一种海底输油管道泄漏监测系统及方法
阅读说明：本技术 一种海底输油管道泄漏监测系统及方法 (Submarine oil pipeline leakage monitoring system and method ) 是由 李清平 张晓灵 姚海元 李焱 蒋晓斌 郑利军 王清 陈海宏 程兵 秦蕊 刘永飞 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种海底输油管道泄漏监测系统及方法,其特征在于,包括分站系统和主站系统,其中,每一分站系统均包括次声波传感器、前置放大器、数据采集装置和BD/GPS授时装置,主站系统包括数据处理系统和显示终端；次声波传感器用于实时采集待测管道内对应监测点处介质的次声波信号并转换为次声波电信号；前置放大器用于对次声波电信号进行放大滤波；数据采集装置用于将放大滤波后的次声波电信号转换为次声波数据；BD/GPS授时装置用于得到校准后的次声波数据,并发送至数据处理系统；数据处理系统用于判断待测管道是否存在泄漏以及确定泄漏点的位置,本发明可广泛用于海底管道监测领域中。(The invention relates to a submarine oil pipeline leakage monitoring system and method, which is characterized by comprising substation systems and a master station system, wherein each substation system comprises an infrasonic wave sensor, a preamplifier, a data acquisition device and a BD/GPS time service device, and the master station system comprises a data processing system and a display terminal; the infrasonic wave sensor is used for acquiring an infrasonic wave signal of a medium at a corresponding monitoring point in the pipeline to be detected in real time and converting the infrasonic wave signal into an infrasonic wave electric signal; the preamplifier is used for amplifying and filtering the infrasonic wave electric signal; the data acquisition device is used for converting the amplified and filtered infrasonic wave electric signals into infrasonic wave data; the BD/GPS time service device is used for obtaining calibrated infrasonic data and sending the infrasonic data to the data processing system; the data processing system is used for judging whether the pipeline to be detected has leakage or not and determining the position of a leakage point, and the invention can be widely applied to the field of submarine pipeline monitoring.)
技术领域
本发明是关于一种海底输油管道泄漏监测系统及方法，属于海底管道监测领域。
背景技术
海上采油平台和海底输油管道是保障国家能源安全的重要因素，由于输油管道埋在海底，一旦发生泄漏，将造成重大的安全和环境事故。因此，管道的泄漏监测和及 时发现泄漏事件非常重要。同时，由于输油管道深埋海底，管道监测难度很大。
目前，人工巡检法、压力波法和流量监测法均是海底管道泄漏监测的常用方法，但是，上述这些方法均存在灵敏度不高、定位不精确和反应滞后的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种灵敏度高、定位精确且反应迅速的海底输油管道泄漏监测系统及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海底输油管道泄漏监测系统，包括分站系统和主站系统，其中，每一所述分站系统均包括：
次声波传感器，各所述次声波传感器分别固定设置在待测管道对应的监测点处，所述次声波传感器用于实时采集待测管道内对应监测点处介质的次声波信号并转换为 次声波电信号；
前置放大器，用于对次声波电信号进行放大滤波处理；
数据采集装置，用于将放大滤波处理后的次声波电信号转换为次声波数据；
BD/GPS授时装置，用于对次声波数据进行时间校准，得到校准后的次声波数据；
所述主站系统包括：
数据处理系统，用于对校准后的次声波数据进行分析处理，判断待测管道是否存在泄漏以及确定泄漏点的位置；
显示终端，用于显示次声波波形、待测管道的管道地图、泄漏点的位置和所述分站系统的状态。
进一步地，所述数据处理系统内设置有：
滤波模块，用于对各校准后的次声波数据进行滤波处理，得到滤波后的次声波数据；
特征提取模块，用于提取出各滤波后次声波数据的特征；
模板匹配模块，用于预先建立泄漏信号模板和工况信号模板，并采用模板匹配方法和支持向量机算法，根据各校准后的次声波数据以及对应提取出的特征进行模板匹 配；
定位计算模块，用于基于模板匹配结果，根据校准后的次声波数据之间的时间差，确定泄漏点的位置；
预警模块，用于当待测管道存在泄漏点时，通过所述显示终端进行预警。
进一步地，每一所述次声波传感器接收的声波频率均为0.001Hz～20Hz。
进一步地，每一所述BD/GPS授时装置均通过对应数据通讯装置连接所述数据处理系统。
进一步地，每一所述数据通讯装置均采用无线或有线通讯方式。
进一步地，所述BD/GPS授时装置的授时精度为纳秒级别。
进一步地，所述分站系统的数量为2，两所述次声波传感器分别固定设置在待测管道的两端。
一种海底输油管道泄漏监测方法，包括以下内容：
1)将分站系统分别设置在待测管道对应的监测点处；
2)次声波传感器分别采用对应监测点处介质的次声波信号，转换为次声波电信号后发送至对应前置放大器；
3)前置放大器将接收的次声波电信号进行放大滤波处理后发送至对应数据采集装 置；
4)数据采集装置将接收的放大滤波处理后的次声波电信号转换为次声波数据后发 送至对应BD/GPS授时装置；
5)BD/GPS授时装置对对应分站系统的次声波数据进行时间校准，得到校准后的次声波数据，并送至数据处理系统；
6)数据处理系统对校准后的次声波数据进行分析处理，判断待测管道是否存在泄漏以及确定泄漏点的位置；
7)显示终端显示次声波波形、待测管道的管道地图、泄漏点的位置和分站系统的状态。
进一步地，所述步骤6)的具体过程为：
6.1)滤波模块对各校准后的次声波数据均进行滤波处理，得到滤波后的次声波数据；
6.2)特征提取模块提取出各滤波后次声波数据的特征；
6.3)模板匹配模块预先建立泄漏信号模板和工况信号模板，并采用模板匹配方法和支持向量机算法，根据各校准后的次声波数据以及对应提取出的特征进行模板匹配；
6.4)定位计算模块基于模板匹配结果，根据校准后的次声波数据之间的时间差，判断待测管道是否存在泄漏以及确定泄漏点的位置。
进一步地，所述步骤6.3)的具体过程为：
6.3.1)模板匹配模块预先建立泄漏信号模板和工况信号模板；
6.3.2)模板匹配模块从泄漏信号模板和工况信号模板中提取部分数据作为样本数 据与其对应的分类放入支持向量机模型中进行训练，根据泄漏信号模板和工况信号模板中剩余的数据检测支持向量机模型并调整支持向量机模型的参数；
6.3.3)当数据处理系统接收到校准后的次声波数据时，将校准后的次声波数据输入至调整参数后的支持向量机模型进行分类，确定该校准后的次声波数据属于泄漏信 号或是工况信号；
6.3.4)模板匹配模块根据分类结果调用对应的模板对提取出的特征进行模板匹配。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、当海底管道泄漏事件发生时，在管道泄漏处的液体高速喷出，与管壁摩擦产生次声波，该次声波沿介质向管道两端传播，因此，本发明由于在待测管道两端分别设 置分站系统，两分站系统分别连接主站系统，当海底输油管道发生泄漏时，能够及时 快速地发出报警提示，使得相关人员能够及时采取措施，减少事故造成的危害。
2、本发明的分站系统中由于设置有高灵敏度的次声波传感器，能够实时监测待测管道内介质的次声波信号，冗余设计减少系统故障发生的可能，经一系列处理后通过 数据采集装置发送至主站系统的数据处理系统判断海底输油管道是否发生泄漏，能够 实时不间断监测，管道泄漏时报警及时准确，且效率高，相关人员根据报警信息，能 够及时的对管道进行维护，使危害降到最低。
3、本发明的分站系统中由于设置有高精度的BD/GPS授时装置，能够保证不同监测点的分站系统的时间同步精度，使得但方法管道泄漏事件发生时，能够及时、有效、 准确地报警。
4、本发明可以在排除工况误报的前提下，可以降低误报率，进一步提高泄漏点的检测率，可以广泛应用于海底管道监测领域中。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图2是本发明系统中数据处理模块的数据处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的海底输油管道泄漏监测系统包括两分站系统1和一主站系统2，其中，每一分站系统1均包括依次连接的次声波传感器3、前置放大器4、 数据采集装置5、BD/GPS(北斗/全球定位系统)授时装置6和数据通讯装置，主站系 统2包括数据处理系统7和显示终端8。
两次声波传感器3分别固定设置在待测管道两端的监测点处，次声波传感器3用于实时采集待测管道内对应监测点处介质的次声波信号并转换为次声波电信号，并发 送至对应前置放大器4。
前置放大器4用于对接收的次声波电信号进行放大滤波处理，并发送至对应数据采集装置5。
数据采集装置5用于将放大滤波处理后的次声波电信号转换为次声波数据，并发送至对应BD/GPS授时装置6。
BD/GPS授时装置6用于对对应分站系统1的次声波数据进行时间校准，得到时间校准后的次声波数据，以解决不同监测点的之间的时间同步问题，并通过对应数据通 讯装置发送至数据处理系统7。
数据处理系统7用于采用信号处理和识别算法，对校准后的次声波数据进行分析处理，判断待测管道是否存在泄漏以及确定泄漏点的位置，其中，信号处理和识别算 法可以为专家数据库、模糊神经网络和小波变换等信号处理方式。
显示终端8用于显示次声波波形、待测管道的管道地图、泄漏点的位置、操作界 面和分站系统1的状态，其中，操作界面包括菜单和按钮，用于系统参数设置、状态 查询打印和报警信息弹出等，分站系统1的状态包括分站系统1工作是否正常，主要 为通讯是否延时以及分站系统1是否有停用。
在一个优选的实施例中，数据处理系统7内设置有滤波模块、特征提取模块、模 板匹配模块、定位计算模块、预警模块和排序模块。
滤波模块用于对各校准后的次声波数据进行滤波处理，得到滤波后的次声波数据。
特征提取模块用于提取出各滤波后次声波数据的特征，包括最高幅值、最低幅值、频率、平均值、均方根值、歪度、峭度和波峰因子。
模板匹配模块用于预先建立泄漏信号模板和工况信号模板，并采用模板匹配方法和支持向量机算法，根据各校准后的次声波数据以及对应提取出的特征进行模板匹配。
定位计算模块用于基于模板匹配结果，根据校准后的次声波数据之间的时间差，确定泄漏点的位置。
预警模块用于当待测管道存在泄漏点时，通过显示终端8进行预警。
排序模块用于基于次声波信号在管道内的传播特点，将异常的次声波信号即泄露信号按照检测时间进行排序，剔除不满足多分站同源信号关联条件的泄露信号。
在一个优选的实施例中，每一次声波传感器3接收的声波频率均为0.001Hz～20Hz。
在一个优选的实施例中，每一数据通讯装置均可以采用无线或有线通讯方式。
在一个优选的实施例中，BD/GPS授时装置6的授时精度为纳秒级别。
下面通过具体实施例详细说明本发明海底输油管道泄漏监测系统的使用方法：
1)将两分站系统1分别设置在待测管道两端的监测点处。
2)两次声波传感器3分别采集对应监测点处介质的次声波信号，转换为次声波电信号后发送至对应前置放大器4。
3)两前置放大器4将接收的次声波电信号进行放大滤波处理后发送至对应数据采集装置5。
4)两数据采集装置5将接收的放大滤波处理后的次声波电信号转换为次声波数据后发送至对应BD/GPS授时装置6。
5)两BD/GPS授时装置6对对应分站系统1的次声波数据进行时间校准，得到校 准后的次声波数据，并通过对应数据通讯装置发送至数据处理系统7。
6)如图2所示，数据处理系统7采用信号处理和识别算法，对校准后的次声波数 据进行分析处理，判断待测管道是否存在泄漏以及确定泄漏点的位置，具体为：
6.1)滤波模块对各校准后的次声波数据均进行滤波处理，得到滤波后的次声波数据。
6.2)特征提取模块提取出各滤波后次声波数据的特征，包括最高幅值、最低幅值、频率、平均值、均方根值、歪度、峭度和波峰因子。
6.3)模板匹配模块预先建立泄漏信号模板和工况信号模板，并采用模板匹配方法和支持向量机算法，根据各校准后的次声波数据以及对应提取出的特征进行模板匹配：
6.3.1)模板匹配模块预先建立泄漏信号模板和工况信号模板，其中，泄漏信号模板为包括泄漏信号的模板，工况信号模板为包括压力泵、变径和弯头等部件产生的工 况信号(并不包括次声波信号)的模板。
6.3.2)模板匹配模块从泄漏信号模板和工况信号模板中提取部分数据作为样本数 据与其对应的分类放入支持向量机模型中进行训练，根据泄漏信号模板和工况信号模板中剩余的数据检测支持向量机模型并调整支持向量机模型的参数。
6.3.3)当数据处理系统7接收到校准后的次声波数据时，将校准后的次声波数据输入至调整参数后的支持向量机模型进行分类，确定该校准后的次声波数据属于泄漏 信号或是工况信号。
6.3.4)模板匹配模块根据分类结果调用对应的模板对提取出的特征进行模板匹配， 以提高整个系统的识别率和准确率。
6.4)定位计算模块基于模板匹配结果，根据校准后的次声波数据之间的时间差，判断待测管道是否存在泄漏以及确定泄漏点的位置。
6.5)对于待测管道内干扰信号较多的情况，排序模块基于次声波信号在管道内的传播特点，将异常的次声波信号即泄露信号按照检测时间进行排序，剔除不满足多分 站同源信号关联条件的泄露信号，以提高泄漏信号的识别率，其中，多分站同源信号 关联条件为信号的传播衰减频域特征和互相关系数。
6.6)数据处理系统7还可以根据工况信号的特点，以及提取出的特征与工况信号模板的匹配结果，同时结合定位的时间、地点和上下游相关部件，识别出待测管道中 间阀室的工况操作。
7)显示终端8显示次声波波形、待测管道的管道地图、操作界面和分站系统1 的状态，以及当待测管道存在泄漏点时进行预警，其中，操作界面包括菜单和按钮， 用于系统参数设置、状态查询打印和报警信息弹出等，分站系统1的状态包括分站系 统1工作是否正常，主要为通讯是否延时以及分站系统1是否有停用。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应 排除在本发明的保护范围之外。