考虑采用匹配模式法进行输送管道离散阻塞检测的方法

本发明属于基于水锤波的管道故障定位数值模拟与仿真，包括引调水管道、市政供(排)水管网、石油天然气输送管道的阻塞定位技术，具体涉及考虑采用匹配模式法进行输送管道离散阻塞检测的方法。

背景技术：

1、引水调水工程和城市供水管网的迅速发展确保了居民用水的供应。然而，由于管道老化、维护不善以及长时间的使用，许多大型管网面临着阻塞、泄漏和腐蚀等问题。自然阻塞主要由于化学物质缓慢沉积、碳酸钙垢集聚或生物膜堆积等过程引起；而人为阻塞则是由于系统维护不当导致阀门部分关闭而产生。管道阻塞会导致严重的水头损失，进而增加水泵输送成本。阻塞问题随着时间的推移而逐渐加剧，因此及早识别和定位输水管道中的潜在阻塞至关重要。

2、不同于管道泄漏，离散阻塞并不会引起射流噪声或流体渗漏等显著现象，具有很强的隐蔽性。传统的离散阻塞定位方法包括钻孔法、敲击法、应力应变法以及cctv管道探测机器人等。前三种方法通常需要将深埋的管道挖掘出露天，并逐段检测管道阻塞情况。而在使用侵入式管道机器人进行离散阻塞定位时，需要将管道排空，完成检测后才能重新充水。

3、传统的管道离散阻塞定位方法普遍存在成本高、效率低、精度差、检测范围小等问题。所以要提供一种新的阻塞检测方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、为了解决管道阻塞定位精度不高的技术问题，本发明提供一种采用匹配模式法进行输送管道离散阻塞检测的方法。

2、本发明提供的采用匹配模式法进行输送管道离散阻塞检测的方法，包括以下步骤：

3、step1：根据传递矩阵方法构建包含离散阻塞的管道瞬变流控制方程；

4、step2：计算无离散阻塞管道中传感器处的压力水头，并根据传感器处测量的压力数据，计算传感器处有无离散阻塞时的压力水头差，并将其作为测量数据；

5、step3：根据测量数据结合匹配模式法对管道中潜在的离散阻塞进行定位。

6、进一步的，步骤step1中建立包含离散阻塞的管道瞬变流控制方程，测量点lm处的流量q和压力水头h可用矩阵表示

7、

8、

9、等式中：上标nb代表没有离散阻塞；b＝μc2/(jωgs)为特征阻抗；c为波速；为传播函数；ω是角频率；j是虚数单位；g是重力加速度；s是管道横截面积；r是线性化阻力，r＝(fq0)/(gds2)；f是恒定摩阻系数；q0是管道中的稳态流量；d是内径；l是沿管轴长度，l∈[lu，lb)∪(lb，ld]；结合等式(2)，等式(1)中的矩阵可简化为

10、

11、

12、等式中：fsb是与离散阻塞位置lb相关的矩阵，与离散水头损失系数zb无关；结合等式(1)-(4)，对于角频率ω，在lm处的水头为

13、h(ω，lm)＝hnb(ω，lm)+zbe(ω，lb，lm)      (5)

14、hnb(ω，lm)＝-b sinh(μlm)q(lu)+cosh(μlm)h(lu)     (6)

15、其中：

16、

17、进一步的，步骤step2中计算正常管道中传感器处的压力水头，同时根据传感器处测量的压力水头数据，计算管道有无离散阻塞时传感器处的压力水头差，并将其作为测量数据；用表示在频率ωj测量的水头响应；假设测量被噪声vj干扰，即

18、

19、则i个频率测量水头，记为上标t代表向量转置；定义有无离散阻塞造成的水头差δh＝(δh1，…，δhi)t，其中g(lb)＝(e(ω1，lb，lm)，…，e(ωi，lb，lm))t，噪声向量v＝(v1，…，vi)t；因此，传感器测量的水头差δh可表示为

20、δh＝zbe(xb)+v      (9)

21、进一步的，步骤step3中根据测量数据结合匹配模式法对管道中潜在的离散阻塞进行定位；假设噪声向量v服从高斯正态分布其中ij是j维单位矩阵；匹配模式法的内容是通过改变一个单位向量n＝(n1，…，nj)t(|n|＝1)，使单位向量n在j维复向量空间中具有与测量信号相同的方向；定义输出函数y为权重向量n与水头差δh的内积

22、y≡<n，δh>＝ntδh      (10)

23、通过使等式(11)最大化的来获得最优权重n

24、|y|2＝|ntδh|2＝ntδhδhtn      (11)

25、将等式(9)代入等式(11)，然后通过最大化其数学期望(用表示)，可以获得最优权重：

26、

27、等式中：表示使等式(12)取最大值的参数值n，最佳的n是一个平行于e的向量。将等式(12)代入等式(11)中可以估计离散阻塞位置

28、

29、如果测量误差符合高斯正态分布，那么等式(13)同时也可视为离散阻塞水头损失系数的最大似然估计；在这种情况下，离散阻塞的大小zb可以被估计为：

30、

31、在这项发明中，离散阻塞位置和大小是独立进行估计的；首先，通过使用等式(13)，获得阻塞位置lb的估计值接着，将代入等式(14)中估计离散阻塞水头损失系数

32、进一步的，所述步骤step3中对于两个离散阻塞，其位置为水头损失系数为在传感器处测量的总压力水头可以表示

33、

34、等式中：

35、

36、等式中：ece表示两个离散阻塞的共同作用，且与其大小无关；将等式(15)右侧的hnb(ω)移至左侧可得等式(17)

37、

38、等式中：表示传感器处的水头差；δh1为第一个离散阻塞对δh的作用；δh2为第二个离散阻塞对δh的作用；δhce为两个离散阻塞共同对δh的作用；不同频率的δh1，δh2和δhce的比值相差较大，因此难以判断δhce对δh的影响程度；通过引入相关系数k来判断两个向量的相似程度。

39、

40、等式中：k为向量a＝(a1，…，ai)t和向量b＝(b1，…，bi)t的相关系数，和分别为a与b中元素的均值；定义a为δh1+δh2，b为δh；根据等式(17)，离散阻塞的位置和水头损失系数会直接影响δh1+δh2与δhce的大小，进而影响a与b的相关系数k。

41、两个离散阻塞位置lb影响着相关系数k的变化，但规律不明确；离散水头损失系数zb对相关系数k的影响呈现出随着zb增加，k逐渐减小的规律；但是只要zb<10000(等价于球阀开度大于8％)，k就始终大于0.85(极度相关)，说明两个离散阻塞共同对δh的作用较小；可以忽略δhce对δh的影响，且不会对两个离散阻塞定位产生较大影响。因此，两离散阻塞的相互作用模型可以线性化处理，最终得到等式(19)

42、δh≈δh1+δh2        (19)

43、如等式(19)所示，即便存在两个离散阻塞，仍然可以采用基于单个离散阻塞假设的定位方法，输出函数y可以表示为

44、

45、本发明的水锤波管道故障检测方法，具有高效、精确、便捷等优势，展现了广泛的工程应用前景。其工作原理是：在管道可接触点(例如消防栓)主动激发振幅可控的水锤波，并在指定位置测量携带管道特性的水锤波信号，利用信号处理方法来识别和定位系统中的各种故障。

46、有益效果：

47、本发明的阻塞检测方法，

48、(1)采用匹配模式法在噪声环境中能精准定位管道系统中的单个阻塞。

49、(2)当两个邻近阻塞的间距大于最小检测半波长时，匹配模式法能够准确估计它们的位置。

50、(3)匹配模式法充分利用所有频段信息，可有效提高阻塞定位的准确性。

51、(4)与传统方法共振峰衰减法相比，匹配模式法抗噪声能力更强；获取同等定位结果时，其所需的信号带宽更窄。