供水管网泄露压力衰减定位法应用

盖秋敏

摘  要：城市是人们聚集的重要地区，如果将城市看作一个“人”的话，供水管道就可以看作“人”体内的血管，为城市的发展提供所需要的“养分（水）”。借助于供水管道能够方便快捷的将水输送至城市内的各个区域，但是在长期的使用中供水管道因老化、腐蚀或是破坏等因素的影响所发生的泄漏事故时有发生，从而严重影响了供水安全。为保障供水安全需要对供水管道泄漏点进行快速定位，并在此基础上采取相应的补救措施。文章在分析供水管道泄漏特点的基础上提出了一种基于供水管道压力衰减的定位算法。

关键词：压力衰减;供水管道泄漏;定位

中图分类号：TU991.61 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）20-0165-02

Abstract： The city is an important area where people gather. If the city is regarded as a "human being"， the water supply pipeline can be regarded as the blood vessel in the "human" body， providing "nutrients （water）" for the development of the city.

With the help of the water supply pipeline， the water can be transported to all areas of the city conveniently and quickly， but in the long-term use， the leakage accidents of the water supply pipeline occur from time to time due to aging， corrosion or damage and other factors， thus seriously affecting the safety of water supply. In order to ensure the safety of water supply， it is necessary to quickly locate the leakage point of the water supply pipeline， and on this basis， take corresponding remedial measures. Based on the analysis of the leakage characteristics of water supply pipeline， a location algorithm based on pressure attenuation of water supply pipeline is proposed in this paper.

Keywords： pressure attenuation; leakage of water supply pipeline; location

前言

供水保障是城市供水体系建设中的重要目标，城市内的供水管道在长期的使用过程中将会因各种原因而发生泄漏，为保障供水安全需要能够就供水管道泄漏点进行及时的定位以便采取相应的救援措施。本文所介绍的基于供水管道压力衰减的泄漏点定位法能够有效的应用于长管道泄漏点的定位，避免了以往供水管道两端所采用的压力传感器所存在的泄漏检测盲区问题，能够更灵敏、更精确的对供水管道泄漏点进行定位。

1 基于压力衰减所提出的供水管道泄漏点定位算法特点

城市供水管道在实际的铺设中受地形、成本等因素的影响存在着一些较长的供水管道，传统的供水管道泄漏点检测定位依靠的是负压波检测法，其重要依靠的是分布于供水管道两端的压力传感器，通过对压力传感器所检测到的数据进行分析、计算，并结合负压波波速和自来水流速来计算出相应的泄漏点。此种方法在短距离的供水管道泄漏点定位时能够发挥出良好的效果，但是在较长的供水管道中位于两端的压力传感器已经无法监测整个供水管道，从而使得监测存在一定的盲区，加之负压波传输和噪声的影响导致传统定位算法存在一定的误差和局限性。针对传统定位算法所存在的问题本文提出了基于供水管道压力衰减的供水管道泄漏点定位算法，该算法重要通过对泄漏供水管道前后端压差进行分析，并借助于ANPW算法实现了对于长供水管道泄漏点的精确定位，同时该算法还具有较强的抗干扰特性，即使不采用消噪处理仍能够较为精确的对供水管道泄漏点进行定位。

2 负压波法算法

负压波法是一种各方面性能都没有短板的算法，因其良好的均衡性被广泛应用于管道泄漏定位中。负压波法的原理如下：在供水管道完好时，其内部的介质处于稳定状态且内部的压力表现为满载压力，而当供水管道泄漏时其内部的介质将会在压力的作用下快速的渗漏从而造成泄漏点处表现为压力降低、介质量减少，供水管道內的介质在短时间内处于流动连续性状态，从而变现为供水管道泄漏点处的压力要小于泄漏点两端的压力，供水管道泄漏点处的低压状态与供水管道两端的压力差状态呈现出压力波，也被成为负压波。负压波在供水管道内是沿着管道方向船舶，其特性与声波在管道内传播所表现出的特性相一致，但是受材料、介质以及横截面等因素的影响其传输速度也会有所差异。

流通于管道内部的介质主要呈现为稳定和不稳定两种状态，其中稳定状态指的是管道中介质其压力参数保持稳定，其仅与介质所处的位置相关。但是流经管道内的介质多呈现为相对稳定状态，基于上述特性可以建立起供水管道的模型。截取管道内任意位置的介质作为研究对象，受管道的影响所研究介质的速度和时间和位置因素密切相关。在不同的时刻、不同位置的液体流速也有所差异。结合上述参数可以建立起管道介质连续方程。在所建立模型的基础上研究负压波沿管道衰减的方程。通过对衰减方程进行分析，当泄漏发生在供水管道的某一处时，泄漏将会在供水管道产生负压波，且分布于供水管道内的负压波将在整个管道内呈现为衰减特性，其在供水管道两端衰减的最为厉害。供水管道内的压力变化与衰减程度与供水管道泄漏点的位置及管道参数所决定。

传统的供水管道泄漏定位采用的是负压波定位算法，位于供水管道两端的压力传感器将所采集到的负压波用于泄漏点的计算，根据供水管道内负压波的速度和两端的时间差即可完成相应位置的定位。负压波算法在短供水管道内能够获得较高的精确性但是由于管道内的负压波传播的速度较快，利用两端压力传感器来确定负压波的时间差难度较大且这一差值也很小，加之负压波在传播的过程中受干扰因素的影响将会对供水管道泄漏点的精确定位产生较为严重的影响。

3 ANPW算法

ANPW算法是基于传统负压波特性的基础上所推演出来的，通过对负压波的传输衰减特性（图1所示）进行分析，发现负压波的衰减幅值与其传输的距离有着极大的关系。相较于传统管道泄漏点定位法， ANPW算法仅仅需要利用對所采集到的信号进行去噪求平均值即可得到供水管道在泄漏前和泄漏后稳定状态的压力差，并借助于相应的公式即可对供水管道泄漏点的位置进行确定。传统定位法所使用的压力信号去噪算法容易造成原始信号的失真，而ANPW算法则主要利用泄漏前和泄漏后的稳定状态平均值作为计算点，有效的解决了传统算法所存在的失真问题，提高了泄漏点定位的精准度。ANPW算法去噪克服了压力信号时域峰值滤波法所带来的信号边界效应与信号曲线不平滑的问题，但是对平稳段的去噪效果明显的得到了加强，并优于其他的算法.小波变换去噪算法是ANPW算法所主要采用的算法. 小波变换去噪算法的应用主要分为三个阶段：（1）对所采集到的压力信号进行分解，通过多级分解获得各尺度上的低频信号与细节信号;（2）对细节信号进行阈值处理;（3）在完成了对于信号的阈值处理后再根据各尺度上的尺度系数和经过阈值处理的细节系数重新对压力信号进行重构用以实现对于压力信号的去噪。除了应用小波变换去噪算法外，EMD算法和时域峰值滤波算法也能够在压力信号去噪方面发挥出良好的效果，其中EMD算法采用的是将原始信号分解为多为本征模态函数的方式，通过信号的分解并获取本征模态函数用以获知压力信号的特性。时域峰值滤波法采用的是大量噪声信号的重构调制，并计算出噪声信号的峰值从而在此基础上估算出该信号的瞬时频率，用以获取所需要的去噪后的压力信号。

4 基于供水管道压力衰减的泄漏点定位算法模拟

在完成了ANPW算法的建立与确定后，需要对所建立的ANPW算法进行模拟验证，通过搭建模拟管道，管道总长约200m，水箱总体积为1m3，蓄水高度为1.2m，管道两端采用MIK-P300型压力传感器（量程为0-0.6MPa，精度为0.1%全量程），在管道两端的压差大于检测值时传感器将会发出报警。模拟供水管道中将位于传感器28m、98m和158m的位置设置三个泄漏点，管道直径50cm，壁厚6mm，管道入口水压为0.35MPa，管道内介质的流动速度为1m/s，压力传感器所采集到的数据接入到示波器上并使用计算机对其进行处理。应用模拟在每个泄漏点重复两次相同的泄漏，并将ANPW算法与传统算法等进行试验对比验证其定位精度。通过模拟测试的结果可以看出ANPW算法和传统算法在不同的情况下均可以检测出泄漏并对泄漏点进行定位，并未发生误报或是漏报，但是在定位精度方面ANPW算法的误差在1.591%以内，而传统算法的误差则在1.672%-3.1%之间，通过比较可以看出传统算法的误差更大。通过多次试验验证了这一准确性。此外，在试验中还发现了算法误差随着泄漏点孔径的增大而减小，即泄漏孔径越大算法的定位准确性也越高。

5 结束语

供水管道密布与城市内，其深埋地下从而对供水管道泄漏点的查找带来了极大的不便，为保障供水安全需要积极做好供水管道泄漏点的定位研究。本文在分析供水管道定位算法的基础上对传统的基于时间差的负压波算法进行了分析介绍，并对负压波算法所存在的不足进行了分析，并在此基础上提出了基于压力差衰减的ANPW算法，ANPW算法是基于负压波特性的基础上所发展出的一种新算法，其主要利用的是负压波的衰减特性并通过良好的去噪处理有效的提高了ANPW算法在泄漏点定位的准确性。从而使得ANPW算法能够在供水管道定位中发挥出良好的效果。

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