隧道消防輸水管道泄漏信號增強技術研究

韓 霄,應迪清,汪成立

(1.浙江省交通運輸科學研究院,浙江 杭州 310023;2.浙江大學 光電科學與工程學院,浙江 杭州 310027)

隨著高速公路隧道的快速發展,隧道火災安全保障問題正逐漸受到重視[1]。由于隧道相較于其他路段空間較為封閉和狹小,其出入口較少且相距較遠,因此隧道一旦發生火災,躲避和搶救會存在較大困難,如果不及時控制,極易造成較大的經濟損失和人員傷亡[1-2]。保障隧道消防設施的完好性,既是火災發生后能否得到及時有效撲救的先決條件,也是管理單位的管理職責要求[3-4]。消防輸水管道是隧道中的重要消防設施之一[5],輸水管道的泄漏會給隧道帶來安全隱患。目前公路隧道中輸水管道等消防設施的養護主要依據交通運輸部發布的《公路隧道養護技術規范》(JTG H12—2015)執行,其中規定每1至3個月需要對給水管有無漏水進行1次檢修[6],實際操作中,對輸水管道的泄漏檢測通常采用人工目測的方式,這使得輸水管不僅狀態信息存在一定滯后,而且檢測數據也難以追溯,同時隧道中的來往車輛也會對檢修人員的安全帶來一定隱患。因此,需要研究非人工的、具有較好實時性的輸水管道監測技術來解決上述問題。目前,針對輸水管道的泄漏問題,國內外學者已經提出了多種監測技術[7-12]。林天翔等[13]于2021年研究了一種利用輸水管道泄漏引起的振動信號振幅變化來對泄漏進行長期連續監測的技術,該技術通過安裝在管道內的水聲檢波器來獲得泄漏源的振動信號,在減少環境因素影響等方面具有一定的優勢和可行性。然而,采用該技術的過程中,非泄漏狀態下輸水管道本身存在的振動信號背景噪聲會給泄漏的檢測帶來一定的干擾[13]:一方面,對于較小的泄漏孔引起的微弱的振動信號幅度變化很可能被淹沒在背景噪聲中,從而造成對泄漏狀態的漏檢;另一方面,背景噪聲幅度往往會受環境等各種因素的干擾而發生長期波動,這不僅有可能造成泄漏狀態的漏檢,還有可能引起非泄漏狀態的誤判。另外,該技術通常需要在恒定水壓條件下實施,這就需要水泵長期頻繁工作,一定程度上增加了水泵損壞的概率。因此,要實現這種輸水管道泄漏監測技術的真正應用,需要通過深入研究對該技術進行進一步完善。

針對上述情況,筆者在林天翔等[13]的研究基礎上,進一步提出一種泄漏信號增強技術。該技術利用了水泵啟動加壓開始和結束時兩種狀態下輸水管道的水壓差,通過監測兩種狀態下的振動信號幅度差的改變量來實現對泄漏的判定。由于該技術檢測的項目是振動信號幅度差,因此在一定程度上減少了背景噪聲幅度的長期波動對檢測結果的影響。同時,該技術通過對水壓差的優化增大了泄漏信號的強度,從而最終提升檢測信號的信噪比。筆者首先通過理論推導說明了該技術的基本原理;然后通過數值仿真對該技術的特性進行了分析,根據該技術的特點提出了實現算法;最后通過數值仿真對算法進行了論證。

1 基本原理

筆者研究的隧道消防輸水管道系統的基本框圖如圖1所示,該系統主要由輸水管道、消防栓、水泵、控制系統和氣壓罐5部分組成[14]。

圖1 隧道消防輸水管道系統Fig.1 System of tunnel fire pipeline

隧道中的輸水管道每隔一定的長度安裝一個消防栓,從而將整個隧道的輸水管道分成了多個等長度的區域。為了監測輸水管道的振動信號,在每個消防栓附近的輸水管處安裝一個振動傳感器,每段輸水管對應了一個振動傳感器,從而實現對輸水管道振動信號的分段區域的分布式監測。

水泵用于當輸水管道中的水壓低于所設置的最小值時提供所需要的水壓,氣壓罐用于使輸水管道中的水壓在一定范圍內緩慢變化,從而減少水泵的頻繁啟動[14]。為了實時獲得輸水管道中的水壓,在水泵出口段的輸水管處安裝了壓強傳感器。在實際水泵工作過程中,控制系統預先設定水壓的最大值與最小值,壓強傳感器監測到的水壓信號將反饋傳輸給控制系統,當水壓低于預設最小值時,控制系統將控制水泵開始供水加壓,直到壓強傳感器監測到的水壓達到預設最大值時,控制系統將控制水泵停止供水加壓[14]。整個隧道消防輸水管道系統正是通過上述方法保證水壓滿足要求。

當輸水管道發生泄漏時,泄漏聲功率[13]計算式為

(1)

式中:v為水流泄漏速度;ρ為泄漏孔處水流密度;ρ0為水流初始密度;C0為隧道所在地聲速;l為泄漏孔尺寸;K為比例系數;n為6～8的常數。假設水流密度及隧道所在地聲速為定值,泄漏聲功率[13]計算式為

PW=λvnS

(2)

式中:λ為常數;S為泄漏孔面積。根據伯努利方程[15-17],假設筆者研究的消防輸水管道泄漏為小孔泄漏問題[18],泄漏聲振幅A[13]計算式近似為

(3)

式中:μ為常數;p為輸水管運行壓強。將n設定為6.4,可以得到泄漏聲振幅A計算式[13]為

A=Gp1.6S0.5

(4)

式中G=(λ/μ)0.5(2/ρ)1.6為常數。為了簡化分析,將泄漏聲振幅對參數G進行歸一化,得到歸一化泄漏聲振幅A′計算式為

(5)

根據式(5),A′的單位為N1.6/m2.2。實際系統中,當壓強傳感器監測到輸水管運行壓強p小于最小設定壓強p0時,水泵啟動并對輸水管道開始加壓。為便于分析,假設水泵剛啟動時的初始壓強為p0,且啟動后壓強隨時間t線性增加,因此水泵啟動后的輸水管道運行壓強計算式為

p(t)=p0+kt

(6)

式中:k為水泵加壓條件下單位時間的輸水管道壓強增加系數。假設當p達到最大設定壓強pset時,水泵停止工作。根據式(5,6),水泵從開始啟動加壓直到達到最大設定壓強pset的過程中,歸一化泄漏聲振幅隨時間的變化可以表示為

(7)

由式(7)可以發現:在水泵啟動加壓過程中(即t<(pset-p0)/k),當沒有泄漏,即S=0時,泄漏聲振幅理論上恒為0,泄漏聲振幅將不隨時間發生變化;然而,當存在泄漏,即S≠0時,泄漏聲振幅將隨時間變化而發生變化。筆者利用這一特性提出輸水管道泄漏監測技術。

2 泄漏聲振幅特性

為了分析水泵啟動加壓過程中泄漏聲振幅信號的特性,在不同情況下對歸一化泄漏聲振幅信號特性進行仿真。根據式(7),通過仿真得到的不同泄漏孔面積下A′隨時間的變化關系情況如圖2所示。仿真中的泄漏孔面積S分別設為2,4,8,14,18 mm2。其他仿真參數:p0=0.3 MPa;pset=0.5 MPa;k=0.005 MPa/s。根據仿真結果可以得到:當水泵剛開始加壓時,A′隨S的增大而不斷增大;在水泵加壓的過程中,A′會隨時間不斷增大,呈現出一個近似斜波信號的特征,且該斜波信號的斜率隨S的增大而不斷增大;當水壓達到最大設定壓強pset后,A′將保持恒定不變,且恒定后的A′隨S的增大而不斷增大。

圖2 水泵啟動加壓過程中A′隨時間的變化Fig.2 Variation of A′ under process of pumping

設水泵剛啟動加壓時的歸一化泄漏聲振幅信號為A′0,且該振幅信號對應最小設定壓強p0;設水泵剛停止加壓時的歸一化泄漏聲振幅信號為A′set,且該振幅信號對應最大設定壓強pset;設Δpset=pset-p0為設定的最大水壓和最小水壓的差。根據式(7),歸一化泄漏聲振幅信號在水泵加壓前后的改變量ΔA′計算式為

(8)

根據式(8),仿真得到的不同Δpset條件下ΔA′隨S的變化關系情況如圖3所示。仿真中Δpset分別為0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 MPa;p0為0.3 MPa。由圖3可知:當S=0時,即未發生泄漏的情況下,ΔA′為0;當S≠0時,即發生泄漏的情況下,ΔA′會隨S和Δpset的增大而不斷增大。根據上述特性,筆者提出可以通過檢測ΔA′對輸水管道的泄漏情況進行監測。

圖3 ΔA′隨S的變化關系Fig.3 Relationship between ΔA′ and S

參考林天翔等[13]在恒定水壓下通過監測振動信號幅度的變化來實現泄漏監測的研究方法,為了將該方法與筆者方法進行對比,對恒定水壓下的振動信號特性進行分析。設pn=(p0+pset)/2為最小和最大設定壓強的中間值,并假設在水壓恒定為pn的條件下對振動信號幅度進行監測。根據式(5),通過仿真得到的不同Δpset條件下A′與S之間的關系情況如圖4所示。仿真中Δpset分別為0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 MPa;p0為0.3 MPa。當S=0時,即未發生泄漏的情況下,A′為0;當S≠0時,即發生泄漏的情況下,A′會隨S和Δpset的增大而不斷增大。上述特性與林天翔等[13]的研究結果一致。

圖4 水壓恒定條件下A′與S之間的關系Fig.4 Relationship between A′ and S under constant water pressure

對比圖3,4的仿真結果可以發現:一方面,當Δpset取一定值時,在同樣的泄漏孔面積條件下,ΔA′信號會大于A′信號,例如,當Δpset=0.6 MPa時,泄漏孔面積S同樣是16 mm2的條件下,ΔA′約為1.1×107N1.6/m2.2,而A′僅約為7.0×106N1.6/m2.2,因此筆者方法通過適當選取Δpset可以獲得更強的泄漏信號,這有助于提高檢測靈敏度;另一方面,采用恒定水壓監測的方法,通常需要水泵根據水壓傳感器的反饋信號頻繁工作,這容易造成水泵的損壞,而在筆者方法中,水泵僅在水壓下降到預設最小值時才啟動,從而減小了水泵長期頻繁工作引起疲勞損壞的概率。

為了進一步討論Δpset對上述ΔA′相對于A′信號增強程度的影響,根據式(5)和式(8)可以得到信號放大率r的表達式為

(9)

根據式(9),通過仿真得到當p0取不同值時r與Δpset之間的關系,具體情況如圖5所示。仿真中:p0分別取0.2,0.3,0.4,0.5,0.6 MPa。由圖5可以發現:在一定p0條件下,r隨Δpset的增大而增大,并不斷逼近3;要使r大于1,Δpset需要大于一定值,且該值隨p0的增大而增大,例如,當p0分別為0.2 MPa和0.6 MPa時,Δpset分別需要大于約0.19 MPa和0.55 MPa才能滿足r大于1。因此,在實際系統中,可以通過優化p0和Δpset的方法實現監測信號的增強,且筆者方法相較于林天翔等[13]的方法可將信號放大到接近3倍,從而提高監測信號的信噪比。

圖5 不同p0時r與Δpset之間的關系Fig.5 Relationship between r and Δpset under different p0

3 泄漏監測算法

3.1 算法原理

基于上述振幅信號特性的理論分析結果,可以構建輸水管道泄漏的監測算法,具體如圖6所示。圖6算法包括狀態觸發模塊、振幅算法模塊以及泄漏判定模塊,該算法可以針對某1個振動傳感器的振動信號實現對泄漏的判定。根據圖1所示的系統,由于每段輸水管對應了1個振動傳感器,因此對每個傳感器的輸出振動信號實施筆者算法可以實現分布式監測,從而確定泄漏點位于哪一段輸水管。

圖6 泄漏監測算法Fig.6 Algorithm for leakage detection

3.1.1 狀態觸發算法模塊

狀態觸發算法模塊用于發送水泵的工作狀態指令。水泵工作狀態分為啟動前準備、啟動加壓以及結束加壓。

當水泵剛開始進入啟動前準備狀態時,狀態觸發算法模塊向振幅算法模塊和泄漏判定模塊發送啟動加壓準備指令1;當水泵剛進入啟動加壓狀態時,狀態觸發算法模塊向振幅算法模塊和泄漏判定模塊發送啟動加壓指令2;當水泵剛進入結束加壓狀態時,狀態觸發算法模塊向振幅算法模塊和泄漏判定模塊發送結束加壓指令3。將發送指令1和2的時間間隔設定為tp。

3.1.2 振幅算法模塊

當收到狀態觸發算法模塊發送的指令1時,振幅算法模塊開始對輸入的振動信號以Δt作為時間間隔進行采樣,并以T作為一個振幅提取周期。在每一個振幅提取周期T中,采用比較法獲得采樣得到的振動信號的最大值與最小值,并將最大值減去最小值,從而得到每一個周期T的振幅,并將各周期T的振幅進行存儲。

當經過時間tp,收到狀態觸發算法模塊發送的指令2時,振幅算法模塊停止對振動信號的采樣以及每一個周期T的振幅的計算,改為計算在tp時間段中所存儲的振幅平均值Av1,并將該值發送給泄漏判定算法模塊。

當收到狀態觸發算法模塊發送的指令3時,振幅算法模塊又重新開始采樣輸入的振動信號,同時計算并存儲振幅數據(如接收到指令1時的算法);當經過時間tp后,計算存儲的振幅平均值Av2,并將該值發送給泄漏判定算法模塊。

3.1.3 泄漏判定算法模塊

泄漏判定算法模塊用于判定泄漏狀態。當收到狀態觸發模塊發送的指令1時,泄漏判定算法模塊進入準備狀態,并對相關寄存器進行清零。當收到振幅算法模塊發送的第1個振幅平均值Av1后,將該值存儲在寄存器R1中;當收到振幅算法模塊發送的第2個振幅平均值Av2后,將該值存儲在寄存器R2中。最后計算得到Av1與Av2之差,并與判定閾值Ath進行比較。當兩個平均值之差大于或等于Ath時,判定為泄漏;當兩個平均值之差小于Ath時,判定為正常。

3.2 算法仿真

為了驗證上述算法的效果,通過數值仿真進行驗證。實際系統中,振動信號會存在背景噪聲[13],為了便于分析,假設背景噪聲為正態分布隨機信號。仿真中,以水泵剛進入啟動前準備狀態的時刻作為0時刻,因此歸一化振動信號V可以表示為

V=Mv(t)

(10)

(11)

式中:v(t)為均值是0且標準差是1的關于時間t的標準正態分布隨機函數;B為振動信號背景噪聲的歸一化幅度。

根據式(10),不同泄漏孔面積下的歸一化振動信號如圖7所示。圖7(a～h)分別為泄漏孔面積S取18,14,8,5,4,2,1,0 mm2時的振動信號。仿真參數如下:p0=0.3 MPa;pset=0.5 MPa;k=0.005 MPa/s;tp=10 s;B=3×106N1.6/m2.2。圖7中:在0～10 s,水泵處于啟動前準備狀態;在10～50 s,水泵處于啟動加壓狀態;在50～60 s,水泵處于結束加壓狀態。由圖7可知:振動信號幅度總體上隨著S的減小而不斷減小;在水泵處于啟動加壓的過程中,振動信號幅度存在不斷增大的變化過程,且該過程隨著S的減小而變得不明顯。

圖7 振動信號Fig.7 Vibration signal

采用3.1節所述的算法構建仿真模型對圖7的振動信號進行狀態判斷得到表1所示結果。仿真參數如下:Δt=1 ms;T=100 ms;Ath=3×106N1.6/m2.2。由表1可知:當S≥4 mm2以及無泄漏的情況下,可以得到正確的判定結果;然而,當S=2 mm2和1 mm2時,出現了錯誤的判定結果。這主要是由于泄漏孔面積減小到一定程度時,根據上述算法得到的振幅在水泵加壓前后的改變量會小于判定閾值Ath,因此將泄漏誤判為正常。

表1 算法判定結果(Ath=3×106 N1.6/m2.2)

為了提高泄漏判定的準確率,在算法仿真模型中將Ath減小到1.5×106N1.6/m2.2,得到表2所示判定結果。由表2可以發現:判定結果全部正確,因此減小Ath有助于提高泄漏狀態下的判定準確率。

表2 算法判定結果(Ath=1.5×106 N1.6/m2.2)

根據上述分析結果,進一步將算法仿真模型中的Ath減小到1.5×105N1.6/m2.2,得到表3所示的判定結果。不同于表2的結果,表3中雖然在泄漏情況下都能得到正確的判定結果,但是在無泄漏的情況下,算法會有一定的誤判概率。這主要是因為在無泄漏的情況下存在隨機噪聲,所以振幅在水泵加壓前后的改變量與判定閾值Ath的大小關系具有不確定性。

表3 算法判定結果(Ath=1.5×105 N1.6/m2.2)

根據上述分析結果,Ath過大會引起小面積泄漏孔的漏判;而Ath過小會引起無泄漏情況的誤判。因此,在系統中需要根據實際合理設置Ath,以提高判定的準確率。

4 結 論

對水泵啟動加壓過程中的輸水管道泄漏振動信號特性進行了深入研究,提出了利用水泵加壓前后振動信號幅度差來監測輸水管道泄漏的方法,以提高有用信號的信噪比。理論研究結果表明:相較于已有的利用恒定水壓條件下振動信號的技術[13],筆者提出的技術在一定條件下可將泄漏信號強度增大到近3倍。同時,提出了該技術的具體實現算法,仿真分析結果顯示:振動信號幅度差判定閾值的合理選取有助于降低對泄漏狀態的漏判率以及對非泄漏狀態的錯判率,筆者所提出的監測技術可有效提升隧道消防輸水管道的泄漏檢測靈敏度。