聚类分析在甲烷泄漏检测中的应用

王红梅 王诗林 王小利

摘要：近年来随着燃气的普及，其安全事故发生的概率也随之有所提高。各类管道事故引起的燃气泄漏，不仅会影响燃气的正常使用，同时还会造成爆炸和环境污染。针对这种现象提出一种由硬件和软件组成的天然气检测系统。系统的硬件设计采用无线通信的方式。该系统的软件逻辑实现采用聚类分析的K-Means算法。该算法可以有效地从数据集合中挖据出异常数据。从而完成对天然气管道泄漏的检测与定位。

关键词：管道泄漏；检测系统；聚类分析；K-Means

中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）08-0225-04

1介绍

近年来随着燃气的普及，因为天然气管道事故在生活中发生的潜在影响可能很大。与此同时为了调整和优化我国的能源消耗结构，国务院出台了《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》，而“十三五”也将继承“十二五”中对提高天然气在一次能源消费中所占比重的战略部署。统计发现其中80%以上的燃气事故是因为燃气泄漏引起的。由此可见实现对燃气管道的远程监控表在日常生活中发挥着越来越重要的作用。

首先该系统可以监控燃气井运行情况，克服人工巡检的不足。此外，它可以为相关公司可以在系统的帮助下获取燃气井的情况。此外，它还可以为燃气管道的管理提供技术支持。系统进行数据采集，监控和程序控制，是基于计算机的调度自动化系统。它可以实现数据采集，人员派遣，燃气井定位，对天然气管道安全运输的实现起到重要的作用。该系统的主要目标是检测到发生泄漏的位置，并将其展示给相关人员。

k-means是一种基于分类的聚类方法[8]，得到广泛的应用和研究。参考文献[9]的研究克服了K-Means算法用于数字分类的局限性。参考文献[10]的研究介绍了K-Means均值聚类可以用于分割数字视网膜图像中的血管，帮助医师诊断眼部疾病。参考文献[11]的研究讲述了K-Means算法在生物数据挖掘中的应用。相比之下本文研究K-Means算法在聚类方向的应用。K-means算法可以有效地聚类数据。该系统对于数据的处理方法选择为K-Means算法。硬件设备通过GPRS模块实现与系统的通信。本文剩余部分分为4部分。在第二节中讲述了系统的整体设计。第3节介绍了K-Means基本算法。第4节介绍K-Means算法的验证。在第五节给出结论。

2甲烷泄漏检测系统

燃气管道井监控系统主要由现场数据采集设备、远程监控终端和数据库3部分组成，如图1所示。各个部分相对独立，又相互合作构成了完整的监控系统，本系统是基于“物联网+”的检测燃气管道井甲烷泄漏问题。其目的是为了保证对管道井内的情况进行实时监控。

整体软件的设计是面向管理员和工程人员，如图2所示。登录界面可以实现管理员和工程员的登录以及注册新工程人员账号。该系统由Java语言实现，它通过使用Java服务器页面（JSP），JavaScript（JS）和MySQL来实现其内部功能。系统通过Action控制页面数据的输出。在浏览器地址栏中输入地址，可以进入系统登录界面，如图3所示。成登录系统后用户可以选择功能。选择实时查看功能可以检测到发生泄漏的燃气井的信息，如图4所示。其数据是由K-Means算法得到。

2.1现场数据采集设备

现场数据采集系统通过GPRS模块实现与数据库的通信，通过远程监控端对燃气管道井内的燃气泄漏情况实现展示。现场数据采集设备通过传感器对管道燃气井进行信息采集，通过MCU微处理单元对信息进行处理，然后通过GPRS模块上传至服务器，存储于数据库。

数据采集设备的基础信息像版本号等通过工程人员现场录入，工程人员通过手机APP实现对数据采集设备基础信息的写入，以方便远程监控对设备的正确定位和统计展示。

2.1.1终端设计

本次设计的甲烷浓度检测传感器采用热导式传感器PTCDl0，是一種可以感应空气中甲烷等一些气体并将其转化成电信号的浓度的器件。单片机处理单元选取STM系列，在恒温电路、电源电路、信号调节电路的共同作用下完成对燃气管道井的甲烷检测。甲烷浓度检测流程框图如图5所示。

2.1.2 PTCD10传感器

本次设计采用的是Posifa公司的热导式原理的PTCD10，此传感器以气体导热性不同的原则运行，可用于测量组分气体具有不同热导率的二元混合物或准二元混合物（例如空气中的H2，CH4或CO 2）中的气体浓度。工作环境比较广阔，可以在温度-40℃至300℃和湿度0至100%RH范围内工作。下表为PTCD10的电气特性[8]。

2.1.3检测设备工作原理

由传热学理论可知，热传递具有三种基本方式：热传导、热辐射和热对流。热导式传感器工作时，其热量的损耗主要为气体热传递和热辐射。虽然PTCD10的工作环境较为广泛，但是其敏感度与环境温度有着密切的相关性，因此添加了恒温电路，以保证检测环境的稳定。同时为了得到更为准确的信号，需要对PTCD10输出的信号进行调节，以获取所需数据，对燃气管道井的实际情况作出判断。

2.2远程监控终端

远程监控终端为B/S架构的系统，采用SSH框架，由表示层、业务层和数据层交互构成，实现管道井信息的获取、实施措施命令的下达，提供良好的人机交互逻辑，具有展示报警数据位置、安检维修派工，设备信息查询，历史数据查询、一周内数据趋势等功能，使身处异地的管理人员能够及时地掌握区域内燃气管道井的数据信息，根据实际情况及时的做出反应，采取措施，增强能动性和干预能力，及时的遏制危险事故的发生，保障了公共财产安全、人身安全。

2.3数据库

数据存储选择MySQL数据库，其处于远程监控终端和现场数据信息采集之间，是两者联系的桥梁。现场数据采集设备将采集的实时数据信息经MCU进行处理通过无线通信GPRS模块上传存储于数据库中，为用户使用提供数据信息，及时获取当前情况。远程监控终端一方面将数据库的信息进行展示，另一方面对异常设备及时采取措施，实现对燃气管道井的无人远程监测。

3系统實现的关键技术

系统的目的是为了检验燃气管道井内是否有甲烷气体的泄漏，这就需要对设备输出的信号进行分析，从而得出是否存在甲烷泄漏的结论。在此我们采用横向比较的方式，即对同一时刻同一区域的不同设备的输出信息进行比较。

为了简洁有效地在数据集合中挖掘出异常数据，监控系统采用了聚类分析。聚类就是根据数据相似性把数据归纳成若干个类别，同一类别中的数据彼此差异较小，而不同类别中的数据差异较大。聚类分析可以建立宏观的概念，从中可以发现数据的分布模式和数据属性之间的相互关系。聚类分析的数据对象可以是未知的，在分析的过程中，通过多次迭代后，将从数据集所挖掘出来的数据类中的数据保持了最大的相似性，而且同时保持了不同的数据类之间的差异。一般在处理数据时会在数据集中挑选出孤立点，并将其看做为异常点和抛弃，而本次实验的目的则是为了挑选出孤立点。

聚类分析的目的是将数据划分成相关性的不同的数据组，使组内的数据差异小相似性大。聚类分析过程一般会用到明式（Minkowski）距离和欧式距离（D）两种距离。

通过聚类分析中的K-Means方法，可以轻易地挖掘奇异数据从而得出有故障的燃气井，然后根据其位置信息及时的采取相应的措施进行处理，以避免发生火灾等其他灾害。

K-Means算法实现了对数据的分类，实现对给定的K值聚类，将数据按照给出的分组方法经反复计算的方式改变其分组，最终达到每一组的任意数据仅属于这一组。算法表达式如下：

4仿真实验与分析

4.1实验仿真

实验对100个监控地点进行数据采样，对采样的数据首先采用欧式距离公式计算每个数据和其他数据的距离，通过MATLAB编程，发现数据经欧氏距离公式的处理分为两类，一类距离较为接近，这一类数据一般较多，经过试验对比发现这一类数据来源于没有发生燃气泄漏的燃气井甲烷泄漏监控设备；而另一类数据则是聚集在距离大约为10左右的地方，数目不多，与试验数据对比发现，这是发生燃气泄漏的数据，图7为其中一次试验仿真结果。经欧式距离分析及其结果与试验数据的比对发现K-Means可以实现对数据的区分。

欧式距离的分析为下一步利用K-Means算法对实验数据的进一步划分提供了可行性依据，经过多次迭代可以精准的对实现数据进行划分，已达到区分未泄漏和泄漏两种工作状态。

对数据进行K-Means算法计算，为了使数据可以在二维图像上展示，对数据采取了横纵坐标一致的标致方式。经编程后实现对数据的二分类，将数据分解为两个集合状态，如图8所示，图中两个五角星分别表示为两类数据聚集中心，绿色圆圈表示未发生泄漏的数据（有重合数据），而红的圆圈则表示发生泄漏的数据。

4.2仿真结果对比

对仿真结果进行验证，确定仿真结果与实际的一致性，经过多次采样，更换设备数目，地点等方式对仿真结果进行验证。表2为验证统计。

对结果不一致的实验进行分析得到原因：1）燃气泄漏开始时间短暂，还没有形成达到危险浓度范围；2）设备故障，检测设备出现故障，不能将有效数据上传。针对原因1，采取多次上传取最新数据。

经过数据对比和错误原因分析发现K-Means方法可以有效地挖掘出有燃气泄漏的状态，基本可以实现无误差仿真，可以运用。

通过聚类分析可以清晰地找出异常点，然后根据数据来源可以及时的实时对其的安全监控，减少了物力财力的消耗已经增加了信息获取的及时性。

5总结

本文首先介绍了燃气管道井监控系统的重要性。其次介绍了整体的系统设计及其部分功能。紧接着详细的介绍了K-Means算法。K-Means算法的使用可以方便快捷的挑选出发生泄漏的管道井，具有较为高效的操作性，在未来管道井监控中将发挥重要的作用。最后对K-Means算法的结果输出做出了验证，证明了K-Means算法是切实可行的。燃气管道甲烷泄漏监控是一项较为复杂的系统工程，需要对多个监测点进行数据收集，而且间隔时间不能太长。本系统的成功实施必须需要统一的支撑平台，合理的通信架构为保障，才可以实现对燃气管道井的实施有效的监控。