基于逐步回归法的泵站输水管道压力监测技术

王 辉

（东莞市水利勘测设计院有限公司，广东 东莞 523115）

1 基于逐步回归法的泵站输水管道压力监测技术设计

1.1 流体流动的计算和模拟

通过计算结构动力学系统对泵站输水管道进行建模，以对其进行流体流动的计算和模拟[1]。在建模过程中基于逐步回归法对各个最优变量进行引入：每个解释变量被引入后都要对其实施F检验，对于被选的解释变量，则需要逐个对其实施t检验。当被选的解释变量在后面继续对解释变量进行引入的过程中变得不够显著则对其进行删除处理，确保对新变量进行引入时回归方程里只有显著性变量[2]。反复实施该过程，直到回归方程里没有可选入的显著解释变量，也没有可剔除的不够显著的解释变量，获取拥有最优解释变量集的回归方程，通过该回归方程在建模过程中对各个最优变量进行引入。计算结构动力学系统具备高效分析数据结构与内存动态分配的功能，并且在建模网格的后处理与预处理方面灵活性很强[3]。计算结构动力学系统共包括3个模块，各模块功能见表1。

利用计算结构动力学系统进行泵站输水管道流体流动计算和模拟，过程见表2[4]。

表1 各模块具体功能

表2 流体流动计算和模拟过程

1.2 数据采集与分析

通过输水管道数据采集系统进行泵站输水管道数据采集，该系统的具体构成包括连接电缆、计算机、水听器分析仪、水听器，技术指标见表3[5]。

表3 技术指标

通过多道信号与光纤水听器的相关分析软件实施采集数据分析，该软件具备振动监测、检测、勘探功能，能够进行滤波处理、振幅分析处理、频谱分析处理、波形分析处理[6]。通过傅里叶变换对采集数据实施滤波处理。

1.3 实现输水管道压力监测

通过光时域相敏反射计的布设对由外界振动而引起的光纤折射率变化进行检测，布设的光时域相敏反射计与其他结构共同构成一个Φ-OTDR 系统，实现泵站输水管道压力监测，其中对光时域相敏反射计进行布设需要根据采集的数据来进行[7]。光时域相敏反射计是一种频移低、线宽窄的激光器，线宽处于几个千赫之内。Φ-OTDR系统的光纤传感光源为脉冲窄带光源，其压力监测原理见图1[8]。

图1 压力监测原理

Φ-OTDR 系统具体构成包括光时域相敏反射计、环形器、信号处理器、解调器。Φ-OTDR 系统主要通过光时域相敏反射计对连续光进行输出，接着利用解调器实施调制，把连续光变成脉冲探测光并向环形器输入，经过环形器后脉冲探测光最终进入待测光纤[9]。此时由于被测光纤在各处存在不同的折射率，会发生瑞利散射情况。后向瑞利散射光会通过环形器流向信号处理器。通过信号处理器能够把时域光信号变为时域电信号，然后通过计算机对数据文件进行输出[10]。只需最后进行数据监测就能够实现泵站输水管道压力监测[11]。通过Φ-OT⁃DR 系统监测仪实现输水管道压力监测，该监测仪的参数见表4。

表4 监测仪的参数

Φ-OTDR 系统的测量信号见图2[12]。

图2 Φ-OTDR系统的测量信号

在利用Φ-OTDR 系统进行泵站输水管道压力监测的过程中，Φ-OTDR 系统的动态范围的计算公式为：

式中：R 为Φ-OTDR 系统的动态范围；g 为传输损耗；Ps(0)为信号处理的对应信噪比；Pn为接收灵敏度[13]。

压力监测过程中Φ-OTDR 系统的空间分辨率计算公式为：式中:Δz为Φ-OTDR 系统的空间分辨率；c为真空中光的速度；Tp为探测脉冲的具体宽度；ηs为群折射率[14]。

2 监测实验

2.1 方法设计

为证明基于逐步回归法的泵站输水管道压力监测技术的性能，对其进行实验验证。搭建实验管道系统，对其实施压力监测实验。实验输水管道的数据见表5。

表5 实验输水管道的数据

实验管道系统在不同工况下流量与压力的变化情况见表6。

表6 实验管道系统在不同工况下流量与压力的变化情况

实验管道系统由温度传感器、数字压力高精度传感器、一体式智能电磁流量计、双闸板单作用气动闸阀、化工石油流程泵、蓄水池构成（见图3）。

图3 实验管道系统构成示意图

实验管道系统相关指标见表7。

表7 实验管道系统具体数据

实验管道系统的安装图见图4。

图4 实验管道系统的安装图

利用设计的基于逐步回归法的泵站输水管道压力监测技术对实验管道系统进行输水管道压力监测。以采集点为300～500个范围内的监测差分幅值波动幅度数据作为实验数据。为避免本次实验结果过于单一、缺乏对比性，将原有的两种技术（分别为基于数值模拟方法、基于卡尔曼滤波器的泵站输水管道压力监测技术）作为实验中的对比方法，比较几种实验技术的监测差分幅值波动幅度实验数据。

2.2 结果研究

在采集点为300～400 个的范围内，基于逐步回归法的泵站输水管道压力监测技术与基于数值模拟方法、基于卡尔曼滤波器的泵站输水管道压力监测技术的监测差分幅值波动幅度实验数据对比结果见图5。

图5 监测差分幅值波动幅度实验数据对比结果（采集点为300～400个）

由图5 可知，基于逐步回归法的泵站输水管道压力监测技术的监测差分幅值波动幅度均高于基于数值模拟方法、基于卡尔曼滤波器的泵站输水管道压力监测技术的监测差分幅值波动幅度，能够更迅速地对泄漏处进行定位。

在采集点为400～500个的范围内，基于逐步回归法的泵站输水管道压力监测技术与基于数值模拟方法、基于卡尔曼滤波器的泵站输水管道压力监测技术的监测差分幅值波动幅度实验数据对比结果见图6。

图6 监测差分幅值波动幅度实验数据对比结果（采集点为400～500个）

由图6可知，基于逐步回归法的泵站输水管道压力监测技术的监测差分幅值波动幅度均高于基于数值模拟方法、基于卡尔曼滤波器的泵站输水管道压力监测技术的监测差分幅值波动幅度，同样能够更迅速地对泄漏处进行定位。

3 结语

基于逐步回归法的泵站输水管道压力监测技术实现了监测差分幅值波动幅度的提升，对于供水系统安全性的提升有较大意义。