本發(fā)明涉及燃氣管道泄漏監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，更為具體來說，本發(fā)明為基于北斗定位的埋地燃氣管道泄漏點的聲發(fā)射定位方法。

背景技術(shù)：

燃氣是當今世界最重要的能源之一，并且主要依賴于管道傳輸。隨著人民生活水平的提高，城市燃氣的需求不斷增大。同時，燃氣管道泄漏是燃氣管道故障的主要形式。管道燃氣泄漏會帶來極大安全隱患，由于城市埋地燃氣管網(wǎng)輸送介質(zhì)具有易爆、易燃等危險特性，一旦發(fā)生失效損壞，往往造成巨大經(jīng)濟損失，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性事故，會嚴重威脅國家、企業(yè)和人民生命財產(chǎn)安全。因此，對燃氣管道泄漏點的準確定位有著重要意義。

目前，主要通過人工巡檢的方式對管道燃氣泄漏點進行檢測和定位。但是，由于天然氣具有隱蔽性、流動性等特點，該方法對于泄漏點的定位粗糙，往往會造成在實際搶修中為找到燃氣泄漏點而錯挖、多挖的情況，進而導(dǎo)致了對道路交通和安全產(chǎn)生影響，且造成了資源浪費。

因此，在避免資源浪費、避免對道路交通和安全影響的前提下，如何實現(xiàn)對埋地燃氣管道泄漏點的準確定位成為了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題和始終研究的重點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有通過人工巡檢對泄漏點進行定位的方式存在的資源浪費、對道路交通和安全產(chǎn)生影響等問題，本發(fā)明提供了基于北斗定位的埋地燃氣管道泄漏點的聲發(fā)射定位方法，不僅能夠?qū)σ话愕穆竦厝細夤艿佬孤c準確定位，而且能夠?qū)π×髁砍鞘腥細夤艿佬孤c進行準確定位。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了基于北斗定位的埋地燃氣管道泄漏點的聲發(fā)射定位方法，該聲發(fā)射定位方法包括如下步驟，

步驟1，埋地燃氣管道上布置的集成有北斗通訊模塊的聲發(fā)射傳感器與北斗衛(wèi)星通信，通過基準站差分定位方式得到聲發(fā)射傳感器的北斗坐標，并利用北斗衛(wèi)星將所有聲發(fā)射傳感器的時間同步；

步驟2，通過還集成有無線通訊模塊的聲發(fā)射傳感器將聲發(fā)射傳感器的北斗坐標發(fā)送至上位機；

步驟3，利用所述聲發(fā)射傳感器實時檢測管道的聲發(fā)射信號，將所述管道的聲發(fā)射信號發(fā)送至所述上位機；

步驟4，通過基于支持向量機的篩選方法識別所述上位機接收的管道的聲發(fā)射信號，判斷所述管道的聲發(fā)射信號中是否包含有泄漏信號；如果是，則執(zhí)行步驟5；如果否，則返回步驟3；

步驟5，基于已進行時間同步且北斗坐標已知的所有聲發(fā)射傳感器，利用時差定位方法和幅值衰減定位方法確定泄漏點的北斗坐標集合；

步驟6，通過加權(quán)平均的方法處理所述北斗坐標集合，得到泄漏點的北斗坐標。

基于北斗差分定位方法，本發(fā)明創(chuàng)新地通過支持向量機訓練實現(xiàn)對小流量燃氣泄漏信號的模式識別，并依據(jù)信號能量分配定位結(jié)果權(quán)重的平均算法，從而實現(xiàn)對埋地燃氣管道泄漏點的準確定位。本發(fā)明只需要在特定位置布置傳感器，對地面破壞小、不影響道路交通，而且避免了資源浪費。

進一步地，該聲發(fā)射定位方法還包括如下步驟，

步驟7，將所述泄漏點的北斗坐標與燃氣管網(wǎng)北斗坐標圖進行比對，修正埋地燃氣管道泄漏點的位置。

本發(fā)明將利用北斗差分定位方法獲得的北斗坐標和城市埋地管道的數(shù)據(jù)信息結(jié)合，實現(xiàn)了埋地燃氣管道泄漏點的精確定位。

進一步地，步驟5中，所述幅值衰減定位方法包括如下步驟：獲取燃氣管道的聲波衰減曲線，所述聲波衰減曲線的橫軸為聲發(fā)射傳感器與泄漏點之間的距離、縱軸為聲發(fā)射傳感器檢測的泄漏信號的幅值；在所述聲波衰減曲線上尋找橫軸距離差為δl的兩點，其中，所述δl為在泄漏點兩側(cè)的兩個聲發(fā)射傳感器之間的距離；然后確定泄漏點距離兩個聲發(fā)射傳感器之間的距離、確定泄漏點的北斗坐標集合中的坐標點。

通過上述的幅值衰減定位方法，能夠基本確定泄漏點的初步位置，為準確定位泄漏點做了充足的準備。

進一步地，步驟5中，所述時差定位方法包括如下步驟：

假設(shè)兩個聲發(fā)射傳感器之間的管道距離為l，泄漏點距離兩個聲發(fā)射傳感器的距離分別為l1和l2，且l2≥l1，l2+l1＝l，l2－l1＝vδt；則：

l1＝(l-vδt)/2；

其中，v表示管道中的聲速，δt表示兩個聲發(fā)射傳感器檢測的聲發(fā)射信號互相關(guān)后得到的信號延遲時間；

利用所述l1和l2確定泄漏點的北斗坐標集合中的坐標點。

通過上述的時差定位方法，能夠基本確定泄漏點的初步位置，為準確定位泄漏點做了充足的準備。

進一步地，步驟5中，反復(fù)利用時差定位方法和幅值衰減定位方法確定泄漏點的北斗坐標集合中的坐標點pij；步驟6中，所述加權(quán)平均的方法包括如下步驟：

為每兩個聲發(fā)射傳感器檢測的信號計算出的坐標點pij分配權(quán)重系數(shù)

其中，ei、ej分別表示兩個聲發(fā)射傳感器檢測的聲發(fā)射信號的能量值，ek表示第k個聲發(fā)射傳感器檢測的聲發(fā)射信號的能量值，n表示形成傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有有效的聲發(fā)射傳感器的個數(shù)，1≤i＜n，1≤j＜n，1≤k＜n；

然后利用下述公式計算泄漏點的北斗坐標p：

本發(fā)明通過時差定位、幅值衰減定位并結(jié)合加權(quán)平均的方式計算得到泄漏點位置，該方法具有定位準確性高、可靠性強等突出優(yōu)點。本發(fā)明可用于城市聲發(fā)射燃氣管道泄漏點的準確定位，而且適用于小流量泄漏孔的情形，定位精度高。

進一步地，步驟1中，所述基準站通過已知的基準點坐標計算出聲發(fā)射傳感器的坐標改正量；聲發(fā)射傳感器獲取所述坐標改正量后，利用所述坐標改正量改正聲發(fā)射傳感器的瞬時位置，從而得出聲發(fā)射傳感器的北斗坐標。

進一步地，步驟4中，利用分類器篩選所述上位機接收的管道的聲發(fā)射信號，該分類器是事先利用噪聲信號樣本和泄漏信號樣本訓練支持向量機得到的。

本發(fā)明創(chuàng)新地采用基于支持向量機的篩選方法識別聲發(fā)射信號，實現(xiàn)對微小、緩慢變化的泄漏信號的識別，從而克服了由于實際泄漏信號微弱、檢測過程中管道工況和環(huán)境噪聲干擾大等而導(dǎo)致的泄漏信號識別難度大的問題，進而達到減少誤報和自動檢測的目的。

進一步地，步驟4中，在識別所述上位機接收的管道的聲發(fā)射信號之前，還包括對管道的聲發(fā)射信號預(yù)處理的步驟。

進一步地，步驟7中，從燃氣管網(wǎng)的地理信息系統(tǒng)中獲取燃氣管網(wǎng)北斗坐標圖。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明創(chuàng)新地將燃氣管道泄漏點聲發(fā)射定位和北斗定位系統(tǒng)有機結(jié)合，通過時差定位、幅值衰減定位并結(jié)合加權(quán)平均的方式計算得到泄漏點位置，實現(xiàn)對泄漏點、特別是小流量燃氣管道泄漏點進行準確定位。

附圖說明

圖1為基于北斗定位的埋地燃氣管道泄漏點的聲發(fā)射定位系統(tǒng)組成示意圖。

圖2為基于北斗定位的埋地燃氣管道泄漏點的聲發(fā)射定位方法流程示意圖。

圖3為演示時差定位方法的示意圖。

圖4為典型的聲波衰減曲線示意圖。

圖5為傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖中，

1、燃氣管道；2、泄漏點；3、聲發(fā)射傳感器；4、北斗衛(wèi)星；5、基準站；6、上位機。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明基于北斗定位的埋地燃氣管道泄漏點的聲發(fā)射定位方法進行詳細的解釋和說明。

如圖1-5所述，本發(fā)明公開了基于北斗定位的埋地燃氣管道泄漏點的聲發(fā)射定位方法，本發(fā)明基于北斗定位系統(tǒng)通過時差定位、幅值衰減定位并結(jié)合加權(quán)平均的方式計算得到泄漏點位置，從而解決現(xiàn)有技術(shù)對泄漏點定位難、更無法檢測小流量埋地燃氣管道泄漏的問題。該聲發(fā)射定位方法包括如下步驟，如圖1、2所示。

步驟1，埋地燃氣管道5上布置的集成有北斗通訊模塊的聲發(fā)射傳感器3與北斗衛(wèi)星4通信，通過基準站5差分定位方式得到聲發(fā)射傳感器3的北斗坐標，從而實現(xiàn)聲發(fā)射傳感器3通過北斗定位系統(tǒng)對自身坐標進行差分定位。具體地，差分技術(shù)是基于同步同軌性原理，基于北斗系統(tǒng)差分定位，基準站5通過已知的基準點坐標計算出聲發(fā)射傳感器3的坐標改正量；聲發(fā)射傳感器3獲取坐標改正量后，利用坐標改正量改正自身的瞬時位置，從而得出聲發(fā)射傳感器3的北斗坐標，采用差分技術(shù)能夠大大提高聲發(fā)射傳感器的定位精度，從而滿足泄漏點定位的要求；并利用北斗衛(wèi)星4將所有聲發(fā)射傳感器3的時間同步、實現(xiàn)同步時標，目前的北斗系統(tǒng)的授時精度在30納秒，符合定位要求。另外，本發(fā)明的聲發(fā)射傳感器3可布置于疑似泄漏燃氣管上，也可在埋設(shè)燃氣管時布置。

步驟2，通過還集成有無線通訊模塊的聲發(fā)射傳感器3將聲發(fā)射傳感器3的北斗坐標發(fā)送至上位機6，具體的通信方式為無線傳送。

步驟3，利用聲發(fā)射傳感器3實時檢測管道的聲發(fā)射信號，將管道的聲發(fā)射信號通過無線的方式發(fā)送至上位機6；

步驟4，本步驟中，在識別上位機6接收的管道的聲發(fā)射信號之前，還包括對管道的聲發(fā)射信號預(yù)處理的步驟，達到初步去除噪聲的目的，再通過基于支持向量機的篩選方法識別上位機6接收的管道的聲發(fā)射信號，對于小流量的泄漏情況，檢測過程中管道工況、環(huán)境噪聲產(chǎn)生的干擾不可忽視，因此，需要通過模式識別算法篩選出有效的泄漏信號，實現(xiàn)自動檢測、減少誤報，具體地，利用分類器篩選上位機6接收的管道的聲發(fā)射信號，該分類器是事先利用噪聲信號樣本和泄漏信號樣本訓練支持向量機得到的；該方法可以識別微小、緩慢的泄漏信號，且不需要大量的訓練樣本。測量前通過實驗得到訓練用噪聲信號和泄漏信號，支持向量機通過最優(yōu)超平面進行分類，把最優(yōu)超平面的構(gòu)造轉(zhuǎn)化為二次優(yōu)化問題，理論上能得到全局最優(yōu)解，訓練得到的分類器用來篩選出聲發(fā)射傳感器發(fā)送的泄漏信號。通過上述篩選方法判斷管道的聲發(fā)射信號中是否包含有泄漏信號；如果是，則執(zhí)行步驟5；如果否，則返回步驟3；

步驟5，本步驟對上述得到的泄漏信號進行分解和重構(gòu)?；谝堰M行時間同步且北斗坐標已知的所有聲發(fā)射傳感器3，利用時差定位方法和幅值衰減定位方法確定泄漏點2的北斗坐標集合；這種泄漏點的北斗坐標集合為泄漏點的初步位置結(jié)果的集合，具體內(nèi)容如下。

如圖4所示，幅值衰減定位方法包括如下步驟：

獲取燃氣管道5的聲波衰減曲線，聲波衰減曲線的橫軸為聲發(fā)射傳感器3與泄漏點2之間的距離、縱軸為聲發(fā)射傳感器3檢測的泄漏信號的幅值；在聲波衰減曲線上尋找橫軸距離差為δl的兩點，其中，δl為在泄漏點2兩側(cè)的兩個聲發(fā)射傳感器之間的距離；然后確定泄漏點2距離兩個聲發(fā)射傳感器之間的距離、確定泄漏點2的北斗坐標集合中的坐標點。

如圖3所示，時差定位方法包括如下步驟：

假設(shè)兩個聲發(fā)射傳感器之間的管道距離為l，泄漏點2距離兩個聲發(fā)射傳感器的距離分別為l1和l2，且l2≥l1，l2+l1＝l，l2－l1＝vδt；則：

l1＝(l-vδt)/2；

其中，v表示管道中的聲速，δt表示兩個聲發(fā)射傳感器檢測的聲發(fā)射信號互相關(guān)后得到的信號延遲時間；

根據(jù)l1和l2確定泄漏點2的北斗坐標集合中的坐標點。

本發(fā)明創(chuàng)新地將聲發(fā)射傳感器接收到的信號具有能量大、信噪比高的特點考慮在內(nèi)，為北斗坐標集合中的每一個坐標點pij分配一個與能量相關(guān)的權(quán)重函數(shù)，綜合利用所有聲發(fā)射傳感器所得的信號計算泄漏點位置，從而達到減小誤差的目的，具體如下。反復(fù)利用時差定位方法和幅值衰減定位方法確定泄漏點2的北斗坐標集合中的坐標點pij；步驟6中，加權(quán)平均的方法包括如下步驟：

如圖5所示，根據(jù)信號的能量為每兩個聲發(fā)射傳感器檢測的信號計算出的坐標點pij分配權(quán)重系數(shù)當然，離泄漏發(fā)生點近的聲發(fā)射傳感器接收的信號能量大、測量更準確。

其中，ei、ej分別表示兩個聲發(fā)射傳感器檢測的聲發(fā)射信號的能量值，ek表示第k個聲發(fā)射傳感器3檢測的聲發(fā)射信號的能量值，n表示形成傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有有效的聲發(fā)射傳感器的個數(shù)，1≤i＜n，1≤j＜n，1≤k＜n；ei、ej為n個有效聲發(fā)射傳感器形成的傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一對傳感器，其用于在時差定位或幅值衰減定位過程中確定泄漏點的北斗坐標集合中的一個坐標點，“有效的聲發(fā)射傳感器”應(yīng)理解為：對于目標泄漏點，能夠檢測到該泄漏點聲發(fā)射信號的聲發(fā)射傳感器。

然后利用下述公式計算泄漏點2的北斗坐標p：

步驟6，通過加權(quán)平均的方法處理北斗坐標集合，得到泄漏點2的北斗坐標。為進一步提高對泄漏點2定位的準確性，本實施例還包括步驟7。

步驟7，將泄漏點2的北斗坐標與燃氣管網(wǎng)北斗坐標圖進行比對，修正管道泄漏點2的位置，從而確定更為準確的管道泄漏點2的位置。本實施例中，從燃氣管網(wǎng)的地理信息系統(tǒng)(gis)中獲取燃氣管網(wǎng)北斗坐標圖。

需要說明的是，本發(fā)明對聲發(fā)射傳感器坐標的確定可以通過北斗定位系統(tǒng)實現(xiàn)自動化、無線化。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前在中國及周邊地區(qū)，北斗系統(tǒng)服務(wù)性能與全球定位系統(tǒng)相當。并且，我國城市燃氣管道網(wǎng)正逐步采用北斗系統(tǒng)進行坐標測繪，建立更為完善的管道數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)。采用北斗定位系統(tǒng)，不僅支持國家自主產(chǎn)權(quán)，也減少了對于全球定位系統(tǒng)的依賴。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明實質(zhì)內(nèi)容上所作的任何修改、等同替換和簡單改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。