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测试系统与组件 电 子 测 量 技 术 EL ECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY 第31卷 第7期 2008年7月 基于地震波的油气管道安全监测 汪向阳 陈世利 天津大学精密仪器及光电子工程学院 天津 300072 摘 要针对目前广泛存在的油气管道受到人为破坏的问题,本文提出了通过对管道周围的人、 车辆等发出的震动信 号进行采集,对信号特征进行分析,从而对目标进行分类识别,并根据信号到达各传感器的时间差通过三角定位原理 实现对入侵目标的空间定位以及对目标的运动轨迹进行监测,从而对管道安全构成威胁的行为进行早期监测、 定位和 预警。 关键词管道;地震动信号;预警;三角定位 中图分类号 TP274. 2 文献标识码 A Security inspection of oil and gas pipeline based on earthquake wave Wang Xiangyang Chen Shili College of Precision Instrument and Opto2electronics Engineering , Tianjin University , Tianjin 300072 Abstract Aiming at the man2made destructive problem on oil pipelines , this paper proposes that is to collect seismic signals and make analysis into its characteristics , working out classified identification on them. Based on triangle location principle , this can identify the interspaced location and monitor the track of the targetπs movement by analyzing time of the signalπs arrival to these sense organs , finally make early monitor , localization and advance alarm of the threats to pipelineπs safety. Keywords pipeline; seismic signals; advance alarm; triangle location 0 引 言 原油泄漏会造成巨大的经济损失和环境污染,近年 来我国的油气管道严重受到以盗窃为目的的破坏,对输 油管道由于人为破坏造成的原油泄漏进行检测,已经成 为减少输油系统经济损失以及减轻环境污染的一个极其 重要的手段。目前常规的和常用的泄漏检测一般只能在 事后对泄漏进行检测和定位,不能在管道安全受到威胁 或者正被破坏而尚未造成损失时就及时发现并准确定位, 这就需要对输油管道周围目标的活动进行实时监测。因 此目前对油气管道进行的泄漏检测工作也由原来单纯检 测泄漏发展到对管道安全监测预警技术的研究,它能够 对管道安全构成威胁的行为进行早期的监测、定位以及 预警,对管道安全运营具有重要意义。 1 系统工作原理及结构 111 工作原理 目标在地面上运动时对地面施以一定的激励,这种 激励会引起地球介质的变形,在地球介质中传播即形成 地震波动信号,本文就是通过对地面运动目标所产生的 地震弹性波的分析,从而确定引起地震动目标的性质。 按照介质质点运动的特点和波的传播规律,地震波可以 分为体波和面波2大类,其中面波又分为瑞雷波和乐夫波 2种,研究表明当震源位于地表时,瑞雷波由于具有能量 较强、在自由表面传播且距离较远等特性更适合于远距 离地面运动目标探测与识别的,设置在一定远处的地震 动传感器可以检测并采集到此信号 [1] 。地面目标激励产生 的震动信号,主要受到目标质量、运动状态、与传感器 的距离以及地质条件等因素的影响。 管道安全监测系统主要是监测管道周边的地面目标, 例如人、车辆等活动目标的情况,并且能够根据传感器 检测到的信号经过预处理、特征抽取、分类识别等区分 目标类别及其活动情况等,根据信号产生的不同时间和 警戒等级判断目标行动对管道安全的影响,这样能够在 可能的破坏产生之前进行防范和预警。 112 系统结构 为了能够有效的采集地震动信号,地震波检测预警 系统由多个传感器组组成,每个传感器组有各自的处理 单元,其结构如图1所示。 在各种各样的测控领域中,传感器所测得的信号通 常是用导线进行传输的。因此不得不通过铺设电缆将采 集的数据传送到远在几公里,甚至几十公里的数据管理 中心。这种传输方式常常会带来电磁干扰和信号衰减。 另外铺设专用电缆的造价太高,长时间的存在地下会使 121 第31卷电 子 测 量 技 术 图1 传感器组处理单元 线路的自检和维护等带来巨大的困难,因此本系统采用 无线收发的模式,不仅克服了以上缺点,还大大提高了 传输的速率 [2] 。整个系统的结构如图2所示。 图2 系统结构 113 目标识别与定位原理 将采集到的地震动信号经过LabVIEW处理后可以获 取信号的特征,通过对信号的振幅以及频率等特征的分 析可以对目标进行分类识别 [3] 。 在对目标进行定位时采用三角定位的原则 [425] ,通过 对目标特征频率出现时间的判断,就可以得出目标产生 的地震动信号到达各探测传感器的时间差值,利用此差 值就可以对入侵目标进行定位 [6] ,定位系统原理如图3 所示。 图3 三角定位原理图 图中S1,S2,S3为传感器组中处于正三角形顶点的 传感器,传感器间距离为l,M为检测目标。在如图所示 的直角坐标系中,各点的坐标分别为S1 - l/ 2 ,- 3l/ 6 ,S2l/ 2 ,-3l/ 6 ,S3 0 , 3l / 3 。震源到 各传感器的距离分别为d1,d2,d3。据图有 x l 2 2 y3l / 6 2 d1 2 x- l 2 2 y3l / 6 2 d2 2 x 2 y-3l / 3 2 d3 2 1 假设地震波在地表介质中匀速直线传播,设速度为v, 震源到达传感器的时间分别为t1,t2和t3,则有以下关系 d1-d2 t 1-t2vΔt12v d1-d3 t 1-t3vΔt13v d2-d3 t 2-t3vΔt23v 2 式中Δt12,Δt13,Δt23为地震波信号到达各传感器的时间 差,由信号的特征分析可以得出。又根据图1可得方 程组 x rcosθ y rsinθ 3 方程组1经过泰勒展开并与方程组 2 , 3联 立可以得出目标对象的定向和定位公式 tanθ 3 3 Δt13Δt23 Δt12 r 3l 2cos θsinθ 6 lcosθ-Δt12v 4 对目标对象在运动过程中产生的地震波信号进行连续 采集,对目标对象在运动过程中产生的多个信号分别进行 处理并根据方程组4计算出产生各个信号时目标的空间 位置,从而实现对目标对象的运动轨迹进行监测 [7] 。 2 实 验 根据提出的算法采用该系统进行实验对数据进行采 集和处理,实验中,在自然土质路面放置多个传感器采 集信号多个传感器采集信号有利于提高信号的信噪 比 , 传感器采用地震波传感器,根据所采集的信号的频 率的分布情况,选择了北京合康科技有限公司的GS2 20DX传 感 器如 图4所 示 , 其 频 带 范 围 为8～ 1 500 Hz ,能有效地采集到所需要的信号 [8] 。 图4 GS220DX传感器 在实验中,为了获得较好的信号,传感器的安置必须 与地面耦合好,必须将传感器尽可能正、直、紧的安置在 地表中 [9] 。通过LabVIEW对地震动信号进行采集和处理。 221 汪向阳 等基于地震波的油气管道安全监测第7期 对采集的3路信号通过LabVIEW进行相关运算可得出3 路信号到达传感器的时间差,通过式4可对目标对象进 行定位。由于不同目标产生的信号的特征频率的范围是不 同的,可以通过对采集到的信号的特征进行分析从而对目 标对象进行分类识别 [10] 。例如图5为经过处理的单个传感 器接收到的人在草地行走的信号及其频谱。 图5 经过处理后的脚步信号及其频谱 表1为对所测信号分析所得的不同对象的频率分布情 况,其中人离传感器组的距离为3～6 m ,车离传感器组 的距离为30 m左右。 表1 目标信号频谱分析 对象峰值所在范围/ Hz振幅 环境噪声5～3020～30 人 草地行走5～3030～50 硬地行走15～2530～50 草地跑动10～40100～200 车 小车匀速5～3020～35 小车变速5～15140～160 大车变速60～70300～400 在实验中,采取多个传感器可以提高信噪比,改变 传感器相互间得距离以获得最好的试验效果,结果分析 相互距离在015～2 m时效果较好。 预警系统的预警范围受环境噪声的影响非常大,当 环境噪声很大的时候,正确预警的范围只能达到2～3 m , 当在非常安静的环境条件下,正确预警的范围能达到 70～90 m甚至更大。 目标对象产生的信号的频谱分析的峰值所处位置与 目标对象和传感器之间的距离有关,如表2所示实验采 取单传感器,人员在硬地上行走。 表2 信号与目标和传感器距离的关系 目标与传感器距离/ m峰值/ Hz 5～15大于35 1060 大于30小于30 小于3小于35 3 结 论 针对我国目前油气管道所面临的遭受人为的严重破 坏的问题,提出油气管道地震波检测预警系统,在系统 中,通过对目标信号的特征进行分析从而对目标对象进 行分类识别,通过LabVIEW计算出震源所产生的信号到 达各传感器的时间差通过三角定位原理可以确定目标对 象的空间位置。通过对实验数据的分析表明本文所提的 方法可行。但是由于在三角定位原理的公式推导中采取 了近似的推导,而且许多前提条件都是假设为理想状 况 [11] ,另外,地质、环境等对信号的影响也很大,因此 研究工作还有待进一步深入。 参 考 文 献 [1] 朱继南,张元寿,聂伟荣1 多层介质中瑞雷波传播 的数学模型[J ]1 南京理工大学学报, 2000 , 24 6 5102514. [2] 刘光,姚远1 无线测控系统[J ]1 无线测控系统, 2005 , 5 58259. [3] 蓝金辉,李虹,周兆英.目标地震动信号的特征提取 及识别研究[J]1 振动与冲击, 2001 , 20 4 42244. [4] 张卫平,王伟策1 任意形状三阵元平面声被动目标 定位分析[J ]1 探测与控制学报, 2003 , 25 3 54257. [5] 冯刚,景占荣,陈长兴,等1 三角定位测量参数选择 研究[J ]1 电子测量技术, 2007 , 30 6 29232. [6] 王国涛,王东进,陈卫东.一种改进的距离差定位 算法[J ].系统工程与电子技术, 2005 , 27 1 1242126. [7] 余静,游志胜.自动目标识别与跟踪技术研究综述 [J ].计算机应用研究, 2005 , 22 1 12215. [8] 刘光林,刘泰生,高中录.地震检波器的发展方向 [J ].勘探地球物理进展, 2003 , 26 3 1782185. [9] 边环玲,楚泽涵,封锡强.地震检波器与地表耦合 问题探讨[J ].石油仪器, 2001 , 15 3 527. [10] 聂伟荣,朱继南,夏虹.地面运动目标分类的模式 特征与评价[J ].探测与控制学报, 2002 , 24 3 25228. [11] 段继琨,陈国冲.三角定位偏差估算[J ].舰船电 子对抗, 2006 , 29 4 12215. 作 者 简 介 汪向阳,男, 1983年4月出生,硕 士研究生,主要研究方向为油气管道安全 监测。 E2mail wang2xiang2yang 163. com 321