船舶液压系统泄漏检测与定位研究.pdf

2 0 1 3年 5月 第4 l 卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S Ma v 2 01 3 V0 1 ． 41 No ． 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 9 ． 0 1 6 船舶液压系统泄漏检测与定位研究 陈子建 一 ，张凯凯 ，王振涛 ，赵华 1 ．总后军事交通运输研究所，天津3 0 0 1 6 1 ； 2 ． 军事交通学院汽车工程系，天津 3 0 0 1 6 1 摘要为提高船舶液压系统泄漏检测的灵敏度和定位精度，减少因环境影响、工况扰动、噪声干扰等引起的故障误报 和漏报 ， 提出一种基于时序分析法的泄漏检测与定位方法。在分析单条管路泄漏检测与定位的基础上，对船舶液压管网的 泄漏检测与定位进行了概述。 关键词 船舶 ；液压系统 ；泄漏 ；检测与定位 中图分类号T P 2 2 0 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 9 0 5 8 4 Re s e a r c h o n Le a ka g e De t e c t i ng a nd Lo c a t i ng f o r S hi p Hy d r a ul i c S y s t e m C H E N Z i j i a n ．Z H A N G K a i k a i ．WA N G Z h e n t a o ．Z H A O H u a 1 ． T h e I n s t i t u t e o f M i l i t a r y T r a n s p o r t a t i o n ，T i a n j i n 3 0 0 1 6 1 ，C h i n a ； 2 ． Mi l i t a ry T r a n s p o r t a t i o n U n i v e r s i t y ，T i a n j i n 3 0 0 1 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T o i mp r o v e t h e s e n s i t i v i t y a n d l o c a t i n g a c c u r a c y o f t h e s h i p h y d r a u l i c s y s t e m’ S l e a k d e t e c t i n g ， a n d r e d u c e t h e f a l s e a nd mi s s e d r e po r t c a us e d b y e n v i r o n me nt a l i mpa c t ，wo r k i n g c o nd i t i o n s a nd n o i s e，t h e d e t e c t i n g a n d l o c a t i n g me t h o d ba s e d o n t i mi n g a na l y s i s me t h o d wa s p r o p o s e d． On t h e b a s i s o f t he a n a l ys i s o f s i n g l e pi p e l i n e， a n o v e r v i e w f o r t he l e a k de t e c t i ng a n d l o c a t i ng o f t he s h i p hy dr a u l i c p i pe n e t wo r k wa s g i v e n． Ke y wor d s S h i p；Hy dr a ul i c s y s t e m ； L e a ka g e； De t e c t i n g a n d l o c a t i ng 液压系统 由于具有 功率质量 比大 、运行平稳 、快 速性好和便于实现 自动化等特点 ，在船舶机械设备中 广泛应用 。 船舶 液压 系统 由于在结构 、功能 间存在复杂 的关 联 、耦合关 系 ，再加上其管路跨度大 、工况多样 、工 作环境恶劣 ，致使系统经 常出现泄漏 。如何 准确判 断 泄漏故障，精确定位泄漏点 ，对提高船舶生命力 、保 证船舶 正常运营具有重要意义。 1 基本思路与方法 系统的故障一般都会反映到系统中的某些观测信 号上 ，采集反 映 系统 状 态 正 常状 态 或故 障状 态 的观测信号，并对其进行分析，从而检测系统的故障 情况，这是基于信号分析 的故 障诊 断方法 的基本 思想 。 时序分析法是对有序 的观测数据进行统计处理 与 分析的一种数学方法。通过时序模型的建立 ，将观测 数据所包含的有关系统运行状态的信息凝聚在为数甚 少的模型参数之 中 ，并 以此构成相应 的判别 函数 ，以 判断系统是否处于故障状态。采用时序分析法进行故 障检测大致包括4个方面的内容特征信号的选择、 模式 向量 的形 成 、判 别 函数 的构 造 和 系统 模 式 的 识别 。 对液压管路来说，当管道上某处发生泄漏时，在 泄漏处将引起瞬态压力突降，形成一个负压波，该波 以一定的速度向管道两端传播，经过若干时间后，分 别传到管段的上 、下游 ，并为上 、下游 的压力变送器 所捕捉 。根据上 、下游端压力变送器所接 收到的瞬态 压力变化及其时间差，就可以对管道的泄漏进行检测 与定位。 2 单条管路的泄漏检测与定位 2 ． 1 特征信号的选择 一 般来说 ，用于泄漏检测 的时序信号的选择应满 足两个条件 1 必须是 可测量 信号 ； 2 对系统 特定 的故 障应 比较敏感 。在船舶液压系统 中，大多数 管道上均有压力测量仪 表 ，而压力测 量信号对 泄漏敏感 ，可用作 时序 信号对管路进行泄漏和 定位 ，作者选择压力梯 度信 号对 泄漏 进行 检 测。图 1 为沿 管道方 向 O 的压 力分 布 曲线，图 中， 为沿管道的坐标， P ， t 为压力分布函数 。 图 1 管道内压力分布 在恒定流动的情况下 ，压力分布与流量之间有如 收稿 日期 2 0 1 2一 o 4 0 3 作者简介陈子建 1 9 8 1 一 ，男，工程师，主要从事船舶动力机械研究。Em a i l c h e n z i j i a n l 1 1 1 s i n a ． C O B。 第 9期 陈子建 等船舶液压系统泄漏检测与定位研究 5 9 下关 系 P 1 一P 2 c o 1一 2 式中c是一个系数，若管道内介质均匀，温度与摩 擦因数均不随管长而变化，则 C为常数 ，管内压力 分布如图 1中实线所示。若在 处出现泄漏，则压 力分布如 图 1中虚线所 示 。 2 ． 2 模 式 向量 的形成 在长度为L的管道上游端及距上游端 处分别 设置压力测点p 1 和p 2 ，在距下游端 处和下 游端 分 别 设 置 压 力 测 点 P 3 和 p 4 。建 立 时 序 信号 P 1 一 P 2 P 3 一P 4 Ax 1 Ax 2 对于恒定 流动来 说 ，理想情 况下 ，在无 泄漏 时 ， z 0 。由于管 内流动过程中总不可避免地存在随机 扰动 ， 实际上是一个随机序列。假定在没有泄漏的 情况下， 是一个均值为0 、方差为6 ； 的服从高斯分 布的平稳随机序列 ，其模型参数向量 口 即为参考模 式向量。当管道发生泄漏时 ， }的模型参数和统 计特征均发生变化 。建立形如下式 的参考状态和待检 状态下 的时间序列 的 A R模 型 1 z 。 z ， eR ．1 、 T ， 2 口 T ， ， f _ J e T ， 式中 i 1 ，2 ，⋯ ， nr r b ；m为 A R模 型 的阶次 ； n m为数据长度 ；a 和 a T ,i分别为参考模型和待检 模型的参数，根据系统在正常状态和待检状态下所观 测到的时间序列用辨识的方法得到；e ， 和 e 分别为 参考模型和待检模型的残差， 其方差分别为 和6 ； ， 由辨识结果和观测数据得到。 2 ． 3判 别 函数 的构 造 在模式识别中，使用最为广泛的是信息距离 - II 0 函数 ，如意塔库拉信息距离、库尔拜克信息距离、库 尔拜克散度距离判别函数等。其中库尔拜克散度距离 判别函数又称 ．， 一 散度距离函数 ，是为解决库尔拜克 信息距离函数不具有对称性而提出来的，其定义为 D J [ p R ， P T ]D [ p R ， P T ]D K [ p T ， P R ] 1 式 中 D K [ p R ，p ] I Ep n ,P T ] { ln 一 1 L 0R 吉 一 a T R 口 一 a T ] } 0 T J 。 [P x ,P n 】 ， [P T ,P R 】 _ { In 耋 -R_ 一 [ 6 ； 口 一 a R R 口 一 口 ] } 其中 E{ e 2} ， E{ e 2 } ， a 口 分别为参考 模式 向量和待检模 式 向量 。 库尔拜克散度距离判别 函数不仅具 有对称性 ，且 还包含参考时间序列和待检时间序列的全部模型参数 和统计特性，因而判别能力优于库尔拜克信息距离 函数 。 2 ． 4泄漏 点的定位 按式 1 计算库尔拜克散度距离判别函数，根 据 D [ P ， P ]的变化 即可检 测 出是 否存在 泄漏 故 障。 当距离 函数值超过规定 的报警 阈值时 ，则认 为管道发 生了泄漏 ，可利用 泄漏后上 、下游端压力梯度 的变化 估计泄漏点的位置 。 在 图 2中 ， 为 泄 漏点 的位 置 ，n和 厂分 别表示正常状态和故障 状 态 下 的 压 力 分 布 ， 为 测 点 P 1 与 P 2 之 间的距 离 ， f 其中a p l ， 卸 l ， 分别表示起始端和末端的压力 梯度 。则有 P 1 一 A P I p 4 ，J A P l [ △P l 。 一 △ p l ， ]P i 1 一 P i 4 一 L A P l 用 a p l 表示 管 道 在 正 常 情 况 下 的压 力 梯 度 ， a p l 表示管道在故障情况下的压力梯度 ，则有 卸 l △ p I △ p l 泄漏点的位置估值为 a p I 一a p l 3 4 L 由于环境的干扰 ，可采用最小二乘法估计泄漏点 的位 置。令 a i a p 1 z 一△ p 。 l ， 4 b a p f 一 △ p f ￡ 则有 b a i x e 6 0 机床与液压 第4 1 卷 泄漏点的最小二乘法估计为 ∑a lb i 1 3 管网的泄漏检测与定位 对于船舶液压系统来说，由于其设备多，管网复 杂 ，在很多情况下，仅对单根液压管路进行信号提 取 ，不足以反映整个系统运行状态和泄漏故障，也不 可能实现对泄漏点的精确定位。 3 ． 1 泄漏检测 对于船舶液压管网系统，当每个端点都安装有压 力传感器时，整个管网至少可采集到3个以上的压力 信号。可以采用单根管路的信号处理方法判断是否出 现 了泄漏 。 一 般情况下 ，如果发生泄漏 ，在每个端点的压力 传感器都会检测出压力下降沿的存在。但是由于实际 中各种因素的影响，如传播中压力信号的衰减 、噪声 的干扰 、传感器工作状态等，有可能使部分端点的压 力传感器检测不出负压波的存在。因此必须设定多 个传感器信号检测一致性的判定准则，即如何根据 每个端点压力信号的检测结果 ，判断管网是否发生 泄漏 。 根据多传感器信息融合理论对于一个容错测量 系统 ，设其传感器总数 为Ⅳ，测量数据维数为 D，发 生故障的传感器数为_厂 ，则 当fN ／ 2 D成立时，系 统能获 得被测量 的一致 性测量 结果 ，且 一致性 结 果 必被包 含在所 有 大 于或 等 于 Ⅳ 一 个 读 数 的交 集 的 并集 中 对 于 图 3所 示 管 线 ，如每个 端点 只安 装 1个 压 力 传 感 器 ， 即 A N 3 ，D 1 ，则 当 f m 1 ，即 有效 检 测 端 点数 大 于 2时 即有 2 以上的端 点检测 到负压 图 3 管网示意图 B C 波 ，就可判定管线是否发 生泄漏 。 如果把每一个端点的负压波检测结果定义为一个 0或 1的二元测量值检测到负压波，测量值定义为 1 ；否则定义为 0 。根据多传感器信息融合理论 ，只 要有 Ⅳ一 为小于 N ／ 2 D的最大整数个信 号结果一致，则可作出0或 l的一致性判断。 3 ． 2 泄 漏定位 当检测到泄漏发生后 ，可根据各个端点压力信号 下降沿开始的时刻，借鉴模式识别的思想进行定位。 首先，在管道上预先设定一些预置点。理论上， 当每个预置点发生泄漏时，将引起各端点的压力下 降，计算出各端点压力下降沿开始的时间，并将各时 间组成一个时间向量 ，称为参考时间向量 。每个预置 点的泄漏都可以看作是一种模式，并对应一个参考时 间向量 。当实际管网发 生泄漏 时，各端点的实测压力 信号出现下降沿，找出各个端点的实测压力信号的下 降沿开始时刻并组成一个时间向量，称为待检时间向 量。将待检时间向量与参考时间向量进行比较 ，当待 检 时间向量和某个预置点所对应 的参考时间向量之 间 的距离最小时，相应的预置点就是定位结果。其具体 的定位算法 如下 。 3 ． 2 ． 1 计算参考时间 向量 设管网共有 m个端点 E ，E ，⋯，E ，将管 网 按等距离设定 n个预置点 s ，．s ，⋯ ，Ls ，相邻 两个 预置点间的距离为 A d 。根据已知的各段管线的长度 和压力波的传播速度 ，可以计算出每个预置点 s ， 泄 漏引起的压力波传播到端点 E 所需的时间 t i 1 ， 2 ，⋯ ，m；7 1 ，2 ，⋯ ，n ，进而可 以计算 出每个 预置点 S j 对应的 m维的参考时间向量 t [ t t ．， ， ⋯ ，t ] 1 ， 2 ，⋯ ，1 1 , 。对 n个预置点 s 。 ， S ，⋯ ，5 ，就可计算 出 个参考 时间向量 t ． ， t ⋯ ，t R ． 。 3 ． 2 ． 2 计算待 检时间向量 泄漏的发生导致各端点出现压力下降。找出所有 m个端点的实测压力信号的下降沿开始的时刻，记为 t i 1 ，2 ，⋯，m ，这样就可得到 由 m个 时间分 量组成的待检时间向量 t [ t ，t ， ，⋯，t ⋯] 。 3 ． 2 ． 3 时 间零点的选 择 在计算参考时间向量和待检时间向量之前 ，指定 一 个端点，将该端点所对应的时间分量作为时间零 点，其他各端点对应的时间分量需要减去该端点对应 的时间分量 时间零点 。 时间零点的选择是很重要的 ，它直接影 响到泄漏 定位 的准确性 。在实际管 网系统 中，每个端点下 降沿 开始 时刻 的计算都会有误 差 ，如果事先选定的时间零 点的误差比较大 的话 ，那么待检 时间向量 中的所有元 素都会有一个较大偏 差 ，从 而影 响定位结 果。为此 ， 引入一个压力信号下降沿开始时刻的计算可靠 的 概念 。 设端点 E 的实测压力信号为 t ，影响 P t 的 下降沿开始时刻计算误差的因素有 3 个 下降沿的幅 度 △ p ，下降沿的持续时问 和测量噪声的标准差 6 。 这 3个量都直接影响下降沿开始时刻的计算可靠度 卸 越大， 越短 ，6 越小，则下降沿开始时刻的计 算误差也就越小；反之，则计算误差越大。定义一个 第 9期 陈子建 等船舶液压系统泄漏检测与定位研究 6 1 量纲为一的值 作为每个端点压力信号的下 降沿开始时刻的计算可靠度的度量，其中 是系统 的采样周期 。 在实际计算中，卸 和 难以直接计算，因此需 要用其他的办法来估算。由 M a l l a t 小波变换的性质知 道 ，小 波 变 换 后 信 号 极 小 值 的 绝 对 值 l m a x p t 1 可以大体上表明下降沿的速度，即 ≠ 的大 小。 对于噪声标准差， 可以 采用发生泄漏 』 d／ 』 前的压力信号的标准差来代替，即 8S t d p t ， 其中P t 表示P t 在下降沿开始时刻之前的部分。 综上所述 ， ／ 3 ，选取 卢 值 最 大 的端点 E ，将 该端 点对 应在两个 时间 向量 中的时 间分量作为时间零点即可。 值越大，表明计算可靠 度越高 。 假设 E 对应于 值最 大 的端点 ，那么 预置 点 S 对应的m一1 维参考时间向量为 t R J [ t l √一t f J ， t 2 √一t z J ， ⋯， t f 一 1 Jt f ， ， t l 1 J t z J ， ⋯ ， f J一 √ J 式 中 1 ，2 ，⋯ ， ；而 m一1 维待检时间 向量为 t [ t 一t ， t 2 ， 一 t ， ⋯ ， t f _ l ， 一 t ， t ⋯ ． 一t b ， ⋯ ， t 一t J 3 ． 2 ． 4 计算向量距离并进行定位 对所有 n个预置点 ，计算其参考时间向量和待检 时间向量的距 离 ，最小距离所对应 的预置点的位置即 为定位结果。 4结束语 由于泄漏所引起的负压波在传输过程中的衰减和 波形失真，也由于管道运行中的工况扰动和系统噪声 的存在 ，给泄漏检测和定位系统性能的提高带来一定 困难。该数学模型既可用于对船舶液压管路进行检 测，也可为其他流体输送管道的泄漏检测与定位提供 借鉴。 参考文献 【 1 】 王桂增 ， 叶昊． 流体输送管道的泄漏检测与定位[ M] ． 北 京 清华大学出版社， 2 0 1 0 ． 【 2 】 杨福生． 小波变换的工程分析与应用[ M] ． 北京 科学出 版社 ， 1 9 9 9 ． 【 3 】陈子建， 雷韵鸿， 何超． 船艇液压设备故障检测诊断测点 优化分析[ J ] ． 装甲兵工程学院学报， 2 0 0 8 8 7 1 7 3 ． 【 4 】葛传虎， 王桂增， 叶昊， 等． 基于广义相关分析的泄漏定 位[ J ] ． 信息与控制， 2 0 0 9 4 1 9 41 9 8 ． 【 5 】张强， 李树荣． 基于小波消噪的管道泄漏定位方法[ J ] ． 计算机测量与控制， 2 0 0 9 5 8 4 38 4 6 ． 【 6 】邓鸿英， 杨振坤 ， 王毅． 基于负压波的管道漏检测与定位 技术研究[ J ] ． 计算机测量与控制， 2 0 0 3 7 4 8 1 4 8 9 ． 上接第 4 2页 一 种仿壁 虎的地面向壁面过渡的步态 ； 3 仿真分析验证了仿壁虎机器人结构设计的 合 理性 以及步态规划方法的有效性和可行性 。 参考文献 【 1 】肖立， 佟仕忠， 丁启敏 ， 等． 爬壁机器人的现状与发展 [ J ] ． 自动化博览， 2 0 0 5， 2 2 1 8 1 8 4 ． 【 2 】X U Z e l i a n g ． A Wa l l c l i m b i n g R o b o t f o r L a b e l i n g S c a l e o f O i l T a n k s V o l u m e [ J ] ． R o b o t i c a ， 2 0 0 2 3 2 0 9～ 2 1 2 ． 【 3 】S p i n y B o t P a g e s [ E B ／ O L ] ． 2 0 0 9 0 7 2 2 [ 2 0 0 9 0 9 0 7 ] ． h t t p ／ ／ b d m 1 ． s t a n f o r d ． e d u ／ t w i k i ／ b i n ／ v i e w ／ R i s e ／ S p i - n y Bo t ． 【 4 】MI Y A K E T， I S H I H A R A H， Y O S H I MU R A M． A p p l i c a t i o n o f W e t Va c u u m b a s e d a d h e s i o n S y s t e m f o r W all C l i mb i n g Me c h a n i s m[ C] ／ ／ I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n Mi c r o - N a n o Me c h a t r o n i c s a n d Hu ma n S c i e n c e ． P i s c a t a w a y ， NJ ， US A I E E E， 2 0 0 7 5 3 25 3 7 ． 【 5 】王田苗， 孟偬， 丑武胜， 等． 仿壁虎机器人的步态设计与 路径规划[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 0 ， 4 6 9 3 23 7 ． 【 6 】阮鹏， 俞志伟， 张昊， 等． 基于 A D A M S的仿壁虎机器人 步态规划及仿真[ J ] ． 机器人， 2 0 1 0 ， 3 2 4 4 9 9 5 0 4 ． 【 7 】 李冰， 汪小华， 于树林， 等． 仿壁虎柔性脚掌结构及控制系 统的研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 1 1 ， 2 2 8 8 9 7 9 0 0 ． 【 8 】黄伟峰， 孙树栋 ， 李琥． 冗余驱动仿壁虎机器人运动学分 析与仿真[ J ] ． 计算机仿真， 2 0 1 0， 2 7 1 0 1 4 01 4 3 ． 【 9 】M C G H E E R B ． S o m e F i n i t e S t a t e A s p e c t s o f L e g g e d L o c o m o t i o n [ J ] ． Ma t h ． B i o s c i ． ， 1 9 6 8 2 6 78 4 ． 【 1 0 】 H I R O S E S ． A S t u d y o f D e s i g n a n d C o n t r o l o f a Q u a d r u p e d Walk i n g V e h i c l e [ J ] ． T h e I n t ． J ． o f R o b o t i c s R e s e a r c h ， 1 9 8 4 ， 3 2 I 1 31 3 3 ． 【 1 1 】 S O N G S M， WA L D R O N K J ． A n A n al y t i c al A p p r o a c h f o r Ga i t S t u d y a n d I t s Ap p l i c a t i o n o n Wa v e Ga i t s 『 J ] ． I n t ． J ． o f R o b o t i c R e s e a r c h ， 1 9 8 7 6 6 0 7 1 ． 【 1 2 】 郑浩峻， 汪劲松， 陈恳． 步行机相交面运动规划[ J ] ． 清 华大学学报 ， 1 9 9 9 ， 3 9 2 4 9 5 3 ． 【 1 3 】M e n g C a i ， Wa n g T i a n m i a o ， G u a n S h e n g g u o ， e t a 1 ． D e s i g n a n d A n aly s i s o f G e c k o l i k e R o b o t 『 J 1 ． C h i n e s e J o u rnal o f Me c h a n i c al E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ， 2 4 2 2 2 4 2 3 6 ． 【 1 4 】 J U S U H A r d i a n ， G O L D M A N D ani e l I ， R E V E E N S h a i ， e t a1 ． A c t i v e T ai l s E n h a n c e A r b o r e al A c r o b a t i c s i n Gec k o s [ J ／ O L ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e N a t i o n al A c a d e m y o f S c i e n c e s ， 2 0 0 8 ， 1 0 5 1 1 4 2 1 5 4 2 1 9 ． h t t p ／ ／ w w w ． p n a s ． o r g ／ c o n t e n t ／ 1 0 5 ／1 1 ／ 4 2 1 5 ． s h o r t ． 【 l 5 】 S a e e d B N i k u ． 机器人学导论 [ M] ． 孙富春， 朱纪洪， 刘 国栋， 等， 译． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 4 2 61 0 3 ．