感器采集參考干擾信號，利用自適應濾波器濾除干擾噪聲。
基于HMM模型的實時識別器及快速自適應訓練
DOLPHIN音波智能管道泄漏監測系統選擇不同頻帶的低頻音波能量作為特征向量。波形特征向量經過能量壓縮、信息壓縮之后，作為實時識別器的輸入。
DOLPHIN音波管道泄漏監測系統采用了基于HMM（Hidden Markov Model）模型的識別器實時處理并甄別管道的運行狀態。采用HMM模型來描述泄漏音波及各種干擾信號模型，解決了HMM模型建立、模型訓練、實時識別以及在嵌入式系統上的識別器優化等一系列問題，從而有效地識別出泄漏音波信號及干擾信號。
實際管道的運行狀況千差萬別，壓力、溫度、流體特性以及背景噪聲都各不相同，準確快速地適應調整識別模型將進一步提高識別系統的性能。DOLPHIN音波管道泄漏監測系統采用先進的快速適應性訓練技術對原始模型進行訓練。經過現場快速適應訓練之后，實時識別器的HMM模型能夠更好的適應管道的現場運行狀況，從而進一步提高識別精度。
開放式、模塊化軟硬件架構
與一些采用專用軟硬件管道泄漏監測系統相比，DOLPHIN音波管道泄漏監測系統采用貝加萊開放式的軟硬件系統架構。同時，軟硬件系統都采用模塊化的結構，便于系統維護和升級，也有利于DOLPHIN音波管道泄漏監測系統性能的進一步提升。
4、DOLPHIN智能音波管道泄漏監測系統
目前，DOLPHIN智能音波管道泄漏監測系統已在延長集團延煉-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/天然氣管道等多個項目得到成功應用。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測系統在長輸管道的應用。
延煉-西安成品油管道起點為延安市黃陵縣延煉惠家河油庫，終點為西安市臨潼區斜口鎮，管道全長200.9km。整體走勢為北南走向，起點高程為789m，終點高程為443m，全線最低點高程為360m，最高點高程為1590m。設計年輸油能力500萬噸，設計最大輸量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，管線首站出站設計壓力16MPa，末站進站設計壓力10MPa。
圖2 延煉－西安成品油管道音波泄漏監測系統框圖
延煉-西安成品油管道智能音波泄漏監測系統安裝6個數據采集處理終端（延煉首站、3#截斷閥室、5#截斷閥室、銅川清管站、7#截斷閥室、西安輸油末站）、1套泄漏監測定位服務器（西安輸油末站的中心控制室）和1套泄漏監控終端（西安輸油末站的中心控制室）。采集終端和服務器之間通過沿管道鋪設的光纖通訊。
在西安輸油末站站控室安裝1臺服務器，運行DOLPHIN智能音波測漏系統服務程序。同樣在站控室安裝1臺監控終端，運行遠程OPC程序和人機界面程序。監控終端和服務器之間通過局域網通訊。
該項目2009年6月中旬到7月中旬進行現場施工，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，采集終端接線；
安裝服務器；
安裝監控終端；
8月初系統初步調試完成，開始工作，剩下進行實際放油試驗對參數進行優化。
圖3 DOLPHIN音波測漏系統施工簡圖
 
圖3 DOLPHIN音波測漏系統服務器和監控終端
2009年9月，北京寰宇聲望公司配合業主進行現場泄漏實驗。實驗管道選擇7#閥室到西安輸油末站管段，長度為49.9公里。輸送介質為汽油；工作壓力為6~8 MPa。放油點選擇8#截斷閥室，通過啟動泄放閥門，使管道內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音波測漏系統放油實驗流孔板及安裝現場
經過兩周的實驗，先后進行了27次放油試驗，試驗結果總結如下：
靈敏度：DOLPHIN系統檢測到所有管道泄漏，最小泄漏孔徑為3mm，對應泄漏率0.2%；
定位精度：DOLPHIN系統泄漏點平均定位精度小于50米；
誤報率：在試驗過程中，DOLPHIN系統沒有發生誤報；
反應速度：所有管道泄漏實驗DOLPHIN系統泄漏報警時間小于60s。
5、結論
DOLPHIN音波智能管道泄漏監測系統采用貝加萊先進的軟硬件系統，具有靈敏度高、誤報率低、穩定性好、支持節點眾多等優點。DOLPHIN系統在中國的實施與推廣，對于保障管道安全運營，促進國民經濟和諧發展具有重要意義。
參考文獻
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