導(dǎo)航：安全管理網(wǎng)>> 安全論文>> 化工安全論文>>正文

基于地震波的油氣管道安全監(jiān)測

文檔作者：汪向陽　陳世利文檔來源：天津大學(xué)精密儀器及光電子工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月16日
下載地址：點(diǎn)擊這里	文件大?。?415.71 KB 共3頁	文檔格式： PDF	下載點(diǎn)數(shù)： 1 點(diǎn)（VIP免費(fèi)）

全屏查看

內(nèi)容預(yù)覽 [文件共3頁]

本文件共3頁，如需編輯使用，請下載。

注：預(yù)覽效果可能會出現(xiàn)部分文字亂碼（如口口口）、內(nèi)容顯示不全等問題，下載是正常的。

	文件大?。?15.71 KB 共3頁文件格式：PDF 下載點(diǎn)數(shù)：1 點(diǎn)（VIP會員免費(fèi)）

下一篇：含腐蝕坑缺陷懸空管道的安全研究

上一篇：加快管道儲運(yùn)建設(shè)增強(qiáng)國家石油安全

文本預(yù)覽

僅提取頁面文字內(nèi)容，供快速閱讀使用。

測試系統(tǒng)與組件
　　電　子　測　量　技　術(shù)
　　EL ECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY
第31 卷第7 期
2008 年7 月　
基于地震波的油氣管道安全監(jiān)測
汪向陽　陳世利
(天津大學(xué)精密儀器及光電子工程學(xué)院　天津　300072)
摘　要: 針對目前廣泛存在的油氣管道受到人為破壞的問題,本文提出了通過對管道周圍的人、車輛等發(fā)出的震動信
號進(jìn)行采集,對信號特征進(jìn)行分析,從而對目標(biāo)進(jìn)行分類識別,并根據(jù)信號到達(dá)各傳感器的時間差通過三角定位原理
實現(xiàn)對入侵目標(biāo)的空間定位以及對目標(biāo)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行監(jiān)測,從而對管道安全構(gòu)成威脅的行為進(jìn)行早期監(jiān)測、定位和
預(yù)警。
關(guān)鍵詞: 管道; 地震動信號; 預(yù)警; 三角定位
中圖分類號: TP274. 2 　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
Security inspection of oil and gas pipel ine based on earthquake wave
Wang Xiangyang 　Chen Shili
(College of Precision Inst rument and Opto2elect ronics Engineering , Tianjin University , Tianjin 300072)
Abstract : Aiming at the man2made dest ructive problem on oil pipelines , this paper proposes method that is to collect
seismic signals and make analysis into it s characteristics , working out classified identification on them. Based on
t riangle location principle , this method can identify the interspaced location and monitor the t rack of the targetps
movement by analyzing time of the signalps arrival to these sense organs , finally make early monitor , localization and
advance alarm of the threat s to pipelineps safety.
Keywords : pipeline ; seismic signals ; advance alarm; t riangle location
0 　引　言
原油泄漏會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染, 近年
來我國的油氣管道嚴(yán)重受到以盜竊為目的的破壞, 對輸
油管道由于人為破壞造成的原油泄漏進(jìn)行檢測, 已經(jīng)成
為減少輸油系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)損失以及減輕環(huán)境污染的一個極其
重要的手段。目前常規(guī)的和常用的泄漏檢測一般只能在
事后對泄漏進(jìn)行檢測和定位, 不能在管道安全受到威脅
或者正被破壞而尚未造成損失時就及時發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確定位,
這就需要對輸油管道周圍目標(biāo)的活動進(jìn)行實時監(jiān)測。因
此目前對油氣管道進(jìn)行的泄漏檢測工作也由原來單純檢
測泄漏發(fā)展到對管道安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究, 它能夠
對管道安全構(gòu)成威脅的行為進(jìn)行早期的監(jiān)測、定位以及
預(yù)警, 對管道安全運(yùn)營具有重要意義。
1 　系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)
111 　工作原理
目標(biāo)在地面上運(yùn)動時對地面施以一定的激勵, 這種
激勵會引起地球介質(zhì)的變形, 在地球介質(zhì)中傳播即形成
地震波動信號, 本文就是通過對地面運(yùn)動目標(biāo)所產(chǎn)生的
地震彈性波的分析, 從而確定引起地震動目標(biāo)的性質(zhì)。
按照介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的特點(diǎn)和波的傳播規(guī)律, 地震波可以
分為體波和面波2 大類, 其中面波又分為瑞雷波和樂夫波
2 種, 研究表明當(dāng)震源位于地表時, 瑞雷波由于具有能量
較強(qiáng)、在自由表面?zhèn)鞑デ揖嚯x較遠(yuǎn)等特性更適合于遠(yuǎn)距
離地面運(yùn)動目標(biāo)探測與識別的, 設(shè)置在一定遠(yuǎn)處的地震
動傳感器可以檢測并采集到此信號[ 1 ] 。地面目標(biāo)激勵產(chǎn)生
的震動信號, 主要受到目標(biāo)質(zhì)量、運(yùn)動狀態(tài)、與傳感器
的距離以及地質(zhì)條件等因素的影響。
管道安全監(jiān)測系統(tǒng)主要是監(jiān)測管道周邊的地面目標(biāo),
例如人、車輛等活動目標(biāo)的情況, 并且能夠根據(jù)傳感器
檢測到的信號經(jīng)過預(yù)處理、特征抽取、分類識別等區(qū)分
目標(biāo)類別及其活動情況等, 根據(jù)信號產(chǎn)生的不同時間和
警戒等級判斷目標(biāo)行動對管道安全的影響, 這樣能夠在
可能的破壞產(chǎn)生之前進(jìn)行防范和預(yù)警。
112 　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為了能夠有效的采集地震動信號, 地震波檢測預(yù)警
系統(tǒng)由多個傳感器組組成, 每個傳感器組有各自的處理
單元, 其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
在各種各樣的測控領(lǐng)域中, 傳感器所測得的信號通
常是用導(dǎo)線進(jìn)行傳輸?shù)摹Ｒ虼瞬坏貌煌ㄟ^鋪設(shè)電纜將采
集的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)在幾公里, 甚至幾十公里的數(shù)據(jù)管理
中心。這種傳輸方式常常會帶來電磁干擾和信號衰減。
另外鋪設(shè)專用電纜的造價太高, 長時間的存在地下會使
·121 ·
　第31 卷電　子　測　量　技　術(shù)
圖1 　傳感器組處理單元
線路的自檢和維護(hù)等帶來巨大的困難, 因此本系統(tǒng)采用
無線收發(fā)的模式, 不僅克服了以上缺點(diǎn), 還大大提高了
傳輸?shù)乃俾蔥 2 ] 。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
113 　目標(biāo)識別與定位原理
將采集到的地震動信號經(jīng)過LabVIEW 處理后可以獲
取信號的特征, 通過對信號的振幅以及頻率等特征的分
析可以對目標(biāo)進(jìn)行分類識別[ 3 ] 。
在對目標(biāo)進(jìn)行定位時采用三角定位的原則[ 425 ] , 通過
對目標(biāo)特征頻率出現(xiàn)時間的判斷, 就可以得出目標(biāo)產(chǎn)生
的地震動信號到達(dá)各探測傳感器的時間差值, 利用此差
值就可以對入侵目標(biāo)進(jìn)行定位[ 6 ] , 定位系統(tǒng)原理如圖3
所示。
圖3 　三角定位原理圖
圖中S1 , S2 , S3 為傳感器組中處于正三角形頂點(diǎn)的
傳感器, 傳感器間距離為l , M 為檢測目標(biāo)。在如圖所示
的直角坐標(biāo)系中, 各點(diǎn)的坐標(biāo)分別為S1 ( - l / 2 , -
3 l / 6) , S2 ( l / 2 , - 3 l / 6) , S3 (0 , 3 l / 3) 。震源到
各傳感器的距離分別為d1 , d2 , d3 。據(jù)圖有:
( x +
l
2
) 2 + ( y + 3 l/ 6) 2 = d1
2
( x -
l
2
) 2 + ( y + 3 l/ 6) 2 = d2
2
x2 + ( y - 3 l/ 3) 2 = d3
2 　　　　
(1)
假設(shè)地震波在地表介質(zhì)中勻速直線傳播, 設(shè)速度為v ,
震源到達(dá)傳感器的時間分別為t1 , t2 和t3 , 則有以下關(guān)系:
d1 - d2 = ( t1 - t2 ) v =Δt12 v
d1 - d3 = ( t1 - t3 ) v =Δt13 v
d2 - d3 = ( t2 - t3 ) v =Δt23 v
(2)
式中: Δt12 , Δt13 , Δt23為地震波信號到達(dá)各傳感器的時間
差, 由信號的特征分析可以得出。又根據(jù)圖1 可得方
程組:
x = rcosθ
y = rsinθ
(3)
方程組(1) 經(jīng)過泰勒展開并與方程組(2) , (3) 聯(lián)
立可以得出目標(biāo)對象的定向和定位公式:
tanθ=
3
3 ·
Δt13 +Δt23
Δt12
r =
3l2 cosθsinθ
6 ( lcosθ- Δt12 v)
(4)
對目標(biāo)對象在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的地震波信號進(jìn)行連續(xù)
采集, 對目標(biāo)對象在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的多個信號分別進(jìn)行
處理并根據(jù)方程組(4) 計算出產(chǎn)生各個信號時目標(biāo)的空間
位置, 從而實現(xiàn)對目標(biāo)對象的運(yùn)動軌跡進(jìn)行監(jiān)測[7] 。
2 　實　驗
根據(jù)提出的算法采用該系統(tǒng)進(jìn)行實驗對數(shù)據(jù)進(jìn)行采
集和處理, 實驗中, 在自然土質(zhì)路面放置多個傳感器采
集信號(多個傳感器采集信號有利于提高信號的信噪
比) , 傳感器采用地震波傳感器, 根據(jù)所采集的信號的頻
率的分布情況, 選擇了北京合康科技有限公司的GS2
20DX 傳感器( 如圖4 所示) , 其頻帶范圍為8 ～
1 500 Hz ,能有效地采集到所需要的信號[ 8 ] 。
圖4 　GS220DX傳感器
在實驗中, 為了獲得較好的信號, 傳感器的安置必須
與地面耦合好, 必須將傳感器盡可能正、直、緊的安置在
地表中[ 9] 。通過LabVIEW對地震動信號進(jìn)行采集和處理。
·122 ·
　　　　　　　　汪向陽等: 基于地震波的油氣管道安全監(jiān)測第7 期
對采集的3 路信號通過LabVIEW 進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算可得出3
路信號到達(dá)傳感器的時間差, 通過式(4) 可對目標(biāo)對象進(jìn)
行定位。由于不同目標(biāo)產(chǎn)生的信號的特征頻率的范圍是不
同的, 可以通過對采集到的信號的特征進(jìn)行分析從而對目
標(biāo)對象進(jìn)行分類識別[10] 。例如圖5 為經(jīng)過處理的單個傳感
器接收到的人在草地行走的信號及其頻譜。
圖5 　經(jīng)過處理后的腳步信號及其頻譜
表1 為對所測信號分析所得的不同對象的頻率分布情
況, 其中人離傳感器組的距離為3～6 m , 車離傳感器組
的距離為30 m 左右。
表1 　目標(biāo)信號頻譜分析
對象峰值所在范圍/ Hz 振幅
環(huán)境噪聲5～30 20～30
人
草地行走5～30 30～50
硬地行走15～25 30～50
草地跑動10～40 100～200
車
小車勻速5～30 20～35
小車變速5～15 140～160
大車變速60～70 300～400
在實驗中, 采取多個傳感器可以提高信噪比, 改變
傳感器相互間得距離以獲得最好的試驗效果, 結(jié)果分析
相互距離在015～2 m 時效果較好。
預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警范圍受環(huán)境噪聲的影響非常大, 當(dāng)
環(huán)境噪聲很大的時候, 正確預(yù)警的范圍只能達(dá)到2～3 m ,
當(dāng)在非常安靜的環(huán)境條件下, 正確預(yù)警的范圍能達(dá)到
70～90 m甚至更大。
目標(biāo)對象產(chǎn)生的信號的頻譜分析的峰值所處位置與
目標(biāo)對象和傳感器之間的距離有關(guān), 如表2 所示(實驗采
取單傳感器, 人員在硬地上行走) 。
表2 　信號與目標(biāo)和傳感器距離的關(guān)系
目標(biāo)與傳感器距離/ m 峰值/ Hz
5～15 大于35
10 60
大于30 小于30
小于3 小于35
3 　結(jié)　　論
針對我國目前油氣管道所面臨的遭受人為的嚴(yán)重破
壞的問題, 提出油氣管道地震波檢測預(yù)警系統(tǒng), 在系統(tǒng)
中, 通過對目標(biāo)信號的特征進(jìn)行分析從而對目標(biāo)對象進(jìn)
行分類識別, 通過LabVIEW 計算出震源所產(chǎn)生的信號到
達(dá)各傳感器的時間差通過三角定位原理可以確定目標(biāo)對
象的空間位置。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析表明本文所提的
方法可行。但是由于在三角定位原理的公式推導(dǎo)中采取
了近似的推導(dǎo), 而且許多前提條件都是假設(shè)為理想狀
況[ 11 ] , 另外, 地質(zhì)、環(huán)境等對信號的影響也很大, 因此
研究工作還有待進(jìn)一步深入。
參考文獻(xiàn)
[1 ] 　朱繼南, 張元壽, 聶偉榮1 多層介質(zhì)中瑞雷波傳播
的數(shù)學(xué)模型[J ] 1 南京理工大學(xué)學(xué)報, 2000 , 24
(6) : 5102514.
[2 ] 　劉光, 姚遠(yuǎn)1 無線測控系統(tǒng)[J ] 1 無線測控系統(tǒng),
2005 , 5 : 58259.
[3 ] 　藍(lán)金輝, 李虹, 周兆英. 目標(biāo)地震動信號的特征提取
及識別研究[J ] 1 振動與沖擊, 2001 , 20 (4) : 42244.
[4 ] 　張衛(wèi)平, 王偉策1 任意形狀三陣元平面聲被動目標(biāo)
定位分析[J ] 1 探測與控制學(xué)報, 2003 , 25 (3) :
54257.
[5 ] 　馮剛, 景占榮, 陳長興, 等1 三角定位測量參數(shù)選擇
研究[J ] 1 電子測量技術(shù), 2007 , 30 (6) : 29232.
[6 ] 　王國濤, 王東進(jìn), 陳衛(wèi)東. 一種改進(jìn)的距離差定位
算法[J ] . 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2005 , 27 (1) :
1242126.
[7 ] 　余靜, 游志勝. 自動目標(biāo)識別與跟蹤技術(shù)研究綜述
[J ] . 計算機(jī)應(yīng)用研究, 2005 , 22 (1) : 12215.
[8 ] 　劉光林, 劉泰生, 高中錄. 地震檢波器的發(fā)展方向
[J ] . 勘探地球物理進(jìn)展, 2003 , 26 (3) : 1782185.
[9 ] 　邊環(huán)玲, 楚澤涵, 封錫強(qiáng). 地震檢波器與地表耦合
問題探討[J ] . 石油儀器, 2001 , 15 (3) : 527.
[10 ] 　聶偉榮, 朱繼南, 夏虹. 地面運(yùn)動目標(biāo)分類的模式
特征與評價[ J ] . 探測與控制學(xué)報, 2002 , 24
(3) : 25228.
[11 ] 　段繼琨, 陳國沖. 三角定位偏差估算[J ] . 艦船電
子對抗, 2006 , 29 (4) : 12215.
作者簡介
汪向陽, 男, 1983 年4 月出生, 碩
士研究生, 主要研究方向為油氣管道安全
監(jiān)測。
E2mail : wang2xiang2yang @163. com
·123 ·

網(wǎng)友評論 more

化工安全論文最新內(nèi)容

03-11